毛永強(qiáng)， 李 娜， 毛 晶

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)理學(xué)院,遼寧阜新 123000;2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院,礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧阜新 123000;3.天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,天津市材料復(fù)合與功能化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

近年來(lái)，量子點(diǎn)(QDs)以吸收光譜寬、發(fā)射光譜窄、光穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)引起研究者的關(guān)注[1,2]。量子點(diǎn)表面輕微的變化會(huì)引起其光學(xué)性能急劇的變化，因此以量子點(diǎn)為熒光探針建立的熒光檢測(cè)方法，已廣泛應(yīng)用于金屬離子[3,4]、獸藥[5,6]、農(nóng)藥[7]等領(lǐng)域的分析檢測(cè)。

結(jié)晶紫(Crystal Violet，CV)是一種人工合成的三苯甲烷類(lèi)染料，易溶于水，曾作為殺蟲(chóng)劑和殺菌劑在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中廣泛應(yīng)用。醫(yī)學(xué)研究表明結(jié)晶紫具有潛在的致畸、致癌、致突變等毒副作用[9]，歐盟、美國(guó)、日本等國(guó)家已禁止其在水產(chǎn)品養(yǎng)殖過(guò)程中使用，我國(guó)也于2005年將其列為禁用藥物。但由于結(jié)晶紫價(jià)格低廉且使用方便，仍存在違規(guī)使用，因此對(duì)結(jié)晶紫的常規(guī)監(jiān)控格外重要。目前，結(jié)晶紫含量的檢測(cè)方法主要為液相色譜法[8,9]、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[10,11]等，但這些方法儀器設(shè)備昂貴、過(guò)程復(fù)雜耗時(shí)，廣泛應(yīng)用受到極大限制。

本文合成巰基乙酸修飾的CdTe QDs，以CdTe QDs為能量供體、結(jié)晶紫為能量受體，構(gòu)建熒光共振能量轉(zhuǎn)移體系，通過(guò)結(jié)晶紫對(duì)CdTe QDs的熒光猝滅作用，建立新的檢測(cè)結(jié)晶紫含量的新方法。該方法操作簡(jiǎn)便、靈敏度高，已成功用于水樣中結(jié)晶紫含量的測(cè)定。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

F-4500型熒光分光光度計(jì)，UV-3010型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(日本，日立公司)；pHS-3C型pH計(jì)(上海雷磁儀器廠(chǎng))；JEM-2100型透射電子顯微鏡(日本，電子公司)；DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(山東鄄城華魯電熱儀器有限公司)；KQ-50DB型數(shù)控超聲波清洗器(江蘇昆山市超聲儀器有限公司)。

碲粉(天津市科密歐化學(xué)試劑開(kāi)發(fā)中心)；NaBH4(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；巰基乙酸(TGA，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所)；CdCl2·2.5H2O(天津市科密歐化學(xué)試劑開(kāi)發(fā)中心)；結(jié)晶紫(CV，阿拉丁試劑公司)，其余所用試劑均為分析純。實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。

1.2 CdTe QDs的合成

采用水熱法[12]合成CdTe QDs。將4 mmol NaBH4和2 mmol碲粉置于10 mL試管中，加入5 mL去離子水后，冰水浴中反應(yīng)3 h得到淡紫色的NaHTe前驅(qū)體。將10 mmol TGA加入到4 mmol CdCl2溶液中，用1 mol·L-1NaOH溶液調(diào)節(jié)溶液pH值為11.0，通N2除氧10 min，迅速加入新配制的NaHTe溶液，在N2保護(hù)和磁力攪拌條件下，100 ℃加熱回流反應(yīng)2 h后，得到實(shí)驗(yàn)所需的巰基乙酸修飾CdTe QDs。向CdTe QDs溶液中加入無(wú)水乙醇，離心后收集沉淀，并用去離子水復(fù)溶，以除去未反應(yīng)的離子和小分子后，置于冰箱中4 ℃保存?zhèn)溆谩dTe QDs濃度以溶液中Cd2+濃度計(jì)算[13]。

1.3 結(jié)晶紫的測(cè)定

于5 mL比色管中依次加入1.6 mL 4.0 μmol·L-1CdTe QDs，1.0 mL 50 mmol·L-1Tris-HCl緩沖溶液(pH=7.5)和一定量的結(jié)晶紫標(biāo)準(zhǔn)溶液，去離子水定容至刻度并混勻。室溫反應(yīng)5 min，以330 nm為激發(fā)波長(zhǎng)，激發(fā)和發(fā)射狹縫寬度均為5 nm，分別測(cè)定加入結(jié)晶紫溶液前后體系在518 nm處的熒光強(qiáng)度F0和F，計(jì)算體系的熒光猝滅強(qiáng)度△F，△F=F0-F。

