曾慧慧，肖梅珍，晏根平，劉 芳，黃 檢，陳 林，施衛(wèi)國

(1. 萍鄉(xiāng)學(xué)院 江西省工業(yè)陶瓷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 萍鄉(xiāng) 337055; 2. 萍鄉(xiāng)學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，江西 萍鄉(xiāng) 337055)

1 引 言

SnO2材料是一種典型的n型半導(dǎo)體，其禁帶寬度為3.6 eV，屬于四方晶系金紅石結(jié)構(gòu)。由于具有耐腐蝕性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、工作溫度低等特性以及優(yōu)良的光電性能，SnO2在催化、光電器件、電池材料、氣體傳感器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。到目前為止，已有很多關(guān)于SnO2納米材料的報(bào)道。例如，Chiu等用水熱法合成了高比表面積(約130 m2/g)的SnO2納米材料，并將其應(yīng)用于乙醇的檢測[4]；Song等報(bào)道了多孔SnO2中空納米球?qū)Ρ?-氯乙醇良好的氣敏特性[5];Kumar等發(fā)現(xiàn)SnO2/Au復(fù)合結(jié)構(gòu)納米材料可顯著提高甲烷的檢測靈敏度[6]。當(dāng)SnO2納米材料的粒徑減小到1～10 nm之后，得到的氧化錫量子點(diǎn)由于體積小，比表面積大，在光、電、磁等領(lǐng)域表現(xiàn)出一些獨(dú)特的理化性質(zhì)，因而受到眾多學(xué)者的青睞[7-8]。目前，報(bào)道最多的是利用氧化錫量子點(diǎn)的光電性能對氣體進(jìn)行檢測，以及SnO2量子點(diǎn)在太陽能電池中的應(yīng)用研究。例如，Chen等[9]利用放電等離子體燒結(jié)技術(shù)合成SnO2量子點(diǎn)玻璃。Song等[10]通過溶劑熱法旋涂成膜并與無機(jī)配體結(jié)合制備了量子點(diǎn)氣敏薄膜。Zhang等[11]通過把SnO2量子點(diǎn)作為陽極材料應(yīng)用于量子點(diǎn)敏化光伏電池。總之，SnO2量子點(diǎn)由于其優(yōu)異的光電性質(zhì)，具有廣闊的應(yīng)用前景，其在生物探針技術(shù)中的潛力也被廣泛認(rèn)可。

抗壞血酸(AA)是人體必需的維生素，對維持人體正常生理機(jī)能起著至關(guān)重要的作用，是生命體中重要的抗氧化劑、輔酶因子及神經(jīng)傳遞素相關(guān)酶的組成成分[12-13]。因此，建立方便、快速、準(zhǔn)確的抗壞血酸含量檢測的方法具有積極的意義。目前抗壞血酸的常用檢測方法有電化學(xué)方法[14]、高效液相色譜法[15]和熒光分析法[16-17]等。與其他方法相比，熒光光譜法由于方便、快捷、操作簡單、對樣品沒有破壞性而受到研究者們的青睞。到目前為止，一系列熒光探針已被開發(fā)作為抗壞血酸檢測的傳感平臺。Yan等[18]報(bào)道了碲化鎘量子點(diǎn)熒光探針，用于檢測抗壞血酸的含量。Tang等[19]利用羥基氧化鈷修飾的上轉(zhuǎn)換納米顆粒用于細(xì)胞內(nèi)和活體中抗壞血酸檢測和成像。Mao等[20]以MnO2為猝滅劑，猝滅7-羥基香豆素的熒光，再利用抗壞血酸將MnO2還原，使7-羥基香豆素的熒光恢復(fù)，構(gòu)建一種“off-on”型熒光探針，用于抗壞血酸的定量檢測。Yao等[21]以海藻酸鈉和色氨酸為原料制備了一種含氮碳量子點(diǎn)(N-CNPs)，利用抗壞血酸和N-CNPs表面官能團(tuán)之間的空間效應(yīng)和氫鍵作用，實(shí)現(xiàn)了AA的靈敏檢測。然而，以上報(bào)道的納米材料往往存在含毒重金屬元素、或光漂白現(xiàn)象嚴(yán)重、或量子產(chǎn)率較低等不足。同時(shí)，材料的生物兼容性也限制其進(jìn)一步用于臨床檢測。因此，尋找新的性能優(yōu)異的熒光探針具有重要意義。

