CdSe/CdS量子點(diǎn)熒光探針檢測Cu2+

汪登鵬，高 鋒，藤田澧久

(廣西大學(xué) 資源環(huán)境與材料學(xué)院，南寧 530000)

河流和湖泊中的有毒重金屬，如鉻、鎘、銅、鉛和汞等，對動物、植物及人類的生存和健康影響很大[1]。其中銅是生物必需的元素之一，銅的缺乏會導(dǎo)致生物體的某些功能障礙，但過度攝入銅會導(dǎo)致銅中毒，Cu2+是銅最常見的價態(tài)，痕量Cu2+的測定具有重要的意義。目前檢測Cu2+的方法主要有原子吸收光譜法[2]、原子熒光分光光度法[3]、電感耦合等離子體質(zhì)譜法、電化學(xué)法[4]和熒光探針法[5]等。與熒光探針法相比較，其他幾種方法雖然都具備一定的檢測能力，但存在選擇性差、靈敏度不高，或具有高選擇性與靈敏度但設(shè)備復(fù)雜、昂貴，或存在樣品制備程序復(fù)雜等問題，故其應(yīng)用受到一定限制。熒光探針法最大的優(yōu)勢是其熒光響應(yīng)迅速，此外還具有可視性和靈敏度高、檢測重金屬離子的選擇性好、線性范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，且該檢測方法成本低、操作簡單。上述諸多優(yōu)勢使得熒光探針成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，并廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)和分析化學(xué)等領(lǐng)域[6]。

熒光探針大致可分為有機(jī)熒光探針和無機(jī)熒光探針。與有機(jī)熒光探針相比，無機(jī)量子點(diǎn)具有高熒光量子產(chǎn)率、熒光發(fā)射光譜可調(diào)、多種熒光顏色可視性的優(yōu)點(diǎn)。用于檢測Cu2+的量子點(diǎn)熒光探針較多，如CdX(X代表Te、Se、S)[7]、ZnS、C[8]和Au量子點(diǎn)[9]等。根據(jù)光譜特性，量子點(diǎn)熒光探針可分為基于單一熒光峰強(qiáng)度變化的普通熒光探針和基于兩個發(fā)射峰相對強(qiáng)度的比率熒光探針[10]；根據(jù)結(jié)構(gòu)，量子點(diǎn)可分為單晶體型、核殼型和混晶型等[11-13]。量子點(diǎn)檢測Cu2+有Turn-off，Off-on兩種方式。

本文首先制備疏基乙酸封端的CdSe/CdS核殼型量子點(diǎn)，并通過X射線衍射儀(XRD)、透射電子顯微鏡(TEM)和光致發(fā)光光譜(PL)對其進(jìn)行表征；然后以該量子點(diǎn)作為Cu2+濃度檢測探針，基于Turn-off模式定量檢測水溶液中Cu2+的濃度；最后使用該熒光探針對自來水樣品中的Cu2+濃度進(jìn)行檢測。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

疏基乙酸(TGA)、硼氫化鈉(NaBH4)、氯化鎘(CdCl2·2.5H2O)、硫化鈉(Na2S·9H2O)和各種金屬離子標(biāo)準(zhǔn)溶液(K+、Na+、Mg2+、Ba2+、Al3+、Mn2+、Fe3+、Ca2+、Pb2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+)，均購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；鹽酸(HCl)、三羥甲基氨基甲烷(Tris)，購自阿拉丁試劑(上海)有限公司。所有試劑均為分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

透射電子顯微鏡(F200X型，賽默飛世爾科技公司)；高靈敏穩(wěn)瞬態(tài)熒光光譜儀(FL3C-111 TCSPC型，堀場儀器(上海)有限公司)；X射線衍射儀(D/MAX2500V型，日本理學(xué)公司)；傅里葉紅外光譜儀(Nicolet iS20型，賽默飛世爾科技公司)。

1.3 CdSe/CdS核殼量子點(diǎn)的制備

采用液相反應(yīng)法[14]制備CdSe/CdS核殼量子點(diǎn)。向三頸燒瓶中通氮?dú)?0 min后，分別加入一定量的單質(zhì)Se、NaBH4和10 mL超純水，劇烈攪拌后得到無色澄清的NaHSe溶液。稱取一定量的CdCl2溶解于100 mL超純水中，然后加入一定體積的TGA，再加入1 mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH為11，再通入氮?dú)?0 min以排除氧氣。將配制好的NaHSe溶液快速轉(zhuǎn)移至CdCl2混合溶液中，邊通氮?dú)膺厔×覕嚢?，升溫?0℃加熱回流30 min，得到CdSe溶液。待其冷卻至室溫后，按照CdSe和CdS物質(zhì)的量比為1∶1配制一定量的CdCl2和Na2S溶液，在劇烈攪拌下逐滴加入CdSe溶液中，將反應(yīng)體系升溫至80℃并回流30 min后制備得到CdSe/CdS核殼結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)。使用無水乙醇洗滌量子點(diǎn)，離心3次后重新分散于超純水中待用。

