核殼式CdSe/ZnS量子點(diǎn)對鄰苯二甲酸二丁酯的快速高靈敏熒光測定*

耿春輝，郭 峰，孫 琛，崔 婧，韓吉祥，王 哲

(衡水市綜合檢驗(yàn)檢測中心，河北 衡水 053000)

鄰苯二甲酸二丁酯(Dibutyl Phthalate，DBP)是一種優(yōu)良的增塑劑，且是增塑劑中產(chǎn)量和用量最大的一種，其對多種樹脂具有良好的溶解能力，具有色澤淺、毒性低、電性能好、揮發(fā)性低、氣味小和耐低溫等特點(diǎn)[1]。然而，鄰苯二甲酸二丁酯對皮膚黏膜有刺激作用和輕度致敏作用，接觸者可引起多發(fā)性神經(jīng)炎，脊髓神經(jīng)炎及腦多發(fā)神經(jīng)炎，影響人體生理調(diào)節(jié)，具有致癌、致畸的作用；鄰苯二甲酸二丁酯也會損傷肝臟，引起肝臟組織形態(tài)的改變，嚴(yán)重危害人體健康[2]。同時(shí)，隨著塑料工業(yè)的迅速發(fā)展和塑料制品的廣泛應(yīng)用，鄰苯二甲酸二丁酯已大量進(jìn)入環(huán)境，普遍存在于土壤、底泥、水體、生物、空氣及大氣降塵物等環(huán)境樣品中，已成為全球普遍存在的污染物之一[3]。

在食品安全問題越來越受關(guān)注、環(huán)境污染持續(xù)加劇的時(shí)代背景下，以鄰苯二甲酸二丁酯為代表的塑化劑的危害已日益凸顯，開發(fā)快速簡單、準(zhǔn)確靈敏的檢測方法尤為重要?，F(xiàn)有的方法主要有：紫外分光光度法[4]、氣相色譜法[5]、高效液相色譜法[6]、固相萃取-近紅外光譜[7]、電化學(xué)方法[8]、熒光分析法[9]等，其中部分檢測方法存在需昂貴的儀器、操作繁瑣、檢測周期長等缺點(diǎn)，而熒光分析法是一種較高效便捷的分析方法。

量子點(diǎn)(Quantum Dots)是尺寸大約為 1～10 nm 的納米材料，由于獨(dú)特優(yōu)異的熒光性能而被廣泛地用于熒光分析檢測中[10]。常見的CdSe 等半導(dǎo)體量子點(diǎn)，因發(fā)射譜窄、穩(wěn)定性高、尺寸可控等優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注。但是由于Cd原子具有一定的生物毒性，并且CdSe等量子點(diǎn)本身表面存在缺陷。ZnS和CdS由于具有很高的能帶寬，常被用于量子點(diǎn)的殼層材料。為避免有毒性的Cd的引入，用 ZnS 包覆 CdSe 量子點(diǎn)后形成核殼結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)，不僅彌補(bǔ)了CdSe量子點(diǎn)表面的缺陷，降低了Cd原子帶來的毒性，并且使其熒光增強(qiáng)，熒光量子產(chǎn)率明顯提高[11-12]。CdSe/ZnS 量子點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用于有毒有害物質(zhì)如汞離子[13]、黃曲霉毒素B1[14]、過氧化氫[15]及生物領(lǐng)域[16]的檢測，并顯示了高的檢測靈敏度和便捷性。

基于以上內(nèi)容，本實(shí)驗(yàn)擬采用CdSe/ZnS核殼量子點(diǎn)作為熒光探針，構(gòu)建一種快速測定鄰苯二甲酸二丁酯的分析方法，并與實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)檢測方法進(jìn)行比較。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 儀器與試劑

F-7000熒光光譜儀，日立 ；7000D-8890B氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀，安捷倫；IKA VORTEX 1圓周振蕩器，德國IKA；DK-S28恒溫水浴鍋，上海精宏；PHS-3C酸度計(jì)，上海雷磁；200 kV場發(fā)射透射電子顯微鏡(Talos F200X)，賽默飛；Millipore 超純水儀,德國默克密理博；YQ-120超聲波清洗器，上海易清；烘箱，杭州標(biāo)盾；離心機(jī)，上海安亭。

