趙 丹，倫 嘉，許效齡，王藝凝，張 蕊

(中南民族大學(xué) 藥學(xué)院，武漢 430074)

近年來，熒光納米材料在光電設(shè)備、分析檢測、生物成像、控釋給藥等領(lǐng)域均展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景[1]，熒光納米材料的合成及應(yīng)用開發(fā)成為眾多研究者關(guān)注的重點.為避免有害物質(zhì)在人體內(nèi)的富集及對環(huán)境的破壞，含有汞、鉛、鎘等元素的量子點(QDs)逐漸被拋棄，研究轉(zhuǎn)向生物相容性更好的新型水溶性量子點，如金、銀、硅以及Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族(AgMX2,CuMX2;M=Al,Ga,In;X=S,Se)量子點等.

水熱法[2]合成的量子點無需相轉(zhuǎn)移直接可應(yīng)用于生物體系，且操作簡單、設(shè)備廉價、利于技術(shù)推廣.水相合成法制備單元素金、銀、硅量子點時難以實現(xiàn)波長的調(diào)節(jié)[3].而Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族量子點的水熱法合成則可通過控制元素比例、反應(yīng)溫度和時間、反應(yīng)原料、表面修飾和元素?fù)诫s條件等實現(xiàn)波長的調(diào)節(jié)，但存在量子點不夠穩(wěn)定且量子產(chǎn)率較低的問題[4,5]，可通過包殼和元素?fù)诫s解決.例如，水熱法合成AgInS2和CuInS2量子點的量子產(chǎn)率僅為1%，在其表面包覆一層ZnS的殼后量子產(chǎn)率可達到20%[5,6]，Zn摻雜得到的Zn-Ag-In-S四元量子點的量子產(chǎn)率可達到20%～30%[7].由于包殼操作繁瑣，條件難控導(dǎo)致重復(fù)性不佳，而元素?fù)诫s作為直接合成法無需后續(xù)處理，已合成了Zn摻雜的Zn-Ag-In-S[7,8]和Zn-Ag-In-Se[9]量子點,其穩(wěn)定性及產(chǎn)率均大大提高.

Cu2+既是有毒的重金屬離子同時也是人體必需的微量元素之一，過多的Cu2+富集會導(dǎo)致人體代謝紊亂，嚴(yán)重影響健康.已有如CdSe/CdS QDs[10]、CdTe QDs[11]、石墨烯QDs[12]實現(xiàn)了對Cu2+檢測.而與毒性較大的熒光探針相比，生物相容性更好的ZnAgInS2QDs對Cu2+的檢測更具研究價值.

本文首次以N-乙酰-L半胱氨酸為配體，利用水熱法一步合成了ZnAgInS2四元量子點，詳細討論了pH值、元素比例、反應(yīng)溫度和時間等因素對合成的影響，并進一步考察了該量子點的穩(wěn)定性、光學(xué)性質(zhì)和形貌等，最后以所合成的ZnAgInS2量子點作為熒光探針完成了對水溶液中Cu2+的檢測.

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

硝酸銀(中國上海試劑一廠，純度99.95%～100.05%)，醋酸銦(Strem Chemicals，純度99.99%)，硫化鈉(上海統(tǒng)亞化工，分析純AR)，N-乙酰-L-半胱氨酸(Aladdin，純度99%)，羅丹明6 G(Aladdin，分析純AR)，實用水均為超純水(Milli-Q-RO4水凈化系統(tǒng)，Millipore)，高純N2(四川天一).

傅里葉變換紅外光譜儀(Nicolet 6700型，英國)，透射電鏡(Tecnai G2 20型，美國FEI)，X射線能譜儀(Ametek型，美國EDAX Gensis)，紫外可見分光光度計(Lambda-35型，美國)，熒光分光光度計(LS55型，美國)，電子天平(CP214型，上海奧豪斯)，pH計(PHS-3C型，雷磁公司)，集熱式恒溫磁力攪拌器(DF-101D型，鞏義市予華儀器)，電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(DHG-9030型，上海一恒)，暗箱式自動紫外分析儀(ZF-20C，上海寶山顧村電光儀器廠).

1.2 ZnAgInS2 QDs的合成

按反應(yīng)物摩爾比r[Zn(Ac)2∶In(Ac)2∶AgNO3∶NAC] = 0.2∶1∶0.25∶9配制反應(yīng)前驅(qū)液，其中c(In(Ac)2)= 2 mmol·L-1， 調(diào)節(jié)pH值至9.5.在N2保護下加入Na2S溶液，其中r(In3+∶S2-)=1∶1.8.將反應(yīng)液轉(zhuǎn)移至高壓反應(yīng)釜中190 ℃反應(yīng)3.5 h后取出，即得ZnAgInS2QDs.

