新型水溶性咪唑基硅量子點(diǎn)制備及用于果蔬中痕量銅的熒光檢測(cè)

王佳佳連曼熊杰李在均*，2

(江南大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院1，食品膠體與生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2，無錫214122)

新型水溶性咪唑基硅量子點(diǎn)制備及用于果蔬中痕量銅的熒光檢測(cè)

王佳佳1連曼1熊杰1李在均*1，2

(江南大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院1，食品膠體與生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2，無錫214122)

硅量子點(diǎn)因其極佳的親生物性和光學(xué)性能成為納米材料新寵，但傳統(tǒng)硅量子點(diǎn)水溶性差限制了它的廣泛應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)以三甲基硅咪唑?yàn)楣枨膀?qū)體采用水熱法制備水溶性咪唑基硅量子點(diǎn)。相對(duì)于硼氫化鈉、抗壞血酸、牛血清蛋白、半胱氨酸和檸檬酸，檸檬酸鈉作為還原劑和穩(wěn)定劑制得的硅量子點(diǎn)熒光發(fā)射最強(qiáng)。合成反應(yīng)于220℃下可在2 h內(nèi)完成，所制備的硅量子點(diǎn)水溶性好，平均粒徑為2．6 nm，紅外分析證實(shí)其表面存在游離的咪唑基。研究表明，硅量子點(diǎn)能與銅離子相互作用導(dǎo)致熒光強(qiáng)度的明顯下降?？疾觳煌瑴囟认翪u2+對(duì)硅量子點(diǎn)熒光的猝滅行為，發(fā)現(xiàn)熒光猝滅程度隨溫度升高而增大。這說明熒光下降屬于靜態(tài)猝滅，即Cu2+與硅量子點(diǎn)上的咪唑基作用形成穩(wěn)定配合物。此外，共振光散射分析還揭示熒光猝滅過程伴隨著粒子團(tuán)聚?；诠枇孔狱c(diǎn)的熒光猝滅行為，建立了痕量銅的熒光檢測(cè)方法。當(dāng)Cu2+濃度在0．04～2400μmol/L之間，硅量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度隨Cu2+濃度的增加而線性下降，檢出限(S/N=3)達(dá)1．29×10-8mol/L。本方法具有高的靈敏度、選擇性和重現(xiàn)性，已應(yīng)用于果蔬中痕量銅的熒光檢測(cè)。

三甲基硅咪唑;硅量子點(diǎn);水熱法;熒光檢測(cè);銅離子

1　引言

自20世紀(jì)70年代，半導(dǎo)體量子點(diǎn)因特殊的光電性能、優(yōu)良的生物相容性和卓越的穩(wěn)定性，替代了傳統(tǒng)有機(jī)染料，應(yīng)用于熒光探針、生物成像和醫(yī)療診斷等領(lǐng)域［1～3］。隨著量子點(diǎn)理論和應(yīng)用技術(shù)的迅速發(fā)展，各種新型量子點(diǎn)不斷涌現(xiàn)，包括CdS，CdSe，CdTe，InP，InAs，GaAs，PbS，PbSe和ZnS［4～12］。然而，重金屬的毒性限制了半導(dǎo)體量子點(diǎn)在生物醫(yī)學(xué)尤其是活體中的應(yīng)用。Derfus等［13］的研究表明，CdSe量子點(diǎn)在紫外線照射下對(duì)活體細(xì)胞有巨大的生物毒性。此外，重金屬的使用還可能帶來環(huán)境污染。近年來，硅量子點(diǎn)作為一種新的納米材料備受關(guān)注［14］。盡管硅量子點(diǎn)具有極佳的親生物性和光學(xué)性能，但傳統(tǒng)硅量子點(diǎn)水溶性差給它的應(yīng)用帶來諸多不利。