鄰苯二甲酸二丁酯DBP(99%，AR)、硫化鈉九水合物(99%，AR)、乙酸鎘二水合物(99%，AR)、油酸鈉，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；乙酸鋅(98%，AR)，磷酸二氫鉀和磷酸氫二鈉(98%，AR)，中國醫(yī)藥集團(tuán)有限公司。

白酒試樣中DBP特性值4.3 mg/kg，能力評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)差0.3 mg/kg，特性值3.7～4.9 mg/kg，中國檢驗(yàn)檢疫科學(xué)研究院測試評價(jià)中心。

實(shí)驗(yàn)所用水均為超純水(電阻率18.2 MΩ·cm)。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1 CdSe/ZnS量子點(diǎn)的制備

首先將1 mM乙酸鎘二水合物、1.2 g油酸鈉分散于10 mL乙醇，再將2 mL油酸、1 mmol硒粉加入到20 mL水中，將上述乙醇分散液和水分散液混合均勻，氮?dú)夥諊掠?0 ℃加熱2 h后轉(zhuǎn)移至100 mL反應(yīng)釜中，180 ℃下反應(yīng)3 h，得到CdSe量子點(diǎn)。向CdSe量子點(diǎn)溶液交替滴加1 mmol乙酸鋅和1 mmol硫化鈉溶液，同時(shí)攪拌，在100 ℃下反應(yīng)2 h，過濾去除未反應(yīng)的原料及雜質(zhì)，將溶液高速離心后于80℃ 真空烘箱中干燥，制得CdSe/ZnS核殼結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)。稱取一定量的量子點(diǎn)重新分散于水中，得到1.0 μmol/L的量子點(diǎn)溶液，冷藏備用。

1.2.2 CdSe/ZnS量子點(diǎn)的表征

采用場發(fā)射透射電子顯微鏡對所制得的量子點(diǎn)進(jìn)行尺寸、形貌和元素分析，采用熒光光譜儀分對其進(jìn)行熒光響應(yīng)分析。熒光測定條件：激發(fā)和發(fā)射的狹縫寬度：5 nm，PMT電壓：500 V，掃描速率：1200 nm/min，掃描范圍：280～800 nm，響應(yīng)時(shí)值：0.002 s。

1.2.3 鄰苯二甲酸二丁酯的熒光測定

準(zhǔn)確量取一定量的鄰苯二甲酸二丁酯標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)溶于少量乙醇，再用水進(jìn)行稀釋，配置成所需濃度；以CdSe/ZnS量子點(diǎn)為熒光探針，將其與鄰苯二甲酸二丁酯溶液進(jìn)行反應(yīng)，對反應(yīng)時(shí)間(1～18 min)、溶液pH(5.0～8.0)、探針濃度(0.005、0.01、0.1 μmol/L)進(jìn)行優(yōu)化。對系列濃度0, 1.0, 2.0, 5.0, 10.0, 20.0, 50.0, 100.0, 200.0 μg/L的鄰苯二甲酸二丁酯溶液進(jìn)行測定，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.2.4 氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)檢測樣品前處理

準(zhǔn)確稱取試樣1.0 g(精確至0.0001 g)于25 mL具塞磨口離心管中，加入2～5 mL蒸餾水，渦旋混勻，再準(zhǔn)確加入10 mL正己烷，渦旋1 min，劇烈振搖1 min，超聲提取30 min，1000 r/min離心5 min，取上清液，供GC-MS分析。

1.2.5 GC-MS檢測條件

檢驗(yàn)方法: GB 5009.271-2016 第二法。

色譜條件：進(jìn)樣口溫度：250 ℃；升溫程序：初試柱溫60 ℃，保持1 min，以20 ℃/min升溫至220 ℃，保持1 min，再以5 ℃/min升溫至280 ℃，保持5 min；載氣：氦氣，流速1 mL/min，不分流進(jìn)樣；進(jìn)樣量：1 μL。

