開關(guān)式氧化鋅量子點(diǎn)熒光探針制備及其特異性檢測(cè)Cu2+應(yīng)用

崔 葆， 黃秋梅， 戎西林， 崔美佳， 程 昊， 馮 軍， 黃文藝*

(1. 廣西科技大學(xué) 生物與化學(xué)工程學(xué)院， 廣西糖資源綠色加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 柳州 545006；. 蔗糖產(chǎn)業(yè)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心， 廣西 南寧 530004)

1 引 言

Cu2+是維持人體健康的必需微量元素之一，在許多正常生理過程中起著重要作用[1]。然而攝入過多的Cu2+會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生神經(jīng)系統(tǒng)疾病[2]，例如阿爾茲海默病[3-4]、帕金森氏病[5]、威爾遜氏病[6]等。另外，由于Cu2+在工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及生活中的廣泛應(yīng)用，其造成的環(huán)境污染問題日益突出[7-9]。傳統(tǒng)檢測(cè)Cu2+的方法主要有：原子吸收光譜法[10]、分光光度法[11]、電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)[12-13]、比色法[14]等，但是這些傳統(tǒng)方法大多需要大量樣品且檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)。與這些傳統(tǒng)檢測(cè)Cu2+的方法相比，新型的熒光檢測(cè)因省時(shí)又環(huán)保的優(yōu)勢(shì)引起了研究人員的極大關(guān)注。近年來(lái)，熒光探針在Cu2+檢測(cè)方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)展。Han等[15]設(shè)計(jì)合成了一種基于8-羥基喹啉的熒光探針，通過熒光響應(yīng)信號(hào)對(duì)Cu2+進(jìn)行快速識(shí)別。Samadhan等[16]開發(fā)了一種基于巰基丙酸封端的硫化鎘量子點(diǎn)，通過分別添加D-青霉素和Cu2+來(lái)實(shí)現(xiàn)熒光定量檢測(cè)Cu2+。Zhu等[17]成功建立了一種基于碳量子點(diǎn)的Cu2+和谷胱甘肽的比例熒光檢測(cè)方法，通過碳量子點(diǎn)和2,3-二氨基吩嗪之間的熒光共振能量轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)Cu2+的定量檢測(cè)。

目前，檢測(cè)Cu2+的熒光探針主要包括有機(jī)染劑、分子熒光以及量子點(diǎn)(QDs)。其中，有機(jī)染劑因易被光漂白而被限制了使用。QDs因具有很好的光穩(wěn)定性、較大的斯托克斯位移、寬激發(fā)譜和窄發(fā)射譜等性質(zhì)及比傳統(tǒng)的有機(jī)熒光團(tuán)更優(yōu)異的分析性能，在光催化、太陽(yáng)能電池、生物識(shí)別和檢測(cè)等多種領(lǐng)域[18-26]具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。在各種QDs中，氧化鋅量子點(diǎn)(ZnO QDs)具有獨(dú)特的發(fā)光特性，主要發(fā)出紅色、黃色、藍(lán)色、綠色和紫外熒光[27]。其中，最常見的是500 nm處的綠色熒光。ZnO QDs具有較強(qiáng)的熒光發(fā)射強(qiáng)度以及穩(wěn)定性，同時(shí)還具有安全無(wú)毒、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等特點(diǎn)。目前，ZnO QDs已成功應(yīng)用于紫外線發(fā)射器、傳感器、晶體管、太陽(yáng)能電池、光催化、醫(yī)學(xué)、化妝品等[28-34]領(lǐng)域。開發(fā)ZnO QDs作為熒光探針特異性檢測(cè)重金屬離子，具有廣泛的應(yīng)用前景。

目前，基于ZnO QDs的熒光探針檢測(cè)方法大多是猝滅型熒光響應(yīng)，通過猝滅ZnO QDs的熒光強(qiáng)度來(lái)達(dá)到檢測(cè)的目的。這種檢測(cè)方法容易受周圍環(huán)境的影響，從而降低檢測(cè)方法的分析性能?！伴_-關(guān)-開”式熒光檢測(cè)是在猝滅型熒光檢測(cè)的基礎(chǔ)上再加入另一種物質(zhì)使得原本已經(jīng)猝滅的熒光恢復(fù)，提高了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

