來守軍 賈天明 關曉琳 林俊杰 楊季冬 陳 星 左 波

(1.蘭州文理學院化工學院，甘肅 蘭州730000；2.三峽庫區(qū)水環(huán)境演變與污染防治重點實驗室，重慶 404100；3.西北師范大學化學化工學院，甘肅 蘭州 730070)

持久性有機污染物(POPs)在全球普遍存在，沉積物和水是POPs聚集的主要場所，我國許多水庫、江河和湖海中均有POPs檢出[1-2]。三峽庫區(qū)水體中的POPs主要包括多環(huán)芳烴、酞酸酯、烴類和有機氯等有機物[3]。對水環(huán)境中POPs進行監(jiān)測是POPs減量控制的前提條件，目前關于POPs的分析方法主要有基于色譜儀器和基于生物分析的檢測技術。PUIG等[4]使用氣相色譜分析了防氧化橡膠工廠廢水及附近河流下游水中的有機成分，共檢測出46種有機污染物。王旭東等[5]采用固相萃取與氣質(zhì)聯(lián)用測定水中痕量多環(huán)芳烴，對萘、菲、熒蒽的檢出限為0.03～0.07 μg/L。黃業(yè)茹等[6]采用圓盤固相萃取法處理水樣，采用超聲萃取法處理土壤及植物樣品，并利用氣質(zhì)聯(lián)用測定環(huán)境樣品中的多氯聯(lián)苯。然而，以上分析方法均存在響應不靈敏、操作復雜、費用高等缺點，且針對復雜的環(huán)境樣品(如水樣、土壤樣品等)具有分析結(jié)果不穩(wěn)定等問題，從而影響了對環(huán)境質(zhì)量的評價和控制。因此，開發(fā)合適的分析測試方法是解決POPs檢測的最好方式。

量子點具有優(yōu)異的光學性能和靈敏度，其熒光特性比常用的傳統(tǒng)熒光染料分子或鑭系配合物等具有更明顯的優(yōu)勢[7]。量子點的發(fā)光性質(zhì)隨其表面狀態(tài)的改變而不同，在與有機物相互作用時可能改變電子/空穴再結(jié)合效率，導致其發(fā)光性質(zhì)發(fā)生變化，基于量子點熒光的猝滅或增強作用，可以對某些物質(zhì)(例如金屬離子、陰離子、有機小分子等)進行定性或定量分析。近年來，利用量子點作為探針的熒光檢測方法備受關注，與傳統(tǒng)的測試手段相比，量子點探針測定方法具有檢出限低、靈敏度高等諸多優(yōu)勢[8-9]，因此篩選高效、專一、環(huán)境友好的修飾劑合成發(fā)光性能優(yōu)異的水溶性量子點探針成為該領域的研究熱點。

在前期研究的基礎上，筆者以CdSe/CdS 量子點(CdSe/CdS QDs)為原料，對其進行硅烷氨基化表面修飾，合成具有水溶性的硅烷氨基化發(fā)光量子點(CdSe/CdS-Si-NH2QDs)探針，并利用量子點與POPs分子發(fā)生偶聯(lián)反應、內(nèi)濾效應、非輻射結(jié)合通道、電子傳輸和共振能量轉(zhuǎn)移導致的熒光變化測定有機物的含量，最后將該方法應用于三峽庫區(qū)多環(huán)芳烴和酞酸酯的測定，不僅可以拓展量子點探針的應用，又能夠解決環(huán)境分析的實際問題。

1 實驗部分

1.1 實驗設備

LS-55熒光光譜儀(美國Perkin Elmer)，NTS傅立葉變換紅外光譜儀(美國Perkin Elmer)，D/max-ⅢA X-射線衍射(XRD)儀(日本Rigaku)，ULTRA Plus熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡(德國Zeiss)，DZF6020型真空干燥箱。

1.2 主要實驗試劑

硒粉(純度98%)，硼氫化鈉(純度99%)，六水高氯酸鎘(純度99%)，硫代甘油(純度95%)，乙醇(純度99%)，3-氨丙基三乙氧基硅烷(純度99%)，芘(純度95%)，熒蒽(純度98%)，酞酸酯(純度96%)。實驗室用蒸餾水為二次蒸餾水。

1.3 實驗方案

1.3.1 CdSe/CdS-Si-NH2QDs的合成

參照文獻[10]合成CdSe/CdS QDs，在100 mL圓底三口瓶中依次加入0.08 g CdSe/CdS QDs，50 mL乙醇，0.5 mL蒸餾水，最后加入60 μL 3-氨丙基三乙氧基硅烷，于30 ℃下反應12 h，反應結(jié)束后將產(chǎn)物離心分離，并用乙醇多次洗滌，所得黃色固體粉末放入真空干燥箱，干燥5 h，得到CdSe/CdS-Si-NH2QDs。

