基于CdSe/ZnS量子點(diǎn)構(gòu)建乙酰甲胺磷熒光檢測(cè)方法研究

程 楊， 劉紅弟， 匡立學(xué)， 徐國(guó)鋒*

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部果品及苗木質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心(興城)，遼寧興城 125100)

乙酰甲胺磷(Acephate)又名高滅磷(圖1)，化學(xué)名為O,S -二甲基-N-乙?；虼柞０?。它是一種內(nèi)吸殺蟲劑，主要抑制昆蟲體內(nèi)的乙酰膽堿酯酶，具有胃毒和觸殺作用，有一定的熏蒸作用，是緩效型殺蟲劑。該殺蟲劑主要用于防治蔬菜、果樹、水稻、棉花以及小麥等作物上的害蟲。在實(shí)際果蔬種植中，乙酰甲胺磷的過量、不規(guī)范使用易使其殘留于果蔬中，進(jìn)而危害人體健康。我國(guó)規(guī)定乙酰甲胺磷在果蔬中的最大殘留限量值(MRL)為0.5～1.0 mg/kg[1]。目前，乙酰甲胺磷的檢測(cè)方法主要有氣相色譜法(GC)[2]、高效液相色譜法(HPLC)[3]、液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法(LC-MS/MS)[4]。但這些方法具有易受基質(zhì)干擾，分析過程比較繁瑣且時(shí)間冗長(zhǎng)、儀器設(shè)備昂貴等缺點(diǎn)。因此，建立一種簡(jiǎn)便、靈敏度高、準(zhǔn)確性好的乙酰甲胺磷檢測(cè)方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

圖1 乙酰甲胺磷的化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig.1 Chemical structure of acephate

量子點(diǎn)(Quantum Dots，QDs)是由Ⅱ-Ⅳ族或Ⅲ-Ⅴ族元素所組成的、粒徑介于1～100 nm之間，三維受限、近似球狀的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體納米晶體[5,6]。與傳統(tǒng)的有機(jī)熒光染料相比，量子點(diǎn)具有熒光量子產(chǎn)率高、激發(fā)光譜寬、發(fā)射光譜窄、抗光漂白能力強(qiáng)、光學(xué)穩(wěn)定性好以及易于修飾等特性[7,8]。這些優(yōu)越的熒光性能已引起國(guó)內(nèi)外科研工作者們的廣泛關(guān)注。目前量子點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于生物成像分析[9,10]、重金屬離子檢測(cè)[11,12]、生物標(biāo)記[13]、藥物測(cè)定[14]以及DNA和蛋白質(zhì)的檢測(cè)[15,16]等前沿科學(xué)領(lǐng)域。然而，已有的單核量子點(diǎn)(例如CdSe、CdTe等)表面缺陷較多，熒光效率較低，光致氧化的穩(wěn)定性也較差。與單核量子點(diǎn)相比較，核-殼型量子點(diǎn)(例如CdSe/ZnS、CdSe/CdS)具有更好的發(fā)光效率及穩(wěn)定性，并且其毒性較低，使核-殼型量子點(diǎn)具有非常大的應(yīng)用前景[17]。本研究基于乙酰甲胺磷對(duì)油溶性核-殼型CdSe/ZnS QDs發(fā)生熒光的靈敏猝滅特性，以此建立了一種簡(jiǎn)單、靈敏度高、選擇性好且成本低的乙酰甲胺磷檢測(cè)新方法，該方法可應(yīng)用于水果和蔬菜中農(nóng)藥乙酰甲胺磷的快速檢測(cè)，拓展了熒光量子點(diǎn)的應(yīng)用范圍。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

F-4600型熒光光譜儀(日本，日立公司)；U-3900型紫外光譜儀(日本，日立公司)；雷磁pHS-3E型數(shù)顯式pH計(jì)(上海儀電科學(xué)儀器有限公司)；Tecnai G2 F30型高分辨率透射電子顯微鏡(美國(guó)，美國(guó)FEI公司)；TGW16型離心機(jī)(長(zhǎng)沙英泰儀器有限公司)；ZF-20D暗箱式紫外分析儀(上海寶山顧村電光儀器廠)；Milli-Q Direct 8超純水系統(tǒng)(美國(guó)，Millipore公司)；四面通熒光石英比色池(1 cm×1 cm)。