本文通過溶膠凝膠法成功制備出一種熒光性能穩(wěn)定的ZnO QDs，并用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTEs)對(duì)其進(jìn)行封端處理，成功合成出具有水溶性的ZnO-NH2QDs?；贑u2+對(duì)ZnO-NH2QDs的動(dòng)態(tài)猝滅效應(yīng)，且Cu2+與OPD反應(yīng)生成具有熒光的配合物2,3-二氨基吩嗪(DAP)[17]，設(shè)計(jì)了ZnO-NH2QDs+Cu2++OPD的“開-關(guān)-開”熒光恢復(fù)系統(tǒng)，構(gòu)建了一種新型熒光探針。該方法不需要對(duì)樣品進(jìn)行前處理，減少了樣品檢測(cè)的繁瑣性，提高了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度和靈敏度，可用于特異性識(shí)別Cu2+。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 試劑與儀器

試劑：二水合乙酸鋅(Zn(Ac)2·2H2O)購(gòu)于西隴化工股份有限公司，氫氧化鉀(KOH)、氫氧化鈉(NaOH)、鹽酸(HCl)購(gòu)于廣州市金華大化學(xué)試劑有限公司，3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTEs)購(gòu)于阿拉丁試劑有限公司，Cu2+標(biāo)準(zhǔn)溶液(1 000 μg/mL)購(gòu)于美國(guó)Alfa Aesar有限公司，三(羥甲基)氨基甲烷(Tris)購(gòu)于阿拉丁試劑有限公司，鄰苯二胺(OPD)購(gòu)于上海麥克林生化科技有限公司，六水合氯化鎂(MgCl2·6H2O)、氯化鈣(CaCl2)、硫酸鎘(CdSO4)、氯化鋇(BaCl2)、氯化鋅(ZnCl2)、硫酸錳(MnSO4)、氯化汞(HgCl2)、三水合醋酸鉛(Pb(Ac)2·3H2O)、六水合氯化鐵(FeCl3·6H2O)、硫酸銅(CuSO4)和無(wú)水乙醇均購(gòu)于成都科隆化學(xué)品有限公司。實(shí)驗(yàn)中所用試劑均為分析純，所用水為本實(shí)驗(yàn)室自制超純水。

儀器：透射電子顯微鏡(日本 JEOL，JEM-2100)，X射線衍射儀(德國(guó) Bruker，D8A A25)，X射線光電子能譜(美國(guó) THERMO，Thermo 250i)，傅里葉變換紅外光譜儀(德國(guó) Bruker公司，INVENIOR)，紫外-可見分光光度計(jì)(美國(guó) THERMO，Evolution 220)，穩(wěn)瞬態(tài)熒光光譜儀(美國(guó) HORIBA，F(xiàn)luoroMax-4)，電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(美國(guó)安捷倫，Agilent ICP-OES730)。

2.2 量子點(diǎn)制備

取2.195 g Zn(Ac)2·2H2O分散于100 mL無(wú)水乙醇中，65 ℃攪拌溶解形成Zn(Ac)2乙醇溶液。另將0.4 g NaOH分散于100 mL無(wú)水乙醇中，65 ℃攪拌溶解形成NaOH乙醇溶液。將NaOH乙醇溶液加入Zn(Ac)2乙醇溶液中，在同溫度下攪拌反應(yīng)2 h生成白色沉淀，將其離心后用無(wú)水乙醇洗滌數(shù)次后于冰箱中冷藏保存，取一部分樣品在50 ℃下真空干燥，得到ZnO QDs粉末并用于表征檢測(cè)。

將上述得到的ZnO QDs分散在20 mL無(wú)水乙醇中，加入10 mL 0.05 mol/L APTEs乙醇溶液、0.4 mL超純水，室溫下快速攪拌，反應(yīng)2 h，離心分離后用無(wú)水乙醇和超純水分別洗滌3次，制得ZnO-NH2QDs。將部分ZnO-NH2QDs樣品在50 ℃下真空干燥，制成ZnO-NH2QDs粉末，用于樣品的微觀形貌、晶形結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能表征。其余ZnO-NH2QDs樣品分散于超純水中，放置4 ℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

