趙心語，耿宇昊，田震昊，徐建鴻

（清華大學(xué)化學(xué)工程系，化學(xué)工程聯(lián)合國家重點實驗室，北京100084）

引 言

根據(jù)2018年統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國超過80%的各類水域都遭到了程度不一的污染[1]，污染源包含重金屬元素、石油類、硫化物等。水體中的重金屬，如鉛、鎘、汞、鉻、銅等，在動植物體內(nèi)富集，被人類食用后會進入人體，對組織器官造成多種損傷[2]。其中銅是人體必需微量元素之一，但銅若在人體內(nèi)超標(biāo)會對人體的肝、膽等臟器造成負擔(dān)。

治理水污染的首要前提是有高效、簡便和可靠的離子濃度檢測手段。目前主要采用的檢測手段包括化學(xué)比色法、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法和原子吸收分光光度法[3]等。但以上幾種方法難以同時滿足待測樣處理方法簡便和測量精度高的雙重要求，因此需要發(fā)展更加簡單高效準(zhǔn)確的測量技術(shù)。

量子點是一種尺寸通常在1～15 nm 之間的半導(dǎo)體納米晶體[4]，由于其具有良好的發(fā)光單色性、高度穩(wěn)定性、發(fā)光可調(diào)性和高熒光產(chǎn)率[5]，被視為應(yīng)用于生物成像與診斷[6?10]、能量轉(zhuǎn)換與存儲[11?12]、光電設(shè)備[13?14]、光 催 化[15?16]、光 傳 感 器[17?19]等 方 面 的 新 型 材料。量子點的熒光淬滅現(xiàn)象主要有電子轉(zhuǎn)移機理(electron transfer, ET)和熒光共振能量轉(zhuǎn)移機理(fluorescent resonance energy transfer, FRET)[20]，基于量子點的熒光淬滅現(xiàn)象，可以搭建熒光傳感器，通過在量子點表面連接不同的基團[21?23]，實現(xiàn)對pH、陰離子和金屬離子定量檢測的目的[24?26]。但目前研究工作中所使用的鎘系量子點(如硒化鎘，碲化鎘等)[27?29]其改性方法復(fù)雜，負載基團多有毒性，測量離子時量子點難以回收，含鎘廢水造成二次污染，同時提高了檢測成本。水凝膠作為一種具有三維網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)的聚合物材料，在水中會溶脹而不發(fā)生溶解，利用高分子鏈之間的氫鍵作用可以負載功能性物質(zhì)，適合作為用于離子檢測的量子點的骨架材料[30]。

在本研究中，采用微流控技術(shù)制備硒化鎘?硫化鋅(CdSe@ZnS)核殼型量子點的方法制備量子點，然后使用巰基丙酸對量子點進行改性。再將改性后的量子點負載到聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)水凝膠骨架上，制備成可以回收且環(huán)境友好的金屬離子檢測膜，用于簡便精確地原位檢測水體中微量銅離子的濃度。該負載方法具有一定普適性，提供了將任意量子點制成器件應(yīng)用于某種金屬離子檢測的新方式，實現(xiàn)了可回收的、環(huán)境友好的重金屬離子快速檢測目的。

1 實驗材料和方法

1.1 儀器與試劑

1.1.1 儀器 LSP02?1B 高壓注射泵(蘭格恒流泵有限公司)，DF?101S、DF?101D 集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(予華儀器有限公司)，TG16?II醫(yī)用離心機(湖南平凡科技有限公司)，SHIMADZU UV?2450(日本)紫外可見分光光度計，SHIMADZU RF?5301PC(日本)熒光分光光度計，TM3000 掃描電子顯微鏡(日本日立公司)。