乙酰甲胺磷農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)品購(gòu)自于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部天津環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，質(zhì)量濃度為1 000 μg/mL，放置于4 ℃ 冰箱中保存?zhèn)溆?。?shí)驗(yàn)時(shí)用正己烷稀釋得到標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。油溶性CdSe/ZnS QDs(濃度約為4.0×10-5mol/L，激發(fā)波長(zhǎng)282 nm，發(fā)射波長(zhǎng)594 nm，熒光量子產(chǎn)率為80%)購(gòu)自武漢珈源量子點(diǎn)技術(shù)開發(fā)有限公司；其它實(shí)驗(yàn)試劑均為分析純。實(shí)驗(yàn)用水使用Milli-Q Direct 8超純水系統(tǒng)進(jìn)行純化。

蘋果及芹菜樣品均購(gòu)買于遼寧省興城市東偉超市。

1.2 熒光光譜測(cè)定

將分散在正己烷中的100 μL 1.0×10-5mol/L的CdSe/ZnS QDs溶液加入到10 mL的比色管中，再加入不同濃度的乙酰甲胺磷溶液，用正己烷溶液定容至10 mL，充分混勻后反應(yīng)5 min，在常溫下進(jìn)行熒光光譜掃描。以282 nm為激發(fā)波長(zhǎng)，記錄594 nm發(fā)射波長(zhǎng)處的熒光強(qiáng)度，用于乙酰甲胺磷的分析檢測(cè)。

1.3 實(shí)際樣品分析

準(zhǔn)確稱取勻漿后的蘋果和芹菜樣品各25 g，置于100 mL燒杯中，分別加入50 mL乙腈提取樣品中的農(nóng)藥成分，以3 000 r/min混勻2 min，將勻漿液過濾后，轉(zhuǎn)移到裝有7 g NaCl的100 mL量筒中，混勻2～3 min，靜止放置0.5 h。移取上清液10 mL，40 ℃下N2吹干，重新溶解于正己烷并定容至10 mL，進(jìn)行熒光光譜的分析測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 CdSe/ZnS QDs的表征

利用高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)對(duì)油溶性CdSe/ZnS QDs進(jìn)行觀測(cè)(圖2(a))，從圖中可清晰看到CdSe/ZnS QDs顆粒近似球型，外觀尺寸均一，總體分散性較好，粒徑大小約為3.5 nm。從圖2(b)中可以看出，在紫外光(365 nm)激發(fā)下，CdSe/ZnS QDs能夠被有效激發(fā)，發(fā)出黃色的熒光。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[18]，不同的量子點(diǎn)粒徑尺寸，能夠使其顯現(xiàn)出不同的顏色。

圖2 CdSe/ZnS QDs的透射電鏡(TEM)圖(a)和在紫外光激發(fā)下的圖像(b)Fig.2 TEM image of CdSe/ZnS QDs(a) and the photo of CdSe/ZnS QDs under ultraviolet light(b)

圖3為CdSe/ZnS QDs的紫外-可見吸收光譜圖及熒光光譜圖。由紫外-可見吸收光譜可見，CdSe/ZnS QDs紫外吸收峰位于564 nm，依據(jù)紫外吸收光譜經(jīng)驗(yàn)公式[19]：D=(9.8127×10-7)λ3-(1.7147×10-3)λ2+1.0061λ-194.84(其中D為粒徑，λ為最大紫外吸收波長(zhǎng))，計(jì)算得CdSe/ZnS QDs的粒徑為3.2 nm，表明CdSe/ZnS QDs的粒徑分布均勻，并與TEM表征結(jié)果(3.5 nm)較吻合。由圖3還可以看出，CdSe/ZnS QDs最大激發(fā)峰在282 nm時(shí)，熒光發(fā)射峰位于594 nm處，半峰寬約為30 nm，進(jìn)一步表明此油溶性CdSe/ZnS QDs尺寸分布較窄，發(fā)光性能較好。