1.4 量子點(diǎn)檢測Cu2+的濃度

將300 μL的CdSe/CdS量子點(diǎn)溶液、2.4 mL的Tris-HCl緩沖液(濃度為10 mmol/L，pH為9.0)、300 μL的Cu2+溶液混合后靜置10 min，再采用397 nm波長近紫外光激發(fā)，檢測其發(fā)射的熒光強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 量子點(diǎn)的表征

測試得到CdSe和CdSe/CdS量子點(diǎn)的XRD圖譜，如圖1所示。

圖1 CdSe和CdSe/CdS量子點(diǎn)的XRD圖

由圖1可見，CdSe/CdS量子點(diǎn)的XRD譜線在衍射角25.8°、43.2°和50.5°三個位置出現(xiàn)清晰的衍射峰，峰位介于立方CdSe和CdS的(111)、(220)和(311)晶面的特征峰之間，說明CdSe的內(nèi)核與CdS包層之間存在相互作用力，使晶格參數(shù)發(fā)生變化，從而使其衍射峰位產(chǎn)生偏移。在CdSe外延生長CdS的納米顆粒中也觀察到類似的衍射峰[15]。此外，與CdS和CdSe晶體相比，這些衍射峰出現(xiàn)明顯寬化的現(xiàn)象，反映出所制備CdSe/CdS樣品的量子點(diǎn)特征。

采用透射電子顯微鏡/能譜儀(TEM/EDS)對CdSe/CdS量子點(diǎn)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 CdSe/CdS量子點(diǎn)的TEM/EDS分析

由圖2(a)可見，CdSe/CdS量子點(diǎn)顯示出良好的分散性，單個粒子接近球形。根據(jù)量子點(diǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)(圖2(a)中粒徑分布插圖)可知，量子點(diǎn)的平均粒徑約為2.4 nm。圖2(b)中晶格條紋清晰，晶面間距為0.218 nm，對應(yīng)CdSe的(220)晶面，證明產(chǎn)物中存在CdSe；在量子點(diǎn)晶格內(nèi)部及邊緣，沒有觀察到明顯的晶格畸變，說明CdS與CdSe具有很好的晶格匹配性，CdSe表面可能外延生長出CdS層。由圖2(c)可視區(qū)域內(nèi)個別較大量子點(diǎn)的能譜分析結(jié)果可以觀察到，Cd、S、Se元素分布較為均勻，S元素分布于量子點(diǎn)團(tuán)聚體的整個投影區(qū)域，而Se元素傾向于分布在投影區(qū)域的內(nèi)部，分布面積明顯小于S元素，表明合成物質(zhì)為CdSe/CdS核殼結(jié)構(gòu)的量子點(diǎn)。

CdSe和CdSe/CdS的吸收光譜與熒光光譜如圖3所示。

圖3 CdSe與CdSe/CdS量子點(diǎn)吸收光譜和熒光光譜

由圖3可以看出，CdSe/CdS的吸收峰相較于CdSe有少許藍(lán)移，相同的現(xiàn)象也發(fā)生于其熒光光譜中。這是由于在CdSe表面外延生長形成CdS殼層所致。此外，圖3(b)中CdSe/CdS的熒光強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CdSe的強(qiáng)度，這是由于CdS殼層對CdSe核粒子的表面缺陷進(jìn)行了修飾，減少了CdSe禁帶結(jié)構(gòu)中的缺陷能級數(shù)量，提高了CdSe激子復(fù)合發(fā)光的強(qiáng)度[15]。

2.2 熒光檢測條件的優(yōu)化

按1.4中實(shí)驗(yàn)方法，采用CdSe/CdS量子點(diǎn)檢測Cu2+濃度，改變靜置反應(yīng)時間，測得不同反應(yīng)時間下CdSe/CdS量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度及Cu2+誘使CdSe/CdS量子點(diǎn)的熒光淬滅，結(jié)果如圖4所示。圖中縱坐標(biāo)為熒光強(qiáng)度比I/I0，I表示添加Cu2+時量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度，I0表示不添加Cu2+時量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度。