2.3 量子點(diǎn)表征

將所制備樣品烘干制成粉末，通過紫外-可見分光光度計(jì)(UV-Vis)進(jìn)行表征，測(cè)量樣品的紫外-可見吸收光譜，檢測(cè)光譜范圍為300～750 nm。用X射線光電子能譜(XPS)對(duì)其元素進(jìn)行表征分析，將樣品固定在導(dǎo)電膠上進(jìn)行測(cè)試。透射電子顯微鏡(TEM)和X射線衍射(XRD)用于表征所制備樣品的形貌、晶體結(jié)構(gòu)和物相分析。將樣品粉末超聲分散成懸浮液浸漬銅網(wǎng)，室溫干燥后進(jìn)行TEM測(cè)試，獲得樣品的高分辨透射電子顯微鏡圖。將樣品研磨成粉末，放置在X射線衍射儀樣品架上壓實(shí)后檢測(cè)得到X射線衍射圖。將所制備的樣品與溴化鉀研磨混合壓片，利用傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR)對(duì)所制備樣品進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而分析其含有的官能團(tuán)。使用穩(wěn)瞬態(tài)熒光光譜儀對(duì)所制備樣品的熒光發(fā)射光譜及最佳發(fā)射波長(zhǎng)處的熒光強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。利用熒光光譜儀自帶的熒光壽命檢測(cè)配件對(duì)樣品的熒光壽命衰減曲線進(jìn)行檢測(cè)，并通過配套軟件進(jìn)行擬合。

2.4 Cu2+檢測(cè)及其特異性識(shí)別

ZnO-NH2QDs對(duì)Cu2+檢測(cè)：取1 mL制備好的 ZnO-NH2QDs于10 mL離心管中，再加入4 mL Tris-HCl緩沖溶液混合均勻。依次加入1 mL不同濃度的Cu2+標(biāo)準(zhǔn)溶液，用渦旋振蕩混合器混合1 min后，用383 nm的紫外光進(jìn)行激發(fā)，通過穩(wěn)瞬態(tài)熒光光譜儀檢測(cè)其熒光發(fā)射光譜，記錄400～650 nm的光譜。以自來(lái)水為Cu2+實(shí)際樣品，采用加標(biāo)法檢驗(yàn)ZnO-NH2QDs探針測(cè)定Cu2+的實(shí)用性。

ZnO-NH2QDs對(duì)Cu2+的特異性識(shí)別：在ZnO-NH2QDs中分別加入不同金屬離子(K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Cd2+、Ba2+、Zn2+、Mn2+、Hg2+、Pb2+、Fe3+及Cu2+)溶液形成ZnO-NH2QDs+Mn+體系(Mn+為某種金屬離子)，然后再加入OPD水溶液，形成ZnO-NH2QDs+Mn++OPD體系，分別檢測(cè)ZnO-NH2QDs、ZnO-NH2QDs+Mn+體系、ZnO-NH2QDs+Mn++OPD體系的熒光性能，研究ZnO-NH2QDs 對(duì)Cu2+的選擇性識(shí)別特性。

3 結(jié)果與討論

3.1 表征分析

圖1是所制備ZnO QDs和ZnO-NH2QDs的XRD圖譜，兩種不同ZnO QDs的衍射峰位置均與六方纖鋅礦型ZnO的XRD標(biāo)準(zhǔn)卡片(COD 9011662)基本相同，位于31.79°、34.30°、36.12°、47.56°、56.57°、62.85°、68.19°處，分別對(duì)應(yīng)ZnO的(100)、(002)、(101)、(102)、(210)、(103)、(212)晶面。圖中未出現(xiàn)其他化合物的衍射峰，說明樣品純度較高，沒有雜質(zhì)或是其他副產(chǎn)物的產(chǎn)生。在引入APTEs之后，ZnO-NH2QDs的每個(gè)衍射峰都出現(xiàn)寬化且強(qiáng)度也有所下降，出現(xiàn)了明顯的尺寸效應(yīng)，說明所制備的ZnO-NH2QDs是納米級(jí)別。ZnO-NH2QDs的譜圖顯示在21.6°處出現(xiàn)了氨丙基硅氧烷的衍射峰[35]，進(jìn)一步說明APTEs已成功引入ZnO QDs。

圖1 ZnO QDs和 ZnO-NH2 QDs的XRD圖譜

圖2(a)為所制備的ZnO QDs的TEM圖，圖2(b)為ZnO-NH2QDs的TEM圖，圖2(c)為ZnO-NH2QDs的HRTEM圖。從圖中可以看出ZnO QDs和ZnO-NH2QDs都是類球形的顆粒狀，粒徑均一，ZnO-NH2QDs較ZnO QDs更為分散。所制備的ZnO-NH2QDs晶體結(jié)構(gòu)較為完整，晶格條紋清晰可見，經(jīng)分析，圖中0.26 nm的晶格條紋對(duì)應(yīng)的是ZnO-NH2QDs的(002)晶面[36]。從圖中大致可以判斷出ZnO-NH2QDs的尺寸約為4～7 nm。