1.3.2 分析方法

根據(jù)前期對三峽庫區(qū)POPs的背景調(diào)查，以芘、熒蒽和酞酸酯作為目標分析物，嘗試用CdSe/CdS-Si-NH2QDs對3種有機污染物進行含量檢測。配制芘、熒蒽和酞酸酯的標準溶液(均為10 mg/L)，使用時稀釋到所需濃度，低溫保存。分別取質(zhì)量濃度為1 mg/L的CdSe/CdS-Si-NH2QDs溶液0.1、0.8、2.0 mL，用于芘、熒蒽和酞酸酯的檢測分析。采用熒光光譜建立量子點熒光強度與芘濃度的線性關系；采用三維熒光光譜，獲得量子點和熒蒽特征峰熒光強度比值，構(gòu)建該比值與熒蒽濃度的線性關系；利用酞酸酯對量子點的猝滅效應，通過改變酞酸酯濃度建立量子點熒光強度與酞酸酯濃度的線性關系。

1.3.3 三峽庫區(qū)水樣分析

在本課題組2009年對三峽庫區(qū)(萬州段)水體溶解性有機物的研究基礎上[11]，于三峽庫區(qū)(萬州段)及其支流苧溪河選取6個取樣點，取樣點分布見圖1。

1—桐園；2—盤盤石；3—東方廣場；4—南門口；5—天仙湖；6—曬網(wǎng)壩圖1 取樣點分布Fig.1 Distribution of water sampling points

事先準備若干經(jīng)過重鉻酸鉀和二氯甲烷處理過的棕色采集瓶，于枯水期(2015年2月)和豐水期(2015年8月)采集水樣。每個取樣點在枯水期和豐水期各取5個平行樣，采集時使水樣充滿采集瓶，采集完成后使用鋁箔對采集瓶嚴密包裹，低溫保存并迅速運回實驗室進行預處理。預處理方法：采用二氯甲烷分別在中性、堿性和酸性環(huán)境對1 000 mL 水樣進行萃取，合并萃取液進行真空蒸餾濃縮和高純氮吹掃，最后使用二氯甲烷定容。為保證水樣在處理過程中的質(zhì)量控制，用標準物質(zhì)做萃取率測定實驗，萃取率達到70%以上。通過空白實驗對比及加做平行樣的方法確保分析方法的可靠性。

圖2 CdSe/CdS QDs與CdSe/CdS-Si-NH2 QDs的傅立葉變換紅外光譜及XRD圖譜Fig.2 FTIR and XRD analysis of CdSe/CdS QDs and CdSe/CdS-Si-NH2 QDs

圖3 CdSe/CdS QDs與CdSe/CdS-Si-NH2 QDs的能譜Fig.3 EDS analysis of CdSe/CdS QDs and CdSe/CdS-Si-NH2 QDs

2 結(jié)果與討論

2.1 CdSe/CdS-Si-NH2 QDs結(jié)構(gòu)表征

CdSe/CdS QDs與CdSe/CdS-Si-NH2QDs的傅立葉變換紅外光譜及XRD圖譜見圖2。

由圖2(a)可見，CdSe/CdS QDs與CdSe/CdS-Si-NH2QDs特征官能團的紅外峰基本一一對應，因此不能通過紅外光譜表征硅烷氨基化表面修飾對CdSe/CdS-Si-NH2QDs產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變化。由圖2(b)可見，CdSe/CdS QDs的XRD出峰與硫族鎘化物標準卡CdSe(纖鋅礦 JCPDS No.77-2307和纖鋅礦ICSD No.62-0319)相近，說明CdSe/CdS QDs的主要晶型為纖鋅礦結(jié)構(gòu)，該峰分布較寬，說明合成的量子點尺寸很小[12]。對其進行硅烷氨基化表面修飾后，峰型變窄，表明表面修飾使量子點尺寸變大；CdSe/CdS-Si-NH2QDs在2θ為44°處出現(xiàn)了更明顯的混晶，說明硅烷對量子點的結(jié)晶過程產(chǎn)生一定影響。

CdSe/CdS QDs與CdSe/CdS-Si-NH2QDs的能譜譜圖見圖3。

由圖3(a)可見，由于電子束很難進入到CdSe/CdS QDs內(nèi)部，因此Cd元素出峰很小，可以認為Cd元素位于CdSe/CdS QDs的內(nèi)部。表面硅烷氨基化修飾后，CdSe/CdS-Si-NH2QDs能譜中有明顯的Si元素出峰，Cd元素出峰更弱，說明硅烷致密地接在量子點表面。由于N元素為輕元素，較難檢測，因此能譜中沒有N元素的出峰?？梢?，硅烷成功地修飾在量子點表面。