水溶性硅量子點(diǎn)的制備可分為物理和化學(xué)兩種方法。物理法能方便地調(diào)控硅量子點(diǎn)粒徑，但它需要使用昂貴儀器。更重要的是，物理法不能從根本上解決硅量子點(diǎn)水溶性差的難題。相對(duì)于物理法，化學(xué)法得到了更快發(fā)展。目前，主要的化學(xué)法是電化學(xué)刻蝕法、微乳液法、溶液還原法和水熱法。Kang等［15］采用電化學(xué)刻蝕法，以磷鉬酸為催化劑，通過控制電流密度制備了不同尺寸分布的硅納米晶。電化學(xué)刻蝕法是目前硅量子點(diǎn)合成較為常用的化學(xué)方法。雖然電化學(xué)刻蝕法簡(jiǎn)單易行，生產(chǎn)成本低，但大量合成硅量子點(diǎn)時(shí)難以控制粒子的尺寸分布，且需要使用劇毒化學(xué)試劑HF。Warner等［16，17］在甲苯和四辛基溴化銨溶液中采用LiAlH4還原SiX4(X=Cl，Br或I)制備硅量子點(diǎn)，該微乳液法避免了使用HF，但體系含水量較少，內(nèi)部膠束單分性不易控制，所得納米晶體產(chǎn)量較低，產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊。Health等［18］在非極性有機(jī)溶劑中采用金屬鈉還原SiCl4和R-SiCl3制到硅量子點(diǎn)。Bley等［19，20］采用溶液還原法以Na4Si4還原NH4Br，制得表面帶硅氫鍵的硅量子點(diǎn)，并進(jìn)一步修上氨基，以增強(qiáng)水溶性。溶液還原法制得的硅量子單分散性好，采用微波輔助后，反應(yīng)速率明顯加快。盡管溶液還原法制備硅量子點(diǎn)取得了重要進(jìn)展，但仍存在一些共同的缺點(diǎn)。首先，通過溶液還原法合成的量子點(diǎn)表面布滿Si H鍵，導(dǎo)致硅量子點(diǎn)水溶性和穩(wěn)定性差，因此需要進(jìn)一步硅烷化，將親水基團(tuán)連接在硅量子點(diǎn)表面，以增強(qiáng)其水溶性和穩(wěn)定性［21～27］。但是，硅量子點(diǎn)表面硅烷化修技術(shù)較為復(fù)雜，例如，鉑催化反應(yīng)效率高，但后續(xù)分離困難，且催化劑易吸附在硅量子點(diǎn)表面帶來一定的生物毒性。同時(shí)，硅烷化修還提高了生產(chǎn)成本;光催化反應(yīng)能夠避免雜質(zhì)引入，但反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，效率不高。此外，硅量子點(diǎn)包覆前后長(zhǎng)時(shí)間和大劑量的紫外光輻射還可能導(dǎo)致光學(xué)性能下降;熱反應(yīng)法合成時(shí)間長(zhǎng)，易引起量子點(diǎn)熒光效率降低。最近，Zhang等采用水熱法一步合成表面氨基修的水溶性硅量子點(diǎn)［28］，避免了使用硅烷化反應(yīng)，使水溶性硅量子點(diǎn)的制備變得十分簡(jiǎn)單，為它的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

本實(shí)驗(yàn)以三甲基硅咪唑?yàn)楣枨膀?qū)體，采用水熱法制備水溶性咪唑基硅量子點(diǎn)。此硅量子點(diǎn)水溶性好，具有強(qiáng)而穩(wěn)定的熒光發(fā)射?；诠枇孔狱c(diǎn)與Cu2+作用產(chǎn)生顯著的熒光猝滅，建立了測(cè)定銅的熒光分析方法。本方法具有高的靈敏度、選擇性和重現(xiàn)性，已成功應(yīng)用于果蔬中痕量銅的熒光檢測(cè)。

2　實(shí)驗(yàn)部分

2．1儀器與試劑

Cary Esclipse熒光光度計(jì)(美國瓦里安公司);JEM-2100(HR)透射電子顯微鏡(日本JEOL公司); Nicolet iS50 FT-IR傅立葉紅外光譜儀(美國賽默飛世爾科技公司);S-4800場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本日立株式會(huì)社);FLS920穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)熒光光譜儀(英國Edinburgh Instruments公司);YLD-2000烘箱(南京萬能加熱設(shè)備廠);DZF-6020真空干燥箱(上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司);TU-1901雙光束紫外可見分光光度計(jì)(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)。

三甲基硅咪唑、檸檬酸三鈉、濃HNO3、HClO4和CuSO4(分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司)。BR緩沖溶液(H3PO4、乙酸和H3BO3的濃度均為0．04 mol/L，NaOH濃度為0．02 mol/L，pH 10．38)。實(shí)驗(yàn)用水均為二次蒸餾水(由一次蒸餾水經(jīng)石英亞沸蒸餾器蒸餾制得)。銅標(biāo)準(zhǔn)溶液配制:稱取適量CuSO4，配成Cu2+溶液，然后用EDTA標(biāo)定準(zhǔn)確濃度。

2．2硅量子點(diǎn)的合成

將0．3 g檸檬酸三鈉溶于8 mL水，攪拌下滴加2 mL三甲基硅咪唑，轉(zhuǎn)入高壓反應(yīng)釜，于220℃下水熱反應(yīng)120min，然后冷卻至室溫，用1 kDa透析袋透析除去固體雜質(zhì)得到硅量子點(diǎn)。將硅量子點(diǎn)于4℃儲(chǔ)存，待用。使用時(shí)，準(zhǔn)確移取0．5mL此儲(chǔ)備液，采用二次蒸餾水稀釋至10 mL，得到硅量子點(diǎn)工作液［29］。

2．3熒光測(cè)定

移取0．25mL硅量子點(diǎn)工作液于離心管中，加入0．5mL BR緩沖溶液，加二次蒸餾水至總體積為1 mL (激發(fā)波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)分別為360和422 nm)，搖勻，然后在熒光光度計(jì)上測(cè)定熒光光譜或熒光強(qiáng)度。

2．4Cu2+的測(cè)定

移取0．25mLCu2+標(biāo)準(zhǔn)溶液或樣品溶液于離心管中，依次加入0．5mL BR緩沖溶液(pH 10．38)和0．25 mL硅量子點(diǎn)工作液，搖勻，然后在熒光光度計(jì)上測(cè)定熒光光譜或熒光強(qiáng)度。

