基于氢化物发生技术的CdSe量子点水相制备新方法研究及其用于银的高灵敏传感分析

黄 科， 李 玲， 黄国英， 江 雪， 罗 虹， 熊小莉， 袁 欣

(1. 四川师范大学 化学与材料科学学院， 四川 成都 610068;2. 成都中医药大学 药学院， 四川 成都 611137)

基于氢化物发生技术的CdSe量子点水相制备新方法研究及其用于银的高灵敏传感分析

黄 科1， 李 玲1， 黄国英1， 江 雪1， 罗 虹1， 熊小莉1， 袁 欣2*

(1. 四川师范大学 化学与材料科学学院， 四川 成都 610068;2. 成都中医药大学 药学院， 四川 成都 611137)

报道了一种新型的利用氢化物发生技术水相合成高质量硒化镉量子点(CdSe QDs)的方法。通过将硼氢化钾与亚硒酸混合产生H2Se气体，并将其可调控地引入到含镉溶液中，从而制备出化学性质稳定、荧光性能良好的CdSe量子点。所合成的量子点被成功应用于环境水样及细胞样品中痕量银的分析，分析检出限为0.005 μg·mL-1，相对标准偏差小于2.7%(n=7)，分析结果令人满意。该方法具有操作简单、稳定性好、灵敏度高、绿色环保等优点。

CdSe量子点； 氢化物发生； 银离子

1 引 言

银(Ag)是日常生活中的常用元素，由于银具有良好的抗菌性能，其单质、化合物以及合金被广泛运用于纺织、珠宝、造纸、食品、玩具等行业[1-2]。然而随着对含银材料使用的增多，越来越多的含银废水被排放于环境中，造成环境的污染并危害人类健康[3]。研究发现，银离子可通过食物或皮肤进入人体内并在体内富集，当富集达到一定浓度后将会抑制体内蛋白质的活性，从而严重危害人体健康甚至威胁生命安全[4]。因此，对银离子的准确测定对于公共卫生安全及环境保护均具有重要意义。WHO规定银对人体的安全值为0.05 μg·mL-1以下，饮用水中银离子的限量为0.05 μg·mL-1[4]。在众多对银离子的分析方法中，基于量子点的荧光传感法由于其方法简单、低能耗、高灵敏度、可实现可视化等特点，具有独特的优势[5-6]。

大量对于量子点传感分析的研究表明，量子点制备技术一直是限制其传感分析的瓶颈问题[7]，因为量子点质量的高低，严重影响量子点分析测试的稳定性及分析数据的可重复性[8]。因此发展稳定性高、重复性好以及操作简单的量子点合成方法具有重要意义[9]。传统的CdSe量子点合成方法可分为有机相法及水相法[10-12]。有机相合成法通常需要在高温和氮气保护下在手套箱中进行操作，合成后的量子点还必须通过有机相与水相相互转换才能转变为可用于分析的水溶性量子点[13]。方法操作复杂、设备价格高昂，所需试剂具有较大的毒性。与有机相合成方法相比，水相合成法操作更加简单、毒性相对较小，是一种更为理想的量子点合成方法。目前常用的水相合成CdSe量子点的方法主要有两种[14-16]。第一种方法是将亚硒酸钠和硼氢化钾加入到含镉以及有机小分子配体的溶液中，通过加热回流合成CdSe QDs。该方法主要存在的问题是在加热回流过程中亚硒酸钠及硼氢化钾难以反应完全，造成杂质的引入，影响量子点的光学性能和稳定性。另一种方法是在惰性气体保护下，向硒粉中加入硼氢化钾生成NaHSe，再将产生的NaHSe溶液加入到镉溶液中以合成CdSe量子点。这种方法存在着制备过程复杂耗时、量子点合成过程不可控、难以重复等问题，难以保证所合成量子点的荧光性能。并且在操作过程中由于加入金属离子源Cd源及非金属源如Se源浓度相对固定，无法调控。因此，发展一种新型的简单可控的CdSe量子点合成方法具有重要意义。