1.3 ZnAgInS2 QDs的表征

采用紅外、TEM、X射線能譜儀、熒光分光光度計對量子點進行表征，所制備ZnAgInS2QDs的相對量子產(chǎn)率是以羅丹明6G(乙醇為溶劑，QY=95%)為基準(zhǔn)測得，所有光譜圖數(shù)據(jù)均在室溫下測得.

1.4 Cu2+的檢測

依次移取適量QDs,Cu2+溶液，PBS(50 mmol·L-1，pH = 7.8)共1 mL到熒光比色皿，混勻，避光反應(yīng)5 min后測定體系的熒光.

2 結(jié)果與討論

2.1 ZnAgInS2 QDs的合成

2.1.1 醋酸鋅濃度對ZnAgInS2QDs的影響

由于反應(yīng)物摩爾比、前驅(qū)溶液pH值、反應(yīng)時間、溫度均能極大地影響量子點的熒光性能，為了獲得高質(zhì)量的量子點，必須嚴(yán)格控制實驗條件.在pH=9.5，θ=190 ℃，t=3.5 h，c(In2+)=2 mmol·L-1條件下，固定反應(yīng)物摩爾比r[In(Ac)2∶AgNO3∶Na2S∶NAC]=1: 0.25: 1.8: 9，僅改變Zn的添加量，在r(In∶Zn) = 1∶0，1∶0.05，1∶0.1，1∶0.2，1∶0.3，1∶0.4條件下合成ZnAgInS2QDs，結(jié)果如圖1所示.
圖1中當(dāng)r(In∶Zn)的摩爾比由1∶0升至1∶0.2時，量子點熒光強度上升了83.54%.由于摻雜進入體系的鋅離子導(dǎo)致體系的能帶隙發(fā)生改變并完善量子點的晶體結(jié)構(gòu)[13]，鋅元素的摻雜使ZnAgInS2QDs的發(fā)射峰位置由593 nm藍移至550 nm.當(dāng)r(In∶Zn) >1∶0.2時，量子點的熒光強度不再升高，因此In/Zn最佳摩爾比為1∶0.2.

圖1 不同Zn/In摩爾比下所合成的ZnAgInS2 QDs的熒光圖譜Fig.1 Fluorescence spectra of the ZnAgInS2 QDs prepared at different Zn/In molar ratios

2.1.2 硝酸銀濃度對ZnAgInS2QDs的影響

其他條件不變，只改變Ag添加量，考察r(In∶Ag) = 1∶0.05,1∶0.15,1∶0.25,1∶0.35,1∶0.45時合成的ZnAgInS2QDs的熒光性能，結(jié)果見圖2.如圖2所示：在一定范圍內(nèi)隨著Ag含量增加，ZnAgInS2QDs的熒光強度不斷增強，由于隨著In/Ag比例的變化，量子點能帶隙發(fā)生了改變.在r(In∶Ag) = 1∶0.25時熒光強度達到最大，繼續(xù)增加Ag的配比，熒光強度不再增加反而出現(xiàn)明顯的降低，故In/Ag最佳摩爾比為1∶0.25.

圖2 不同Ag/In摩爾比所合成ZnAgInS2 QDs的熒光圖譜Fig.2 Fluorescence spectra of ZnAgInS2 QDs prepared at different Ag/In molar ratios

2.1.3 NAC濃度對ZnAgInS2QDs的影響

配體的用量也會在一定程度上對量子點的熒光光譜產(chǎn)生影響，改變NAC用量來探究配體用量對ZnAgInS2QDs的熒光性能的影響,其余條件不變，考察在r(In∶NAC) = 1∶5,1∶8,1∶9,1∶10,1∶11的條件下合成的ZnAgInS2QDs的熒光強度變化，結(jié)果見圖3.如圖3所示：當(dāng)r(In∶NAC)的摩爾比從1∶5升至1∶9時，其熒光強度上升了132.7%，r(In∶NAC)=1∶9時，ZnAgInS2QDs的熒光強度達到最大值，故In/NAC最佳摩爾比為1∶9.

圖3 不同NAC/In摩爾比所合成的ZnAgInS2 QDs的熒光圖譜Fig.3 Fluorescence spectra of ZnAgInS2 QDs prepared at different NAC/In molar ratios

2.1.4 硫化鈉濃度對ZnAgInS2QDs的影響

在其他條件最佳的條件下，只改變S2-的投入量，分別考察r(In∶S) = 1∶1,1∶1.5,1∶1.8,1∶2,1∶2.5時合成ZnAgInS2QDs的熒光發(fā)射光譜.如圖4所示：在一定的范圍內(nèi)隨著S2-含量的增加，ZnAgInS2QDs的熒光強度不斷增強，但發(fā)射波長并無明顯改變，這與Deng D等[9]研究一致，當(dāng)r(In∶S) = 1∶1.8時，ZnAgInS2QDs熒光強度達到最大值.故In/S最佳摩爾比為1∶1.8.