圖3 CdSe/ZnS QDs的紫外-可見吸收光譜(a)及熒光發(fā)射光譜圖(b)Fig.3 UV-Vis absorption spectrum (a) and fluorescence emission spectrum(b) of CdSe/ZnS QDs

2.2 CdSe/ZnS QDs用于農(nóng)藥乙酰甲胺磷檢測(cè)

2.2.1 反應(yīng)時(shí)間的影響當(dāng)向CdSe/ZnS QDs溶液中加入乙酰甲胺磷(濃度為5.46×10-6mol/L)后，每隔1 min測(cè)定1次溶液體系的熒光強(qiáng)度(1～30 min)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)加入乙酰甲胺磷后，CdSe/ZnS QDs的熒光強(qiáng)度迅速發(fā)生猝滅，并且在5 min之后達(dá)到穩(wěn)定，5 min時(shí)熒光信號(hào)響應(yīng)達(dá)到最大值，此后隨著時(shí)間的增加熒光信號(hào)保持不變(穩(wěn)定30 min左右)。因此，實(shí)驗(yàn)中選擇反應(yīng)5 min后測(cè)定體系的熒光強(qiáng)度。

2.2.2 線性范圍及檢出限從圖4可知，乙酰甲胺磷可有效猝滅CdSe/ZnS QDs的熒光，且猝滅程度隨乙酰甲胺磷濃度的增大而增加，表明采用CdSe/ZnS QDs測(cè)定乙酰甲胺磷具有一定可行性。在最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下，考察了CdSe/ZnS QDs的熒光強(qiáng)度變化值(F0/F)與乙酰甲胺磷濃度(c)之間的關(guān)系(其中F0是不含乙酰甲胺磷時(shí)體系的熒光強(qiáng)度，F(xiàn)是含有不同濃度乙酰甲胺磷時(shí)體系的熒光強(qiáng)度)。結(jié)果表明：當(dāng)乙酰甲胺磷的濃度在0.487×10-6～7.225×10-6mol/L范圍內(nèi)時(shí)，CdSe/ZnS QDs的F0/F與c之間呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，其線性回歸方程為：F0/F=1.17c+0.322(R2=0.9987)，方法檢出限(3σ)為2.55×10-7mol/L。對(duì)乙酰甲胺磷溶液進(jìn)行11次平行測(cè)定，體系熒光強(qiáng)度變化的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.14%。

圖4 CdSe/ZnS QDs隨乙酰甲胺磷濃度變化的熒光光譜圖Fig.4 Fluorescence spectra of CdSe/ZnS QDs varying with concentration of acephateCurve 1 - 13：0，0.487，0.695，1.092，1.354，1.905，2.263，3.108，4.368，5.460，7.225，8.664，9.736 μmol/L.

2.3 農(nóng)藥增稠劑及穩(wěn)定劑的影響

在最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下，考察了一些常見的農(nóng)藥增稠劑及穩(wěn)定劑，如：乙二醇、丙三醇、異丙醇、硅酸鋁鎂、對(duì)苯二酚、聚乙二醇及甲醛等對(duì)CdSe/ZnS QDs熒光強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖5所示。這些常見的農(nóng)藥增稠劑及穩(wěn)定劑均對(duì)CdSe/ZnS QDs的熒光沒有明顯的影響(p>0.05)。

圖5 一些常見的農(nóng)藥增稠劑及穩(wěn)定劑對(duì)CdSe/ZnS QDs熒光強(qiáng)度的影響Fig.5 Effects of some common thickeners and stabilizers on the fluorescence intensity of CdSe/ZnS QDs1:Control；2:Ethylene glycol；3:Glycerol；4:Isopropanol；5:Magnesium aluminoslilcate；6:Hydroquinone；7:PEG；8:Formaldehyde，the concentration of CdSe/ZnS QDs is 1.0×10-7 mol/L.

