趙磊等

摘要：作為一類理想的磷光探針，量子點近年來在環(huán)境污染物定性定量分析方面應用廣泛。量子點是半徑小于或接近于激子玻爾半徑的一類半導體納米晶。以巰基丙酸（MPA）為表面修飾劑制備了穩(wěn)定的水溶性摻雜型ZnS∶Mn2+量子點并應用于金屬Cd2+的檢測。在pH 7.0的PBS緩沖介質(zhì)中，Cd2+可使ZnS∶Mn2+體系磷光猝滅，強度變化與Cd2+濃度呈良好線性關(guān)系，其線性范圍為8×10-8～8×10-6 mol/L，方法檢測下限為3.86×10-8 mol/L；利用熒光光譜、紫外可見吸收光譜研究了ZnS：Mn2+納米晶結(jié)構(gòu)及其光譜特性，探討了識別Cd2+的可能機理。該方法應用于汾河水中Cd2+的檢測，回收率為93.2%～97.1%。

關(guān)鍵詞：量子點；室溫磷光檢測（RTP）；鎘離子

中圖分類號：O657.3 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）16-4033-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.16.052

Phosphorescence Analysis of Cd2+ with ZnS∶Mn2+ Quantum Dots at Room-Temperature

ZHAO Lei， MIAO Yan-ming， LI Yu-ting， LIAN Lin-wang， YAN Gui-qin

（College of Life Science Shanxi Normal University， Linfen 041004， Shanxi， China）

Abstract： Quantum dots （QDs） as a type of ideal phosphorescence probes have been extensively studied in qualitative and quantitative analysis of environmental pollutants. QDs are a type of semiconductor nanocrystals with radius smaller than or close to Bohr-exciton radius. In this paper， the stable water soluble QDs were prepared with mercaptopropionic acid （MPA） as a surface modifier， the prepared ZnS∶Mn2+ nanocrystal was used to detect Cd2+. In pH 7.0 PBS， Cd2+ could quench the phosphorescence intensity of the ZnS∶Mn2+ system significantly. The linear relationship between Cd2+ and phosphorescence intensity was found， and the linear range was 8×10-8～8×10-6 mol/L with detection limit of 3.86×10-8 mol/L. Then its nano-crystalline structure and the spectral properties were analyzed by fluorescence and UV-Vis spectroscopy， and the possible mechanism of Cd2+ was discussed. The recoveries of 93.2%～97.1% Cd2+ in the water sample from Fenhe were found.

Key words： quantum dots； room-temperature phosphorescence （RTP）；Cd2+

量子點（Quantum dots，QDs） 即半徑小于或接近于激子玻爾半徑的半導體納米晶粒，是一種零維的納米材料，尺寸在納米級的金屬或半導體材料的細小顆粒，尺寸范圍為1～100 nm。量子點具有許多塊體材料和分子級別材料所不具備的性質(zhì)，如：量子尺寸效應、表面效應、宏觀量子隧道效應和介電限域效應等，并由此派生出量子點獨特的發(fā)光特性。與傳統(tǒng)的有機染料相比，量子點具有寬而連續(xù)的激發(fā)光譜、窄而對稱的發(fā)射光譜、可精確調(diào)諧的發(fā)射波長（通過控制粒徑來調(diào)整發(fā)射波長）、可忽略的光漂白等優(yōu)良特性，使得其作為一種理想的磷光探針，在生物標記、成像及檢測中應用廣泛[1-8]，目前將量子點用于檢測離子[9-11]，生物大分子[12-15]與小分子[16-18]正成為研究熱點。室溫磷光法較之熒光分析法，磷光壽命比熒光長，可避免自體熒光和散射光的干擾，且磷光的選擇性優(yōu)于熒光[19-25]。因此，可采用量子點的磷光特性開展檢測技術(shù)研究[26]。