1.1.2 試劑 氧化鎘(CdO, AR)，水合硫酸銅(CuSO4·5H2O,AR)購買自國藥集團化學(xué)試劑北京有限公司；油酸(OA,AR)，三正辛基磷(TOP,AR)購買自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；油胺(OAm,AR),二乙基二硫代氨基甲酸鋅(ZDC，99%)，巰基丙酸(99%)購買自北京百靈威科技有限公司；1?十八烯(ODE,AR)購買自阿法埃莎(中國)化學(xué)有限公司；硒粉(Se, 99.9%)購買自上海麥克林生化科技有限公司；三氯甲烷(AR)購買自北京現(xiàn)代東方精細化學(xué)品有限公司；無水乙醇(AR)購買自北京化工廠；聚乙烯醇(1799 型，AR)購買自上海泰坦化學(xué)有限公司；全氟聚醚潤滑油采用06/6型。

1.2 實驗方法

1.2.1 制備CdSe 量子點 取0.5 mmol(0.0642 g)氧化鎘、2 mmol(0.5664 g)油酸、4 mmol(1.0733 g)油胺加入燒杯中，滴加1?十八烯至10 ml，在150℃下攪拌20 min，得到澄清的黃褐色溶液。使用移液槍移取2 ml至另一燒杯中，并加入8 mmol(2.1466 g)油胺，滴加1?十八烯至20 ml，在常溫下攪拌，充分混合，得到Cd 前體溶液。原剩余的黃褐色溶液作為補加料進料。取2 mmol(0.1538 g)硒粉、稍過量的三正辛基膦(TOP，約0.8661 g 左右，加速硒粉溶解)，滴加1?十八烯至20 ml，在90℃下攪拌15 min，得到澄清的無色溶液，即Se 前體溶液。將Cd 前體溶液和Se 前體溶液分別按1 ml/min 的流量進料，經(jīng)過預(yù)熱階段后在250℃下混合。隨后以0.1 ml/min 的流量補加Cd原料，在270℃下生長。PFPE 的流量為2 ml/min，生長段停留時間0.83 min?；旌涎b置示意圖見圖1(a)。

圖1 CdSe@ZnS 量子點制備微流控設(shè)備示意圖Fig.1 Diagram of microfluidics platform used for fabricating CdSe@ZnS

1.2.2 包裹ZnS 殼層 將分離提純后的CdSe 量子點溶解在適量三氯甲烷中，將CdSe、油胺、油酸按照1∶8∶4 的摩爾比加入1?十八烯中，用十八烯稀釋至10 ml，在100℃下加熱攪拌，至三氯甲烷完全揮發(fā)。取相對CdSe分別為2和3摩爾比的ZDC和TOP在室溫下攪拌，直至溶液澄清透明，獲得ZnS 前體溶液。利用圖1(b)中的微流控平臺，讓兩股溶液在室溫下混合，在140℃下生長。兩股溶液的流量分別為75 μl/min，全氟聚醚流量520 μl/min，總停留時間5 min。將收集到的溶液靜置。分層后取澄清橘黃色的上相溶液，加入過量乙醇后離心。向沉淀滴加少量三氯甲烷，振蕩后離心，去除沉淀。向溶液中再加過量乙醇離心，以此類推，交替使用乙醇和三氯甲烷并離心3～4 個循環(huán)，最終得到油溶性的CdSe@ZnS核殼型量子點。

1.2.3 CdSe@ZnS 量子點表面改性 CdSe@ZnS 量子點溶解在適量三氯甲烷中，以體積比氯仿∶巰基丙酸∶超純水=1∶1∶0.5 的比例添加試劑，超聲振蕩15 min后，取出上相(水相)及界面處的量子點。向其中加入過量巰基丙酸，超聲振蕩15 min 后，加入等體積三氯甲烷，離心。最后加入適當(dāng)過量的乙醇，使量子點全部沉淀，離心后將沉淀烘干備用。改性前，量子點粉末的顏色在自然光下為橘黃色。改性后，量子點粉末的顏色變?yōu)闇\黃色。

1.2.4 銅離子檢測傳感器制備 將尺寸為9 mm×55 mm×0.2 mm 的石英薄片通過膠帶固定在載玻片上，向其表面滴加含有改性后量子點的PVA 水溶液，使用玻璃棒來回刮拭使溶液在石英片表面均勻鋪展。在室溫下自然冷卻，小心撕下膠帶并移除載玻片，剩余的石英片表面便涂覆了一層含有量子點的復(fù)合凝膠膜。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性CdSe@ZnS的性能表征

