硅量子点的控制合成、表征及对Cu2+的高灵敏传感

刘振平， 庞钶靖， 姜 容， 甘芳瑗， 夏明星， 聂青玉

(1. 重庆安全技术职业学院， 重庆 404020； 2. 重庆海关技术中心， 重庆 400020； 3. 重庆三峡职业学院， 重庆 404155)

1 引 言

铜是人体必需的微量元素，在调节血红蛋白水平、神经元作用、线粒体呼吸和代谢等许多生理过程中发挥着关键作用[1-2]。然而，过量的铜会导致氧化应激，干扰细胞内的稳态，引发包括威尔逊病、Menkes氏综合征、阿尔茨海默病、Parkinson’s病和肾脏损伤等多种疾病[3-5]。世界卫生组织(WHO)、中国和美国的环保部门对水中的Cu2+均制定了相关标准[6-7]。事实上，由于Cu2+在农业和工业中的广泛应用，对水中铜的监测是一个具有挑战性的问题[8]。因此，建立一种快速、灵敏、稳定的Cu2+检测方法具有重要意义。

近年来，除了传统的分光光度法和原子吸收光谱法外，基于共轭聚合物的膜传感器膜[9]、比色传感器[10-11]、表面等离子体共振技术[12]、功能化的无机纳米管[13]、化学荧光传感器[14]、离子色谱与化学发光联用法[15]、基于量子点的荧光检测方法[16-17]等新技术也被开发用于Cu2+的检测。以荧光信号为基础的荧光检测方法已被证明是快速检测目标的有效和可行的方法[14]，尤其用于金属离子的检测具有更好的特异性和灵敏度[18]。

量子点的光学性质被广泛研究和应用[19-24]。本研究以N-[3-(三甲氧基硅基)丙基]乙二胺为硅源，采用一步无溶剂法合成了表面含有氨基、且具有稳定发光性质的水溶性硅量子点(Silicon quantum dots，Si-QDs)，并通过多种手段对其进行了表征。利用Cu2+对其荧光的高效静态猝灭作用，开发了一种新的荧光传感体系，实现了水中Cu2+的高灵敏检测。本研究建立的基于Si-QDs的Cu2+检测方法操作简便、环境友好、准确高效，可用于实际水样中Cu2+测定，对Cu2+快速检测具有潜在的应用价值。

2 材料与方法

2.1 试剂

实验试剂：N-[3-(三甲氧基硅基)丙基]乙二胺(C8H22N2O3Si)、石油醚、柠檬酸、CuCl2，成都市科龙化工试剂厂；试验用水均为超纯水(>18 MΩ·cm-1)；PBS，北京鼎国昌盛生物技术有限责任公司。

2.2 仪器与设备

测试仪器：FL970荧光分光光度计，上海天美科学仪器有限公司；TU-1901紫外-可见分光光度计，北京普析通用仪器有限责任公司；pH-S20K pH计，瑞士Mettler Toledo公司；Tecnai F20透射电子显微镜，美国FEI公司；Bruker vetex70 傅里叶红外光谱仪，德国Bruker公司；FLS920荧光寿命光谱仪，英国Edinburgh公司；Zeta Sizer Nano ZS90粒径及zeta电位分析仪，英国Malvern公司；超纯水系统，重庆摩尔水处理设备有限公司。

2.3 Si-QDs的合成

在参考文献[25]的基础上，对合成方法进行了部分优化。具体步骤为：将20 mL N-[3-(三甲氧基硅基)丙基]乙二胺加入到100 mL烧瓶中，通氮气5 min以除去空气；在油浴中加热至260 ℃并剧烈搅拌，同时将1 g无水柠檬酸迅速加入烧瓶中，迅速反应并产生大量白烟；混合物继续在260 ℃保持1 min，冷却后用透析袋(1 ku截止分子量)纯化6 h，得到硅量子点。经干燥后称量，计算出本方法合成的Si-QDs原液浓度为0.98 mg·mL-1。

2.4 Cu2+的检测

精确吸取450 μL将原液稀释104倍的Si-QDs溶液(0.098 μg·mL-1)，加入不同浓度的Cu2+溶液后用PBS(pH=7.3)稀释至3.0 mL，分别配制成含有Cu2+16.7，50，100，150，200，600，1 670 nmol·L-1的标准溶液。在378 nm的激发波长下测量468 nm处的荧光强度。

2.5 选择性试验

2.6 加标回收率试验及实际样品检测

本研究以水(城市自来水、市售矿泉水、野外山泉水)为检测对象来测试基于荧光传感材料的Si-QDs对实际样品中Cu2+检测的实用性。实际水样经简单的物理过滤后直接用于Cu2+的检测，同时采用原子吸收分光光度法平行测定。对来源不同的水样分别加入80，400，1 000 nmol·L-1的Cu2+，用于加标回收率测定。