2．5果蔬樣品預(yù)處理

果蔬樣品收集于當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)。樣品經(jīng)洗滌、烘干，并研磨成粉末。將粉末樣品置于真空干燥箱中，于105℃干燥至恒重，取出，冷卻至室溫，存儲(chǔ)于干燥器中備用。稱取1 g粉末樣品于100 mL小燒杯中，加入10 mL濃HNO3，蓋上表面皿浸泡24 h后，置于電爐上低溫加熱至顆粒熔化，再加8 mL濃HNO3和5 mL HClO4，搖勻，在電爐上加熱。當(dāng)溶液顏色轉(zhuǎn)變?yōu)樽丶t色時(shí)，加入5 mL濃HNO3，繼續(xù)加熱至溶液澄清透明，降溫蒸發(fā)至近干，冷卻，用二次蒸餾水定容至10 mL。

3　結(jié)果與討論

3．1硅量子點(diǎn)合成

硅量子點(diǎn)合成包括兩個(gè)過程。第一個(gè)過程是三甲基硅咪唑水解生成二氧化硅納米粒子。第二個(gè)過程是二氧化硅被還原生成硅量子點(diǎn)。前者的反應(yīng)速率取決于體系酸度。堿性越強(qiáng)，三甲基硅咪唑水解越快，形成的二氧化硅粒子較大，不利于它在后期的還原，從而導(dǎo)致大量副產(chǎn)物產(chǎn)生。酸性越強(qiáng)，三甲基硅咪唑水解被抑制的程度也越大，這將造成硅量子點(diǎn)生成速率顯著下降，甚至硅量子點(diǎn)合成失敗;后者的反應(yīng)速率取決于還原劑的還原能力。還原能力越強(qiáng)，形成硅粒子越快。由于硅粒子形成過快，并不利于硅晶體生長(zhǎng)，產(chǎn)品中含有較多無定形硅，使硅量子點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率降低。還原劑的還原能力較弱生成硅納米粒子的速率較小，這有利于形成結(jié)晶度高的硅粒子，硅量子點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率得到提高。然而，采用較弱的還原劑合成硅量子點(diǎn)，客觀上要求一個(gè)更高的反應(yīng)溫度和更長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間。大量的實(shí)踐證明，水溶性硅量子點(diǎn)合成中的還原劑必須具備3個(gè)功能:還原劑應(yīng)具有適當(dāng)?shù)倪€原能力，以確保形成的硅量子點(diǎn)是量子產(chǎn)率較高的硅晶體粒子;還原劑是硅納米粒子的穩(wěn)定劑，它的組成和結(jié)構(gòu)決定了硅量子點(diǎn)的水溶性和穩(wěn)定性;還原劑還是體系的酸度調(diào)節(jié)劑。它為三甲基硅咪唑水解提供一個(gè)適當(dāng)?shù)乃岫?，以確保二氧化硅的生成與后期的還原速率大致相當(dāng)，不會(huì)造成硅源的大量浪費(fèi)。可見，還原劑的選擇對(duì)水溶性硅量子點(diǎn)的合成是至關(guān)重要的。

圖1　不同還原劑所制備的硅量子點(diǎn)的熒光光譜。檸檬酸三鈉(a)、檸檬酸 (b)、半胱氨酸 (c)、牛血清蛋白(d)、硼氫化鈉(e)和抗壞血酸 (f)。插圖:不同還原劑制得硅量子點(diǎn)的紫外(上)和可見光(下)照片F(xiàn)ig．1　Fluorescence spectra of silicon quantum dots prepared by using different reducing reagent．Sodium citrate(a)，citric acid(b)，cysteine(c)，bovine serum albumin(d)，sodium boron hydride(e)and ascorbic acid(f)．Inset:Photographs of the silicon quantum dots prepared by using different reducing reagent under UV light(upper)and visible light(under)

實(shí)驗(yàn)分別嘗試了以硼氫化鈉、抗壞血酸、牛血清蛋白、半胱氨酸、檸檬酸和檸檬酸鈉為還原劑合成水溶性咪唑基硅量子點(diǎn)。所得產(chǎn)物先在分光光度計(jì)上于200～900 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)掃描得到紫外-可見吸收光譜，然后在熒光光度計(jì)上選擇最大吸收波長(zhǎng)為激發(fā)波長(zhǎng)進(jìn)行熒光掃描。從圖1可見，抗壞血酸作為還原劑得到的產(chǎn)品幾乎沒有任何熒光發(fā)射，這是因?yàn)榭箟难崛醯乃嵝院瓦€原性。弱酸性抑制了三甲基硅咪唑的水解，而弱的還原性使硅量子點(diǎn)形成速率極慢，上述因素造成產(chǎn)品中硅量子點(diǎn)數(shù)量少，因此表現(xiàn)為極弱的熒光發(fā)射。盡管硼氫化鈉具有超強(qiáng)的還原能力，但它極易與H+結(jié)合產(chǎn)生H2，在水中存在時(shí)間僅為數(shù)分鐘。如此短的作用時(shí)間，它還原二氧化硅所產(chǎn)生的硅量子點(diǎn)數(shù)量非常少。另外，硼氫化鈉沒有穩(wěn)定硅納米粒子的功能，所得到的硅量子點(diǎn)水溶性和穩(wěn)定性差。因此，采用硼氫化鈉作還原劑的硅量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度較弱;相對(duì)于抗壞血酸，牛血清蛋白、半胱氨酸和檸檬酸還原能力較強(qiáng)，硅量子點(diǎn)熒光發(fā)射明顯增強(qiáng);作為水溶性硅量子點(diǎn)合成的還原劑，檸檬酸三鈉最為理想。一方面，檸檬酸三鈉的水溶液呈堿性，可為三甲基硅咪唑水解提供適當(dāng)?shù)膲A性環(huán)境，生成二氧化硅的速率明顯高于采用酸作為還原劑的體系;另一方面，檸檬酸三鈉具有強(qiáng)的還原能力，導(dǎo)致二氧化硅轉(zhuǎn)變?yōu)楣杈w粒子的速率較快。檸檬酸三鈉體系中二氧化硅的生成和還原實(shí)現(xiàn)了一個(gè)最佳匹配。由于硅源被完全轉(zhuǎn)化為硅量子點(diǎn)，得到的產(chǎn)品為透明無色溶液。該產(chǎn)品不僅具有最強(qiáng)的熒光，而且穩(wěn)定性和水溶性俱佳。因此，檸檬酸三鈉被選擇為合成硅量子點(diǎn)的還原劑。