圖2 (a)ZnO QDs的透射電鏡圖譜；(b)ZnO-NH2 QDs的透射電鏡圖譜；(c)ZnO-NH2 QDs的高分辨透射電鏡圖譜。

圖3 ZnO QDs和ZnO-NH2 QDs的紅外光譜

圖4為ZnO QDs-NH2的XPS圖。圖4(a)為XPS的全譜掃描圖譜。圖4(b)為Zn 2p的圖譜，位于1 021.18 eV和1 044.13 eV處的兩個(gè)峰對(duì)應(yīng)于Zn 2p3/2和Zn 2p1/2，兩峰間的能量差為23.05 eV，與22.97 eV的標(biāo)準(zhǔn)值相近，表明Zn的價(jià)態(tài)為+2價(jià)[39-40]。圖4(c)為O 1s的XPS圖譜，使用XPSpeak41分峰軟件對(duì)ZnO QDs的O 1s光譜進(jìn)行分峰擬合得到3個(gè)峰，分別位于530.23 eV(Zn—O)、531.63 eV(Si—O)和532.18 eV(C—OH/C—O—C)[41-42]。圖4(d)為N 1s的XPS圖譜，從中可以觀察到3個(gè)擬合峰，分別是位于399.18 eV(N—Si)、399.73 eV(N—C)和400.53 eV(Si—N—O)[42]。表明APTEs已經(jīng)成功修飾在ZnO QDs的表面，其結(jié)果與XRD、FTIR分析結(jié)果基本一致。

圖4 ZnO-NH2 QDs的XPS譜。(a)全譜掃描;(b)Zn 2p;(c)O 1s;(d)N 1s。

3.2 ZnO-NH2 QDs熒光探針檢測(cè)Cu2+

3.2.1 Cu2+的定量檢測(cè)

將不同濃度的Cu2+標(biāo)準(zhǔn)溶液(0～9 000 nmol/L)作為熒光猝滅劑，對(duì)ZnO-NH2QDs進(jìn)行熒光猝滅檢測(cè)，以發(fā)射波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)、熒光強(qiáng)度為縱坐標(biāo)作圖，得到不同濃度下ZnO-NH2QDs+Cu2+的熒光發(fā)射光譜(圖5(a))。檢測(cè)534 nm處熒光強(qiáng)度，以Cu2+濃度為橫坐標(biāo)，(F0-F)/F0為縱坐標(biāo)，得到Cu2+的工作曲線。F0表示未添加Cu2+時(shí)體系的熒光強(qiáng)度，F(xiàn)表示添加不同Cu2+濃度體系的熒光強(qiáng)度。以(F0-F)/F0對(duì)Cu2+濃度進(jìn)行線性回歸分析，在40～9 000 nmol/L范圍內(nèi)，Cu2+濃度與(F0-F)/F0呈良好的線性關(guān)系，線性方程為y=0.10456x-0.00788，相關(guān)系數(shù)R2=0.999 43，根據(jù)S/N=3(N為校準(zhǔn)曲線的斜率，S為空白溶液的標(biāo)準(zhǔn)差)得到LOD為3.93 nmol/L(圖5(b))。

圖5 ZnO-NH2 QDs對(duì)Cu2+的定量檢測(cè)。(a)熒光發(fā)射光譜；(b)Cu2+的工作曲線。

表1列出了幾種檢測(cè)Cu2+的不同方法與本文方法進(jìn)行比較。由表1可知，雖然其他檢測(cè)方法的線性范圍較寬，但檢出限卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本文辦法的檢出限，說明本文所構(gòu)建的方法靈敏度高。

表1 檢測(cè)Cu2+的不同方法

3.2.2 ZnO-NH2QDs熒光探針的重現(xiàn)性、選擇性和干擾性

經(jīng)過上述實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化，選取濃度為6 μmol/L的Cu2+標(biāo)準(zhǔn)溶液作為熒光猝滅劑，考察ZnO-NH2QDs熒光探針的重現(xiàn)性。將同一批次制備的ZnO-NH2QDs平行檢測(cè)12次同一濃度Cu2+標(biāo)準(zhǔn)溶液(圖6)，檢測(cè)結(jié)果的RSD值為0.16%。上述結(jié)果說明，ZnO-NH2QDs熒光探針用于檢測(cè)Cu2+具有優(yōu)異的重現(xiàn)性。

