利用发光量子点探针测定多环芳烃和酞酸酯污染物的研究*

来守军 贾天明 关晓琳 林俊杰 杨季冬 陈 星 左 波

(1.兰州文理学院化工学院，甘肃 兰州730000；2.三峡库区水环境演变与污染防治重点实验室，重庆 404100；3.西北师范大学化学化工学院，甘肃 兰州 730070)

持久性有机污染物(POPs)在全球普遍存在，沉积物和水是POPs聚集的主要场所，我国许多水库、江河和湖海中均有POPs检出[1-2]。三峡库区水体中的POPs主要包括多环芳烃、酞酸酯、烃类和有机氯等有机物[3]。对水环境中POPs进行监测是POPs减量控制的前提条件，目前关于POPs的分析方法主要有基于色谱仪器和基于生物分析的检测技术。PUIG等[4]使用气相色谱分析了防氧化橡胶工厂废水及附近河流下游水中的有机成分，共检测出46种有机污染物。王旭东等[5]采用固相萃取与气质联用测定水中痕量多环芳烃，对萘、菲、荧蒽的检出限为0.03～0.07 μg/L。黄业茹等[6]采用圆盘固相萃取法处理水样，采用超声萃取法处理土壤及植物样品，并利用气质联用测定环境样品中的多氯联苯。然而，以上分析方法均存在响应不灵敏、操作复杂、费用高等缺点，且针对复杂的环境样品(如水样、土壤样品等)具有分析结果不稳定等问题，从而影响了对环境质量的评价和控制。因此，开发合适的分析测试方法是解决POPs检测的最好方式。

量子点具有优异的光学性能和灵敏度，其荧光特性比常用的传统荧光染料分子或镧系配合物等具有更明显的优势[7]。量子点的发光性质随其表面状态的改变而不同，在与有机物相互作用时可能改变电子/空穴再结合效率，导致其发光性质发生变化，基于量子点荧光的猝灭或增强作用，可以对某些物质(例如金属离子、阴离子、有机小分子等)进行定性或定量分析。近年来，利用量子点作为探针的荧光检测方法备受关注，与传统的测试手段相比，量子点探针测定方法具有检出限低、灵敏度高等诸多优势[8-9]，因此筛选高效、专一、环境友好的修饰剂合成发光性能优异的水溶性量子点探针成为该领域的研究热点。

在前期研究的基础上，笔者以CdSe/CdS 量子点(CdSe/CdS QDs)为原料，对其进行硅烷氨基化表面修饰，合成具有水溶性的硅烷氨基化发光量子点(CdSe/CdS-Si-NH2QDs)探针，并利用量子点与POPs分子发生偶联反应、内滤效应、非辐射结合通道、电子传输和共振能量转移导致的荧光变化测定有机物的含量，最后将该方法应用于三峡库区多环芳烃和酞酸酯的测定，不仅可以拓展量子点探针的应用，又能够解决环境分析的实际问题。

1 实验部分

1.1 实验设备

LS-55荧光光谱仪(美国Perkin Elmer)，NTS傅立叶变换红外光谱仪(美国Perkin Elmer)，D/max-ⅢA X-射线衍射(XRD)仪(日本Rigaku)，ULTRA Plus热场发射扫描电子显微镜(德国Zeiss)，DZF6020型真空干燥箱。

1.2 主要实验试剂

硒粉(纯度98%)，硼氢化钠(纯度99%)，六水高氯酸镉(纯度99%)，硫代甘油(纯度95%)，乙醇(纯度99%)，3-氨丙基三乙氧基硅烷(纯度99%)，芘(纯度95%)，荧蒽(纯度98%)，酞酸酯(纯度96%)。实验室用蒸馏水为二次蒸馏水。

1.3 实验方案

1.3.1 CdSe/CdS-Si-NH2QDs的合成

参照文献[10]合成CdSe/CdS QDs，在100 mL圆底三口瓶中依次加入0.08 g CdSe/CdS QDs，50 mL乙醇，0.5 mL蒸馏水，最后加入60 μL 3-氨丙基三乙氧基硅烷，于30 ℃下反应12 h，反应结束后将产物离心分离，并用乙醇多次洗涤，所得黄色固体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