圖2A是不同檸檬酸三鈉加入量下所制備硅量子點(diǎn)的熒光峰強(qiáng)度。當(dāng)檸檬酸三鈉用量少于0．3 g時(shí)，體系的熒光強(qiáng)度隨著檸檬酸三鈉用量的增加而迅速增大。因?yàn)槭褂靡粋€(gè)高濃度的檸檬酸三鈉帶來一個(gè)更強(qiáng)的還原能力，使二氧化硅還原為硅晶體的速度加快，形成的硅量子點(diǎn)數(shù)量增多，從而導(dǎo)致了體系熒光強(qiáng)度的明顯增加。當(dāng)檸檬酸三鈉用量超過0．3 g時(shí)，體系熒光強(qiáng)度隨檸檬酸三鈉用量的增加而迅速下降。這是因?yàn)闄幟仕崛c具有較強(qiáng)的堿性，它的用量增加使體系堿性迅速增大，這加快了三甲基硅咪唑水解，使二氧化硅的生成速率快于它在后期的還原，將造成二氧化硅粒子的大量累積而發(fā)生沉淀，導(dǎo)致形成的硅量子點(diǎn)數(shù)量減少和熒光強(qiáng)度減弱。圖2B是不同檸檬酸三鈉用量下制備的硅量子點(diǎn)的紫外-可見吸收光譜。所有紫外吸收光譜的形狀和最大吸收波長(zhǎng)基本相同，這表明不同檸檬酸三鈉用量下所制備的硅量子點(diǎn)具有相似的粒徑大小及粒徑分布。然而，還觀察到不同檸檬酸三鈉用量下硅量子點(diǎn)的吸光度存在明顯差異。當(dāng)檸檬酸三鈉用量超過0．3 g時(shí)，硅量子點(diǎn)的吸光度隨檸檬酸三鈉用量的增加而增大，顯示硅量子點(diǎn)的數(shù)量增長(zhǎng)。繼續(xù)增加檸檬酸三鈉用量，硅量子點(diǎn)吸光度反而下降，顯示硅量子點(diǎn)的數(shù)量減少。為了得到強(qiáng)的熒光發(fā)射，檸檬酸三鈉用量確定為0．3 g。

圖2　(A)檸檬酸三鈉用量的影響，(B)0．1，0．2，0．3，0．4，0．5和0．6 g的檸酸酸三鈉用量制備的硅量子點(diǎn)紫外-可見吸收光譜(從a到f)Fig．2　(A)Effect of the amounts of sodium citrate and(B)ultraviolet-visible absorption spectra of the silicon quantum dots prepared by using 0．1，0．2，0．3，0．4，0．5 and 0．6 g of sodium citrate(from a to f)

圖3A是不同反應(yīng)時(shí)間合成硅量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度。隨著反應(yīng)時(shí)間增加，體系熒光強(qiáng)度將迅速增大，這是因?yàn)楣枇孔狱c(diǎn)數(shù)量增多所致。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間增加到120min，增勢(shì)趨緩，最后保持基本不變，說明合成反應(yīng)達(dá)到平衡。圖3B是不同反應(yīng)時(shí)間制得的硅量子點(diǎn)的吸收光譜。從圖3B可知，隨著反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，硅量子點(diǎn)吸光度迅速增加，這說明延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生的硅量子點(diǎn)數(shù)量增加，這將導(dǎo)致熒光強(qiáng)度的增加。此外，從圖3B還可見，量子點(diǎn)吸光度增加的同時(shí)最大吸收波長(zhǎng)逐步向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，表明隨著反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，硅量子點(diǎn)的粒徑將緩慢增大。反應(yīng)時(shí)間為150 min時(shí)，硅量子點(diǎn)的吸收光譜發(fā)生較大變化。它的吸收峰變高變寬，表明粒子的粒徑分布更寬。為了節(jié)省時(shí)間和得到粒徑分布較窄的硅量子點(diǎn)，的硅量子點(diǎn)合成反應(yīng)時(shí)間選擇120 min。

圖3　(A)反應(yīng)時(shí)間的影響，(B)不同反應(yīng)時(shí)間制得的硅量子點(diǎn)的吸收光譜。反應(yīng)時(shí)間分別為25，50，75，100，120和150min(由下到上)Fig．3　(A)Effect of reaction time and(B)absorption spectra of silicon quantum dots prepared by using different reaction time．Here，the reaction times are 25，50，75，100 120 and 150 min，respectively(from bottom to top)