圖6 ZnO-NH2 QDs熒光探針的重現(xiàn)性(加入Cu2+濃度為6 μmol/L)

為了評(píng)估基于ZnO-NH2QDs作為Cu2+定量檢測(cè)的選擇性熒光探針的實(shí)用性，我們對(duì)ZnO-NH2QDs熒光探針做了選擇性檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。在相同實(shí)驗(yàn)條件下將常見的金屬離子(K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Cd2+、Ba2+、Zn2+、Mn2+、Hg2+、Pb2+、Fe3+及Cu2+)分別添加至ZnO-NH2QDs中，測(cè)定添加金屬離子前后534 nm處的熒光發(fā)射強(qiáng)度，作熒光響應(yīng)圖(圖7(a))。圖中ΔF=F0-F1，其中，F(xiàn)0為未添加金屬離子的ZnO-NH2QDs熒光強(qiáng)度，F(xiàn)1為ZnO-NH2QDs+Mn+的熒光強(qiáng)度。根據(jù)圖7(a)可以看出，在實(shí)驗(yàn)條件下，F(xiàn)e3+和Cu2+對(duì)ZnO-NH2QDs有顯著的熒光猝滅現(xiàn)象，而K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Cd2+、Ba2+、Zn2+、Mn2+、Hg2+、Pb2+等金屬離子對(duì)ZnO-NH2QDs均無(wú)明顯熒光猝滅現(xiàn)象。上述結(jié)果說明，除Fe3+外，ZnO-NH2QDs作為Cu2+定量檢測(cè)的熒光探針具有良好的選擇性。與此同時(shí)，我們還在干擾實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了OPD的添加，探究在干擾離子的存在下，OPD對(duì)ZnO-NH2QDs +Mn+體系的熒光恢復(fù)響應(yīng)情況，結(jié)果如圖7(b)所示，圖中ΔF′=F2-F1。其中，F(xiàn)2為ZnO-NH2QDs +Mn++OPD的熒光強(qiáng)度。由圖7(b)可以看出，在所有的ZnO-NH2QDs+Mn++OPD體系中，只有ZnO-NH2QDs+Cu2++OPD體系的熒光顯著增強(qiáng)，其他ZnO-NH2QDs+Mn++OPD體系的熒光強(qiáng)度基本不變，說明OPD只會(huì)對(duì)ZnO-NH2QDs+Cu2+體系產(chǎn)生明顯的熒光恢復(fù)，而對(duì)于Fe3+、K+、Na+、Mg2+、Ca2+、Cd2+、Ba2+、Zn2+、Mn2+、Hg2+、Pb2+等離子的ZnO-NH2QDs+Mn+體系不會(huì)產(chǎn)生熒光恢復(fù)。因此，通過ZnO-NH2QDs+Cu2++OPD體系可以進(jìn)一步排除Fe3+對(duì)Cu2+檢測(cè)的干擾，實(shí)現(xiàn)對(duì)Cu2+的特異性檢測(cè)。

圖7 選擇性(Cu2+濃度：9 μmol/L；干擾物質(zhì)濃度：200 μmol/L)。(a)ZnO-NH2 QDs熒光探針對(duì)干擾物質(zhì)的熒光響應(yīng)；(b)各干擾物質(zhì)存在下OPD對(duì)ZnO-NH2 QDs熒光探針的響應(yīng)。