圖4 不同S/In 摩爾比所合成的ZnAgInS2 QDs的熒光圖譜Fig.4 Fluorescence spectra of ZnAgInS2 QDs prepared at different S/In molar ratios

2.1.5 前驅(qū)溶液pH值對ZnAgInS2QDs的影響

合成過程中前驅(qū)溶液pH值會極大地影響量子點的熒光強度，考察前驅(qū)溶液pH值對合成ZnAgInS2QDs的影響，結(jié)果見圖5.如圖5所示：在pH值從6上升至9.5時，前驅(qū)液由渾濁逐漸澄清說明其溶解完全，同時由于溶液均一利于反應(yīng)進行ZnAgInS2QDs熒光強度不斷增強，進一步增大pH值時，量子點的熒光強度呈下降趨勢.因此，前驅(qū)溶液最佳pH值為9.5.

圖5 不同pH值下所合成的ZnAgInS2 QDs的熒光圖譜Fig.5 Fluorescence spectra of ZnAgInS2 QDs prepared at different pH value

2.1.6 反應(yīng)時間和溫度對ZnAgInS2QDs的影響

固定其他條件不變，考察反應(yīng)時間及溫度對所合成量子點影響.隨著反應(yīng)時間從1 h增至3.5 h，ZnAgInS2QDs的發(fā)射峰從587 nm藍移至550 nm，熒光強度上升了42%.反應(yīng)時間延長，反應(yīng)進行得更完全，量子點內(nèi)部無輻射躍遷逐漸減少，越來越多Zn2+成功摻雜.故選擇3.5 h為最佳反應(yīng)時間.考察溫度因素時發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，熒光強度逐漸增強，由于高溫導(dǎo)致S2-釋放加快，ZnAgInS2QDs的生長速率加快，晶體表面缺陷逐漸減小[15].當(dāng)反應(yīng)溫度大于190 ℃時，量子點熒光強度下降，隨著溫度的升高，NAC分解，量子點表面配體被破壞，故選擇190 ℃為最佳反應(yīng)溫度.在最佳合成條件下，測得其量子產(chǎn)率為10.63%.

2.2 ZnAgInS2 QDs的表征

2.2.1 紅外熒光光譜表征結(jié)果

運用紅外光譜對量子點表面基團進行表征，圖6為在4000～500 cm-1范圍內(nèi)掃描的ZnAgInS2QDs的紅外譜圖.圖6中位于644 cm-1處的峰位為C—S鍵，位于1398 cm-1處的峰為CH2的面外振動，位于1576 cm-1處的峰為—COO—振動，位于2935 cm-1處的峰為CH2反對稱伸縮振動，位于3442 cm-1位置的峰為 O—H鍵伸縮振動.

圖6 ZnAgInS2 QDs的IR譜圖Fig.6 IR spectra of ZnAgInS2 QDs

2.2.2 EDS和TEM表征結(jié)果

EDS是評價材料元素組成的一種手段.采用EDS對所制備的ZnAgInS2QDs進行表征，其結(jié)果證實了Zn,Ag,In,S 4種主要元素的存在，其中Zn,Ag,In,S所占摩爾比依次為17.90%,0.96%,3.03%,14.80%，可見Zn成功摻雜進量子點中.制備的量子點形貌的TEM表征結(jié)果見圖7，圖中ZnAgInS2四元量子點具有較清晰的橢球形輪廓，粒徑分布較為均一，大約為3 nm.

圖7 ZnAgInS2 QDs的TEM圖像Fig.7 TEM image of ZnAgInS2 QDs

2.2.3 pH值和鹽度對ZnAgInS2QDs熒光強度的影響

為評價所制備量子點的穩(wěn)定性，分別考察了pH值和離子強度對其熒光強度的影響，結(jié)果見圖8.由圖8可見：pH為7～12時，量子點表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，由于在弱酸性到中性時，特別是堿性條件下，NAC的羧酸基團處于去質(zhì)子化狀態(tài)，使量子點的表面帶負(fù)電荷相互排斥，防止聚集，使其更加穩(wěn)定，熒光增強.而在強酸性溶液中，量子點的熒光強度極劇降低，配體NAC部分巰基發(fā)生質(zhì)子化反應(yīng)，導(dǎo)致配體從量子點表面脫落，熒光強度降低.這表明在生理條件下，量子點基本能保持強而穩(wěn)定的熒光性能.