3．2結(jié)構(gòu)表征

透射電鏡、掃描電鏡和紅外光譜分析被用于硅量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)表征。由圖4a可見，硅量子點(diǎn)為規(guī)整的球形，分散性較好，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的團(tuán)聚。硅量子點(diǎn)粒徑在1～5 nm之間，經(jīng)統(tǒng)計(jì)軟件計(jì)算表明，硅量子點(diǎn)的平均粒徑為2．6 nm。由產(chǎn)品中硅元素的能量色散光譜圖(EDS，圖4c)可見，硅量子點(diǎn)中存在C，O，Si和Na元素。其中，Si來自硅晶體，形成了硅納米粒子。C，O和Na源于檸檬酸三鈉，表明硅量子點(diǎn)上存在少量檸檬酸鈉。圖4d是量子點(diǎn)的紅外光譜。在紅外光譜中，1053．26 cm-1處有一個(gè)很強(qiáng)的吸收峰，說明了存在Si O鍵;1261．89 cm-1處較強(qiáng)的吸收峰是CO伸縮振動(dòng)引起的，表征了CO鍵的存在;1667．75 cm-1處是NC的伸縮振動(dòng)，說明了NC 鍵的存在;3124．69，3097．33和3011．50 nm處的3個(gè)峰說明了體系中存在3個(gè)不同的sp2雜化的CH。從上述紅外分析結(jié)果可以得出一個(gè)結(jié)論:硅量子點(diǎn)表面存在咪唑基。

圖4　硅量子點(diǎn)的透射電鏡(A)、粒徑分布(B)、EDS(C)和紅外光譜圖(D)Fig．4　TEM image(A)，particle size distribution(B)，energy dispersive spectroscopy(EDS)(C)and FTIR spectrum of silicon quantum dots(D)

3．3光學(xué)性質(zhì)

咪唑基硅量子點(diǎn)具有良好的水溶性，產(chǎn)品為無色透明溶液，它的激發(fā)光譜和發(fā)射光譜見圖5。圖5顯示，硅量子點(diǎn)的最大激發(fā)波長(zhǎng)位于360 nm。在此波長(zhǎng)激發(fā)下，硅量子點(diǎn)的熒光發(fā)射峰位于422 nm，比其它波長(zhǎng)激發(fā)下的熒光強(qiáng)度更大。圖5插圖為合成反應(yīng)前后體系在紫外燈照射下的光學(xué)照片。由于反應(yīng)前的溶液基本沒有熒光發(fā)射，而反應(yīng)后的溶液發(fā)出明亮的藍(lán)光，說明熒光來自反應(yīng)產(chǎn)生的硅量子點(diǎn)。此外，硅量子點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率達(dá)到29．77%，呈示高的發(fā)光效率。

圖5　硅量子點(diǎn)的激發(fā)光譜 (a)和發(fā)射光譜 (b)。插圖:反應(yīng)前(右)后(左)溶液在紫外燈輻射下的光學(xué)照片。Fig．5　Fluorescence excitation(a)and emission spectra (b)of silicon quantum dots．Inset:photographs of the solution before(right)and after(left)the reaction completed．

為考察咪唑基硅量子點(diǎn)的光穩(wěn)定性，將硅量子點(diǎn)置于500W氙燈下照射，每隔一定時(shí)間測(cè)定其熒光強(qiáng)度的變化，結(jié)果列于圖6。在光輻射開始的一段時(shí)間內(nèi)，硅量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度略有下降，但繼續(xù)延長(zhǎng)光照時(shí)間，硅量子點(diǎn)的熒光基本保持不變，說明所合成的硅量子點(diǎn)具有良好的光穩(wěn)定性。由于咪唑基穩(wěn)定的硅量子點(diǎn)具有較好的光穩(wěn)定性，它作為熒光探針用于金屬離子的定量分析可獲得好的重現(xiàn)性。

硅量子點(diǎn)在不同酸度條件下的熒光強(qiáng)度見圖7。在酸性條件下，硅量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度較低，且酸性越強(qiáng)熒光強(qiáng)度越弱。在pH 2～7之間，硅量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度隨pH值增加而線性增長(zhǎng);在pH 7～14之間，硅量子點(diǎn)的熒光較為穩(wěn)定，改變pH并不影響熒光強(qiáng)度。這種熒光強(qiáng)度隨pH值的變化規(guī)律表明硅量子點(diǎn)表面存在咪唑基。咪唑基對(duì)于H+較為敏感，在酸性條件下，咪唑基上未參與共軛的N易結(jié)合質(zhì)子發(fā)生電荷傳遞，同時(shí)誘導(dǎo)硅量子點(diǎn)發(fā)生團(tuán)聚，使得熒光淬滅。因此，pH值越小，熒光淬滅越完全。由于在中性及堿性條件下咪唑基穩(wěn)定的量子點(diǎn)較為穩(wěn)定，硅量子點(diǎn)可用于生物活體的細(xì)胞成像或生物醫(yī)學(xué)分析等。

圖6　不同光照時(shí)間的硅量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度Fig．6　Fluorescence intensity of silicon quantum dots under ultraviolet lightwith different irradiation time

圖7 介質(zhì)pH值的影響Fig．7　Effect of pH value ofmedium

3．4對(duì)Cu2+的熒光響應(yīng)