2 結(jié)果與討論

2.1 CdTe QDs的表征

圖1 CdTe QDs的透射電鏡(TEM)圖

圖1為巰基乙酸修飾CdTe QDs的高分辨透射電鏡(TEM)圖。由圖1可知，所合成的CdTe QDs近似球形，在水溶液中單分散性較好，并且粒徑分布均勻，平均粒徑約為4.2 nm。

2.2 CdTe QDs的光譜表征

圖2為巰基乙酸修飾CdTe QDs的紫外-可見(jiàn)吸收光譜(曲線(xiàn)a)和熒光發(fā)射光譜(曲線(xiàn)b)。由圖2可知，所合成的CdTe QDs紫外吸收峰為425 nm，且具有良好的熒光性能;以330 nm為激發(fā)波長(zhǎng)，其熒光發(fā)射峰位于518 nm。CdTe QDs溶液中加入結(jié)晶紫后，考察不同濃度結(jié)晶紫溶液對(duì)CdTe QDs熒光光譜的影響，如圖3所示。由圖3可知，加入結(jié)晶紫溶液后，CdTe QDs熒光發(fā)射峰位置無(wú)明顯變化，但熒光強(qiáng)度顯著降低。實(shí)驗(yàn)選擇518 nm作為熒光檢測(cè)波長(zhǎng)。

圖2 CdTe QDs的紫外-可見(jiàn)吸收光譜(a)和熒光發(fā)射光譜(b)

圖3 不同濃度結(jié)晶紫溶液存在時(shí)CdTe QDs的熒光發(fā)射光譜的變化

2.3 緩沖溶液pH值的影響

緩沖溶液pH值對(duì)體系熒光強(qiáng)度影響較大，考察不同pH值的Tris-HCl緩沖溶液對(duì)體系熒光猝滅強(qiáng)度的影響，如圖4所示。由圖4可知，在酸性或堿性的Tris-HCl緩沖溶液中，對(duì)CdTe QDs溶液的熒光強(qiáng)度猝滅較大，體系熒光猝滅強(qiáng)度△F也較小；當(dāng)Tris-HCl緩沖溶液pH為7.5時(shí)，△F達(dá)到最大且穩(wěn)定。因此實(shí)驗(yàn)選擇Tris-HCl緩沖溶液最佳pH值為7.5。

2.4 量子點(diǎn)濃度的影響

量子點(diǎn)濃度太高或太低，在一定程度上會(huì)影響結(jié)晶紫測(cè)定的線(xiàn)性范圍和靈敏度?？疾炝孔狱c(diǎn)濃度對(duì)體系熒光猝滅強(qiáng)度的影響，如圖5所示。由圖5可知，CdTe QDs溶液中加入結(jié)晶紫后，隨著量子點(diǎn)濃度的增大，體系△F逐漸增加，線(xiàn)性范圍逐漸增大；但當(dāng)量子點(diǎn)濃度大于4.0 μmol·L-1時(shí)，△F反而逐漸降低，靈敏度逐漸降低；當(dāng)量子點(diǎn)濃度為4.0 μmol·L-1時(shí)，△F達(dá)到最大?？紤]到線(xiàn)性范圍和靈敏度，實(shí)驗(yàn)選擇CdTe QDs的最佳濃度為4.0 μmol·L-1。

圖4 pH值對(duì)體系熒光猝滅強(qiáng)度△F的影響

圖5 CdTe QDs濃度對(duì)體系熒光猝滅強(qiáng)度△F的影響

2.5 反應(yīng)時(shí)間與穩(wěn)定性

考察了反應(yīng)時(shí)間對(duì)體系熒光猝滅強(qiáng)度的影響。結(jié)果顯示，CdTe QDs溶液中加入結(jié)晶紫后，帶正電荷的結(jié)晶紫和帶負(fù)電荷的CdTe QDs通過(guò)靜電吸引而結(jié)合，體系熒光猝滅強(qiáng)度△F迅速增大，反應(yīng)5 min后△F達(dá)到穩(wěn)定，且在25 min內(nèi)保持不變。因此實(shí)驗(yàn)選擇反應(yīng)5 min后測(cè)定體系的熒光強(qiáng)度。

2.6 方法的線(xiàn)性方程及檢出限

在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件下，結(jié)晶紫濃度在1.0～10.0 μmol·L-1范圍內(nèi)與體系熒光猝滅強(qiáng)度△F呈良好的線(xiàn)性關(guān)系，線(xiàn)性方程為:△F=0.78022+5.17149c(μmol·L-1)，相關(guān)系數(shù)r=0.9986，檢出限(以3σ計(jì)，n=10)為0.026 μmol·L-1。按上述方法重復(fù)10次測(cè)定5.0 μmol·L-1的結(jié)晶紫溶液，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.2%，說(shuō)明該方法具有良好的重現(xiàn)性和精密度。