根据前期对三峡库区POPs的背景调查，以芘、荧蒽和酞酸酯作为目标分析物，尝试用CdSe/CdS-Si-NH2QDs对3种有机污染物进行含量检测。配制芘、荧蒽和酞酸酯的标准溶液(均为10 mg/L)，使用时稀释到所需浓度，低温保存。分别取质量浓度为1 mg/L的CdSe/CdS-Si-NH2QDs溶液0.1、0.8、2.0 mL，用于芘、荧蒽和酞酸酯的检测分析。采用荧光光谱建立量子点荧光强度与芘浓度的线性关系；采用三维荧光光谱，获得量子点和荧蒽特征峰荧光强度比值，构建该比值与荧蒽浓度的线性关系；利用酞酸酯对量子点的猝灭效应，通过改变酞酸酯浓度建立量子点荧光强度与酞酸酯浓度的线性关系。

1.3.3 三峡库区水样分析

在本课题组2009年对三峡库区(万州段)水体溶解性有机物的研究基础上[11]，于三峡库区(万州段)及其支流苎溪河选取6个取样点，取样点分布见图1。

1—桐园；2—盘盘石；3—东方广场；4—南门口；5—天仙湖；6—晒网坝图1 取样点分布Fig.1 Distribution of water sampling points

事先准备若干经过重铬酸钾和二氯甲烷处理过的棕色采集瓶，于枯水期(2015年2月)和丰水期(2015年8月)采集水样。每个取样点在枯水期和丰水期各取5个平行样，采集时使水样充满采集瓶，采集完成后使用铝箔对采集瓶严密包裹，低温保存并迅速运回实验室进行预处理。预处理方法：采用二氯甲烷分别在中性、碱性和酸性环境对1 000 mL 水样进行萃取，合并萃取液进行真空蒸馏浓缩和高纯氮吹扫，最后使用二氯甲烷定容。为保证水样在处理过程中的质量控制，用标准物质做萃取率测定实验，萃取率达到70%以上。通过空白实验对比及加做平行样的方法确保分析方法的可靠性。

图2 CdSe/CdS QDs与CdSe/CdS-Si-NH2 QDs的傅立叶变换红外光谱及XRD图谱Fig.2 FTIR and XRD analysis of CdSe/CdS QDs and CdSe/CdS-Si-NH2 QDs

图3 CdSe/CdS QDs与CdSe/CdS-Si-NH2 QDs的能谱Fig.3 EDS analysis of CdSe/CdS QDs and CdSe/CdS-Si-NH2 QDs

2 结果与讨论

2.1 CdSe/CdS-Si-NH2 QDs结构表征

CdSe/CdS QDs与CdSe/CdS-Si-NH2QDs的傅立叶变换红外光谱及XRD图谱见图2。

由图2(a)可见，CdSe/CdS QDs与CdSe/CdS-Si-NH2QDs特征官能团的红外峰基本一一对应，因此不能通过红外光谱表征硅烷氨基化表面修饰对CdSe/CdS-Si-NH2QDs产生的结构变化。由图2(b)可见，CdSe/CdS QDs的XRD出峰与硫族镉化物标准卡CdSe(纤锌矿 JCPDS No.77-2307和纤锌矿ICSD No.62-0319)相近，说明CdSe/CdS QDs的主要晶型为纤锌矿结构，该峰分布较宽，说明合成的量子点尺寸很小[12]。对其进行硅烷氨基化表面修饰后，峰型变窄，表明表面修饰使量子点尺寸变大；CdSe/CdS-Si-NH2QDs在2θ为44°处出现了更明显的混晶，说明硅烷对量子点的结晶过程产生一定影响。

CdSe/CdS QDs与CdSe/CdS-Si-NH2QDs的能谱谱图见图3。

由图3(a)可见，由于电子束很难进入到CdSe/CdS QDs内部，因此Cd元素出峰很小，可以认为Cd元素位于CdSe/CdS QDs的内部。表面硅烷氨基化修饰后，CdSe/CdS-Si-NH2QDs能谱中有明显的Si元素出峰，Cd元素出峰更弱，说明硅烷致密地接在量子点表面。由于N元素为轻元素，较难检测，因此能谱中没有N元素的出峰。可见，硅烷成功地修饰在量子点表面。

