CdS-Eu（Ⅲ）体系荧光恢复的磷酸根离子可视化测定

杨海冉，杨传孝，孙向英

（华侨大学 材料科学与工程学院，福建 厦门361021）

磷酸根离子是水生微生物营养链的主要成分，其衍生物是生命遗传物质的重要组成部分，同时也是水体富营养化的重要来源.因此，发展一种简单、可视化检测水溶液中PO34-的方法具有重要的现实意义.目前，检测PO34-的方法有分光光度法［1］、离子色谱法［2］、电化学法［3］、酶传感［4］及数码成像比色法［5］等.但是，在复杂环境体系中高灵敏度、高选择性地检测PO34-仍然是一个挑战.量子点（quantum dots，QDs）是一种新型的纳米发光材料，具有激发范围宽、发光效率高、发射峰位窄且峰位可调等特点，是一种理想的可视化荧光传感材料［6］.在离子检测方面，报道较多的是QDs直接用于金属离子的测定［7］，而QDs直接用于阴离子测定的研究报道却较少.目前，研究较多的是将QDs进行表面修饰，制备QDs双荧光发射纳米复合材料［8-9］；或在QDs及其复合物表面包覆具有介孔结构的二氧化硅［10-11］，然后建立比率荧光传感的模式.虽然这些方法可有效提高其对金属离子的选择性，但制备过程繁琐，有的荧光颜色变化不明显.理想可视化荧光传感策略是建立在QDs的荧光共振能量转移体系的基础上，可充分发挥QDs的发光特性，提高被识别分析物的选择性［12-13］.基于此，本文用聚丙烯酸为稳定剂、硫脲为硫源合成表面富含羧基的CdS QDs，设计建立了基于CdS-Eu（Ⅲ）体系荧光恢复可视化测定PO34-的新方法.

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

F-4500型荧光分光光度计（日本日立公司）和UV-2102PC型紫外可见分光光度计（尤尼克上海仪器有限公司）分别用于QDs荧光强度和吸收光谱的测定；H-7650型透射电镜 （日本日立公司）用于表征纳米粒子的大小以及形态；FL-920型荧光分光光度计测定QDs的荧光寿命.

氯化镉（CdCl2），西陇化工厂有限公司；硫脲（TU），天津市福晨化学试剂厂；磷酸钠（Na3PO4）、聚丙烯酸（PAA）、氧化铕（Eu2O3），国药集团化学试剂有限公司；使用二次蒸馏水，所用试剂均为分析纯.

1.2 实验方法

1.2.1 CdS QDs的合成 取1.0mL，0.01mol·L-1CdCl2于三颈瓶中，加入180mL二次蒸馏水，然后再加入5.0mL，0.6%PAA，0.3mL，0.01mol·L-1硫脲，用1.0mol·L-1NaOH 溶液调pH 值至11.5左右，于100℃下加热回流4h.

1.2.2 CdS-Eu（Ⅲ）测PO3-4取1.0mL CdS QDs于10mL比色管中，加入0.5mL pH 值为8.01的Tris缓冲溶液，然后加入0.6mL，1.0×10-4mol·L-1Eu3+和适量PO3-4标准溶液或样品溶液，用二次蒸馏水定容至5mL，1h后测定其荧光光谱及紫外-可见吸收光谱，紫外灯下用数码相机成像.

2 结果与讨论

2.1 CdS QDs的光谱特征

PAA稳定CdS QDs的荧光光谱和吸收光谱，如图1所示.由图1（a）可知：在回流时间大于2h时，CdS QDs的荧光强度达到最大；当反应时间在2～4h内，荧光强度基本一致，但其发射峰发生红移，在紫外灯照射下发出黄色荧光.由图1（b）可以看出：硫脲在235nm处的吸光度随着反应时间的增加逐渐下降，而CdS QDs带边吸收却逐渐增加.这充分说明：在碱性条件下，随着加热回流时间的延长，硫脲释放出S2-的量逐渐增加，CdS QDs的量也随之增加，因而荧光强度不断增长.

