N-乙酰半胱氨酸修飾CdTe量子點的合成及其用于二價銅離子檢測的研究

趙玲子，趙盈男，楊炳君

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N-乙酰半胱氨酸修飾CdTe量子點的合成及其用于二價銅離子檢測的研究

趙玲子，趙盈男，楊炳君

（吉林師范大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 四平 136000）

利用“一鍋法”合成N-乙酰半胱氨酸修飾的CdTe量子點，并利用紫外-可見分光光度法和熒光光譜法對其進行表征。根據(jù)CdTe量子點與Cu2+反應(yīng)發(fā)生熒光淬滅的原理來檢測水體中Cu2+的濃度。研究表明，CdTe量子點熒光淬滅程度與Cu2+離子濃度有很好的線性關(guān)系，該方法檢測Cu2+離子的下限濃度為6.59×10-9mol/L。本研究建立了一種靈敏快速測定Cu2+的方法。

CdTe量子點；熒光檢測；Cu2+

1 引言

銅是廣泛存在于自然界中的一種重金屬元素，對人類和動植物都具有重要的生理作用，缺乏或過多都將產(chǎn)生不良影響[1, 2]。研究表明，銅缺乏，可引起貧血、Menke氏綜合征、中性白細胞減少癥、中樞神經(jīng)系統(tǒng)退化、骨骼缺陷以及其他組織和器官的疾??；銅過量則可引起肝臟和其他組織的蓄積，對人產(chǎn)生急性胃腸炎、肝組織壞死、記憶力減退、注意力不集中等不良影響[3, 4]。

目前，銅需求量日益增加，隨著開采、冶煉、加工制造等人類活動，越來越多的銅進入到環(huán)境中，并在其中不斷進行遷移轉(zhuǎn)化，環(huán)境銅污染不但對動植物、微生物產(chǎn)生影響，更破壞了生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，嚴重威脅到生態(tài)環(huán)境和人類的安全。近年來，對銅污染的研究日益增多，作為環(huán)境、食品、工業(yè)等領(lǐng)域重金屬檢測的重要指標之一，銅離子檢測受到了學(xué)者們的關(guān)注[5]。

目前，銅離子的檢測方法主要有原子吸收法、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法、紫外可見分光光度法、熒光分析法等[6, 7]。其中，前兩種方法雖然靈敏度準確度都很高，但儀器價格昂貴、樣品前處理比較復(fù)雜。而熒光分析法具有操作簡便、快速和靈敏度高等優(yōu)點，得到了廣泛的關(guān)注[8, 9]。

量子點是具有熒光特性的新型半導(dǎo)體納米材料，具有發(fā)射譜窄和激發(fā)譜寬，光穩(wěn)定性好等良好的熒光特性[10]，作為一種性能良好的納米材料，在化學(xué)、物理、生物等領(lǐng)域均有應(yīng)用[11, 12]。

隨著量子點技術(shù)的不斷發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)利用量子點探針測定物質(zhì)含量的方法具有靈敏、簡便、快捷的優(yōu)點[13, 14]。自1997年Isarov等提出利用CdS量子點的熒光猝滅機制來測定水中Cu2+離子含量的方法以來[15]，研究人員對此進行了大量的研究工作[16]。本文利用N-乙酰半胱氨酸修飾的CdTe量子點對水體中的Cu2+進行檢測，以期建立一種簡單快速的Cu2+的檢測方法。

2 實驗部分

2.1 實驗儀器及試劑

2.1.1 實驗儀器

紫外可見分光光度計（TU-1810，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司）；熒光光譜儀（安捷倫科技有限公司）；集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（DF-101S，上?？粕齼x器有限公司）；分析天平（BSA124S，賽多利斯科學(xué)儀器有限公司）。

2.1.2 實驗試劑

Na2TeO3（分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司），N-乙酰半胱氨酸（純度大于99%，美國Sigma公司），NaBH4（分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司），CdCl2·2.5H2O，Na2HPO4·12H2O，NaH2PO4·2H2O，NaOH，CuSO4·5H2O，異丙醇等均為分析純，購自天津科密歐化學(xué)試劑有限公司。