本文报道了一种采用氢化物发生技术水相合成巯基丙酸包裹的高质量CdSe量子点新方法。本方法将硼氢化钾与亚硒酸溶液混合，通过氢化物发生反应产生H2Se气体并将其通入到含Cd2+的溶液中，以合成CdSe量子点。该方法在合成过程中由蠕动泵精确控制H2Se的进样量及进样速度，显著提高了量子点合成反应的可操控性，从而保证了合成过程中实验条件的稳定性和多次合成实验条件的可重复性，确保了CdSe量子点的高质量。该方法以无毒或低毒的试剂作为反应前驱体，仅采用简单的仪器和操作就能快速、可重复地合成出高质量的水溶性CdSe量子点。本实验还将合成出的量子点成功用于3种环境水样以及2种细胞样品中的银离子测定。测试结果RSD值小于3%，加标回收结果令人满意。本方法具有操作简单、绿色环保、稳定性好、灵敏度高等优点。

2 实 验

2.1 试剂

本实验中所采用的试剂均为分析纯或以上纯度。氯化镉、硼氢化钾和柠檬酸三钠购自科龙试剂公司(中国成都)，亚硒酸购自阿拉丁试剂公司(中国上海)用于合成CdSe纳米材料。3-巯基丙酸(MPA)购买自阿拉丁试剂公司(中国上海)用于作为合成过程中的保护剂。高纯度的HCl、HNO3、KOH及异丙醇购买自科龙公司(中国成都)。实验所用到的1 000 mg·L-1的Ag+、Na+、K+、Ba2+、Ca2+、Cr3+、Cu2+、Ni2+、Zn2+及Pb2+标准溶液购买自中国标准试剂公司。实验所用到的纯净水是由超纯水机(中国成都超纯水公司)产生的18.2 MΩ·cm的超纯水。

2.2 仪器

实验所用到的仪器有蠕动泵(中国保定启力仪器有限公司)、气液分离器(成都国翔玻璃仪器公司)、紫外可见分光光度计(日本Hitachi公司)、pH计(德国梅特勒-托利多公司FE20K型)、分子荧光仪(日本岛津公司F-7000型)。加速电压200 kV电压下的高分辨投射电镜(HR-TEM，美国FEI公司)、X射线衍射仪(荷兰飞利浦，X’Pert Pro MPD型)等。

2.3 量子点合成步骤

图1所示为合成装置示意图。合成过程如下：首先，依次加入0.5 mmol氯化镉、0.20 g柠檬酸三钠和50 μL巯基保护剂MPA于装有50 mL二次水的三颈瓶中，调节溶液pH至10.5并加热到100 ℃。然后，用蠕动泵以5 mL·min-1的进样速度连续不断地将含3%的硼氢化钾溶液(其中加入0.5%m/v氢氧化钾以保持溶液稳定)和100 μg·mL-1亚硒酸溶液(10% HCl,体积比)同时泵入氢化物发生系统中，两种溶液在聚四氟乙烯反应管(0.7 mm内径)中混合并反应，生成的H2Se气体在气液反应器中与废液分离，随后由载气氩气以40 mL·min-1流速导入三颈瓶中。保持三颈瓶中的溶液在磁力搅拌下加热回流30 min。在这一过程中，H2Se气体与溶液中的Cd2+反应生成CdSe量子点，得到橙红色量子点溶液。最后，对合成的量子点进行纯化，向CdSe QDs中加入异丙醇，出现沉淀后在11 000 r/min转数下离心去掉上层清液，CdSe QDs沉淀用二次水再溶解。通过经验公式可计算出CdSe QDs的尺寸大小及浓度[17]。测得的紫外可见吸收光谱及分子荧光发射光谱如图2所示。

图1 CdSe量子点的合成装置示意图 (GLS：气液分离器)

Fig.1 Schematic diagram for the synthesis of CdSe(GLS: Gas liquid separator)

图2 CdSe量子点的紫外吸收及荧光发射光谱

Fig.2 UV-Vis absorption spectra and fluorescence emission spectra of CdSe QDs

2.4 分析测试

在石英比色皿中分别加入1 mL CdSe量子点溶液以及1 mL待测银溶液，摇匀，静置后放入荧光光谱仪进行分析。激发波长为365 nm，扫描范围为500～700 nm。

