硅量子點(diǎn)的控制合成、表征及對(duì)Cu2+的高靈敏傳感

劉振平， 龐鈳靖， 姜 容， 甘芳瑗， 夏明星， 聶青玉

(1. 重慶安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院， 重慶 404020； 2. 重慶海關(guān)技術(shù)中心， 重慶 400020； 3. 重慶三峽職業(yè)學(xué)院， 重慶 404155)

1 引 言

銅是人體必需的微量元素，在調(diào)節(jié)血紅蛋白水平、神經(jīng)元作用、線粒體呼吸和代謝等許多生理過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[1-2]。然而，過量的銅會(huì)導(dǎo)致氧化應(yīng)激，干擾細(xì)胞內(nèi)的穩(wěn)態(tài)，引發(fā)包括威爾遜病、Menkes氏綜合征、阿爾茨海默病、Parkinson’s病和腎臟損傷等多種疾病[3-5]。世界衛(wèi)生組織(WHO)、中國(guó)和美國(guó)的環(huán)保部門對(duì)水中的Cu2+均制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[6-7]。事實(shí)上，由于Cu2+在農(nóng)業(yè)和工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，對(duì)水中銅的監(jiān)測(cè)是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題[8]。因此，建立一種快速、靈敏、穩(wěn)定的Cu2+檢測(cè)方法具有重要意義。

近年來，除了傳統(tǒng)的分光光度法和原子吸收光譜法外，基于共軛聚合物的膜傳感器膜[9]、比色傳感器[10-11]、表面等離子體共振技術(shù)[12]、功能化的無機(jī)納米管[13]、化學(xué)熒光傳感器[14]、離子色譜與化學(xué)發(fā)光聯(lián)用法[15]、基于量子點(diǎn)的熒光檢測(cè)方法[16-17]等新技術(shù)也被開發(fā)用于Cu2+的檢測(cè)。以熒光信號(hào)為基礎(chǔ)的熒光檢測(cè)方法已被證明是快速檢測(cè)目標(biāo)的有效和可行的方法[14]，尤其用于金屬離子的檢測(cè)具有更好的特異性和靈敏度[18]。

量子點(diǎn)的光學(xué)性質(zhì)被廣泛研究和應(yīng)用[19-24]。本研究以N-[3-(三甲氧基硅基)丙基]乙二胺為硅源，采用一步無溶劑法合成了表面含有氨基、且具有穩(wěn)定發(fā)光性質(zhì)的水溶性硅量子點(diǎn)(Silicon quantum dots，Si-QDs)，并通過多種手段對(duì)其進(jìn)行了表征。利用Cu2+對(duì)其熒光的高效靜態(tài)猝滅作用，開發(fā)了一種新的熒光傳感體系，實(shí)現(xiàn)了水中Cu2+的高靈敏檢測(cè)。本研究建立的基于Si-QDs的Cu2+檢測(cè)方法操作簡(jiǎn)便、環(huán)境友好、準(zhǔn)確高效，可用于實(shí)際水樣中Cu2+測(cè)定，對(duì)Cu2+快速檢測(cè)具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

2 材料與方法

2.1 試劑

實(shí)驗(yàn)試劑：N-[3-(三甲氧基硅基)丙基]乙二胺(C8H22N2O3Si)、石油醚、檸檬酸、CuCl2，成都市科龍化工試劑廠；試驗(yàn)用水均為超純水(>18 MΩ·cm-1)；PBS，北京鼎國(guó)昌盛生物技術(shù)有限責(zé)任公司。

2.2 儀器與設(shè)備

測(cè)試儀器：FL970熒光分光光度計(jì)，上海天美科學(xué)儀器有限公司；TU-1901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；pH-S20K pH計(jì)，瑞士Mettler Toledo公司；Tecnai F20透射電子顯微鏡，美國(guó)FEI公司；Bruker vetex70 傅里葉紅外光譜儀，德國(guó)Bruker公司；FLS920熒光壽命光譜儀，英國(guó)Edinburgh公司；Zeta Sizer Nano ZS90粒徑及zeta電位分析儀，英國(guó)Malvern公司；超純水系統(tǒng)，重慶摩爾水處理設(shè)備有限公司。