圖8A加入銅離子前后硅量子點(diǎn)的熒光光譜。從圖8A可知，加入Cu2+后，硅量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度明顯下降，表明Cu2+能對(duì)硅量子點(diǎn)的熒光產(chǎn)生顯著的猝滅作用。為了研究此熒光猝滅的機(jī)理，測(cè)定了不同濃度Cu2+存在下硅量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度隨溫度變化的情況。圖8B表明，熒光猝滅程度與Cu2+濃度為良好的線性關(guān)系，且隨溫度升高，熒光猝滅的程度加大，說明Cu2+對(duì)硅量子點(diǎn)的熒光猝滅可能屬于靜態(tài)猝滅，即Cu2+與硅量子點(diǎn)作用形成了非熒光的基態(tài)化合物。

圖8　硅量子點(diǎn)加入2．4mmol/L Cu2+前(a)后(b)熒光光譜(A)，不同溫度下和不同濃度的Cu2+硅量子點(diǎn)熒光猝滅情況(B)Fig．8　(A)Fluorescence spectra of silicon quantum dots before(a)and after(b)addition of 2．4mmol/L of Cu2+．(B)Fluorescence quenching of different concentration of Cu2+towards silicon quantum dots under different temperature

圖9A是硅量子點(diǎn)、Cu2+溶液和含有Cu2+的硅量子點(diǎn)溶液的紫外可見吸收光譜和光學(xué)照片。Cu2+溶液為淺藍(lán)色，它在650～900 nm之間有較小的吸收。硅量子點(diǎn)為無色溶液，在可見區(qū)基本上沒有吸收，但在紫外區(qū)有較強(qiáng)的吸收。然而，當(dāng)Cu2+加入到硅量子點(diǎn)后，溶液顏色立即加深，在650 nm附近出現(xiàn)較強(qiáng)的吸收。由于它的吸收峰明顯不同于單獨(dú)的Cu2+溶液，說明Cu2+的加入導(dǎo)致形成了新的化合物。由不同濃度Cu2+下的硅子點(diǎn)的共振光散射光譜(圖9B)可見，共振光散射的強(qiáng)度隨Cu2+濃度的增加而增大，這說明Cu2+與硅量子點(diǎn)作用導(dǎo)致了粒子的聚集發(fā)生?；谝陨戏治觯瑹晒忖鐧C(jī)理是Cu2+與硅量子點(diǎn)咪唑基上的氮原子結(jié)合形成配合物(圖10)。限于空間位阻，Cu2+與咪唑基上．氮原子的配位主要是發(fā)生在不同硅量子點(diǎn)之間。

圖9　A:Cu2+(a)、硅量子點(diǎn)(b)和含2．4 mmol/L Cu2+的硅量子點(diǎn)(c)的紫外可見吸收光譜和光學(xué)照片(插圖)。B:硅量子點(diǎn)在含有不同濃度Cu2+下的共振光散射光譜。銅離子濃度:0．0，1．4，2．4，3．0和3．2mmol/L(從下到上)Fig．9　(A)Absorption spectra and photographs(Inset)of Cu2+solution(a)，silicon quantum dots(b)and silicon quantum dots containing 2．4 mmol/L of Cu2+(c);(B)Resonance light scattering spectra of the silicon quantum dots in the presence of 0．0，1．4，2．4，3．0 and 3．2 mmol/L of Cu2+(from down to top)．

圖10　熒光猝滅機(jī)理示意圖Fig．10　Mechanism for fluorescence quenching

3．5分析特性

為進(jìn)一步考察Cu2+對(duì)硅量子點(diǎn)熒光猝滅的動(dòng)力學(xué)特征，研究了Cu2+加入量對(duì)熒光強(qiáng)度的影響。圖11顯示，Cu2+濃度不影響熒光發(fā)射峰的形狀，它們的最大發(fā)射波長(zhǎng)均在422 nm，表明Cu2+與量子點(diǎn)作用并不改變其晶體結(jié)構(gòu)。然而，體系熒光強(qiáng)度隨著Cu2+加入量增加而迅速下降。當(dāng)Cu2+濃度在0．04～2400μmol/L之間，熒光強(qiáng)度(F)與 Cu2+濃度(C，μmol/L)呈良好的線性關(guān)系，線性方程為F=N0．1404C+961．95，相關(guān)系數(shù)R為0．997，方法檢出限達(dá)到1．29×10N8mol/L(S/N=3)?；贑u2+對(duì)硅量子點(diǎn)的熒光猝滅響應(yīng)，建立了測(cè)定Cu2+含量的熒光分析方法。采用此方法測(cè)定20份0．2 mmol/L Cu2+，檢測(cè)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差為1．6%，表明方法具有良好的重現(xiàn)性。將硅量子點(diǎn)儲(chǔ)備液在4℃儲(chǔ)存一定時(shí)間，然后用于檢測(cè)0．2mmol/LCu2+。結(jié)果表明，儲(chǔ)備液儲(chǔ)存3個(gè)月后測(cè)定結(jié)果相對(duì)偏差小于2．4%，表明硅量子點(diǎn)有較好的穩(wěn)定性。