圖4 反應(yīng)時間對熒光強(qiáng)度的影響

由圖4可見，CdSe/CdS量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度隨時間變化不明顯，說明其熒光穩(wěn)定性較好。加入Cu2+后，CdSe/CdS量子點(diǎn)的熒光淬滅反應(yīng)迅速，5 min后熒光強(qiáng)度保持穩(wěn)定，說明5 min后Cu2+與CdSe/CdS量子點(diǎn)的反應(yīng)基本完全，熒光淬滅效果接近最大值。故適宜的靜置反應(yīng)時間為5 min。

溶液的pH不同可能會影響量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度，也可能會影響檢測物質(zhì)的靈敏度和選擇性[16]。TGA封端的CdSe/CdS量子點(diǎn)在pH較低的緩沖液中熒光幾乎完全猝滅，并形成沉淀[17]。如果pH過高，Cu2+會與溶液中的OH-發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成沉淀，進(jìn)而影響檢測的靈敏度。因此，本文考察溶液pH在5.5~10.7的范圍內(nèi)變化時對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。測得不同pH下的CdSe/CdS量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度及Cu2+誘使CdSe/CdS量子點(diǎn)的熒光淬滅，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出:當(dāng)溶液的pH較小時，由于量子點(diǎn)表面的硫醇基團(tuán)不太穩(wěn)定，不能保持較高的熒光強(qiáng)度；隨著pH增大，CdSe/CdS量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度逐漸增大并趨于穩(wěn)定，當(dāng)pH為8.0時，熒光強(qiáng)度接近最大值，此時Cu2+誘使量子點(diǎn)熒光淬滅效率基本達(dá)到最高。故選擇適宜的pH為8.0。

圖5 pH對熒光強(qiáng)度的影響

2.3 CdSe/CdS量子點(diǎn)對Cu2+的熒光響應(yīng)特性

CdSe/CdS量子點(diǎn)對Cu2+具有靈敏的熒光響應(yīng)特性，測得不同Cu2+濃度下的熒光光譜及熒光淬滅率(1-I/I0)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 Cu2+對CdSe/CdS量子點(diǎn)的熒光淬滅效應(yīng)

2.4 熒光檢測Cu2+的選擇性

采用CdSe/CdS熒光探針在最佳條件下對Cu2+進(jìn)行熒光檢測，通過與其他11種金屬離子(即K+、Na+、Mg2+、Ba2+、Al3+、Mn2+、Fe3+、Ca2+、Pb2+、Cd2+、Zn2+)相比較，評估CdSe/CdS量子點(diǎn)體系對Cu2+的選擇性。其中，添加Cu2+的濃度為50 μmol/L，其他離子濃度取為Cu2+濃度的10倍。各種離子對CdSe/CdS熒光探針熒光強(qiáng)度的影響如圖7所示。

圖7 各種離子對CdSe/CdS熒光探針熒光強(qiáng)度的影響

由圖6(a)可見，隨著Cu2+濃度的增加，CdSe/CdS量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度逐漸下降。在Cu2+濃度為60 μmol/L的情況下，熒光猝滅率達(dá)到92.7%。由圖6(b)可知，Cu2+濃度對CdSe/CdS量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度的影響可以由兩段線性關(guān)系表示，分別如圖6(c)和圖6(d)所示。由圖6(c)的擬合結(jié)果可知，Cu2+濃度(C(Cu2+))在0.5~7 μmol/L范圍內(nèi)時，(1-I/I0)與C(Cu2+)的線性關(guān)系為

線性相關(guān)系數(shù)R2＝0.969。由圖6(d)的擬合結(jié)果可知，C(Cu2+)在7~60 μmol/L范圍內(nèi)時，(1-I/I0)與C(Cu2+)的線性關(guān)系為

線性相關(guān)系數(shù)R2＝0.989。

濃度檢測限(Limit of Detection，LOD)計算公式為[18]

式中:δ為空白樣11次檢測值的標(biāo)準(zhǔn)偏差；K為標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率。根據(jù)式(3)計算得到體系對Cu2+濃度的檢測限為0.06 μmol/L，本方法的檢測限低于文獻(xiàn)[19-21]的研究結(jié)果。采用不同配體的量子點(diǎn)檢測Cu2+濃度的方法比較如表1所示。