图1 CdS QDs的荧光和吸收光谱Fig.1 Fluorescence spectra and absorption spectra of CdS QDs

2.2 CdS-Eu（Ⅲ）体系测定磷酸根离子

图2 Eu3+浓度对CdS QDs荧光光谱的影响Fig.2 Effect of the concentration of Eu3+on the fluorescence spectra of CdS QDs

图3 PO3-4 与CdS-Eu（Ⅲ）作用的荧光光谱Fig.3 Fluorescence spectra of the reaction between CdS-Eu（III）and PO3-4

2.2.2 pH值的影响 pH值越高，硫脲释放出S2-的速度快，CdS纳米粒子的形成也较快，如图4所示.由图4可知：当pH值小于10.53时，合成的CdS QDs的荧光强度较低，随着pH值的增加，CdS QDs的荧光强度也逐渐增加；当pH值为11.5时，CdS QDs的荧光强度达到最大；若继续增加pH值，CdS QDs的荧光强度反而减少.图5为溶液pH值对CdS-Eu（Ⅲ）与作用的影响.由图5可知：随着pH值的增大，CdS-Eu（Ⅲ）的荧光强度有缓慢增加的趋势（曲线1）；当加入后体系荧光强度也随之增加；当溶液pH值为8.01时，荧光强度增量达到最大；pH继续增加，体系荧光强度增加量却逐渐降低（曲线2）.因此，选用pH值为8.01的Tris-HCl缓冲溶液来调节溶液pH值.

图4 pH值对CdS QDs荧光强度的影响Fig.4 Effect of the pH value on the fluorescence intensity of CdS QDs

图5 pH值对CdS-Eu（Ⅲ）与作用的影响 Fig.5 Effect of the pH value on the reaction between CdS-Eu（Ⅲ）and

2.2.3 PAA加入量的影响 PAA表面富含羧基对CdS QDs具有稳定作用，如图6所示.由图6可知：PAA（0.6%）加入量越小，PAA对CdS QDs的稳定作用越小，合成的CdS QDs的荧光强度较弱；随着PAA量增加，CdS QDs的荧光强度达到最大时，所需回流时间延长，CdS QDs的荧光强度也随之增加；当PAA加入量达到5～6mL时，CdS QDs的荧光强度达到最大且较为稳定.由图7线1可知：当PAA加入量小于6mL时，Eu3+对CdS QDs的荧光猝灭率（ηq）约为90.0%；当PAA加入量大于6mL时，PAA量越多，Eu3+对CdS QDs的荧光猝灭率也随之减弱.PAA加入量对CdS-Eu（Ⅲ）体系的荧光恢复率（ηr）也有较大的影响.当PAA量大于6mL时，加入后CdS-Eu（Ⅲ）体系的荧光强度基本没有恢复；当PAA量小于6mL时，加入后CdS-Eu3+体系的荧光强度有明显恢复，且5mL PAA稳定的CdS QDs其荧光强度恢复最好.因此，选用5mL PAA（0.6%）作为合成CdS QDs稳定剂.

图6 PAA加入量对CdS QDs荧光强度的影响Fig.6 Effect of the concentration of PAA on the fluorescence intensity of CdS QDs

图7 PAA加入量对CdS-Eu（Ⅲ）与作用的影响 Fig.7 Effect of the concentration of PAA on the reaction between CdS-Eu（Ⅲ）and

2.2.4 TU加入量的影响 碱性条件下，TU分解产生的S2-作为合成CdS QDs的硫源.因此，TU加入量对CdS QDs的荧光强度有较大的影响，如图8所示.由图8可知：随着回流时间增加，CdS QDs的荧光强度先增加后降低；TU（0.01mol·L-1）加入量越多，CdS QDs的荧光强度达到时所需的时间越短，但形成QDs的荧光强度越低；当TU加入量为0.3～0.4mL，回流时间为2～4h时，可以获得发光强度高且相对稳定的CdS QDs.考察对CdS-Eu（Ⅲ）体系荧光恢复的影响，如图9所示.由图9可知：当TU加入量为0.2～0.5mL时，CdS QDs与Eu（Ⅲ）作用后，其荧光强度随着的增加均有显著的恢复，且体系的荧光强度随着浓度的增加呈线性增加；而TU的量太小或太高，CdS QDs荧光强度都较低（图8）.因此，选用0.3mL TU（0.01mol·L-1）合成的CdS QDs用于的检测.