2.2 芘的定量测定

由图4可见，芘与CdSe/CdS-Si-NH2QDs充分混合后，芘在400 nm附近的荧光强度明显降低，相应量子点在560 nm附近的荧光强度明显增强，表明芘与量子点间存在共振能量转移作用[13-14]。进一步研究发现，量子点荧光强度的增幅与芘质量浓度在一定范围内存在定量关系。为了获得最大的能量转移效率，需对实验条件进行优化。pH是影响量子点荧光强度的主要因素之一，通过对不同pH下的量子点荧光光谱进行研究后发现，CdSe/CdS-Si-NH2QDs水溶液的荧光强度在pH为5.0～8.0时相对稳定，因此本研究选取pH为7.0。此外，发现温度为25～40 ℃时，芘与量子点的能量转移效率保持稳定，考虑到室温操作的简便性，选择25 ℃为反应温度；最后，考察芘与量子点反应时间对实验的影响，每隔5 min检测芘与量子点的荧光强度变化，发现两者作用10 min后达到稳定状态，因此选择10 min为反应时间。在最佳条件下，量子点荧光强度变化与芘在5.0×10-12～5.0×10-9g/L内线性相关，线性方程见式(1)，相关系数为0.997。

ΔIQDs= 0.769cp-10.33

(1)

式中：ΔIQDs为与芘混合前后量子点荧光强度变化；cp为芘的质量浓度，g/L。

1—混合前芘的荧光光谱；2—混合后芘的荧光光谱；3—混合前量子点的荧光光谱；4—混合后量子点的荧光光谱图4 芘与量子点荧光强度变化Fig.4 Schematic diagram of energy transfer between pyrene and QDs

平行测定11次空白，以信噪比为3∶1时的浓度为检出限，则芘的检出限为1.2×10-12g/L，达到定量、灵敏测定的要求。

2.3 荧蒽的定量测定

由于荧蒽的发射光谱与量子点的发射光谱有部分重叠，进行能量转移时，很难准确区分二者荧光强度的真实变化[15-16]。本研究采用三维荧光光谱技术，分别读取荧蒽和量子点在特征峰处的荧光强度，求解二者的荧光强度比值，建立荧光强度比值与荧蒽浓度的定量关系式。CdSe/CdS-Si-NH2QDs与荧蒽的三维荧光光谱见图5。为了更好地建立荧光强度比值与荧蒽的浓度的相关性，对pH、反应温度和反应时间等分析条件进行优化。实验结果表明，在pH 7.0，温度20 ℃，反应时间30 min时分析效果最好。在此条件下，荧光强度比值与荧蒽在1.0×10-12～1.0×10-10g/L线性相关，线性方程见式(2)，相关系数为0.991。

IQDs/If= -0.016cf+2.192

(2)

式中：IQDs、If分别为量子点和荧蒽在三维荧光光谱中的荧光强度；cf为荧蒽的质量浓度，g/L。

图5 CdSe/CdS-Si-NH2 QDs与荧蒽的三维荧光光谱Fig.5 Three-dimensional fluorescence spectra of CdSe/CdS-Si-NH2 QDs and fluoranthene

平行测定11次空白，根据信噪比为3∶1计算得到荧蒽的检出限为5.0×10-13g/L，达到定量灵敏测定的要求。

2.4 酞酸酯的定量测定

改变酞酸酯的浓度，量子点荧光强度随着酞酸酯浓度的增大呈现有规律的猝灭(见图6)。紫外光谱测试结果表明，加入酞酸酯后，量子点的吸收峰发生了明显红移；此外，荧光光谱测试表明，量子点与酞酸酯体系的荧光强度随着温度的升高而增强，充分证明酞酸酯与量子点之间形成了新的复合物而发生荧光猝灭[17-18]。参考2.2节中芘定量测定的优化方法，对酞酸酯分析方法进行优化，确定最佳分析条件为pH 5.0，温度25 ℃，反应时间15 min，此时量子点荧光强度变化与酞酸酯质量浓度在2.0×10-11～3.0×10-10g/L内线性相关，线性方程见式(3)，相关系数为0.989。由式(3)可见，量子点荧光强度变化与酞酸酯质量浓度的拟合结果与Stern-Volmer方程结构相似，进一步证明了酞酸酯与量子点之间发生荧光猝灭机制。