將油溶性量子點溶于正己烷中，并向其中加入水；將水溶性量子點溶于水中，并加入正己烷，在紫外燈的照射下，可以發(fā)現(xiàn)油溶性量子點不會溶于水，水溶性量子點不會溶于油中，如圖2(a)所示。使用波長為460 nm 的激發(fā)光測量量子點的發(fā)射波長與量子產(chǎn)率。圖2(b)顯示使用巰基丙酸改性的量子點，在水中靜置8 d 以后，熒光強度衰減20.1%，且因量子點聚并發(fā)光波長紅移。改性之前的油溶性量子點熒光波峰為558.0 nm，半峰全寬(full width at half maximum,FWHM)為39 nm，量子產(chǎn)率為88%，而改性之后的水溶性量子點熒光波峰為554.8 nm，F(xiàn)WHM 為35 nm，量子產(chǎn)率為73%?？梢园l(fā)現(xiàn)水溶性改性量子點的發(fā)射波長與吸收波長略有藍移。這是由于CdSe@ZnS 表面部分ZnS 在改性過程中被溶解，導(dǎo)致CdSe@ZnS量子點尺寸略有減小。

按照一定的濃度梯度，測量量子點溶液對不同濃度的不同種類硫酸鹽的響應(yīng)程度，使用熒光分光光度計檢測量子點溶液的熒光光譜，以觀察熒光峰變化與離子濃度變化的關(guān)系。依據(jù)電子轉(zhuǎn)移機理，在發(fā)生熒光淬滅現(xiàn)象時，需要負載基團有特定能級的軌道，因此并非所有的金屬離子基團都能使經(jīng)巰基丙酸改性的CdSe@ZnS 量子點發(fā)生淬滅。向相同濃度的量子點溶液中分別加入等離子濃度的Cd2+、Al3+、Cr3+、Fe3+溶液，發(fā)現(xiàn)熒光淬滅現(xiàn)象不明顯或無明確規(guī)律。進一步實驗發(fā)現(xiàn)，銅離子對量子點的熒光淬滅作用十分顯著，可以檢測到10 μmol/L級別的銅離子，且熒光強度隨金屬離子濃度的升高而減弱，呈現(xiàn)良好的相關(guān)性，如圖3所示。

2.2 量子點-PVA復(fù)合膜的性能表征

圖3 固定量子點濃度的溶液的熒光強度與溶液中銅離子濃度呈負相關(guān)關(guān)系Fig.3 Luminescent quenching effect of Cu2+solution with different concentration

量子點?PVA 復(fù)合膜的制備方法如圖4(a)所示，在載玻片上用膠帶固定石英薄片，在中間滴加溶解了CdSe@ZnS 量子點的PVA 溶液，使用玻璃棒來回刮拭使溶液在載玻片表面均勻鋪展，在室溫下冷卻后成膜，膜厚度由膠帶厚度控制。將含有量子點的PVA 凝膠膜浸泡在超純水中，靜置7 d 后檢測水相無熒光發(fā)射，證明通過這種負載方法制得的復(fù)合薄膜中，量子點與骨架之間的氫鍵作用力較為牢固。圖4(b)為負載量子點前后水凝膠骨架的掃描電子顯微鏡圖，在放大20000 倍后可以觀察到凝膠骨架中的多孔結(jié)構(gòu)，并且量子點的加入不會導(dǎo)致PVA 凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改變。

圖4 復(fù)合凝膠膜熒光響應(yīng)檢測示意圖與水凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)電鏡圖Fig.4 Schematic diagram of fluorescence response detection of composite gel film and electron micrograph of hydrogel network structure

