CdTe量子点荧光猝灭法测定甲醛

周 正，康天放，鲁理平

（北京工业大学 环境与能源工程学院 区域大气复合污染防治北京市重点试验室，北京100124）

甲醛是城市生态系统中对人们居住环境质量有重要影响的环境污染物，已被世界卫生组织确认为致癌和致畸物质［1－2］，因此发展和建立快速准确测定微量甲醛的方法具有重要意义。甲醛的污染已引起人们的高度重视，其测定方法主要有分光光度法、色谱法和电化学法等［3］。近年来，半导体纳米晶体，即量子点（QDs）因其独特的电学和光学性质，引起了科学界越来越广泛的关注。与传统的荧光染料相比，量子点具有独特的优势，例如尺寸可调，窄且对称的荧光发射光谱，宽且连续的吸收光谱，极好的光稳定性及生物相容性等，因此其在光电子及生物医学等领域中有很好的应用前景［4－5］。近年来，利用量子点荧光猝灭原理测定甲醛已有文献报道［6－9］。文献［6］采用量子点／聚电解质层层组装多层膜检测甲醛，但是，检测过程存在耗时较长等不足。文献［7］制备了巯基丙酸修饰的CdTe量子点，仅做了甲醛定量分析的初步研究，存在线性范围窄等缺点。因此，建立快速简便、线性范围宽、灵敏度高的分析方法仍具有重要的意义。

本工作基于量子点优异的光学性质，通过一步水热法合成水溶性N－乙酰－L－半胱氨酸修饰的碲化镉量子点（NAC－CdTe），并建立荧光光谱法测定甲醛含量的高灵敏度分析方法。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

F－4600型荧光光谱仪；UV－2450型紫外－可见分光光度计；FA 1004型电子分析天平；PHS－2F型酸度计；KQ 218型超声清洗器；Milli－Q 超纯水系统。

甲醛标准储备溶液：移取体积分数为36%～38%的甲醛溶液4.2mL，加入到500mL容量瓶中，用水稀释至刻度，用碘量法标定甲醛质量浓度。使用时用水稀释至所需质量浓度。

亚 碲 酸 钠、氯 化 镉、N－乙 酰－L－半 胱 氨 酸（NAC）、硼氢化钠、乙酸铵、乙酰丙酮、氢氧化钠、冰乙酸、甲醛、三（羟甲基）氨基甲烷均为分析纯，试验用水为超纯水。

1.2 试验方法

1.2.1 水溶性 NAC－CdTe量子点的合成［10］

将2×10－2mol·L－1CdCl2溶液25mL与水55mL在100mL的有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中混匀，向反应釜中加入 NAC（1.8×10－3mol），Na2TeO3（1.0×10－4mol）和 NaBH4（1.0×10－4mol），在剧烈搅拌下逐滴加入 NaOH 溶液，调节混合溶液的pH到9.0。然后将反应釜置于烘箱中，在180℃下加热25min后用水冷却至室温。将所制得的产物NAC－CdTe量子点溶液在4℃条件下避光储存。

1.2.2 荧光光谱法测定甲醛

在10mL比色管中依次加入7.5×10－8mol·L－1NAC－CdTe量子点溶液0.5mL、0.01mol·L－1Tris－HCl缓冲溶液0.5mL及不同体积的甲醛标准溶液，然后用水定容，室温下稳定10min后，用荧光光谱仪以400nm为激发波长进行荧光扫描，记录荧光发射峰处的荧光强度，并计算荧光响应信号I0／I的值，其中，I0为不加甲醛的荧光强度，I为加入甲醛后的荧光强度。

2 结果与讨论

2.1 NAC－CdTe量子点的表征

所合成的NAC－CdTe量子点的紫外－可见吸收光谱图和荧光发射光谱图见图1。

图1 NAC－CdTe量子点的归一化紫外－可见吸收光谱和荧光发射光谱Fig.1 Normalized UV－Visible absorption spectrum and fluorescence emission spectrum of NAC－CdTe QDs

由图1可知：紫外－可见吸收光谱的吸收峰波长为544nm，最大荧光发射峰出现在567nm。合成的NAC－CdTe量子点的粒径和浓度可由文献［11］提出的经验式计算得出，经验式如下：

式（1～3）中：D 为量子点的粒径，nm；λ为量子点的第一吸收峰的波长，nm；ε为量子点的摩尔吸光率，L·mol－1·cm－1；A为量子点在第一吸收峰的吸光度；c为量子点浓度，mol·L－1；L表示光路的长度，cm。