本文使用水熱法合成了一種性能優(yōu)異的SnO2量子點(diǎn)，在“正三”價(jià)Fe3+存在時(shí)，SnO2量子點(diǎn)的熒光被猝滅，利用抗壞血酸的還原性，F(xiàn)e3+還原成Fe2+，材料熒光恢復(fù)，當(dāng)AA濃度為500 μmol·L-1時(shí)，SnO2量子點(diǎn)熒光恢復(fù)率達(dá)到95.88%。基于此，我們構(gòu)建了一種氧化錫量子點(diǎn)熒光探針來檢測抗壞血酸，并將其應(yīng)用于實(shí)際血清樣中AA的檢測。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 藥品和儀器

L-賴氨酸(Lys)、L-纈氨酸(Val)、L-精氨酸(Arg)、L-半胱氨酸(Lys)等試劑購自天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所，其他藥品有：多巴胺(DA)、尿酸(UA)、谷胱甘肽(GSH)、硝酸鐵(分析純)、Tris-HCl(國藥集團(tuán)化學(xué)有限公司)、抗壞血酸(AA)(天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司)、氫氧化鉀(中國醫(yī)藥集團(tuán)上?；瘜W(xué)試劑公司)，所有藥品直接使用。實(shí)驗(yàn)主要使用的儀器設(shè)備有：布魯克TENSOR27，紫外可見分光光度計(jì)，F(xiàn)L-4600熒光分光光度計(jì)，超聲儀，Malvern Zetasizer Nano ZS90。

2.2 SnO2的合成

SnO2的合成采用參照文獻(xiàn)并加以改進(jìn)的方法[7]。具體的合成過程如下：往燒杯中加入35 mL的去離子水，在快速攪拌的條件下加入0.15 g SnCl2·2H2O，待形成均勻的混合物后，加入70 μL 30%的H2O2，反應(yīng)一段時(shí)間后，緩慢加入2.5 mL的10 mol·L-1KOH溶液，溶液繼續(xù)攪拌30 min后，放入容量為50 mL的不銹鋼反應(yīng)釜中，180 ℃加熱12 h。

2.3 Fe3+的熒光猝滅

將20 μL SnO2量子點(diǎn)原材料、10 μL Tris-HCl(50 mmol·L-1,pH=7.4)緩沖液，10 μL Fe3+(10 mmol·L-1)加入到超純水中，保持總體積為400 μL，放置20 min，檢測熒光。

2.4 抗壞血酸的檢測

將20 μL氧化錫量子點(diǎn)原材料、10 μL Tris-HCl(50 mmol·L-1,pH=7.4)緩沖液、10 μL Fe3+(10 mmol·L-1)和不同濃度的抗壞血酸加入到超純水中，保持測試體積400 μL，放置20 min，檢測熒光。

2.5 人血清中抗壞血酸的檢測

將20 μL氧化錫量子點(diǎn)原材料、10 μL Tris-HCl(50 mmol·L-1,pH=7.4)緩沖液、10 μL Fe3+(10 mmol·L-1)、10 μL 1%人血清溶液和不同濃度的抗壞血酸加入到超純水中，保持測試體積400 μL，放置20 min，檢測熒光。

3 結(jié)果與討論

3.1 物相結(jié)構(gòu)

如圖1(a)所示，合成的SnO2量子點(diǎn)為典型的四方金紅石結(jié)構(gòu)，其3個(gè)主要衍射峰(110)、(101)、(211)均與JCPDS卡片No.14-1445基本一致，且3個(gè)衍射峰峰值較高，說明SnO2的結(jié)晶性良好[22]。另外，在XRD譜中沒有觀察到Sn及其氧化物的雜峰，說明合成的SnO2量子點(diǎn)純度較高。根據(jù)謝樂公式[23]D=Kλ/βcosθ，其中K為謝樂常數(shù)，λ為入射X射線波長，β為衍射峰半高寬，θ為衍射角，可以計(jì)算出SnO2量子點(diǎn)的平均粒徑大概為4.25 nm左右，這一結(jié)果與粒徑測試結(jié)果保持一致(圖1(b))。如圖1(b)所示，合成的SnO2量子點(diǎn)粒徑分布呈現(xiàn)良好的正態(tài)分布，其粒徑主要集中在5 nm左右。內(nèi)插圖為SnO2量子點(diǎn)的透射電子顯微鏡掃描圖(TEM)，從圖中可以看出，SnO2量子點(diǎn)粒徑分布均勻且尺寸大小為4～5 nm左右。以上表征結(jié)果證明了SnO2量子點(diǎn)已成功合成。

圖1 SnO2量子點(diǎn)的XRD圖(a)和粒徑分布圖(b)(內(nèi)插圖為SnO2TEM圖)