鎘是一種廣泛分布于環(huán)境中的重金屬元素[27]，采礦、冶煉、化石燃料等都會導致環(huán)境中的鎘積累，并進入人類食物鏈[28]，導致腎功能不全，鈣代謝異常以及引發(fā)癌癥[29]。而加強檢測環(huán)境樣品，工業(yè)廢物排放和組織樣本中的鎘含量，將有利于控制人類鎘的暴露水平。目前檢測Cd2+的主要方法有原子光譜法[30]、電化學方法[31]、毛細管電泳法[32]、電感耦合等離子體質(zhì)譜法[33]、分光光度法和熒光光譜法[34]等。本試驗通過制備水溶性摻雜型ZnS∶Mn2+量子點，初步分析了對Cd2+的檢測參數(shù)，以期為開發(fā)相關(guān)快速檢測方法提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料和試劑

巰基丙酸（SPA）（北京百靈威科技有限公司），Zn（CH3COO）2·2H2O，Mn（CH3COO）2·4H2O，Cd（NO3）2，Na2S·9H2O（天津市科密歐化學試劑有限公司）均為分析純，去離子水。

1.2 主要儀器

JSM-7500F透射電鏡（JEOL，日本），UV-29100型分光光度計（日立，日本）紫外-可見分光光度計，Cary Eclipse熒光分光光度計（瓦里安， 美國），pH計（金鵬分析儀器有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 Mn摻雜ZnS量子點的合成 取100 mL三口燒瓶，依次加入50 mL 0.04 mol/L巰基丙酸，5 mL 0.1 mol/L的Zn（CH3COO）2和2 mL 0.01 mol/L的Mn（CH3COO）2，混合后在室溫下通氬氣，用1 mol/L的NaOH調(diào)節(jié)pH至11后，攪拌30 min，然后快速注射0.1 mol/L的Na2S 5 mL，迅速攪拌20 min后，于50 ℃陳化2 h形成巰基丙酸包裹的Mn，最后通過與相同體積的乙醇沉淀進行離心純化，在室溫真空下干燥，得到高水溶性的量子點粉末[35]，待用。

1.3.2 測量 在295 nm激發(fā)波長的磷光模式下，激發(fā)和發(fā)射狹縫寬度分別為10 nm和20 nm，在一系列10 mL比色管中，依次加入500 μL 0.02 mol/L的PBS緩沖液（pH=7.0），50 μL 2 mg/mL的上述量子點溶液，然后加入相同濃度不同體積的Cd2+水溶液，并以去離子水定容至5 mL，靜置5 min后測定3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 量子點性質(zhì)分析

制備的水溶性量子點結(jié)構(gòu)式見圖1（a），其透射電鏡圖（b）表明Mn摻雜ZnS量子點具有球形形狀，直徑約為3.5 nm。其磷光激發(fā)和發(fā)射峰位于590 nm處。ZnS量子點只有缺陷態(tài)發(fā)光，而Mn摻雜ZnS量子點會發(fā)射磷光，起源于Mn2+的4T1-6A1躍遷[21]。

2.2 Mn摻雜ZnS量子點的RTP分析

Cd2+對Mn摻雜ZnS量子點磷光的影響見圖2，結(jié)果表明Cd2+對Mn摻雜ZnS量子點的磷光具有猝滅效應。隨著Cd2+濃度增加，量子點的RTP強度呈下降趨勢，表明該量子點可用于鎘離子的RTP探針。在最佳條件下，磷光猝滅強度與鎘離子濃度的標準曲線見圖3。由圖3計算其線性回歸方程為ΔP=0.000 4 C+1.010 2，相關(guān)系數(shù)為0.993 5，連續(xù)測定11次不含鎘離子和含有0.2 μmol/L鎘離子磷光差值的相對標準偏差為1.8%。計算該方法的Cd2+檢出限為3.86×10-8 mol/L。

2.3 RTP探針的性質(zhì)探討

為鑒定Cd2+在該分析體系中的特異性，分析了體系中的探針磷光特性，結(jié)果見圖4。由圖4可知，Mn摻雜ZnS量子點的磷光發(fā)射峰激發(fā)于595 nm，在Mn摻雜ZnS量子點體系中添加Cd2+，可顯著降低體系磷光強度，且隨著Cd2+濃度增加，其熒光強度有規(guī)律地降低，即Mn摻雜ZnS量子點可與Cd2+發(fā)生相互作用。