3.2.3 Cu2+的特異性識(shí)別

在上述的選擇性實(shí)驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)Cu2+和Fe3+均會(huì)對(duì)ZnO-NH2QDs熒光產(chǎn)生猝滅現(xiàn)象，但再加入OPD后，ZnO-NH2QDs+Cu2+體系的熒光能明顯恢復(fù)，而ZnO-NH2QDs+Fe3+體系的熒光不能恢復(fù)。為此我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于ZnO-NH2QDs+Mn++OPD的熒光探針，用于特異性識(shí)別Cu2+。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，圖8(a)為ZnO-NH2QDs+Cu2++OPD的熒光激發(fā)光譜，ZnO-NH2QDs+Cu2+在添加OPD后，最佳激發(fā)波長(zhǎng)由原來(lái)的383 nm變?yōu)?19 nm。為驗(yàn)證ZnO-NH2QDs在沒有Cu2+的情況下添加OPD后最佳激發(fā)波長(zhǎng)是否會(huì)發(fā)生變化，在ZnO-NH2QDs中添加100 μL OPD，分別使用383 nm和419 nm作為激發(fā)波長(zhǎng)對(duì)其進(jìn)行熒光檢測(cè)，結(jié)果如圖8(b)所示。ZnO-NH2QDs+OPD在383 nm作為激發(fā)波長(zhǎng)時(shí)具有很強(qiáng)的熒光強(qiáng)度，與ZnO-NH2QDs的熒光發(fā)射沒有明顯變化;而使用419 nm作為激發(fā)波長(zhǎng)時(shí)，ZnO-NH2QDs+OPD幾乎不產(chǎn)生熒光，這與ZnO-NH2QDs自身的激發(fā)光范圍有關(guān)。

圖8 (a)ZnO-NH2 QDs+Cu2++OPD激發(fā)光譜；(b)ZnO-NH2 QDs+OPD熒光發(fā)射光譜。

圖9(a)、(b)為ZnO-NH2QDs+Cu2+和ZnO-NH2QDs+Cu2++OPD分別在激發(fā)波長(zhǎng)為383 nm和419 nm時(shí)檢測(cè)的熒光發(fā)射光譜。圖9(c)、(d)為 ZnO-NH2QDs +Fe3+和ZnO-NH2QDs+Fe3++OPD分別在激發(fā)波長(zhǎng)為383 nm和419 nm時(shí)檢測(cè)的熒光發(fā)射光譜。

圖9 (a)激發(fā)波長(zhǎng)為383 nm時(shí)，加入OPD前后ZnO-NH2 QDs+Cu2+的熒光發(fā)射光譜；(b)激發(fā)波長(zhǎng)為419 nm時(shí)，加入OPD前后ZnO-NH2 QDs+Cu2+的熒光發(fā)射光譜；(c)激發(fā)波長(zhǎng)為383 nm時(shí)，加入OPD前后ZnO-NH2 QDs+Fe3+的熒光發(fā)射光譜；(d)激發(fā)波長(zhǎng)為419 nm時(shí)，加入OPD前后ZnO-NH2 QDs+Fe3+的熒光發(fā)射光譜。

由圖9(a)、(b)可以看出，ZnO-NH2QDs+Cu2+在引入了OPD后，體系發(fā)生熒光恢復(fù)現(xiàn)象。當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)為419 nm時(shí)，達(dá)到最佳熒光發(fā)射強(qiáng)度；而激發(fā)波長(zhǎng)為383 nm時(shí)熒光發(fā)射強(qiáng)度明顯低于前者，這個(gè)變化規(guī)律與ZnO-NH2QDs+Cu2++OPD的激發(fā)光譜的峰范圍有關(guān)。結(jié)合圖9(a)可知ZnO-NH2QDs+Cu2++OPD的最佳激發(fā)波長(zhǎng)從ZnO-NH2QDs的383 nm變?yōu)?19 nm，熒光發(fā)射光譜的最佳熒光發(fā)射波長(zhǎng)也由534 nm變?yōu)?60 nm，這說明OPD的加入使體系中生成了新物質(zhì)。這是由于Cu2+和非熒光物質(zhì)OPD反應(yīng)生成具有黃色熒光的DAP。而圖9(c)、(d)則表明ZnO-NH2QDs+Fe3+和ZnO-NH2QDs+Fe3++OPD在激發(fā)波長(zhǎng)為383 nm時(shí)，熒光強(qiáng)度幾乎沒有變化，且最佳熒光發(fā)射波長(zhǎng)依然為534 nm，最佳熒光發(fā)射峰位置沒有發(fā)生改變。激發(fā)波長(zhǎng)為419 nm時(shí)，ZnO-NH2QDs+Fe3+和ZnO-NH2QDs+Fe3++OPD幾乎不產(chǎn)生熒光，這是因?yàn)?19 nm的激發(fā)光不在ZnO-NH2QDs的激發(fā)波長(zhǎng)范圍內(nèi)。上述結(jié)果說明，因?yàn)镕e3+無(wú)法與OPD配位，在ZnO-NH2QDs+Fe3++OPD中并未生成新的物質(zhì)，OPD的存在對(duì)ZnO-NH2QDs+Fe3+系統(tǒng)不產(chǎn)生影響，所以無(wú)法產(chǎn)生熒光恢復(fù)現(xiàn)象。