3.2 光學(xué)性能

由圖2(a)可知，在310 nm波長光激發(fā)下，SnO2量子點(diǎn)的最強(qiáng)發(fā)射波長位于15 nm左右(紅線)，這主要是由材料中氧空缺作為發(fā)光過程的激發(fā)中心而引起[24]。以415 nm光為監(jiān)測波長，材料的最大激發(fā)峰在310 nm處，內(nèi)插圖顯示合成的量子點(diǎn)水溶液在日光燈下為一種透明的液體(左)，用365 nm紫外燈照射，樣品呈現(xiàn)藍(lán)綠光發(fā)射(右)。此外，我們對量子點(diǎn)的合成條件進(jìn)行了優(yōu)化，從圖2(b)中可以看出，隨著堿濃度的升高，合成的SnO2量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)KOH的濃度達(dá)到25 mmol時(shí)，熒光強(qiáng)度最大。對于水熱反應(yīng)來說，反應(yīng)溫度也是一個(gè)影響材料光學(xué)性能的重要因素，從圖2(c)中可以看出，水熱溫度為180 ℃時(shí)，合成的量子點(diǎn)的熒光最強(qiáng)。反應(yīng)時(shí)間的優(yōu)化結(jié)果顯示(圖2(d))，反應(yīng)12 h可以獲得最優(yōu)的熒光性能。

對材料的穩(wěn)定性考查結(jié)果如圖3所示。SnO2量子點(diǎn)在不同NaCl鹽濃度溶液中的熒光數(shù)據(jù)表明材料對高鹽濃度有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，而pH測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明這種量子點(diǎn)在強(qiáng)堿溶液中，熒光會有一定程度的降低，這主要是跟SnO2兩性偏酸氧化物性質(zhì)有關(guān)；而在中性或弱堿性環(huán)境中，量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度減弱小于10%，因此，量子點(diǎn)在弱堿性條件下的應(yīng)用幾乎不會受到影響。

圖2 (a)SnO2量子點(diǎn)的熒光光譜，λex=310 nm，插圖為量子點(diǎn)水溶液在日光燈(左)與365 nm紫外燈(右)照射下的照片；KOH濃度(b)、溫度(c)與反應(yīng)時(shí)間(d)對合成SnO2量子點(diǎn)在415 nm的熒光強(qiáng)度的優(yōu)化結(jié)果。

Fig.2 (a) Fluorescence spectra of SnO2quantum dots,λex=310 nm. Inset shows the photograph of SnO2under daylight(left) and a 365 nm UV lamp(right), respectively. The optimization of the concentration of KOH(b), temperature(c) and time(d) to synthesize SnO2with the fluorescence intensity of SnO2quantum dots at 415 nm as signal.

圖3 不同濃度NaCl溶液(a)和pH溶液(b)中SnO2量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度

Fig.3 Studies on effect of salt concentration(a) and pH(b) upon SnO2quantum dots with the fluorescence intensity of SnO2quantum dots at 415 nm as signal