2.2 芘的定量測定

由圖4可見，芘與CdSe/CdS-Si-NH2QDs充分混合后，芘在400 nm附近的熒光強度明顯降低，相應量子點在560 nm附近的熒光強度明顯增強，表明芘與量子點間存在共振能量轉(zhuǎn)移作用[13-14]。進一步研究發(fā)現(xiàn)，量子點熒光強度的增幅與芘質(zhì)量濃度在一定范圍內(nèi)存在定量關系。為了獲得最大的能量轉(zhuǎn)移效率，需對實驗條件進行優(yōu)化。pH是影響量子點熒光強度的主要因素之一，通過對不同pH下的量子點熒光光譜進行研究后發(fā)現(xiàn)，CdSe/CdS-Si-NH2QDs水溶液的熒光強度在pH為5.0～8.0時相對穩(wěn)定，因此本研究選取pH為7.0。此外，發(fā)現(xiàn)溫度為25～40 ℃時，芘與量子點的能量轉(zhuǎn)移效率保持穩(wěn)定，考慮到室溫操作的簡便性，選擇25 ℃為反應溫度；最后，考察芘與量子點反應時間對實驗的影響，每隔5 min檢測芘與量子點的熒光強度變化，發(fā)現(xiàn)兩者作用10 min后達到穩(wěn)定狀態(tài)，因此選擇10 min為反應時間。在最佳條件下，量子點熒光強度變化與芘在5.0×10-12～5.0×10-9g/L內(nèi)線性相關，線性方程見式(1)，相關系數(shù)為0.997。

ΔIQDs= 0.769cp-10.33

(1)

式中：ΔIQDs為與芘混合前后量子點熒光強度變化；cp為芘的質(zhì)量濃度，g/L。

1—混合前芘的熒光光譜；2—混合后芘的熒光光譜；3—混合前量子點的熒光光譜；4—混合后量子點的熒光光譜圖4 芘與量子點熒光強度變化Fig.4 Schematic diagram of energy transfer between pyrene and QDs

平行測定11次空白，以信噪比為3∶1時的濃度為檢出限，則芘的檢出限為1.2×10-12g/L，達到定量、靈敏測定的要求。

2.3 熒蒽的定量測定

由于熒蒽的發(fā)射光譜與量子點的發(fā)射光譜有部分重疊，進行能量轉(zhuǎn)移時，很難準確區(qū)分二者熒光強度的真實變化[15-16]。本研究采用三維熒光光譜技術，分別讀取熒蒽和量子點在特征峰處的熒光強度，求解二者的熒光強度比值，建立熒光強度比值與熒蒽濃度的定量關系式。CdSe/CdS-Si-NH2QDs與熒蒽的三維熒光光譜見圖5。為了更好地建立熒光強度比值與熒蒽的濃度的相關性，對pH、反應溫度和反應時間等分析條件進行優(yōu)化。實驗結(jié)果表明，在pH 7.0，溫度20 ℃，反應時間30 min時分析效果最好。在此條件下，熒光強度比值與熒蒽在1.0×10-12～1.0×10-10g/L線性相關，線性方程見式(2)，相關系數(shù)為0.991。

IQDs/If= -0.016cf+2.192

(2)

式中：IQDs、If分別為量子點和熒蒽在三維熒光光譜中的熒光強度；cf為熒蒽的質(zhì)量濃度，g/L。

圖5 CdSe/CdS-Si-NH2 QDs與熒蒽的三維熒光光譜Fig.5 Three-dimensional fluorescence spectra of CdSe/CdS-Si-NH2 QDs and fluoranthene

平行測定11次空白，根據(jù)信噪比為3∶1計算得到熒蒽的檢出限為5.0×10-13g/L，達到定量靈敏測定的要求。

2.4 酞酸酯的定量測定

改變酞酸酯的濃度，量子點熒光強度隨著酞酸酯濃度的增大呈現(xiàn)有規(guī)律的猝滅(見圖6)。紫外光譜測試結(jié)果表明，加入酞酸酯后，量子點的吸收峰發(fā)生了明顯紅移；此外，熒光光譜測試表明，量子點與酞酸酯體系的熒光強度隨著溫度的升高而增強，充分證明酞酸酯與量子點之間形成了新的復合物而發(fā)生熒光猝滅[17-18]。參考2.2節(jié)中芘定量測定的優(yōu)化方法，對酞酸酯分析方法進行優(yōu)化，確定最佳分析條件為pH 5.0，溫度25 ℃，反應時間15 min，此時量子點熒光強度變化與酞酸酯質(zhì)量濃度在2.0×10-11～3.0×10-10g/L內(nèi)線性相關，線性方程見式(3)，相關系數(shù)為0.989。由式(3)可見，量子點熒光強度變化與酞酸酯質(zhì)量濃度的擬合結(jié)果與Stern-Volmer方程結(jié)構(gòu)相似，進一步證明了酞酸酯與量子點之間發(fā)生熒光猝滅機制。