紫外-可見光譜分析結(jié)果見圖5。由圖5可知，Mn摻雜ZnS量子點的光強度較低，但加入鎘離子后，在量子點表面形成了S-Cd鍵，增大了整個體系的發(fā)光強度[36]。

磷光猝滅過程通常分為動態(tài)碎滅（遵從Stem-Voliner方程Eq.1）和靜態(tài)碎滅（遵從Lineweaver- Burk方程Eq.2）兩類[37，38]：

P0/P=1+Ksvcq （1）

1/（P0-P）=1/P0+KLB/（P0cq） （2）

其中，P0代表磷光體磷光強度，P代表加入磷光碎滅劑后體系的磷光強度，cq為碎滅劑Cd2+濃度，Ksv是動態(tài)猝滅常數(shù)，KLB是靜態(tài)猝滅常數(shù)[39-41]。P0/P和cq的關(guān)系不遵循Stern-Volmer方程，而（P0-P）-1與cq的關(guān)系符合Lineweaver-Burk方程，說明Cd2+猝滅Mn摻雜ZnS量子點是一個靜態(tài)猝滅過程（圖6），即二者相互作用后產(chǎn)生了非磷光物質(zhì)。

2.4 檢測體系的優(yōu)化

為優(yōu)化檢測體系，試驗研究了pH、反應時間以及NaCl濃度對40 mg/L Mn摻雜ZnS量子點RTP強度的影響。由圖7可知，當pH為4.5～9.5時，隨著pH增加，量子點RTP強度呈先增后減，并在pH 6～8.5時趨于穩(wěn)定，考慮普通環(huán)境水樣pH在7左右，故選擇反應體系pH為7。由圖8和圖9可知量子點在60 min內(nèi)和高NaCl濃度下，RTP強度基本穩(wěn)定。

2.5 樣品分析

取一定量汾河水，過濾后，采用加標回收法分析，結(jié)果見表1。由表1可知，樣品回收率達到93%以上，檢測相對標準偏差小于6%，初步符合檢測分析要求。

3 結(jié)論

采用MPA包裹的Mn摻雜ZnS量子點可為快速檢測鎘離子提供新思路，該法不需復雜的樣品預處理，操作簡單，且采用的磷光檢測體系，可有效避免生物體液的自體熒光和散射光干擾，勿需除氧劑和誘導劑，成本低，是一種簡單、快速、經(jīng)濟、靈敏和高選擇性的檢測水樣中鎘離子的方法。

參考文獻：

[1] GRECCO H E，LIDKE K A，HEINTZMANN R，et al. Ensemble and single particle photophysical properties （two-photon excitation， anisotropy， FRET， lifetime， spectral conversion） of commercial quantum dots in solution and in live cells[J]. Microscopy Research and Technique，2004，65（4-5）：169-179.

[2] WANG L Y，KAN X W，ZHANG M C，et al. Fluorescence for the determination of protein with functionalized nano-ZnS[J]. Analyst，2002，127（11）：1531-1534.

[3] ALIVISATOS A P.Semiconductor clusters，nanocrystals，and quantum dots[J]. Science，1996，271（5251）：933-937.

[4] PENG X G，YANG W O，WICKHAM J，et al. Shape control of CdSe nanocrystals[J]. Nature，2000，404：59-61.

[5] PENG X G，WICKHAM J， ALIVISATOS A P.Kinetics of Ⅱ-Ⅵ and Ⅲ-Ⅴ colloidal semiconductor nanocrystal growth： “Focusing” of size distributions[J]. Journal of the American Chemical Society，1998，120（21）：5343-5344.

[6] BRUCHEZ M J，MORONNE M，ALIVISATOS A P，et al. Semiconductor nanocrystals as fluorescent biological labels[J]. Science，1998，281（5385）：2013-2015.

[7] CHAN W C W， NIE S M. Quantum dot bioconjugates for ultrasensitive nonisotopic detection[J]. Science，1998，281（5385）： 2016-2018.