2.4 可能的熒光響應(yīng)機(jī)制

根據(jù)上述分析，隨著乙酰甲胺磷濃度的增加，CdSe/ZnS QDs的熒光強(qiáng)度發(fā)生規(guī)律性的猝滅現(xiàn)象。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[20]，一般情況下能量轉(zhuǎn)移以及量子點(diǎn)表面效應(yīng)都會(huì)引起體系熒光強(qiáng)度的猝滅。圖6顯示了乙酰甲胺磷的紫外-可見吸收光譜和CdSe/ZnS QDs的發(fā)射光譜。從圖中我們可以看出乙酰甲胺磷的紫外-可見吸收光譜與CdSe/ZnS QDs的發(fā)射光譜沒有發(fā)生重疊現(xiàn)象，說(shuō)明乙酰甲胺磷與CdSe/ZnS QDs之間并沒有發(fā)生能量轉(zhuǎn)移。

圖6 乙酰甲胺磷的紫外-可見吸收光譜(a)和CdSe/ZnS QDs的發(fā)射光譜(b)Fig.6 UV-Vis absorption spectrum of acephate(a) and emission spectrum of CdSe/ZnS QDs(b)

從圖7A可以看出，在向體系中加入乙酰甲胺磷之前，CdSe/ZnS QDs的粒徑分布較均勻，總體分散性較好，沒有發(fā)生明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象。當(dāng)向CdSe/ZnS QDs溶液中加入乙酰甲胺磷后，其TEM圖像中也沒有發(fā)生明顯的團(tuán)聚以及尺寸變化(圖7B)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明CdSe/ZnS QDs的熒光被乙酰甲胺磷猝滅并不是由于乙酰甲胺磷誘導(dǎo)CdSe/ZnS QDs團(tuán)聚或尺寸減小引起的。并且從熒光光譜圖(圖4)也可以看出，當(dāng)乙酰甲胺磷濃度在0.487×10-6～9.736×10-6mol/L范圍內(nèi)變化時(shí)，CdSe/ZnS QDs的熒光光譜也沒有出現(xiàn)明顯的紅移或藍(lán)移。表明加入乙酰甲胺磷之后，CdSe/ZnS QDs沒有發(fā)生明顯的團(tuán)聚或尺寸減小，并沒有發(fā)生量子點(diǎn)表面效應(yīng)。

圖7 加入乙酰甲胺磷前(A)和加入乙酰甲胺磷后(B)的CdSe/ZnS QDs的透射電鏡(TEM)圖Fig.7 TEM images of CdSe/ZnS QDs before(A) and after(B) the addition of acephate

有研究表明[20]量子點(diǎn)表面的有機(jī)分子對(duì)其熒光性質(zhì)有較大影響。一些小分子和量子點(diǎn)結(jié)合后會(huì)影響量子點(diǎn)中電子和空穴的復(fù)合過程，導(dǎo)致發(fā)光強(qiáng)度的改變。因此可知，乙酰甲胺磷與CdSe/ZnS QDs之間的相互作用，有可能增大了CdSe/ZnS QDs的表面缺陷和非輻射重組的發(fā)生，導(dǎo)致CdSe/ZnS QDs熒光動(dòng)態(tài)猝滅。

2.5 實(shí)際樣品測(cè)定

通過加入回收實(shí)驗(yàn)對(duì)蘋果和芹菜樣品中農(nóng)藥乙酰甲胺磷的含量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如表1所示。農(nóng)藥乙酰甲胺磷的加標(biāo)回收率為94.5%～102.8%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD，n=5)在2.1%～3.8%范圍內(nèi)，表明該方法具有較好的實(shí)際應(yīng)用可行性。

表1 蘋果和芹菜樣品中農(nóng)藥乙酰甲胺磷的分析結(jié)果(n=5)Table 1 Analytical results of acephate in apple and celery samples(n=5)

3 結(jié)論

本研究基于乙酰甲胺磷與油溶性CdSe/ZnS QDs之間的相互作用，建立了一種快速測(cè)定乙酰甲胺磷的熒光分析方法。在最佳的實(shí)驗(yàn)條件下，方法線性范圍0.487×10-6～7.225×10-6mol/L，相關(guān)系數(shù)R2=0.9987，檢出限為2.55×10-7mol/L。該方法靈敏度高、選擇性好、操作簡(jiǎn)單，可用于水果和蔬菜中乙酰甲胺磷的快速檢測(cè)。