(3)

式中：Imax為加入酞酸酯前量子點的熒光強度；I為加入酞酸酯后量子點的熒光強度；cPAEs為酞酸酯質(zhì)量濃度，g/L。

平行測定11次空白，根據(jù)信噪比為3∶1計算得到酞酸酯的檢出限為4.5×10-12g/L，達到定量、靈敏測定的要求。

注：由上到下酞酸酯質(zhì)量濃度依次為0、2.0×10-11、4.0×10-11、8.0×10-11、1.0×10-10、1.5×10-10、2.0×10-10、2.5×10-10、3.0×10-10g/L時的量子點熒光光譜。

圖6 加入酞酸酯后量子點的熒光光譜變化
Fig.6 The fluorescence spectra change of QDs after addition of phthalate ester

2.5 實際水樣分析及污染評價

于枯水期采集取樣點1處的水樣，根據(jù)1.3.3節(jié)對水樣進行預處理，測定前將水樣稀釋1 000倍，采用加標法(樣本數(shù)n=5)考察3種污染物的回收率，結(jié)果見表1。由表1可見，不同加標量下3種污

染物的加標回收率為89.5%～106.4%，說明本研究構(gòu)建的分析方法合理可靠。

對三峽庫區(qū)6個取樣點不同水期采集的實際水樣進行分析，芘、熒蒽和酞酸酯檢出濃度見表2。

由表2可見，枯水期芘和熒蒽檢出質(zhì)量濃度均在4.0×10-9g/L以下，酞酸酯檢出質(zhì)量濃度均在2.2×10-9g/L以下；豐水期3種污染物的檢出質(zhì)量濃度明顯高于枯水期，主要集中于1.0×10-9～8.0×10-9g/L，分析原因，可能由于江水對沉積物的沖刷以及江水對岸邊垃圾的浸泡，使污染物來源不斷增加，導致污染物在豐水期檢出濃度較枯水期高[19-20]。從空間上看，3種污染物在不同取樣點的檢出濃度總體呈現(xiàn)為取樣點2>取樣點3>取樣點4>取樣點5>取樣點6>取樣點1；取樣點1和取樣點6檢出濃度較小，因為這兩個取樣點的污染物主要來源于居民的日常生活垃圾；取樣點2的污染物檢出濃度最高，可能與取樣點2上游分布多個化工園區(qū)、碼頭等有關，附近水域還受到面源污染；取樣點4、取樣點5位于苧溪河下游，苧溪河目前污染嚴重，因此污染物的檢出濃度相對較高；取樣點3位于長江轉(zhuǎn)彎處，水體自凈功能較差，因此污染物的檢出濃度也相對較高。本研究的分析測試結(jié)果與郭志順[21]在2006年對三峽庫區(qū)水中POPs的分析結(jié)果相比無明顯的差異，說明庫區(qū)水體的污染沒有進一步加重。

表1 芘、熒蒽和酞酸酯的加標回收率

表2 實際水樣中芘、熒蒽和酞酸酯的檢出質(zhì)量濃度

Table 2 Analytical results of pyrene，fluoranthene and phthalate ester in real water samples 10-8g/L

3 結(jié) 論

(1) 以CdSe/CdS QDs為原料，對其進行硅烷氨基化表面修飾，合成具有水溶性的CdSe/CdS-Si-NH2QDs，基于量子點與持久性有機污染物(POPs)因發(fā)生共振能量轉(zhuǎn)移及偶聯(lián)反應等而導致熒光變化的現(xiàn)象，建立測定芘、熒蒽、酞酸酯的分析方法。

(2) 利用CdSe/CdS-Si-NH2QDs，借助熒光光譜技術測定芘，量子點熒光強度變化與芘的質(zhì)量濃度在5.0×10-12～5.0×10-9g/L內(nèi)線性相關，方法檢出限為1.2×10-12g/L；利用三維熒光光譜檢測熒蒽，量子點與熒蒽熒光強度比值和熒蒽質(zhì)量濃度在1.0×10-12～1.0×10-10g/L內(nèi)線性相關，方法檢出限為5.0×10-13g/L；基于熒光猝滅原理測定酞酸酯，量子點熒光強度變化與酞酸酯的質(zhì)量濃度在2.0×10-11～3.0×10-10g/L內(nèi)線性相關，方法檢出限為4.5×10-12g/L。

(3) 將CdSe/CdS-Si-NH2QDs應用于三峽庫區(qū)(萬州段)水體芘、熒蒽和酞酸酯濃度的測定，3種污染物的加標回收率為89.5%～106.4%，根據(jù)分析結(jié)果，對三峽庫區(qū)POPs的來源進行分析。結(jié)果表明，水期、污染企業(yè)分布情況及水體自凈能力均會對三峽庫區(qū)POPs濃度產(chǎn)生影響。

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