由圖10可知，ZnO-NH2QDs+Fe3+、ZnO-NH2QDs+Fe3++OPD的紫外-可見光譜基本重合，說明沒有新的物質(zhì)產(chǎn)生(圖10(a))，ZnO-NH2QDs+Cu2++OPD的紫外-可見光譜在419 nm有一個(gè)明顯的峰，與DAP一致，說明生成了DAP(圖10(b))[17]。

圖10 紫外-可見吸收光譜。(a)ZnO-NH2 QDs+Fe3+與ZnO-NH2 QDs+Fe3++OPD;(b)ZnO-NH2 QDs+Cu2+與ZnO-NH2 QDs/Cu2++OPD。

為研究ZnO-NH2QDs+Cu2++OPD系統(tǒng)熒光恢復(fù)的反應(yīng)時(shí)間，我們利用動(dòng)力學(xué)曲線研究了ZnO-NH2QDs+Cu2++OPD的熒光恢復(fù)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化(圖11)。如圖所示，橫坐標(biāo)為反應(yīng)時(shí)間，隔0.5 min自動(dòng)監(jiān)測(cè)熒光發(fā)射強(qiáng)度，總時(shí)長(zhǎng)為1 h，縱坐標(biāo)為419 nm激發(fā)波長(zhǎng)下560 nm處的熒光發(fā)射強(qiáng)度。根據(jù)動(dòng)力學(xué)曲線可以發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)時(shí)間0～30 min之間，560 nm處熒光強(qiáng)度逐漸上升;在反應(yīng)發(fā)生30 min后，ZnO-NH2QDs+Cu2++OPD系統(tǒng)的熒光強(qiáng)度基本保持不變。由此可知，利用ZnO-NH2QDs+Mn++OPD系統(tǒng)熒光恢復(fù)進(jìn)行特異性識(shí)別Cu2+的反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)為30 min。

圖11 反應(yīng)時(shí)間對(duì)ZnO-NH2 QDs+Cu2++OPD熒光恢復(fù)的影響

3.2.4 熒光猝滅機(jī)制

常見的熒光猝滅過程主要包括靜態(tài)猝滅和動(dòng)態(tài)猝滅兩種形式[47]。靜態(tài)猝滅是指猝滅劑與熒光材料之間生成非熒光絡(luò)合物，在該過程中可以觀察到紫外-可見吸收光譜增加。而動(dòng)態(tài)猝滅過程是指猝滅劑與熒光材料之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移或電荷轉(zhuǎn)移的過程。

為研究Cu2+導(dǎo)致ZnO-NH2QDs熒光猝滅可能的機(jī)制，測(cè)量了ZnO-NH2QDs+Cu2+體系的熒光壽命衰減曲線和紫外-可見吸收光譜。檢測(cè)添加了Cu2+的ZnO-NH2QDs+Cu2+體系的熒光強(qiáng)度，并與Cu2+的濃度建立線性關(guān)系。檢測(cè)結(jié)果如圖12所示。ZnO-NH2QDs+Cu2+體系的熒光壽命衰減曲線通過如下二階函數(shù)進(jìn)行擬合：

(1)

(2)

其中，A1和A2是相應(yīng)的擬合參數(shù)，C為一個(gè)常數(shù)，τ1和τ2分別為熒光壽命的快組分和慢組分，τ為平均壽命。如圖所示，經(jīng)過二階指數(shù)函數(shù)擬合，得到的ZnO-NH2QDs+Cu2+體系熒光壽命。當(dāng)系統(tǒng)中不存在Cu2+時(shí)，ZnO-NH2QDs的熒光壽命為35.71 ns；當(dāng)ZnO-NH2QDs+Cu2+中Cu2+濃度為1 μmol/L時(shí)，熒光壽命為27.21 ns；當(dāng)系統(tǒng)中Cu2+濃度為8 μmol/L時(shí)，熒光壽命減弱為13.87 ns。由此可見，隨Cu2+濃度增加，ZnO-NH2QDs+Cu2+的熒光壽命明顯降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Cu2+對(duì)ZnO-NH2QDs熒光猝滅存在動(dòng)態(tài)猝滅過程。