2.2 CdTe量子點的合成

在三孔燒瓶中依次加入CdCl2（0.1 mol/L）6 mL、N-乙酰半胱氨酸0.129 8 g。用1 mol/L 的NaOH調(diào)節(jié)pH值至9~10，加入少量水，之后加入0.1000 g NaBH4，以及一定量的Na2TeO3，定容至100 mL，10 min后水浴加熱，每隔一定時間取樣。為去除反應(yīng)過程中的過量物質(zhì)，反應(yīng)完成后，加入2倍體積異丙醇，用離心機對量子點進行沉淀離心，離心轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，離心完成后，倒掉上清液，加入一定量的超純水，配置好后用于Cu2+檢測。

2.3 熒光猝滅法檢測Cu2+

2.3.1 溶液的配置

稱取0.123 6 g的CuSO4·5H2O，定容到50 mL容量瓶中配制成0.01 mol/L的Cu2+儲備液。配制pH值為7.5的磷酸緩沖溶液。

2.3.2 實驗步驟

將制備好的CdTe量子點水溶液取1 mL加入到10 mL的容量瓶中，然后加入1 mL的磷酸緩沖溶液，以及一定量Cu2+溶液，使體系中Cu2+濃度分別為0、25、50、75、100、125、500、1 000、2 000、5 000 （nmol/L），用超純水定容。用熒光光譜儀測定體系的熒光強度。參數(shù)設(shè)置：激發(fā)波長E=400 nm，光譜掃描范圍410~800 nm，電壓值450 V，狹縫寬度5.0 nm、掃描速度為快。

3 結(jié)果與討論

3.1 CdTe量子點的表征

3.1.1 紫外可見分光光度法對CdTe量子點的表征

利用紫外可見分光光度計檢測CdTe量子點的第一激子激發(fā)峰，掃描范圍：400~700 nm；掃描速度：快；間隔：0.5 nm；光譜帶寬：2 nm；響應(yīng)時間：0.2 s。結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同回流時間下CdTe量子點的吸收光譜

根據(jù)peng經(jīng)驗公式[17]：

式中：——量子點長波長處的第一吸收峰波長，nm；

——摩爾吸光系數(shù)；

——量子點粒徑，nm；

hwhm——半峰半寬，nm；

m——吸光度值；

——校正后的吸光度值；

——量子點濃度，mol/L；

——光程，10 mm。

由于CdTe量子點原液的吸光度值超出peng經(jīng)驗公式的限定范圍，所以將其稀釋為原液濃度的1/5后進行檢測。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著反應(yīng)時間的不斷增加，CdTe量子點吸收波長不斷增大，粒徑尺寸不斷增加，說明在量子點的合成過程中，量子點的核會不斷成長。

3.1.2 熒光光譜法對CdTe量子點的表征

利用熒光光譜儀檢測CdTe量子點的熒光特性，所有樣品的濃度稀釋為原液的1/5后進行檢測。

參數(shù)設(shè)置：電壓值450 V、激發(fā)波長為E=400 nm、掃描波長范圍410~800 nm、狹縫寬度5 nm、掃描速度為快。

由圖2可以看出，隨著回流時間的增加，CdTe量子點發(fā)射峰波長不斷向長波長移動，且光譜寬度增加，這說明隨著反應(yīng)時間的延長，CdTe量子點核不斷生長，且粒徑分布范圍不斷增大。30 min時的CdTe量子點發(fā)射峰強度最大，但是由于該時間段的CdTe量子點粒徑較小，離心效果不好，所以綜合考慮，在下述實驗中采用回流時間為60 min時的CdTe量子點進行Cu2+的檢測。

表1 CdTe量子點特征參數(shù)隨回流時間的變化

圖2 不同回流時間下CdTe量子點的熒光光譜

3.2 利用CdTe量子點熒光性檢測水中Cu2+

圖3為不同濃度Cu2+存在條件下，CdTe量子點的熒光光譜。從圖中可以看出，隨著Cu2+濃度不斷增加，CdTe量子點熒光強度逐漸減弱。

根據(jù)Cu2+對CdTe量子點的熒光猝滅效應(yīng)，建立了Stern-Volmer熒光猝滅方程[8]。

0/=1+sv（） （5）

式中，０——沒有猝滅劑存在時熒光物質(zhì)的熒光強度；

——猝滅劑存在時體系的熒光強度；

動態(tài)猝滅中sv——Stern-Volmer猝滅常數(shù)，L/mol;