質(zhì)譜條件：色譜與質(zhì)譜接口溫度：280 ℃；電子轟擊源：選擇離子掃描模式，電離能量：70 eV；溶劑延遲：5 min。

2 結(jié)果與分析

2.1 CdSe/ZnS量子點(diǎn)的表征

如圖1(A)所示，利用高分辨率透射電鏡(transmission electron microscope，TEM)和能譜分析對所制備的水溶性CdSe/ZnS量子點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)部形貌和元素判斷，可明顯觀察到所制備的量子點(diǎn)大小均一, 粒徑在10～20 nm之間, 顆粒近似球形，外圍略不規(guī)則，這是由于ZnS外殼在對CdSe量子點(diǎn)內(nèi)核進(jìn)行包覆時(shí)難以達(dá)到完全一致的厚度。能譜圖顯示了Cd和Se元素被Zn和S元素包覆，表面了CdSe/ZnS核殼式量子點(diǎn)的成功制備。為分析CdSe/ZnS量子點(diǎn)的熒光響應(yīng)情況，選定特定濃度(0.1 μmol/L)的量子點(diǎn)溶液進(jìn)行熒光測定。結(jié)果如圖1(B)所示，量子點(diǎn)的最大激發(fā)波長在270 nm，最大發(fā)射波長在540 nm。

圖1 CdSe/ZnS量子點(diǎn)的透射電鏡圖(A)(形貌及元素分析)和熒光響應(yīng)圖(B)(QDs濃度為0.1 μmol/L)

2.2 DBP對CdSe/ZnS量子點(diǎn)熒光響應(yīng)的影響

為初步測試DBP對CdSe/ZnS量子點(diǎn)熒光響應(yīng)的影響，制備含有0.1 μmol/L 量子點(diǎn)和相同濃度DBP的混合溶液，取300 μL按照前述儀器參數(shù)進(jìn)行熒光測定，發(fā)現(xiàn)熒光信號明顯增強(qiáng)。

2.3 實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化

基于上述初步測試，為進(jìn)一步考察DBP對量子點(diǎn)的熒光響應(yīng)影響及不同條件的影響，對不同濃度的量子點(diǎn)進(jìn)一步測試其熒光強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)0.01 μmol/L的量子點(diǎn)可產(chǎn)生熒光強(qiáng)度較為合適，便于分析。因此選定0.01 μmol/L作為CdSe/ZnS量子點(diǎn)的工作濃度。

為考察pH對QDs-DBP體系熒光信號的影響，配置不同pH值(5.0，5.5，6.0，6.5，7.0，7.5，8.0)的PBS溶液(0.1 mol/L)作為溶劑，測定熒光信號。結(jié)果顯示pH在7.0時(shí)響應(yīng)最大最穩(wěn)定。為測試離子對量子點(diǎn)熒光響應(yīng)的影響，采用水、0.1 mol/L PBS(pH 7.0)作為溶劑進(jìn)行熒光測定，結(jié)果顯示熒光強(qiáng)度無明顯差異。因此本實(shí)驗(yàn)中選用中性的水作為溶劑。

為考察DBP在量子點(diǎn)溶液中的反應(yīng)時(shí)間對熒光響應(yīng)的影響，選定DBP濃度為0.1 mg/L 作為反應(yīng)濃度，在室溫下反應(yīng)時(shí)間具體為1 min，4 min，7 min，10 min，13 min，15 min，16 min，17 min，18 min。結(jié)果如圖2所示，QDs-DBP體系保持15 min之后，熒光信號基本維持不變。因此，實(shí)驗(yàn)選定15 min 作為DBP增強(qiáng)QDs熒光信號的最佳反應(yīng)時(shí)間即等待測試時(shí)間。