2.5 样品测试

分别收集3个成都市内河流水样用于本实验。水样采集后均通过0.45 μm滤膜过滤备用。草履虫、巨噬细胞样品购买自西南交通大学。细胞样品处理方法与前期工作类似[18]：在草履虫、巨噬细胞中加入1 μg·mL-1Ag+并在30 ℃条件下孵化4 h，之后用50 μm的尼龙网将细胞、银离子分离出来。分离出的细胞分别用二次水洗涤3次后使用。将洗涤后的细胞转移至石英管，超声30 min使细胞壁破碎释放出银离子后定容到1 mL以供分析。

3 结果与讨论

3.1 CdSe量子点表征

3.1.1 XRD表征

CdSe量子点的XRD谱图如图 3所示，在23°,25°，27°，45°等处有明显的衍射峰，查阅PDF卡片(JCPDS No.65-3415)可知衍射峰分别对应于立方闪锌矿结构的CdSe晶体(111)、(200)、(220)和(311)晶面，表明本方法制备的CdSe 量子点为立方闪锌矿相结构，其结构与前期研究相似[19]。

图3 CdSe量子点的XRD图谱

3.1.2 TEM表征

采用透射电子显微镜对样品的形貌进行观测，结果如图4所示。从图中可以看出量子点为球形颗粒，分散性较好。其粒径分布为2～4 nm，平均粒径为3.5 nm。

图4 CdSe量子点的透射电镜图

3.1.3 荧光及紫外吸收表征

由图2可以看出，该量子点激发波长为365 nm，发射波长为550 nm，荧光半峰宽为35 nm。量子点的荧光发射峰的峰形窄而对称。量子产率按照文献[20]方法进行计算(以罗丹明6G为对比)，量子产率为31%。

3.2 氢化物发生反应的流速优化

本实验首次采用氢化物发生反应制备合成量子点所用的H2Se气体。硼氢化钾和亚硒酸经蠕动泵混合后即可在室温条件下产生H2Se气体。生成的H2Se气体由载气Ar带入到反应瓶中与镉溶液反应，生成CdSe QDs。H2Se的进样量及进样速度可以通过蠕动泵实现精确控制。合成过程具有简单、可控、易于重复且便于自动化等优点。本实验考察了反应物流速对合成CdSe量子点荧光强度的影响，实验结果如图5所示。在进样速度从0.6 mL·min-1增加到4.8 mL·min-1的过程中，合成出的CdSe量子点荧光强度随流速的提高而增大。然而当继续提高进样流速，达到7.2 mL·min-1时，亚硒酸和硼氢化钾间的反应变得十分剧烈且难以控制，导致荧光强度降低且出现较大波动。因此，本实验选择4.8 mL·min-1作为最佳进样速度。

图5 进样泵速对氢化物发生反应的影响

3.3 分析传感优化

3.3.1 量子点浓度优化

实验考察了不同量子点浓度对荧光信号强度的影响，结果如图6所示。优化的CdSe量子点浓度范围为0.05～0.8 μmol·L-1，其中，浓度为0.2 μmol·L-1时的I0/I(其中I0表示CdSe QDs原始的荧光强度，而I表示与Ag+反应后CdSe QDs的荧光强度)比值最大，说明猝灭效果最好。因此，选择0.2 μmol·L-1为CdSe量子点的最佳浓度。

图6 CdSe量子点浓度与I0/I的关系

3.3.2 pH对荧光强度的影响

pH也是影响量子点银离子传感实验的重要因素。在本实验中，考察了溶液pH值3.0～11.0对荧光强度的影响。由图7可以发现，pH=7的时候I0/I达到最大，恰好等于二次蒸馏水的pH值。

图7 pH与I0/I的关系

因此选择pH=7作为最佳反应条件。

3.4 干扰离子考察

本实验考察了常见干扰离子对银离子测定结果的影响，结果列于表1。实验发现由该方法合成的CdSe 量子点在对银离子的分析传感中具有良好的抗干扰能力，除铜、铅离子外，其他5种金属离子可在浓度大于银离子浓度1 000倍时对测定不造成明显干扰，而该方法对铜、铅离子的抗干扰能力也能达到银离子浓度的100倍。