由公式（1～3）计算得出，合成的NAC－CdTe量子点的粒径为3.2nm，浓度为1.12×10－5mol·L－1。试验考察了在pH 6.0的0.002mol·L－1Tris－HCl溶液中不同NAC－CdTe量子点浓度对荧光强度的影响，结果见图2。

图2 不同浓度量子点溶液的荧光强度Fig.2 Fluorescence intensity of NAC－CdTe QDs solution with diffirent concentrations

由图2可知：随着量子点浓度的增大，其荧光强度也随之变大。

2.2 试验条件的优化

2.2.1 Tris－HCl缓冲溶液酸度

在 7.5 × 10－8mol · L－1NAC－CdTe－0.01mol·L－1Tris－HCl－0.05g·L－1甲醛体系中，考察了不同酸度的Tris－HCl溶液对体系荧光强度的影响，结果见图3。

图3 Tris－HCl缓冲溶液的酸度对体系荧光强度的影响Fig.3 Effect of acidity of Tris－HCl buffer solution on the fluorescence intensity of the system

由图3可知：当缓冲溶液的pH小于8时，荧光响应信号I0／I值随溶液pH增大而逐渐减小，甲醛吸附在CdTe量子点表面，从而猝灭其荧光强度；当pH大于或等于8时，I0／I值近似等于1，甲醛与NAC生成了过渡化合物［12］，所以CdTe量子点的荧光不会被猝灭。为了获得更宽的线性范围和更好的线性关系，选择pH 6.0的缓冲溶液进行试验。

2.2.2 Tris－HCl缓冲溶液的浓度

在 7.5×10－8mol·L－1NAC－CdTe－Tris－HCl（pH 6.0）－0.05g·L－1甲醛体系中，试验考察了Tris－HCl缓冲溶液的浓度对体系荧光强度的影响，结果见图4。

图4 Tris－HCl缓冲溶液浓度对体系荧光强度的影响Fig.4 Effect of concentration of Tris－HCl buffer solution on the fluorescence intensity of the system

由图4可知：当Tris－HCl缓冲溶液浓度在0～1.5×10－2mol·L－1内时，I0／I值先逐渐增大然后减小，并在Tris－HCl缓冲溶液浓度为0.01mol·L－1时达到最大。因此试验选择浓度为0.01mol·L－1的Tris－HCl缓冲溶液。

2.2.3 NAC－CdTe量子点浓度

在含有0.05g·L－1甲醛的0.01mol·L－1Tris－HCl溶液（pH 6.0）中，考察了 NAC－CdTe量子点浓度对荧光响应信号I0／I值的影响，结果见图5。

图5 量子点浓度对体系荧光强度的影响Fig.5 Effect of QDs concentration on the fluorescence intensity of the system

由图5可知：荧光响应信号I0／I值在量子点浓度为4.5×10－8mol·L－1时达到最大，荧光猝灭程度较大，灵敏度高，但测定的甲醛浓度范围较窄；当量子点浓度为11.2×10－8mol·L－1时，体系的荧光很强，但是荧光猝灭程度小，导致灵敏度低。为了兼顾灵敏度和线性范围，选取量子点浓度为7.5×10－8mol·L－1进行试验。

2.2.4 体系的稳定性

在量子点浓度为7.5×10－8mol·L－1、Tris－HCl浓 度 0.01mol·L－1、甲醛质 量 浓度为0.05g·L－1的溶液（pH 6.0）中，试验考察了体系的稳定性，结果见图6。

图6 体系荧光强度随时间变化曲线Fig.6 Time variation curve of fluorescence intensity of the system

由图6可知：在前10min，I0／I值是逐渐增大的；当超过10min之后，I0／I值基本保持稳定。所以试验在体系稳定10min后进行荧光强度扫描。

2.3 选择性试验

试验对NAC－CdTe量子点测定甲醛的选择性进行了研究，分别选取了7种干扰物质（乙醛、甲苯、乙醇、丙酮、甲醇、乙二醇、乙醚），这些干扰物质的浓度均为甲醛浓度的10倍。结果表明，这些物质基本不会改变体系荧光强度。原因在于甲醛可以与CdTe量子点表面包覆的N－乙酰－L－半胱氨酸特异结合，从而减小其他干扰物对试验结果的影响。有研究表明［12］，甲醛能与蛋白质的胺基自发地发生亲核加成反应，NAC分子上的仲胺可以和甲醛反应生成过渡化合物N－羟甲基胺，该化合物在酸性和中性条件下不稳定，可迅速分解还原为胺和甲醛，但在碱性条件下稳定，能相互之间缩合。这也解释了为什么在碱性条件下甲醛不会猝灭荧光体系的荧光强度，而在酸性条件下会使荧光体系的荧光强度减弱。