各種金屬離子對(duì)硅量子點(diǎn)熒光的影響結(jié)果列于圖12。在所有測(cè)試對(duì)象中，僅有Cu2+的引入導(dǎo)致了硅量子點(diǎn)熒光的顯著猝滅，顯示對(duì)Cu2+的測(cè)定具有較好的選擇性。由于Cu2+和咪唑基上的氮有很強(qiáng)的配合能力，它們的作用導(dǎo)致形成穩(wěn)定的基態(tài)配合物;Ca2+和Mn2+與咪唑基上的氮原子配合能力差，它們與硅量子點(diǎn)作用較弱，且不能形成穩(wěn)定的配合物。因此，Ca2+和Mn2+的引入，硅量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度基本不變;盡管Ag+，Co2+，Hg2+，Zn2+，Al3+，F(xiàn)e3+，F(xiàn)e2+，Pb2+，Cr3+和Ni2+也能與咪唑基上的氮具有一定的配合能力，但它們與硅量子點(diǎn)的作用僅造成小幅度熒光下降，說明它們所形成的配合物不穩(wěn)定。由于果蔬樣品中上述金屬離子極少，它們對(duì)Cu2+測(cè)定不會(huì)產(chǎn)生明顯影響。

圖11　不同濃度Cu2+存在下硅量子點(diǎn)的熒光光譜(A)，B:硅量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度與Cu2+濃度線性關(guān)系曲線Cu2+濃度:0．0，0．04，0．19，12．2，97．7，195，300，390，500，600，699，781，1000，1200，1400，1562，1800，1956，2106，2279，2419，2512，2640，2755，2895和3125μmol/L。Fig．11　A:Fluorescence spectra of silicon quantum dots in the presence of0．0，0．04，0．19，12．2，97．7，195，300，390，500，600，699，781，1000，1200，1400，1562，1800，1956，2106，2279，2419，2512，2640，2755，2895 and 3125μmol/L of Cu2+．B:The relationship curve of the fluorescence intensity with Cu2+concentration．

圖12　不同金屬離子對(duì)硅量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度的影響。F0為不存在金屬離子時(shí)硅量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度值，F(xiàn)為存在金屬離子時(shí)硅量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度值Fig．12　Effect of differentmetal ions on fluorescence intensity of silicon quantum dots．F0and F is the fluorescence intensity of silicon quantum dots in the absence and presence ofmetal ion，respectively

3．6果蔬中痕量銅的測(cè)定

將所建立的分析方法用于果蔬中痕量銅的測(cè)定。從表1可知，測(cè)定結(jié)果與原子吸收法測(cè)定結(jié)果相一致，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)都在0．86%～1．8%之間，表明方法具有較好的精密度和準(zhǔn)確性。

表1　果蔬中銅含量測(cè)定結(jié)果Table 1　Detection results of Cu2+in 5 kinds of fruits and vegetables

4　結(jié)論

采用一步水熱合成水溶性的咪唑基硅量子點(diǎn)。所得到的硅量子點(diǎn)熒光發(fā)射強(qiáng)，光穩(wěn)定性好，對(duì)Cu2+有靈敏和選擇的熒光響應(yīng)?；贑u2+對(duì)硅量子點(diǎn)的熒光猝滅，建立了檢測(cè)痕量Cu2+的熒光分析方法。方法具有高的靈敏度和選擇性，已成功地應(yīng)用于果蔬中Cu2+含量測(cè)定。此外，研究工作還可用于功能性硅量子點(diǎn)的設(shè)計(jì)與合成。

References

1Li J，Hong X，LiD，Zhao K，Wang L，Wang H，Du Z，Li J，Bai Y，Li T．Chem．Commun．，2004，4(15):1740－1741

2Hong X，Li J，Wang M，Xu J，GuoW，Li J，Bai Y，Li T．Chem．Mater．，2004，16(21):4022－4027

3WANG Zong-Hua，GAO Yan-Li，ZHANG Fei-Fei，XIA Yan-Zhi，LI Yan-Hui．Journal of Analytical Science，2012，28(1):119－125王宗花，高艷麗，張菲菲，夏延致，李延輝．分析科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，28(1):119－125

4Peng X G，Manna L，Yang W D，Wickham J，Scher E，Kadavanich A，Alivisatos A P．Nature，2000，404(6773): 59－61

5LIN Zhang-Bi，SU Xing-Guang，ZHANG Hao，MOU Ying，SUN Ye，HU Hai，YANG Bai，YAN GANG-Lin，LUO Guimin，JIN Qin-Han．Chem．J．Chinese Universities，2003，24(2):216－220林章碧，蘇星光，張皓，牟穎，孫曄，胡海，楊柏，閆崗林，羅貴民，金欽漢．高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào)，2003，24(2): 216－220

6Yu W W，Qu L H，Guo W Z，Peng X G．Chem．Mater．，2003，16(3):2854－2860

7Liu W Y，Lee JS，Talapin D V．J．Am．Chem．Soc．，2013，135(4):1349－1357

8Liu Z P，Kumbhar A，Xu D，Zhang J，Sun Z Y，F(xiàn)ang JY．Angew．Chem．Int．Ed．，2008，47(19):3540－3542

9Talapin D V，Rogach A L，Shevchenko E V，Kornowski A，Haase M，Weller H．J．Am．Chem．Soc．，2002，124(20): 5782－5790

10Ellingson R J，Beard M C，Johnson JC，Yu P R，Micic O I，Nozik A J，Shabaev A，Efros A L．Nano Lett．，2005，5(5):865－871