表1 其他干扰离子测试

Tab.1 Test for the interference of different ions with 0.1 μg·mL-1Ag(Ⅰ)

InterferenceC/(μg·mL-1)C/CAgRecovery(%)forAg(Ⅰ)Pb(Ⅱ)10100114Na(Ⅰ)1001000102Ca(Ⅱ)100100118K(Ⅰ)1001000101Ba(Ⅱ)100100096Cr(Ⅲ)100100091Cu(Ⅱ)1010091Ni(Ⅱ)100100099Zn(Ⅱ)100100096

3.5 线性分析

在Ag+的存在下，CdSe QDs荧光猝灭遵循Stern-Volmer公式：

(1)

其中I0表示CdSe QDs原始的荧光强度，I表示与Ag+反应后CdSe QDs的荧光强度，C表示Ag+的浓度，KSV为公式的系数。通过对线性范围0.02～2 μg·mL-1内Ag+溶液的测定，我们可以得到线性系数方程I0/I= 11.291C+ 3.3111，检出限(3倍的标准偏差除以斜率)为0.005 μg·mL-1，相对标准偏差(n=7)为2.7%。

3.6 环境样品分析

为了验证本方法的准确性，我们分别对成都市内环境水样和细胞样品中的银离子进行了检测，分析结果列于表2。在水样中没有检测到银离子，这可能是由于上述水体未被污染，银浓度过低所造成的。通过加标回收实验均获得了较好的回收率(94%～108%)，说明该方法能够准确分析天然水样中的银。在对细胞的分析中，草履虫细胞及巨噬细胞均培养于1 μg·mL-1银离子环境下，结果发现两种细胞内均有银离子存在，加标的回收率为92%～99%(经过t检验，置信度为95%)，说明该方法具有较高的准确度。

表2 自然水体及细胞样品中的银离子分析

Tab.2 Analytical results for the Ag+in water samples and cell sample

SampleAddedAg+/(μg·mL-1)FoundAg+/(μg·mL-1)Recovery/%FunanRiver0--0.500.49±0.04981.01.08±0.02108ShaRiver0--0.500.51±0.021021.001.04±0.03104JiananRiver0--0.500.47±0.01941.00.97±0.0397Paramecium00.12±0.011.01.04±0.0592Macrophage00.23±0.021.01.22±0.0199

4 结 论

利用氢化物发生法合成CdSe量子点，合成过程简单、可控，有效控制了杂质的引入。合成得到的量子点粒径较为均一，具有较高的荧光效率。利用本方法合成的量子点还被用于环境水样及细胞样品中痕量银离子的高灵敏分析，方法检出限为0.005 μg·mL-1，相对标准偏差小于2.7%，样品分析回收率为92%～108%，结果令人满意。综上所述，该氢化物发生量子点合成方法将有望推广于更多种类的量子点合成及其传感分析。

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黄科(1987-)，男，四川成都人，博士，实验师，2015年于四川大学获得博士学位，主要从事光谱分析方面的研究。

E-mail: huangke1987@126.com袁欣(1988-)，女，四川成都人，博士，讲师，2015年于四川大学获得博士学位，主要从事光谱分析方面的研究。

E-mail: yuanxin0330@163.com

Aqueous Synthesis of CdSe Quantum Dots by Hydride Generation and Its Applications in Sensitive Analysis of Silver

HUANG Ke1, LI Ling1, HUANG Guo-ying1, JIANG Xue1, LUO Hong1, XIONG Xiao-li1, YUAN Xin2*

(1.CollegeofChemistryandMaterialsScience,SichuanNormalUniversity,Chengdu610068，China;2.CollegeofPharmacy,ChengduUniversityofTraditionalChineseMedicine,Chengdu611137,China)

CdSe QDs； hydride generation； Ag+

1000-7032(2017)05-0574-06

2016-10-19；

2017-03-12

国家自然科学基金(21605108,81603291)； 四川师范大学科研启动基金(341434001)资助项目 Supported by National Natural Science Foundation of China(21605108,81603291); Scientific Research Staring Foundation of Sichuan Normal University(341434001)

O613.5

A

10.3788/fgxb20173805.0574

*CorrespondingAuthor,E-mail:yuanxin0330@163.com