3.3 SnO2量子點(diǎn)對AA的檢測原理及實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化

如圖4(a)所示，在Fe3+存在時(shí)，SnO2量子點(diǎn)的熒光被猝滅，加入AA后，材料的熒光峰強(qiáng)度可恢復(fù)，且AA濃度越高，熒光恢復(fù)越明顯，當(dāng)抗壞血酸濃度為500 μmol·L-1，材料的熒光恢復(fù)率可達(dá)95.88%(圖4(a)紅線)。圖4(b)顯示了不同F(xiàn)e3+濃度時(shí)，SnO2量子點(diǎn)的熒光光譜，材料的熒光隨著Fe3+濃度增大而逐漸減小，當(dāng)Fe3+濃度為250 μmol·L-1時(shí)(圖4(b))，材料的熒光猝滅率達(dá)到50%，繼續(xù)增大Fe3+濃度，材料的熒光保持不變。在50 nmol·L-1～250 μmol·L-1濃度范圍內(nèi)，F(xiàn)e3+濃度和材料的熒光強(qiáng)度猝滅率呈線性關(guān)系(圖4(b)內(nèi)插圖)，通過計(jì)算，其最低檢測限為32 nmol·L-1。Fe3+猝滅材料熒光的機(jī)理通常被認(rèn)為是材料受到激發(fā)后，電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，當(dāng)體系中存在過渡金屬離子時(shí)，由于過渡金屬離子具有空d軌道，材料激發(fā)態(tài)的電子進(jìn)入了金屬離子的空d軌道，從而使材料的熒光猝滅，這就是電子轉(zhuǎn)移猝滅機(jī)理[25-26]。另外，我們對不同濃度Fe3+存在時(shí)SnO2量子點(diǎn)的光散射進(jìn)行了分析，如圖4(c)所示，隨著Fe3+濃度的增大，材料的光散射強(qiáng)度逐漸減小，也就是說材料的尺寸在減小，這可能是由于原來分散的SnO2量子點(diǎn)在Fe3+的作用下發(fā)生了團(tuán)聚，導(dǎo)致相互之間的距離減小[27]。為了證實(shí)這種推測，我們對SnO2量子點(diǎn)在加入Fe3+前后的Zeta電位進(jìn)行了測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在加入Fe3+之后，材料的Zeta電位有少量的降低，結(jié)合光散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們認(rèn)為，F(xiàn)e3+引起的材料輕微團(tuán)聚導(dǎo)致了Zeta電位的降低(圖4(d))。而Fe3+猝滅SnO2量子點(diǎn)熒光，可能是由Fe3+誘導(dǎo)的材料團(tuán)聚引起，這種由于材料團(tuán)聚而導(dǎo)致的熒光猝滅現(xiàn)象通常被稱為聚集誘導(dǎo)猝滅[28]。材料聚集誘導(dǎo)熒光猝滅現(xiàn)象已經(jīng)被很多課題組發(fā)現(xiàn)并報(bào)道，例如，Chen等報(bào)道了一種石墨烯量子點(diǎn)的合成并用于Fe3+的檢測研究，文章指出Fe3+引起了石墨烯量子點(diǎn)的團(tuán)聚，并使其熒光發(fā)生猝滅[28]；本課題組也報(bào)道了一種稀土銪摻雜納米材料Y(V0.2P0.8O4)∶Eu3+，在Cr3+存在時(shí)，Y(V0.2P0.8O4)∶Eu3+發(fā)生顯著的團(tuán)聚，其熒光發(fā)生猝滅[27]。Zhang等則認(rèn)為Fe3+猝滅石墨烯的熒光是通過電子轉(zhuǎn)移機(jī)制實(shí)現(xiàn)的，但是包括Fe2+在內(nèi)的其他金屬離子，由于弱的吸電子能力并不能猝滅其熒光[29]。眾所周知，F(xiàn)e3+的外層電子結(jié)構(gòu)為4s23d5，而Fe2+的外層電子結(jié)構(gòu)為4s23d6，F(xiàn)e2+的外圍d軌道3個(gè)全滿，因此，三價(jià)鐵離子比二價(jià)鐵離子具有更高的標(biāo)準(zhǔn)還原電勢，也更容易捕獲電子，從而更容易發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，猝滅熒光。因此，我們推斷，在本實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)e3+和Fe2+對SnO2量子點(diǎn)熒光的猝滅差異可能是由于它們不同的吸電子能力引起?；谶@種差異，利用AA的還原性，將Fe3+還原成Fe2+，我們構(gòu)建一個(gè)SnO2基“off-on”熒光探針用于AA的靈敏檢測。

圖4 (a)Fe3+和AA存在時(shí)，SnO2熒光光譜；(b)不同F(xiàn)e3+濃度下SnO2熒光光譜；(c)不同F(xiàn)e3+濃度下SnO2動(dòng)態(tài)光散射圖；(d)加入Fe3+前后SnO2Zeta電位。

Fig.4 (a) FL spectra of SnO2in the presence of Fe3+and Fe3+/AA. (b) FL spectra of SnO2in the presence of varying concentrations of Fe3+from 0 to 250 μmol·L-1. Inset shows the plot of (F0-F)/F0against the concentrations of Fe3+ranging from 0 to 10 μmol·L-1(whereF0andFare the FL intensities of SnO2at 415 nm before and after added Fe3+,respectively). (c) LS spectra of SnO2in the presence of Fe3+with different concentration. (d) ζ-potentials of SnO2before and after added Fe3+.

為了更好地實(shí)現(xiàn)AA靈敏傳感，我們對反應(yīng)時(shí)間和SnO2量子點(diǎn)濃度進(jìn)行了優(yōu)化。如圖5所示，我們考查了不同濃度AA存在時(shí)反應(yīng)所需的時(shí)間，從圖中可以看出，隨著時(shí)間的變化，SnO2量子點(diǎn)在415 nm處的熒光峰強(qiáng)度逐漸增大，反應(yīng)時(shí)間為20 min左右，熒光強(qiáng)度基本不變，即使是AA濃度低至5 μmol·L-1，反應(yīng)20 min后，材料熒光強(qiáng)度也可達(dá)到最大(圖5(a))。對SnO2量子點(diǎn)濃度的優(yōu)化結(jié)果如圖5(b)所示，F(xiàn)e3+濃度一定時(shí)(250 μmol·L-1)，材料濃度減小，其熒光強(qiáng)度比值F/F0逐漸增大(F0為空白樣熒光強(qiáng)度)，當(dāng)濃度為1 mmol·L-1時(shí)，F(xiàn)/F0不再變化，所以本實(shí)驗(yàn)中，我們將反應(yīng)時(shí)間確定為20 min，SnO2量子點(diǎn)濃度確定為1 mmol·L-1。