圖12 ZnO-NH2 QDs+Cu2+系統(tǒng)的熒光壽命衰減曲線

為進(jìn)一步驗(yàn)證是否存在靜態(tài)猝滅過程，測(cè)量了在ZnO-NH2QDs中添加0，1，8 μmol/L Cu2+的紫外-可見吸收光譜。檢測(cè)結(jié)果如圖13所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，添加Cu2+對(duì)吸收光譜沒有明顯的影響，說明ZnO-NH2QDs+Cu2+體系中沒有新物質(zhì)生成，進(jìn)一步證明熒光猝滅并非靜態(tài)猝滅。而通過比較Cu2+紫外-可見吸收光譜與ZnO-NH2QDs的熒光發(fā)射光譜，發(fā)現(xiàn)它們之間幾乎沒有重疊，證明Cu2+對(duì)ZnO-NH2QDs的熒光猝滅作用不是內(nèi)過濾(Inner filter effect,IFE)效應(yīng)造成的，同時(shí)也證明了熒光共振能量轉(zhuǎn)移的存在。通過檢測(cè)ZnO-NH2QDs+Cu2+體系的量子產(chǎn)率，也進(jìn)一步證明了上述結(jié)果(如表2所示)。

圖13 ZnO-NH2 QDs+Cu2+、Cu2+的紫外-可見吸收光譜和 ZnO-NH2 QDs的熒光發(fā)射光譜。

表2 ZnO-NH2 QDs+Cu2+的量子產(chǎn)率

3.2.5 Cu2+實(shí)際樣品檢測(cè)

為評(píng)估該熒光傳感系統(tǒng)對(duì)真實(shí)水樣檢測(cè)的可行性，研究了自來(lái)水以及廣西省柳州市柳江水中Cu2+的含量。樣品溶液中金屬離子濃度可以從熒光強(qiáng)度(F0-F)/F0與金屬離子濃度之間的線性關(guān)系(圖5(b))獲得。通過將測(cè)試值與添加的標(biāo)準(zhǔn)濃度金屬離子的測(cè)試值進(jìn)行比較，可以得出加標(biāo)離子的加標(biāo)回收率。測(cè)定結(jié)果如表3和表4所示，自來(lái)水中Cu2+的加標(biāo)回收率范圍為99.37%～100.58%，柳江水中Cu2+的加標(biāo)回收率范圍為97.43%～101.47%。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ZnO-NH2QDs熒光探針能夠定量檢測(cè)實(shí)際水樣中的Cu2+。

表3 采用標(biāo)準(zhǔn)添加法測(cè)定真實(shí)水樣中的Cu2+

表4 采用標(biāo)準(zhǔn)添加法測(cè)定柳江水中的Cu2+

4 結(jié) 論

本文通過溶膠凝膠法成功制備出ZnO QDs，并用APTEs對(duì)其進(jìn)行封端處理制得ZnO-NH2QDs。ZnO-NH2QDs具有較高的熒光穩(wěn)定性和水溶性?；贑u2+對(duì)ZnO-NH2QDs的動(dòng)態(tài)猝滅效應(yīng)原理，Cu2+與OPD生成具有熒光強(qiáng)度的配合物DAP，成功設(shè)計(jì)了ZnO-NH2QDs+Cu2++OPD熒光恢復(fù)系統(tǒng)，構(gòu)建一種用于特異性識(shí)別Cu2+的新型熒光探針。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在最優(yōu)檢測(cè)條件下，ZnO-NH2QDs的熒光響應(yīng)(F0-F)/F0與Cu2+濃度在40～9 000 nmol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，線性方程為y=0.10456x-0.00788，相關(guān)系數(shù)R2=0.999 43，LOD為3.93 nmol/L。將該熒光傳感器成功應(yīng)用于自來(lái)水和柳江水中Cu2+的定量檢測(cè)，通過標(biāo)準(zhǔn)樣品添加法，得到在自來(lái)水中的加標(biāo)回收率在98%～100.58%之間，在柳江水中Cu2+的加標(biāo)回收率范圍為97.43%～101.47%。結(jié)果表明該傳感器對(duì)Cu2+有較好的選擇性和準(zhǔn)確度，能為金屬離子的熒光快速檢測(cè)提供一種新的方法。

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