11Qin Jun-Jie，Cao Li-Xin，Liu Wei，Gao Rong-Jie，Su Ge，Qu Hua，Xia Cheng-Hui．Chin．J．Lumin．，2014，35(7): 858－865秦俊杰，曹立新，柳偉，高榮杰，蘇革，曲華，夏呈輝．發(fā)光學(xué)報(bào)，2014，35(7):858－865

12Sun Lin，Zhang Qiu-Yan，Li Zhen-Zhen，Pan Yu-Jin，Wang Qing，Zhao Qiang．Chin．J．Lumin．，2015，36(3):339－347孫琳，張秋艷，李珍珍，潘玉瑾，王青，趙強(qiáng)．發(fā)光學(xué)報(bào)，2015，36(3):339－347

13Derfus A M，Chan W CW，Bhatia SN．Nano Lett．，2004，4(1):11－18

14Feng Y L，Liu Y F，Su C，Ji X H，He Z K．Sens．Actuators B，2014，203:795－801

15Cao L，Wang X，MezianiM J，Lu F S，Wang H F，Luo PG，Lin Y，Harruff B A，Veca LM，Murray D，Xie SY，Sun Y P．J．Lumin．，1998，80(1):159－162

16Warner JH，Hoshino A，Yamamoto K，Tilley R D．Angewandte Chemie，2005，117(29):4626－4630

17Warner JH，Rubinsztein-Dunlop H，Tilley R D．J．Phys．Chem．B，2005，109(41):19064－19067

18Heath JR．Science，1992，258(5085):1131－1133

19Bley R A，Kauzlarich SM．J．Am．Chem．Soc．，1996，118(49):12461－12462

20Yang C S，Bley R A，Kauzlarich SM，Lee HW H，Delgado G R．J．Am．Chem．Soc．，1999，121(22):5191－5195

21Somogyi B，Zolyomi V，Gali A．Nanoscale，2012，4(24):7720－7726

22Choi J，Wang N S，Reipa V．Bioconjugate Chem．，2008，19(3):680－685

23Sudeep P K，Page Z，Emrick T．Chem．Commun．，2008，46:6126－6127

24Shiohara A，Hanada S，Prabakar S，F(xiàn)ujioka K，Lim TH，Yamamoto K，Northcote P T，Tilley R D．J．Am．Chem．Soc．，2010，132(1):248－253

25Alsharif N H，Berger C EM，Varanasi SS，Chao Y，Horrocks B R，Datta H K．Small，2009，5(2):221－228

26Choi JK，Jang S，Sohn H，Jecong H D．J．Am．Chem．Soc．，2009，131(49):17894－17900

27Erogbogbo F，Yong K T，Roy I，Xu G X，Prasad P N．ACSNano，2008，2(5):873－878

28Zhang J，Yu SH．Nanoscale，2014，6(8):4096－4096

29Feng Y L，Liu Y F，Su C，Ji X H，He Z K．Sens．Actuators B，2014，203:795-801

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(No．21176101)

Synthesis of NovelW ater-Soluble Silicon Quantum Dots with Im idazole Groups and Its Application in Fluorescent Detection of Trace Copper in Fruits and Vegetables

WANG Jia-Jia1，LIAN Man1，XIONG Jie1，LIZai-Jun*1，2
(School of Chemical and Materials Engineering1; Key Laboratory of Food Colloids and Biotechnology，Ministry of Education2，Jiangnan University，Wuxi214122，China)

Silicon quantum dot has become an attractive nanomaterial due to their excellent biocompatibility and optical performance．However，poor water-solubility of the traditional silicon quantum dot limits its wide application．In this study，we reported the synthesis of water-soluble silicon quantum dots with imidazole groups by using hydrothermalmethod，in which N-trimethysilylimidazole was used as a precursor of silicon．Compared with sodium borohydride，ascorbic acid，bovine serum protein，cysteine and citric acid，the as-prepared silicon quantum dots offered the strongest fluorescence intensity when sodium citrate was used as the reducing agent and stabilizer for the synthesis．The reaction could complete within 2 h at 220℃．The obtained silicon quantum dots showed good water-solubility with an average particle size of 2．6 nm，and the result of infrared spectroscopic analysis verified the existence of free imidazole groups on the surface．Bymeans of the investigation of the fluorescence quenching behavior of copper ions towards the silicon quantum dots at different temperatures，we found that the degree of fluorescence quenching increased with the increase of temperature．There results proved that the fluorescence decrease belongs to static quenching．Namely，the interaction of Cu2+with imidazole groups on the surface of silicon quantum dots formed stable complex．In addition，the resonance light scattering analysis also showed that the fluorescence quenching process was accompanied by the agglomeration of particles．Based on the fluorescence quenching behavior of silicon quantum dots，we established amethod for the fluorescent detection of Cu2+．When the concentration of Cu2+was in the range of 0．04－2400μmol/L，the fluorescence intensity would linearly decreasewith the increase of Cu2+concentration，and the detection limit(S/N=3)reached 1．29×10-8mol/L．The method provided high sensitivity，selectivity and reproducibility，and was successfully applied to the determination of trace copper in fruits and vegetables．

N-trimethysilylimidazole;Silicon quantum dots;Hydrothermal method;Fluorescent detection; Copper

7 October 2015;accepted 8 November 2015)

10．11895/j．issn．0253-3820．150778

2015-10-07收稿;2015-11-08接受

本文系國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No．21176101)

*E-mail:zaijunli@jiangnan．edu．cn