圖5 (a)時(shí)間優(yōu)化圖;(b)SnO2量子點(diǎn)濃度優(yōu)化圖。

Fig.5 Reaction time study(a) and optimal SnO2concentration for AA detection(b) with the fluorescence intensity of SnO2quantum dots at 415 nm

在最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)條件下，我們對AA進(jìn)行了線性檢測(圖6)。在SnO2/Fe3+體系中加入不同濃度AA(從下到上AA濃度依次為：0,0.05,0.1,0.5,1,10,50,100,200,500 μmol·L-1)，隨著AA濃度增大，SnO2在415 nm處的熒光峰強(qiáng)度逐漸恢復(fù)，且在0.05～500 μmol·L-1濃度范圍內(nèi)，AA濃度與SnO2熒光峰強(qiáng)度呈現(xiàn)一個(gè)良好的線性關(guān)系(圖6內(nèi)插圖)。根據(jù)線性方程，我們可以計(jì)算出AA的最低檢測限為0.27 μmol·L-1。我們將本方法與其他檢測AA的方法做了對比(表1)，從表中可以看出，該方法與其他方法相比具有較高的靈敏度。

圖6 (a)不同濃度AA時(shí)，SnO2熒光光譜，內(nèi)插圖為AA濃度與SnO2熒光恢復(fù)率的線性關(guān)系；(b)SnO2對AA檢測的選擇性，各種干擾物的濃度保持為250 μmol·L-1。

Fig.6 (a) FL spectra of SnO2in the presence varying concentrations of AA from 0 to 500 μmol·L-1. Inset shows the plot of (F-F0)/(F′-F0) against the concentrations of Fe3+ranging from 0 to 10 μmol·L-1(whereF,F0andF′are the FL intensities of SnO2,SnO2/Fe3+and SnO2/Fe3+/AA at 415 nm, respectively). (d) Fluorescence intensity of SnO2at 415 nm in the presence of different biomolecules. The concentration of all biomolecules is 250 μmol·L-1.

此外，為了考查SnO2熒光探針對AA檢測的實(shí)用性，我們對人血清樣中的AA進(jìn)行了檢測，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。在不同血清樣品中加入不同濃度AA，根據(jù)所得線性方程可以計(jì)算得到AA濃度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)AA回收率在96.0%以上，這證明SnO2熒光探針可以很好地應(yīng)用于實(shí)際血清樣中AA的檢測。為了驗(yàn)證SnO2量子點(diǎn)檢測AA的準(zhǔn)確性，我們用2,4-硝基苯丙胺方法對實(shí)驗(yàn)中4個(gè)血清樣品中的抗壞血酸含量進(jìn)行了檢測[35]。

表1 檢測AA的方法對比

表2 實(shí)際血清樣品中AA檢測結(jié)果

人血清稀釋100倍。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2中所示，用2,4-硝基苯丙胺方法檢測得到的血清樣中AA的濃度與使用SnO2量子點(diǎn)作為熒光探針檢測的AA濃度結(jié)果基本一致，這進(jìn)一步證明了SnO2熒光探針的實(shí)用性。

4 結(jié) 論

本文合成了一種氧化錫量子點(diǎn)，在310 nm波長光激發(fā)下，其最強(qiáng)發(fā)射峰位于415 nm，且表現(xiàn)出良好的光學(xué)穩(wěn)定性。Fe3+可有效猝滅SnO2量子點(diǎn)的熒光，利用抗壞血酸的還原性，F(xiàn)e3+還原成Fe2+，猝滅的SnO2量子點(diǎn)熒光，在AA濃度范圍為0.05～ 700 μmol·L-1時(shí)，AA濃度與SnO2熒光峰強(qiáng)度呈現(xiàn)一個(gè)良好的線性關(guān)系，其最低檢測限為0.27 μmol·L-1。基于此，本文構(gòu)建了一種‘off-on’熒光探針用于抗壞血酸靈敏檢測。此外，我們對這種SnO2量子點(diǎn)熒光探針在實(shí)際血清樣品中的抗壞血酸進(jìn)行了加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，SnO2材料有望成為一種實(shí)用型的AA傳感器。