(3)

式中：Imax为加入酞酸酯前量子点的荧光强度；I为加入酞酸酯后量子点的荧光强度；cPAEs为酞酸酯质量浓度，g/L。

平行测定11次空白，根据信噪比为3∶1计算得到酞酸酯的检出限为4.5×10-12g/L，达到定量、灵敏测定的要求。

注：由上到下酞酸酯质量浓度依次为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时的量子点荧光光谱。

图6 加入酞酸酯后量子点的荧光光谱变化
Fig.6 The fluorescence spectra change of QDs after addition of phthalate ester

2.5 实际水样分析及污染评价

于枯水期采集取样点1处的水样，根据1.3.3节对水样进行预处理，测定前将水样稀释1 000倍，采用加标法(样本数n=5)考察3种污染物的回收率，结果见表1。由表1可见，不同加标量下3种污

染物的加标回收率为89.5%～106.4%，说明本研究构建的分析方法合理可靠。

对三峡库区6个取样点不同水期采集的实际水样进行分析，芘、荧蒽和酞酸酯检出浓度见表2。

由表2可见，枯水期芘和荧蒽检出质量浓度均在4.0×10-9g/L以下，酞酸酯检出质量浓度均在2.2×10-9g/L以下；丰水期3种污染物的检出质量浓度明显高于枯水期，主要集中于1.0×10-9～8.0×10-9g/L，分析原因，可能由于江水对沉积物的冲刷以及江水对岸边垃圾的浸泡，使污染物来源不断增加，导致污染物在丰水期检出浓度较枯水期高[19-20]。从空间上看，3种污染物在不同取样点的检出浓度总体呈现为取样点2>取样点3>取样点4>取样点5>取样点6>取样点1；取样点1和取样点6检出浓度较小，因为这两个取样点的污染物主要来源于居民的日常生活垃圾；取样点2的污染物检出浓度最高，可能与取样点2上游分布多个化工园区、码头等有关，附近水域还受到面源污染；取样点4、取样点5位于苎溪河下游，苎溪河目前污染严重，因此污染物的检出浓度相对较高；取样点3位于长江转弯处，水体自净功能较差，因此污染物的检出浓度也相对较高。本研究的分析测试结果与郭志顺[21]在2006年对三峡库区水中POPs的分析结果相比无明显的差异，说明库区水体的污染没有进一步加重。

表1 芘、荧蒽和酞酸酯的加标回收率

表2 实际水样中芘、荧蒽和酞酸酯的检出质量浓度

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

3 结 论

(1) 以CdSe/CdS QDs为原料，对其进行硅烷氨基化表面修饰，合成具有水溶性的CdSe/CdS-Si-NH2QDs，基于量子点与持久性有机污染物(POPs)因发生共振能量转移及偶联反应等而导致荧光变化的现象，建立测定芘、荧蒽、酞酸酯的分析方法。

(2) 利用CdSe/CdS-Si-NH2QDs，借助荧光光谱技术测定芘，量子点荧光强度变化与芘的质量浓度在5.0×10-12～5.0×10-9g/L内线性相关，方法检出限为1.2×10-12g/L；利用三维荧光光谱检测荧蒽，量子点与荧蒽荧光强度比值和荧蒽质量浓度在1.0×10-12～1.0×10-10g/L内线性相关，方法检出限为5.0×10-13g/L；基于荧光猝灭原理测定酞酸酯，量子点荧光强度变化与酞酸酯的质量浓度在2.0×10-11～3.0×10-10g/L内线性相关，方法检出限为4.5×10-12g/L。

(3) 将CdSe/CdS-Si-NH2QDs应用于三峡库区(万州段)水体芘、荧蒽和酞酸酯浓度的测定，3种污染物的加标回收率为89.5%～106.4%，根据分析结果，对三峡库区POPs的来源进行分析。结果表明，水期、污染企业分布情况及水体自净能力均会对三峡库区POPs浓度产生影响。

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