2.3 Si-QDs的合成

在參考文獻(xiàn)[25]的基礎(chǔ)上，對(duì)合成方法進(jìn)行了部分優(yōu)化。具體步驟為：將20 mL N-[3-(三甲氧基硅基)丙基]乙二胺加入到100 mL燒瓶中，通氮?dú)? min以除去空氣；在油浴中加熱至260 ℃并劇烈攪拌，同時(shí)將1 g無水檸檬酸迅速加入燒瓶中，迅速反應(yīng)并產(chǎn)生大量白煙；混合物繼續(xù)在260 ℃保持1 min，冷卻后用透析袋(1 ku截止分子量)純化6 h，得到硅量子點(diǎn)。經(jīng)干燥后稱量，計(jì)算出本方法合成的Si-QDs原液濃度為0.98 mg·mL-1。

2.4 Cu2+的檢測(cè)

精確吸取450 μL將原液稀釋104倍的Si-QDs溶液(0.098 μg·mL-1)，加入不同濃度的Cu2+溶液后用PBS(pH=7.3)稀釋至3.0 mL，分別配制成含有Cu2+16.7，50，100，150，200，600，1 670 nmol·L-1的標(biāo)準(zhǔn)溶液。在378 nm的激發(fā)波長(zhǎng)下測(cè)量468 nm處的熒光強(qiáng)度。

2.5 選擇性試驗(yàn)

2.6 加標(biāo)回收率試驗(yàn)及實(shí)際樣品檢測(cè)

本研究以水(城市自來水、市售礦泉水、野外山泉水)為檢測(cè)對(duì)象來測(cè)試基于熒光傳感材料的Si-QDs對(duì)實(shí)際樣品中Cu2+檢測(cè)的實(shí)用性。實(shí)際水樣經(jīng)簡(jiǎn)單的物理過濾后直接用于Cu2+的檢測(cè)，同時(shí)采用原子吸收分光光度法平行測(cè)定。對(duì)來源不同的水樣分別加入80，400，1 000 nmol·L-1的Cu2+，用于加標(biāo)回收率測(cè)定。