[8] LAN G Y，LIN Y W，HUANG Y F，et al. Photo-assisted synthesis of highly fluorescent ZnSe（S） quantum dots in aqueous solutions[J].Journal of Materials Chemistry，2007，17（25）：2661-2666.

[9] JIN W J，F(xiàn)ERN NDEZ-ARG ELLES M T，COSTA-FERN NDEZ J M，et al.Photoactivated luminescent CdSe quantum dots as sensitive cyanide probes in aqueous solutions[J]. Chemical Communications，2005（7）：883-885.

[10] FERN NDEZ-ARG ELLES M T，JIN W J，COSTA-FERN NDEZ J M，et al. Surface-modified CdSe quantum dots for the sensitive and selective determination of Cu（II） in aqueous solutions by luminescent measurements[J]. Analytica Chimica Acta， 2005， 549（1-2）： 20-25.

[11] LI H B，ZHANG Y，WANG X Q，et al.Calixarene capped quantum dots as luminescent probes for Hg2+ ions[J]. Materials Letters，2007，61（7）：1474-1477.

[12] WANG L Y，WANG L，GAO F，et al.Application of functionalized CdS nanoparticles as fluorescence probe in the determination of nucleic acids[J]. Analyst，2002，127（7）：977-980.

[13] CHEN X D，DONG Y P，F(xiàn)AN L，et al. Resonance scattering method for the ultrasensitive determination of peptides using semiconductor nanocrystals[J]. Analytica Chimica Acta，2007， 597（2）：300-305.

[14] CHEN H Q，WANG L，LIU Y，et al. Preparation of a novel composite particles and its application in the fluorescent detection of proteins[J]. Analytical and Bioanalytical Chemistry， 2006，385（8）：1457-1461.

[15] YAO H Q，ZHANG Y，XIAO F，et al. Quantum dot/bioluminescence resonance energy transfer based highly sensitive detection of proteases[J]. Angewandte Chemie International Edition，2007，46（23）：4346-4349.

[16] HUANG C P，LI Y K，CHEN T M.A highly sensitive system for urea detection by using CdSe/ZnS core-shell quantum dots[J]. Biocatalysis and Biotransformation，2007，22（8）：1835-1838.

[17] LIANG L G， HUANG S， ZENG D Y， et al. CdSe quantum dots as luminescent probes for spironolactone determination[J]. Talanta，2006，69（1）：126-130.

[18] CORDES D B， GAMSEY S， SINGARAM B. Fluorescent quantum dots with boronic acid substituted viologens to sense glucose in aqueous solution[J]. Angewandte Chemie International Edition，2006，45（23）：3829-3832

[19] TRAVIESA-ALVAREZ J M， SANCHEZ-BARRAGA N I， COSTA-FERNA NDEZ J M. Room temperature phosphorescence optosensing of benzo[a]pyrene in water using halogenated molecularly imprinted polymers[J]. Analyst，2007，132（3）：218-223.

[20] DE MELLO DONEGA C， BOL A A， MEIJERINK A. Time-resolved luminescence of ZnS：Mn2+ nanocrystals[J]. Journal of Luminescence，2002，96（2-4）：87-93.

[21] CHUNG J H，AH C S，JANG D J. Formation and distinctive decay times of surface-and lattice-bound Mn2+ impurity luminescence in ZnS nanoparticles[J]. Journal of Physical Chemistry B，2001，105（19）：4128-4132.

[22] CHENG B C， WANG Z G. Synthesis and optical properties of europium-doped ZnS： long-lasting phosphorescence from aligned nanowires[J].Advanced Functional Materials，2005，15（11）：1883-1890.

[23] OZAWA L， MAKIMURA M， ITOH M. Improved production of ZnS blue phosphor powder[J]. Materials Chemistry and Physics，2005，93（2-3）：481-486.

[24] MANOHARAN S S，GOYAL S，RAO M L，et al.， Microwave synthesis and characterization of doped ZnS based phosphor materials[J]. Materials Research Bulletin，2001，36（5-6）：1039-1047.