图8 TU加入量对CdS QDs荧光强度的影响Fig.8 Effect of the concentration of TU on the fluorescence intensity of CdS QDs

图9 TU加入量对CdS-Eu（Ⅲ）与作用的影响 Fig.9 Effect of the concentration of TU on the reaction between CdS-Eu（Ⅲ）and

2.2.5 共存物质的影响 考察了常见的金属离子、阳离子和阴离子对CdS-Eu（Ⅲ）体系测定的影响.实验结果表明：常见的金属离子Na+，K+，Zn2+的最大允许浓度为1.0mmol·L-1；Ca2+，Mg2+，Fe3+，Pb2+的最大允许浓度为100μmol·L-1；Cd2+，Ni2+，Mn2+，Fe2+，Ag+的最大允许浓度为20 μmol·L-1；Co2+，Cu2+的最大允许浓度为2μmol·L-1.虽然允许浓度相对较小，但实际样品测定中可用巯基棉除去可能共存的重金属离子［13］.常见的阴离子，，NO2-，，卤素离子，三聚磷酸根，六偏磷酸根没有干扰，最大允许浓度大于1.0mmol·L-1.说明CdS-Eu（Ⅲ）体系用于的测定具有较好的选择性.

图10 反应时间的影响Fig.10 Effect of the reaction time

2.3 标准曲线及样品测定

为考察文中方法的可行性，通过标准加入法对白鹭池水样（按GB 11893-1989《水质总磷的测定钼酸铵分光光度法》对水样进行处理）中，浓度进行测定并与分光光度法比较，结果如表2所示.表1，2的反应条件为：1.0mL CdS QDs；12μmol·L-1Eu3+；pH值为8.01；Ex＝340nm；Em＝515nm.表2中：c1，c2分别为文中方法和分光光度法测得的的浓度；ca为标准溶液的加入量；cPO3-4水样中磷酸根的测得值；η为回收率.由表2可知：测定结果与分光光度测定结果相近，说明本方法有很强的实用性.

表1 测定分析参数Tab.1 Analytical parameters for the determination of PO3-4

表1 测定分析参数Tab.1 Analytical parameters for the determination of PO3-4

·-1 t／h 线性回归方程 线性范围／μmolLk R 0 ΔF＝10.9+7.27c 1.03～35 7.27 0.978 7 1 ΔF＝7.5+9.56c 0.78～35 9.56 0.995 2 2 ΔF＝5.1+10.39c 0.72～35 10.39 0.994 7 3 ΔF＝-2.5+10.99c 0.68～35 10.99 0.993 1 4 ΔF＝-12.5+11.54c 0.64～35 11.54 0.996 6

表2 理想水样品测定的结果Tab.2 Determination results for real water samples

2.4 机理探讨

量子点的透射电镜图，如图11所示.由图11（a）可知：电镜图表明PAA稳定的CdS QDs具有较好的分散特性，紫外灯照射下发黄色荧光.Eu3+加入后，CdS QDs发生明显聚集（图11（b）），黄色荧光猝灭；但是加入后，CdS QDs又重新得到分散、黄色荧光恢复（图11（c））.这是由于PAA稳定的CdS QDs表面富含羧基，Eu3+与QDs表面的羧基螯合，导致QDs聚集形成紧密堆集的QDs簇，从而增加了量子点之间能量转移的效率，导致黄色荧光猝灭.又因为与Eu3+的结合能力远大于羧基与Eu3+的结合能力.因此，加入后，QDs聚集体被瓦解其分散程度明显增加，从而阻断了QDs间的能量转移、黄色荧光得到恢复.从荧光寿命测量可以进一步得到证实，如图12所示.由图12可知：当Eu3+加入后，CdS QDs的发射寿命由67.01ns减小到57.42ns，这是由于QDs聚集体作为能量接受体，提供了多个附加衰减通道所致［13］；当加入后，发射寿命从57.42ns恢复到64.66ns，证明随着QDs分散程度的增加，原来QDs聚集体中作为能量受体的粒子所提供的附加衰减通道消失、荧光恢复.

图11 量子点的透射电镜图Fig.11 TEM images of QDs

图12 荧光衰减曲线图Fig.12 Fluorescence decay curves

3 结束语

用PAA为稳定剂、硫脲为硫源成功合成了水溶性、表面富含羧基的CdS QDs.实验结果表明：Eu3+能与PAA稳定的CdS QDs作用形成CdS QDs簇，并诱导CdS QDs簇之间的能量转移，导致QDs荧光猝灭，而却能把Eu3+从CdS QDs间的位置竞争下来，阻断QDs之间的能量转移，致使CdS-Eu（Ⅲ）体系荧光恢复.由此发展了一种简单的荧光恢复可视化荧光测定的新方法.该法具有灵敏度高、选择性好、可视化等特点，可用于环境水样中的分析测定.

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