3 結(jié)果與分析

3.1 Si-QDs的表征

圖1 Si-QDs的透射電鏡圖像，插圖為粒徑分布圖和單個(gè)顆粒的高分辨透射電子顯微圖片。

圖2 Si-QDs的紅外吸收光譜

圖3 Si-QDs的XPS寬譜和高分辨窄譜。(a)寬譜；(b)C 1s；(c)N 1s；(d)O 1s；(e)Si 2p。

圖4 Si-QDs的XRD曲線

圖5 Si-QDs的激發(fā)與發(fā)射光譜

3.2 熒光猝滅機(jī)理分析

在Si-QDs溶液中加入不同濃度的Cu2+，如圖6所示，Si-QDs熒光強(qiáng)度隨Cu2+濃度增大而降低，表現(xiàn)出明顯的猝滅效應(yīng)，插圖a和b分別為Si-QDs熒光被Cu2+猝滅前后紫外光照射圖。熒光猝滅機(jī)理一般分為靜態(tài)猝滅和動(dòng)態(tài)猝滅[39]。熒光壽命可以反映物質(zhì)的激發(fā)態(tài)信息，是研究熒光猝滅機(jī)理的重要方式之一。在最佳激發(fā)波長(zhǎng)378 nm下測(cè)試Si-QDs熒光壽命，監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)為468 nm，對(duì)所得數(shù)據(jù)歸一化處理后進(jìn)行雙指數(shù)擬合(相關(guān)系數(shù)均大于0.99)得到的擬合曲線如圖7所示。經(jīng)計(jì)算Si-QDs中加入Cu2+前后的熒光壽命分別是7.36 ns和7.22 ns，變化不大。如圖8所示，Si-QDs與Cu2+相互作用后生成物質(zhì)的紫外-可見吸收光譜與Si-QDs和Cu2+的均不相同，表明Cu2+與Si-QDs形成了穩(wěn)定的絡(luò)合物，其機(jī)理主要是Cu2+與Si-QDs表面的—COOH、—NH2發(fā)生配位作用形成了配合物[40]。上述結(jié)果表明，本研究中Si-QDs的熒光猝滅可能是由于Cu2+與Si-QDs作用后形成非熒光基態(tài)配合物而導(dǎo)致的靜態(tài)猝滅[25,41]。在Zeta電位測(cè)試中(圖9)發(fā)現(xiàn)加入Cu2+后Si-QDs的表面電位降低，說明Cu2+主要作用于氨基和正電荷的屏蔽部分[42]，這也是使用含有氨基的N-[3-(三甲氧基硅基)丙基]乙二胺作為硅源的優(yōu)勢(shì)所在。以上試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證明了Cu2+對(duì)Si-QDs熒光靜態(tài)猝滅的機(jī)理。

圖6 不同Cu2+濃度下Si-QDs的發(fā)射光譜，插圖a和b分別為Si-QDs熒光被Cu2+猝滅前后紫外光照射下的發(fā)光圖片。

圖7 Si-QDs加入Cu2+前后的熒光衰減曲線及其雙指數(shù)擬合曲線

圖8 Si-QDs、Cu2+及其絡(luò)合物的紫外吸收光譜。

圖9 Si-QDs體系中加入Cu2+前后的Zeta電位圖譜

3.3 試驗(yàn)條件優(yōu)化結(jié)果

(1)激發(fā)波長(zhǎng)的選擇：圖10是在310～430 nm范圍內(nèi)不同的激發(fā)波長(zhǎng)下，Si-QDs的熒光發(fā)射光譜，可以看出，在378 nm的激發(fā)波長(zhǎng)下，Si-QDs發(fā)射的熒光最強(qiáng)。因此，我們選擇378 nm作為后續(xù)試驗(yàn)檢測(cè)熒光信號(hào)的激發(fā)波長(zhǎng)。

圖10 Si-QDs在不同波長(zhǎng)激發(fā)光下的熒光發(fā)射光譜

(2)Si-QDs濃度的選擇：根據(jù)FL970熒光分光光度計(jì)的量程和Si-QDs在最佳激發(fā)波長(zhǎng)時(shí)的熒光強(qiáng)度，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)確定最終體系中濃度為2.3節(jié)中合成的Si-QDs原液稀釋6.67×104倍，即0.015 μg·mL-1。

(3)傳感體系pH的確定：結(jié)合pH對(duì)Si-QDs熒光強(qiáng)度的影響(如圖11)及目標(biāo)物Cu2+在水溶液中的穩(wěn)定性，本研究發(fā)現(xiàn)，較優(yōu)的pH檢測(cè)環(huán)境為中性。因此，確定以中性的PBS(pH=7.3)為介質(zhì)進(jìn)行離子探測(cè)。

圖11 pH對(duì)Si-QDs熒光強(qiáng)度的影響

(4)反應(yīng)時(shí)間優(yōu)化：將Cu2+(100 nmol·L-1)加入Si-QDs體系中，分別在1，2，3，4，5，6，7，8 min時(shí)測(cè)定熒光強(qiáng)度。如圖12所示，Cu2+與Si-QDs的反應(yīng)時(shí)間較短，在1 min后即達(dá)到穩(wěn)定，在隨后的測(cè)試中熒光強(qiáng)度無明顯變化。

圖12 Cu2+(100 nmol·L-1)對(duì)Si-QDs熒光猝滅程度與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系