靜態(tài)猝滅中——配合物形成常數(shù)，L/mol;

——猝滅劑濃度, mol/L。

Stern-Volmer熒光猝滅常數(shù)值大于100 L/mol為靜態(tài)猝滅，值小于100 L/mol為動態(tài)猝滅[8]。

如圖4所示，Cu2+離子濃度的改變與CdTe量子點的熒光強度變化存在良好的線性關(guān)系，回歸方程為0/=0.987 35+ 4.469 62×105C（=0.998 4），熒光猝滅常數(shù)=4.469 62×105，遠遠大于100 L/mol，說明Cu2+對CdTe量子點的熒光猝滅屬于靜態(tài)猝滅。由此可以看出，Cu2+離子可以結(jié)合到量子點的表面，改變CdTe量子點的表面結(jié)構(gòu)，從光激發(fā)的CdTe量子點的導(dǎo)帶上捕獲電子，而導(dǎo)致CdTe量子點發(fā)生熒光猝滅[7]。

根據(jù)公式[18]：

LOD=30/（6）

式中：LOD——檢測下限；

0——空白對照的相對標準偏差；

——標準曲線的斜率。

可以計算出此方法檢測Cu2+離子的下限濃度為6.59×10-9mol/L。說明這種檢測水體中Cu2+離子濃度的方法有較高的靈敏度和較低的檢出限。

圖3 不同濃度Cu2+對量子點的熒光猝滅作用

Cu2+濃度a-k：0、25、50、75、100、125、500、1 000、2 000、5 000 nmol/L

3.3 量子點熒光猝滅法測定水樣中的Cu2+濃度

根據(jù)Cu2+濃度標準曲線，對3組水樣品進行了測定，檢測結(jié)果如表2所示。

實驗結(jié)果如表2所示，利用量子點熒光淬滅法測定水樣中的Cu2+濃度，與實際值接近，這說明該方法具有較好的準確性和重現(xiàn)性。

表2 水樣中Cu2+含量測定

4 結(jié)論

本研究利用水相合成法合成N-乙酰半胱氨酸修飾的CdTe量子點，并將其應(yīng)用于Cu2+濃度的測定。研究表明，隨著Cu2+離子濃度不斷增加，CdTe量子點的熒光強度逐漸降低，熒光猝滅類型為靜態(tài)猝滅，且其熒光淬滅程度與Cu2+離子濃度有很好的線性關(guān)系。此方法檢測Cu2+離子的下限濃度為6.59×10-9mol/L。CdTe量子點熒光猝滅法檢測水體中Cu2+離子濃度有比較高靈敏度和比較低檢出限。

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Synthesis of N-acetyl Cysteine Capped CdTe Quantum Dots and Its Application in Cu2+Detection

（College of Environmental Science and Engineering, Jilin Normal University, Jilin Siping 136000, China）

N-acetyl cytosine modifies CdTe Quantum Dots were synthesized by “One Pot” method and characterized byUV–Visible and fluorescence spectroscopy. The concentration of copper ion was detected based on the principle of fluorescence quenching of CdTe QDs in the presence of Cu2+. The results showed that the fluorescence quenching degree of CdTe QDs had a good linear relationship with the concentration of Cu2+. The minimum concentration of Cu2+detected by this method was 6.59×10-9mol/L. This study established a very sensitive and rapid method for the determination of Cu2+.

CdTe quantum dots; fluorescence detection; Cu2+

TQ 201

A

1671-0460（2017）12-2431-04

國家自然科學(xué)基金，項目號：21607052。

2017-07-17

趙玲子（1984-），女，山東淄博人，講師，碩士，2010年畢業(yè)于山東大學(xué)環(huán)境科學(xué)專業(yè)，研究方向：環(huán)境污染與健康。E-mail：zhaolingzi1984@163.com。