考察ZnAgInS2QDs在不同濃度(0～0.5 mol·L-1) NaCl下的熒光強度發(fā)現(xiàn)：ZnAgInS2QDs的熒光強度基本不受環(huán)境離子強度的影響，在不同濃度的NaCl溶液中，量子點均具有強且穩(wěn)定的熒光.這說明所制備的ZnAgInS2QDs具有良好的抗鹽性.

圖8 pH值對ZnAgInS2 QDs的熒光強度的影響Fig.8 pH effects on fluorescence intensity of ZnAgInS2 QDs

2.3 銅離子的檢測

2.3.1 不同pH值下的熒光猝滅情況

Cu2+可以通過電子轉(zhuǎn)移作用，高效地猝滅ZnAgInS2QDs的熒光.為了進一步優(yōu)化檢測條件，考察了pH值分別為6,7.8,9,10,11時Cu2+(1.5 μmol·L-1)對ZnAgInS2QDs熒光的猝滅情況.結(jié)果表明：pH值為7.8時，Cu2+對ZnAgInS2QDs的熒光猝滅強度最大，熒光強度下降了84.5%，故選擇pH值為7.8的緩沖溶液作為后續(xù)Cu2+的檢測環(huán)境.

2.3.2 Cu2+的檢測

加入不同濃度的Cu2+可引起ZnAgInS2QDs熒光不同程度的猝滅，結(jié)果如圖9所示.圖9中隨著Cu2+濃度的增加，量子點熒光強度逐漸下降，且熒光光譜發(fā)生位移和形狀改變.在0.15～1.5 μmol·L-1范圍內(nèi)，Cu2+濃度與ZnAgInS2QDs熒光強度呈線性關(guān)系，符合Stern-Volmer方程(見圖9內(nèi)插圖)，即I0/I=0.90859+1.93011c，其中I0和I是初始熒光強度和加入Cu2+后的量子點熒光強度，c是Cu2+的濃度，R2為0.99628.

圖9 不同濃度Cu2+對ZnAgInS2 QDs熒光強度的影響Fig.9 Effect of Cu2+ with different concentration on fluorescence intensity of ZnAgInS2 QDs

2.3.3 金屬離子對ZnAgInS2QDs熒光猝滅程度的影響

為了驗證實驗的選擇性和實際應(yīng)用價值，考察了Hg2+,Cd2+等常見金屬離子對該檢測體系的影響，結(jié)果如圖10所示.如圖10所示：K+,Ca2+的濃度為100倍Cu2+濃度時仍對測定結(jié)果無影響.Cu2+,Cd2+,Fe3+,Hg2+濃度均為1μmol·L-1時，Cu2+產(chǎn)生的猝滅作用遠遠大于其他金屬離子，這是由于除了電子轉(zhuǎn)移作用，ZnAgInS2QDs表面配體NAC上的氮和氧

存在孤對電子，可與Cu2+配位形成金屬絡(luò)合物，使溶液中量子點團聚，發(fā)生熒光猝滅作用,表明本體系具有良好的選擇性.

圖10 金屬離子對ZnAgInS2 QDs熒光強度的影響Fig.10 Effects of different metal ions on fluorescence intensity of ZnAgInS2 QDs

2.3.4 加樣回收實驗

為檢驗該方法在實際樣品檢測中的應(yīng)用價值，固定其他條件不變，配制3種不同Cu2+濃度的混合溶液(濃度在檢測范圍內(nèi)).取各混合待測液分別進行3次平行實驗，檢測結(jié)果如表1所示.由表1可見，該方法測定值與實際值基本吻合，結(jié)果令人滿意.

表1 合成樣品的檢測結(jié)果

3 結(jié)語

采用水熱法優(yōu)化各合成條件，獲得了性能優(yōu)良的ZnAgInS2QDs，其最佳合成條件為r[Zn(Ac)2∶In(Ac)2∶AgNO3∶Na2S∶NAC] = 0.2∶1∶0.25∶1.8∶9，pH=9.5，θ=190 ℃，t=3.5 h.所制備的量子點還具有良好的抗鹽性并在pH值為7～12具有強而穩(wěn)定的熒光.以ZnAgInS2QDs為熒光探針，在pH值為7.8的條件下，可實現(xiàn)對銅離子的選擇性檢測，其線性范圍是0.15～1.5 μmol/L，線性相關(guān)系數(shù)R2為0.99628,該檢測體系具有良好的抗干擾能力,拓展了Cu2+的檢測手段，為新型ZnAgInS2QDs應(yīng)用于生化檢測中提供了實驗基礎(chǔ).

參 考 文 獻

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