2.7 干擾實(shí)驗(yàn)

表1 共存離子對(duì)CdTe量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度的影響(n=6)

2.8 實(shí)際水樣測(cè)定

取某養(yǎng)殖戶(hù)水樣，用0.22 μm濾膜過(guò)濾，然后加入一定量EDTA掩蔽劑。取適量處理后水樣，按實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定水樣中結(jié)晶紫含量，同時(shí)進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn)，如表2所示。從表2可知，水樣中未檢出結(jié)晶紫(低于檢出限)，加標(biāo)回收率為96.2%～103.1%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)不高于2.5%，說(shuō)明本方法可用于水樣中結(jié)晶紫含量的測(cè)定。

表2 水樣中結(jié)晶紫的測(cè)定結(jié)果及回收試驗(yàn)(n=6)

ND：not detected.

2.9 機(jī)理探討

共振光散射(Resonance Light Scattering，RLS)技術(shù)是一種常用的檢測(cè)手段，圖6為CdTe QDs、結(jié)晶紫及CdTe QDs-結(jié)晶紫體系的共振光散射光譜。從圖6可以看到，在200～700 nm范圍內(nèi)，CdTe QDs(曲線(xiàn)a)和結(jié)晶紫(曲線(xiàn)b)的共振光散射強(qiáng)度均很弱；但在CdTe QDs溶液中加入結(jié)晶紫，反應(yīng)體系(曲線(xiàn)c)的共振光散射強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，且峰形也發(fā)生改變。這表明結(jié)晶紫和CdTe QDs之間通過(guò)靜電引力而發(fā)生相互作用，形成顆粒較大的聚集體。

圖7為結(jié)晶紫的紫外-可見(jiàn)吸收光譜(曲線(xiàn)a)和CdTe QDs的熒光發(fā)射光譜(曲線(xiàn)b)。從圖7可知，結(jié)晶紫在580 nm處有最大紫外吸收峰，CdTe QDs在518 nm處有最大熒光發(fā)射峰，在475～600 nm范圍內(nèi)二者的光譜有較好重疊。在實(shí)驗(yàn)條件下，結(jié)晶紫帶正電荷，而巰基乙酸修飾的CdTe QDs表面帶負(fù)電荷，二者可能通過(guò)靜電引力而結(jié)合，從而為二者發(fā)生熒光共振能量轉(zhuǎn)移(Fluorescence Resonance Energy Transfer，F(xiàn)RET)提供條件[14]。

圖6 CdTe QDs(a)、結(jié)晶紫(b)及CdTe QDs-結(jié)晶紫(c)體系的共振光散射光譜

圖7 結(jié)晶紫的紫外-可見(jiàn)吸收光譜(a)和CdTe QDs的熒光發(fā)射光譜(b)

由于結(jié)晶紫是一種非熒光染料，只能通過(guò)CdTe QDs熒光強(qiáng)度的變化來(lái)考察體系中熒光共振能量轉(zhuǎn)移的發(fā)生。從圖3可以看出，隨著結(jié)晶紫濃度的增大，CdTe QDs的熒光強(qiáng)度逐漸降低；由此推斷結(jié)晶紫吸收CdTe QDs所發(fā)射的熒光能量，導(dǎo)致CdTe QDs的熒光強(qiáng)度降低，二者之間發(fā)生有效能量轉(zhuǎn)移，可構(gòu)建以CdTe QDs為供體，結(jié)晶紫為受體的熒光共振能量轉(zhuǎn)移體系。通過(guò)測(cè)定CdTe QDs熒光強(qiáng)度的變化，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)晶紫含量的定量測(cè)定。

3 結(jié)論

本文采用水熱法，以巰基乙酸為穩(wěn)定劑合成CdTe QDs?；诮Y(jié)晶紫對(duì)CdTe量子點(diǎn)的熒光猝滅效應(yīng)，建立一種測(cè)定結(jié)晶紫含量的熒光分析新方法，并成功用于水樣中結(jié)晶紫含量的測(cè)定。同時(shí)，采用紫外-可見(jiàn)吸收光譜和共振光散射光譜研究結(jié)晶紫與CdTe QDs之間的熒光猝滅反應(yīng)機(jī)理，結(jié)果表明為結(jié)晶紫和CdTe QDs構(gòu)建熒光共振能量轉(zhuǎn)移體系所致。