3.4 Cu2+的定量檢測(cè)

在優(yōu)化的試驗(yàn)條件下，Si-QDs熒光傳感體系對(duì)Cu2+濃度梯度為16.7，50，100，150，200，600，1 670 nmol·L-1的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行了測(cè)定。隨著Cu2+濃度的不斷增大，Si-QDs熒光信號(hào)不斷減弱(圖6)。Cu2+濃度的自然對(duì)數(shù)在16.7～1 670 nmol·L-1范圍內(nèi)與Si-QDs熒光相對(duì)猝滅程度呈良好的線性關(guān)系(圖13)，線性方程為 (F0-F)/F0=0.18808lnC(Cu2+)-0.41377，相關(guān)系數(shù)R2=0.998，檢出限為4.7 nmol·L-1(S/N=3)，該熒光傳感體系與其他文獻(xiàn)報(bào)道的Cu2+測(cè)定方法相比，有較低的檢測(cè)限和較寬的檢測(cè)范圍(見表1)，且只需將樣品與量子點(diǎn)溶液混合即可檢測(cè)，操作簡(jiǎn)便。傳感體系的穩(wěn)定性決定其實(shí)用性，將制備好的Si-QDs熒光傳感材料體系置于4 ℃條件下避光保存，在優(yōu)化條件下，每隔一天對(duì)濃度為600 nmol·L-1的Cu2+進(jìn)行檢測(cè)，用來測(cè)試該傳感體系的穩(wěn)定性。測(cè)試結(jié)果的日內(nèi)精密度為4.28%，日間精密度為5.72%。這表明放置一段時(shí)間的傳感體系檢測(cè)效果與制備初期檢測(cè)效果差異不大，具有良好的穩(wěn)定性(7 d)。

圖13 Si-QDs檢測(cè)Cu2+的線性關(guān)系圖

表1 Si-QDs熒光傳感體系與其他方法比較

3.5 選擇性試驗(yàn)

對(duì)目標(biāo)物具有高度的選擇性是傳感體系的必要條件。本研究對(duì)所制備的Cu2+熒光傳感體系

圖14 熒光傳感體系選擇性分析

3.6 水樣檢測(cè)結(jié)果

取3種適量實(shí)際水樣品(城市自來水、市售礦泉水、野外山泉水)按照2.6節(jié)方法進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn)，每個(gè)樣品平行測(cè)定3次，以實(shí)際測(cè)得的Cu2+濃度與添加的Cu2+濃度的比值來計(jì)算加標(biāo)回收率，所得加標(biāo)回收率介于89.47%～106.75%之間，RSD均<6.05%(n=3)。結(jié)果表明，該熒光傳感體系準(zhǔn)確可靠，可用于實(shí)際水樣品中Cu2+含量的測(cè)定(見表2)。

表2 水樣品中Cu2+的檢測(cè)

4 結(jié) 論

本研究以N-[3-(三甲氧基硅基)丙基]乙二胺為硅源，運(yùn)用一步無溶劑法合成了具有較好發(fā)光穩(wěn)定性和水溶性的硅量子點(diǎn)，并通過透射電鏡(TEM)、紅外吸收光譜(IR)、X射線光電子能譜(XPS)、X射線衍射(XRD)和熒光光譜對(duì)其進(jìn)行了表征。以Cu2+對(duì)Si-QDs熒光的高效靜態(tài)猝滅效應(yīng)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了高靈敏檢測(cè)Cu2+的熒光傳感體系，檢測(cè)范圍為16.7～1 670 nmol·L-1，所需設(shè)備簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，成本低，效率高，在pH=7.3的PBS溶液中簡(jiǎn)單地將Si-QDs與目標(biāo)物混合在一起即可檢測(cè)，并且具有較高靈敏性，檢出限低至4.7 nmol·L-1。在實(shí)際水樣品檢測(cè)中得到了較準(zhǔn)確的結(jié)果，為Cu2+的簡(jiǎn)便快速、靈敏準(zhǔn)確定量檢測(cè)提供了新的方案。