使用熱重法測量負載了CdSe@ZnS 量子點的含水凝膠與干燥凝膠的失重速度（圖5）。以含水量為0.0625 g PVA/mlH2O 的凝膠為例，濕潤狀態(tài)下，復(fù)合凝膠在110℃左右失重速度最快，此時失去的主要是凝膠中的水分。干燥狀態(tài)的復(fù)合凝膠骨架在250℃開始發(fā)生熱分解。在常溫條件下，復(fù)合凝膠十分穩(wěn)定。

2.3 量子點-PVA復(fù)合膜用于銅離子測量

圖5 含水與干燥凝膠的熱重曲線Fig.5 TG curve of aqueous and dry compound hydrogel

圖6 量子點?PVA復(fù)合膜對銅離子的響應(yīng)情況測試Fig.6 Quantum dot?PVA composite film response to copper ions

在使用量子點?PVA 復(fù)合膜檢測銅離子濃度時，將石英片貼壁放入比色皿中，有膜的一面朝內(nèi)，檢測時可以直接將安裝有膜片的比色皿放入熒光分光光度計中測量。量子點膜件對銅離子響應(yīng)的速度受三種因素的影響，分別為待測液中銅離子的濃度、水凝膠膜中的含水率和水凝膠膜厚度。一般來說，凝膠膜含水率越高，越有利于銅離子在膜中遷移，凝膠膜厚度越小，銅離子與量子點上的基團結(jié)合得越充分。但含水率過高或厚度過小都會導(dǎo)致膜的機械強度下降，增加操作難度。圖6(a)、(b)分別示出了不同含水率和不同厚度的凝膠膜放入特定濃度銅離子溶液10 min 后的熒光淬滅情況。圖6(a)顯示在實驗選用的凝膠膜含水率(PVA 濃度0.0375～0.0625 g/ml)范圍內(nèi)，含水率對熒光淬滅效果的影響不大，檢測后的熒光峰峰值主要取決于銅離子濃度。保持含水率和量子點負載量不變，檢測不同厚度的膜(0.10～0.30 mm)放入不同濃度銅離子溶液后10 min 的熒光響應(yīng)情況，如圖6(b)所示，在銅離子濃度相同時，厚度更薄的膜熒光淬滅作用略顯著一些，因為銅離子在膜中的遷移滲透更充分。因此選用0.10 mm的水凝膠膜作為定量檢測器件。

保持CdSe@ZnS 量子點的負載量不變，檢測一組厚度為0.10 mm 的凝膠膜放在不同濃度的銅離子溶液中10 min 后的熒光響應(yīng)情況，測量結(jié)果如圖6(c)、(d)所示，發(fā)射光譜的峰值隨銅離子濃度增加而遞減，呈線性相關(guān)關(guān)系，擬合優(yōu)度R2為0.9958。量子點?水凝膠復(fù)合膜對銅離子響應(yīng)的敏感度可以達到10～20 μmol/L，能夠滿足我國污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)中的一級排放標(biāo)準(zhǔn)。在有已知標(biāo)準(zhǔn)溶液矯正的情況下，該熒光傳感器可以成為一個快速定性判斷是否超過某級指標(biāo)的工具，與具有更高精度但操作復(fù)雜的原子吸收分光光度計檢測形成優(yōu)勢互補。

3 結(jié) 論

本研究基于量子點受離子響應(yīng)熒光淬滅的機理，將微反應(yīng)器內(nèi)制備的核殼型CdSe@ZnS 量子點試劑器件化，使檢測試劑可回收，防止鎘系量子點造成水樣的二次污染。該負載方法具有一定普適性，提供了將任意量子點制成器件應(yīng)用于某種金屬離子檢測的新方法。本文中所提出的CdSe@ZnS 量子點?PVA 水凝膠膜復(fù)合器件性能穩(wěn)定，可以在純水溶液中保持7 d 以上不發(fā)生量子點脫離。對于銅離子有著獨特的線性響應(yīng)特性。當(dāng)凝膠膜厚度為0.10 mm 時，可以對20 μmol/L 以上濃度的銅離子溶液進行定量檢測。證明了將量子點用于定量重金屬離子檢測的可行性。