2.4 体系荧光猝灭机理

荧光猝灭是指荧光物质与荧光猝灭剂之间发生物理或化学作用，从而导致荧光物质的荧光强度减弱。荧光猝灭分为静态猝灭和动态猝灭，由于静态猝灭过程中生成了基态配合物，荧光物质的吸收光谱会发生改变；相反，动态猝灭过程中荧光物质的吸收光谱不会发生改变［13－14］。图7为 NAC－CdTe量子点溶液加入甲醛前后的紫外－可见吸收光谱。

由图7可知：当有甲醛存在时，NAC－CdTe量子点的紫外－可见吸收光谱与没有甲醛存在时的紫外－可见吸收光谱相比基本没有发生改变，说明甲醛对NAC－CdTe量子点的荧光猝灭过程为动态猝灭。甲醛作为一种传统的电子受体，能够引导电子从量子点的导带到价带移动，即当甲醛吸附在量子点的表面时，负电荷从量子点表面移动到甲醛的羰基轨道上，激发态量子点在电子转移的过程中激发能降低，从而导致荧光减弱。

图7 加入甲醛前后NAC－CdTe量子点的紫外－可见吸收光谱Fig.7 UV－Vis absorption spectra of NAC－CdTe QDs without formaldehyde and in the presence of formaldehyde

2.5 甲醛的测定

在最佳的试验条件下，试验考察了在加入不同质量浓度甲醛后NAC－CdTe量子点荧光强度的变化情况，结果见图8～图9。

图8 在不同质量浓度甲醛存在时NAC－CdTe量子点的荧光光谱图Fig.8 Fluorescence emission spectra of NAC－CdTe QDs in the presence of formaldehyde with different concentrations

由图8可知：在量子点的浓度一定的情况下，随着甲醛质量浓度的增加，量子点的荧光强度逐渐降低。由图9可知：甲醛质量浓度在5.0×10－6～1.0×10－1g·L－1内，荧光响应信号I0／I值与甲醛质量浓度呈线性关系，Stern－Volmer荧光猝灭方程为I0／I＝1.012＋8.709ρ甲醛，相关系数为0.992 5。0.992 5。以3s／k（s为空白溶液11次测定值的标准偏差，k为标准曲线的斜率）计算检出限为1.3×10－6g·L－1。

将本工作建立的NAC－CdTe量子点荧光猝灭法与文献［7－9］报道的测定甲醛的荧光法进行了比较，结果见表1。

由表1可以看出，本方法具有更宽的线性范围和更低的检出限。

图9 荧光猝灭曲线Fig.9 Fluorescence quenching curve

表1 不同荧光法测定甲醛的比较Tab.1 Comparison between different fluorescence methods for the determination of formaldehyde

2.6 样品分析

按试验方法测定了北京南护城河水样品中的甲醛，该水样中未检测出甲醛。向水样中加入一定量甲醛标准溶液，配制成甲醛模拟水样，再测定其中的甲醛，同时采用乙酰丙酮分光光度法［15］测定甲醛，对比结果见表2。

表2 荧光猝灭法与乙酰丙酮分光光度法测定甲醛的比较（n＝5）Tab.2 Comparison of formaldehyde determination by fluorescence quenching method and acetylacetone spectrophotometric method（n＝5）

由表2可知：本法的测定结果与乙酰丙酮分光光度法的测定结果相符。

本工作采用一步水热法合成了NAC－CdTe量子点，基于甲醛可以猝灭量子点的荧光强度，建立了测定甲醛的荧光光谱法。通过条件优化，得到了最佳测定条件。所建立的方法具有以下优势：首先，以N－乙酰－L－半胱氨酸为修饰剂制备量子点，避开了传统有机溶剂为修饰剂，增加了量子点的水溶性和稳定性；其次，运用了N－乙酰－L－半胱氨酸中氨基与甲醛进行特异性结合，提高了对甲醛检测的灵敏度和选择性。猝灭过程可以很好地用Stern－Volmer荧光猝灭方程来描述，线性范围为5.0×10－6～1.0×10－1g·L－1。本工作建立的量子点荧光猝灭法与乙酰丙酮分光光度法的测定结果一致。

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