表1 使用量子點(diǎn)測量Cu2+濃度的方法比較

由圖7可以看出，除Cu2+以外的其他金屬離子對CdSe/CdS量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度影響不大，說明CdSe/CdS量子點(diǎn)對Cu2+的檢測具有高選擇性。

2.5 熒光淬滅機(jī)理

分析物與熒光探針之間發(fā)生熒光淬滅反應(yīng)的機(jī)理主要有靜態(tài)淬滅和動態(tài)淬滅兩種[22]。靜態(tài)淬滅認(rèn)為分析物與熒光探針的基態(tài)熒光分子發(fā)生反應(yīng)形成非熒光體；動態(tài)淬滅認(rèn)為熒光淬滅與擴(kuò)散過程有關(guān)，是分析物與處于激發(fā)態(tài)的熒光分子之間發(fā)生碰撞，釋放熱能，使得熒光體無輻射躍遷至基態(tài)，從而導(dǎo)致熒光淬滅。靜態(tài)熒光淬滅過程會形成非熒光體，因此其反應(yīng)前后的紫外-可見吸收光譜會發(fā)生改變，但反應(yīng)前后的熒光壽命不發(fā)生改變；動態(tài)熒光淬滅與靜態(tài)熒光淬滅特征相反，其反應(yīng)前后紫外-可見吸收光譜不變，但熒光壽命會發(fā)生變化。不同Cu2+濃度下CdSe/CdS量子點(diǎn)的紫外-可見吸收光譜如圖8所示。添加Cu2+和不添加Cu2+時CdSe/CdS量子點(diǎn)的熒光壽命譜圖如圖9所示。

由圖8可見，添加不同濃度Cu2+后CdSe/CdS量子點(diǎn)的紫外-可見吸收光譜沒有明顯變化。由圖9可見，添加Cu2+后，量子點(diǎn)的壽命明顯減小。因此，Cu2+導(dǎo)致CdSe/CdS量子點(diǎn)熒光淬滅的機(jī)理為動態(tài)淬滅。

圖8 不同Cu2+濃度下CdSe/CdS量子點(diǎn)的紫外-可見吸收光譜

圖9 添加和不添加Cu2+時CdSe/CdS量子點(diǎn)的熒光壽命譜圖

2.6 實(shí)際水樣中Cu2+濃度的檢測

為評估CdSe/CdS量子點(diǎn)熒光探針對檢測Cu2+的實(shí)用性與可靠性，采用實(shí)際水樣(自來水)進(jìn)行檢測實(shí)驗(yàn)。選取三種不同Cu2+濃度水平(10、20、30 μmol/L)的自來水樣品，每個樣品檢測三次取平均值，檢測結(jié)果如表2所示。表中回收率為Cu2+濃度的檢測值與實(shí)際值之比，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為標(biāo)準(zhǔn)偏差與平均值之比，反映Cu2+檢測的精度。

表2 自來水樣品中實(shí)際Cu2+濃度與檢測值的比較

由表2可看出，各樣品的回收率均接近100%。自來水中可能存在多種陽離子，如Na+、Ca2+、Mg2+、Mn2+等，本文實(shí)際水樣測定結(jié)果表明，這些金屬離子的存在不會干擾Cu2+的檢測，再次證明了CdSe/CdS量子點(diǎn)熒光探針對檢測Cu2+的實(shí)用性與可靠性。

3 結(jié)論

(1)采用溶液反應(yīng)法成功合成了CdSe/CdS核殼結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)熒光探針?；赥urn-off模式利用CdSe/CdS量子點(diǎn)檢測水介質(zhì)中的Cu2+，在Cu2+濃度為60 μmol/L的情況下，熒光猝滅率達(dá)到92.7%。

(2)確定最優(yōu)檢測條件為:反應(yīng)時間5 min，溶液pH為8.0。確定了熒光淬滅率與Cu2+濃度間的分段線性關(guān)系。

(3)紫外-可見吸收光譜和熒光壽命測試結(jié)果表明，CdSe/CdS量子點(diǎn)對Cu2+的熒光淬滅為動態(tài)淬滅機(jī)制。

(4)對自來水樣品中Cu2+濃度的檢測值與實(shí)際濃度的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過4%，且回收率較高。CdSe/CdS量子點(diǎn)對Cu2+的檢測具有高選擇性，干擾離子的存在幾乎不影響CdSe/CdS量子點(diǎn)對Cu2+熒光響應(yīng)的靈敏度。