圖2 QDs-DBP 體系反應(yīng)時(shí)間對熒光強(qiáng)度的影響

2.4 工作曲線

在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，利用CdSe/ZnS量子點(diǎn)作為熒光標(biāo)記對DBP系列濃度進(jìn)行檢測，結(jié)果顯示，在低濃度的1.0～20.0 μg/L范圍內(nèi)熒光強(qiáng)度與濃度的對數(shù)呈線性關(guān)系，線性方程為I=229.6 lg CDBP+718.0，相關(guān)系數(shù)R2=0.99，檢出限為0.21 μg/L(S/N=3)。然而，當(dāng)濃度高于20.0 μg/L時(shí)，熒光強(qiáng)度略有下降。因此該方法比較適合低濃度的DBP檢測。

圖3 CdSe/ZnS對DBP熒光檢測的工作曲線(內(nèi)插圖：熒光強(qiáng)度-DBP濃度的對數(shù)線性關(guān)系圖)

關(guān)于DBP的加入使CdSe/ZnS量子點(diǎn)的熒光信號增強(qiáng)的機(jī)理，可能為DBP分子內(nèi)的剛性共軛結(jié)構(gòu)使量子點(diǎn)之間保持一定的距離，無法團(tuán)聚，同時(shí)共軛電子與量子點(diǎn)制備過程中表面存留的酸根離子之間形成電子云，減少了酸根離子的外掛，進(jìn)而覆蓋了量子點(diǎn)表面的空間缺陷，從而使熒光增強(qiáng)[17-18]。

2.5 實(shí)際樣品檢測

為進(jìn)一步驗(yàn)證所構(gòu)建的檢測方法的適用性，將該方法用于購買的白酒試樣中DBP的測定，在前述檢測條件下，分別取10 μL白酒試樣進(jìn)行稀釋并與CdSe/ZnS 量子點(diǎn)混合配置成待測溶液，使其濃度為4.0～5.5 μg/L，20.0～22.0 μg/L，并進(jìn)行熒光檢測，所得到的結(jié)果分別為5.2 μg/L，16.1 μg/L，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD分別為4.0%，23.0%，由此可見，該方法在低濃度檢測時(shí)較準(zhǔn)確，而高濃度檢測偏差較大。

2.6 GC-MS檢測

GC-MS是常規(guī)的DBP檢測手段之一，本實(shí)驗(yàn)中選取4個(gè)DBP濃度(50.0，100.0，200.0，500.0 μg/L)的白酒試樣作為檢測對象，對其進(jìn)行GC-MS檢測和準(zhǔn)確性評估，圖譜如圖4 所示(以DBP濃度為50.0 μg/L的試樣為例，保留時(shí)間為9.87 min)，詳細(xì)結(jié)果如表1所示。該方法的標(biāo)準(zhǔn)曲線為I=128514.3C-2184.2，相關(guān)系數(shù)為R2=0.99，定量限為0.33 μg/L，遠(yuǎn)高于所構(gòu)建的熒光檢測方法的檢出限，在較高濃度時(shí)的檢測具有高的準(zhǔn)確性。

圖4 GC-MS測定白酒試樣中的DBP

表1 CdSe/ZnS QDs 熒光法和GC-MS法測定白酒試樣中的DBP

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)中首先制備一種核殼式CdSe/ZnS量子點(diǎn)，并通過透射電鏡進(jìn)行了形貌表征和結(jié)構(gòu)確認(rèn)。將制備的量子點(diǎn)用于DBP的測定，結(jié)果顯示DBP可使量子點(diǎn)的熒光信號增強(qiáng)。在最優(yōu)條件下(中性水溶液，反應(yīng)時(shí)間15 min)，量子點(diǎn)熒光信號在DBP濃度為1.0～20 μg/L時(shí)呈上升趨勢，與DBP濃度的對數(shù)值呈線性關(guān)系。該方法的準(zhǔn)確性可與傳統(tǒng)的GC-MS方法媲美，并具有更低的檢測限，實(shí)驗(yàn)中還對白酒試樣中的DBP進(jìn)行了測定，并展示了令人滿意的結(jié)果。