[25] CHEN S H，GREEFF A P，SWART H C.A comparative study between the simulated and measured cathodoluminescence generated in ZnS：Cu， Al， Au phosphor powder[J]. Journal of Luminescence，2005，113（3-4）：191-198.

[26] THAKAR R，CHEN Y C，SNEE P T. Efficient emission from core/（doped） shell nanoparticles： Applications for chemical sensing[J]. Nano Letters，2007，7（11）：3429-3432.

[27] CHANEY R L， RYAN J A， LI Y M， et al. Soil cadmium as a threat to human health[J]. Cadmium in Soils and Plants，1999（85）：219-256.

[28] FRIBERG L， ELINGER C G， KJELLSTROM T. Environmental Health Criteria 134[M]. Geneva：World Health Organization，1992.

[29] DOBSON S. Cadmium-Environmental Aspects， Environmental Health Criteria 135[M]. Geneva： World Health Organization， Geneva，1992.

[30] AMORIM FAC， BEZERRA M A. Online preconcentration system for determining ultratrace amounts of Cd in vegetal samples using thermospray flame furnace atomic absorption spectrometry[J]. Microchim Acta，2007，159（1-2）：183-189.

[31] LI L， XIA B H， JIANG Z C. Determination of trace Cd and Pb in environmental and biological samples by ETV-ICP-MS after single-drop microextraction[J]. Talanta，2006，70（2）：468-473.

[32] QU F， LIN J M， CHEN Z L. Simultaneous separation of nine metal Ions and ammonium with nonaqueous capillary electrophoresis[J].Journal of Chromatography A，2004，1022（1-2）：217-221.

[33] SUTEERAPATARANON S， JAKMUNEE J， VANEESORN Y， et al. Exploiting flow injection and sequential injection anodic stripping voltammetric systems for simultaneous determination of some metals[J]. Talanta，2002，58（6）：1235-1242.

[34] XUE L， LIU C， JIANG H. Highly sensitive and selective fluorescent sensor for distinguishing cadmium from zinc ions in aqueous media[J].Organic Letters，2009，11（7）：1655-1658.

[35] ZHUANG J Q， ZHANG X D， WANG G， et al. Synthesis of water-soluble ZnS：Mn2+ nanocrystals by using mercaptopropionic acid as stabilizer[J]. Journal of Materials Chemistry， 2003，13（7）：1853-1857.

[36] CHUNG J H， AH C S， JANG D J. Formation and distinctive decay times of surface and lattice bound Mn2+ impurity luminescence in ZnS nanoparticles[J]. Journal of Physical Chemistry B，2001，105（19）：4128-4132.

[37] SPANHEL L， HAASE M， WELLER H， et al. Photochemistry of colloidal semieonduetors.20. Surface modification and stability of strong luminescing CdS Particles[J]. Journal of the American Chemical Society，1987，109（19）：5649-5655.

[38] SAUER K， SCHEER H， SAUER P. F rster transfer calculations based on crystal structure data from agmenellum quadruplicatum C-phycocyanin[J]. Photochemistry and Photobiology，1987，46（3）：427-440.

[39] LAKOWICZ J R， WEBER G. Quenching of fluorescence by oxygen probe for structural fluctuations in macromolecules[J]. Biochemistry，1973，12（21）：4161-4170.

[40] JONES R M， BERGSTEDT T S， MCBRANCH D W. Tuning of superquenching in layered and mixed fluorescent polyelectrolytes[J]. Journal of the American Chemical Society，2001， 123（27），6726-6727.

[41] MURPHY C B， ZHANG Y， TROXLER T， et al. Probing Frster and Dexter energy-transfer mechanisms in fluorescent conjugated polymer chemosensors[J]. The Journal of Physical Chemistry B， 2004（108）： 1537-1543.

[42] BAPTISTA M S， INDIG G L. Effect of BSA binding on photophysical and photochemical properties of triarylmethane dyes[J]. The Journal of Physical Chemistry B，1998，102（23）： 4678-4688.