3 结果与分析

3.1 Si-QDs的表征

图1 Si-QDs的透射电镜图像，插图为粒径分布图和单个颗粒的高分辨透射电子显微图片。

图2 Si-QDs的红外吸收光谱

图3 Si-QDs的XPS宽谱和高分辨窄谱。(a)宽谱；(b)C 1s；(c)N 1s；(d)O 1s；(e)Si 2p。

图4 Si-QDs的XRD曲线

图5 Si-QDs的激发与发射光谱

3.2 荧光猝灭机理分析

在Si-QDs溶液中加入不同浓度的Cu2+，如图6所示，Si-QDs荧光强度随Cu2+浓度增大而降低，表现出明显的猝灭效应，插图a和b分别为Si-QDs荧光被Cu2+猝灭前后紫外光照射图。荧光猝灭机理一般分为静态猝灭和动态猝灭[39]。荧光寿命可以反映物质的激发态信息，是研究荧光猝灭机理的重要方式之一。在最佳激发波长378 nm下测试Si-QDs荧光寿命，监测波长为468 nm，对所得数据归一化处理后进行双指数拟合(相关系数均大于0.99)得到的拟合曲线如图7所示。经计算Si-QDs中加入Cu2+前后的荧光寿命分别是7.36 ns和7.22 ns，变化不大。如图8所示，Si-QDs与Cu2+相互作用后生成物质的紫外-可见吸收光谱与Si-QDs和Cu2+的均不相同，表明Cu2+与Si-QDs形成了稳定的络合物，其机理主要是Cu2+与Si-QDs表面的—COOH、—NH2发生配位作用形成了配合物[40]。上述结果表明，本研究中Si-QDs的荧光猝灭可能是由于Cu2+与Si-QDs作用后形成非荧光基态配合物而导致的静态猝灭[25,41]。在Zeta电位测试中(图9)发现加入Cu2+后Si-QDs的表面电位降低，说明Cu2+主要作用于氨基和正电荷的屏蔽部分[42]，这也是使用含有氨基的N-[3-(三甲氧基硅基)丙基]乙二胺作为硅源的优势所在。以上试验结果进一步证明了Cu2+对Si-QDs荧光静态猝灭的机理。

图6 不同Cu2+浓度下Si-QDs的发射光谱，插图a和b分别为Si-QDs荧光被Cu2+猝灭前后紫外光照射下的发光图片。

图7 Si-QDs加入Cu2+前后的荧光衰减曲线及其双指数拟合曲线

图8 Si-QDs、Cu2+及其络合物的紫外吸收光谱。

图9 Si-QDs体系中加入Cu2+前后的Zeta电位图谱

3.3 试验条件优化结果

(1)激发波长的选择：图10是在310～430 nm范围内不同的激发波长下，Si-QDs的荧光发射光谱，可以看出，在378 nm的激发波长下，Si-QDs发射的荧光最强。因此，我们选择378 nm作为后续试验检测荧光信号的激发波长。

图10 Si-QDs在不同波长激发光下的荧光发射光谱

(2)Si-QDs浓度的选择：根据FL970荧光分光光度计的量程和Si-QDs在最佳激发波长时的荧光强度，经过反复试验确定最终体系中浓度为2.3节中合成的Si-QDs原液稀释6.67×104倍，即0.015 μg·mL-1。

(3)传感体系pH的确定：结合pH对Si-QDs荧光强度的影响(如图11)及目标物Cu2+在水溶液中的稳定性，本研究发现，较优的pH检测环境为中性。因此，确定以中性的PBS(pH=7.3)为介质进行离子探测。

图11 pH对Si-QDs荧光强度的影响

(4)反应时间优化：将Cu2+(100 nmol·L-1)加入Si-QDs体系中，分别在1，2，3，4，5，6，7，8 min时测定荧光强度。如图12所示，Cu2+与Si-QDs的反应时间较短，在1 min后即达到稳定，在随后的测试中荧光强度无明显变化。

图12 Cu2+(100 nmol·L-1)对Si-QDs荧光猝灭程度与反应时间的关系

3.4 Cu2+的定量检测

在优化的试验条件下，Si-QDs荧光传感体系对Cu2+浓度梯度为16.7，50，100，150，200，600，1 670 nmol·L-1的标准溶液进行了测定。随着Cu2+浓度的不断增大，Si-QDs荧光信号不断减弱(图6)。Cu2+浓度的自然对数在16.7～1 670 nmol·L-1范围内与Si-QDs荧光相对猝灭程度呈良好的线性关系(图13)，线性方程为 (F0-F)/F0=0.18808lnC(Cu2+)-0.41377，相关系数R2=0.998，检出限为4.7 nmol·L-1(S/N=3)，该荧光传感体系与其他文献报道的Cu2+测定方法相比，有较低的检测限和较宽的检测范围(见表1)，且只需将样品与量子点溶液混合即可检测，操作简便。传感体系的稳定性决定其实用性，将制备好的Si-QDs荧光传感材料体系置于4 ℃条件下避光保存，在优化条件下，每隔一天对浓度为600 nmol·L-1的Cu2+进行检测，用来测试该传感体系的稳定性。测试结果的日内精密度为4.28%，日间精密度为5.72%。这表明放置一段时间的传感体系检测效果与制备初期检测效果差异不大，具有良好的稳定性(7 d)。

图13 Si-QDs检测Cu2+的线性关系图

表1 Si-QDs荧光传感体系与其他方法比较

3.5 选择性试验

对目标物具有高度的选择性是传感体系的必要条件。本研究对所制备的Cu2+荧光传感体系

图14 荧光传感体系选择性分析

3.6 水样检测结果

取3种适量实际水样品(城市自来水、市售矿泉水、野外山泉水)按照2.6节方法进行加标回收试验，每个样品平行测定3次，以实际测得的Cu2+浓度与添加的Cu2+浓度的比值来计算加标回收率，所得加标回收率介于89.47%～106.75%之间，RSD均<6.05%(n=3)。结果表明，该荧光传感体系准确可靠，可用于实际水样品中Cu2+含量的测定(见表2)。

表2 水样品中Cu2+的检测

4 结 论

本研究以N-[3-(三甲氧基硅基)丙基]乙二胺为硅源，运用一步无溶剂法合成了具有较好发光稳定性和水溶性的硅量子点，并通过透射电镜(TEM)、红外吸收光谱(IR)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)和荧光光谱对其进行了表征。以Cu2+对Si-QDs荧光的高效静态猝灭效应为基础，构建了高灵敏检测Cu2+的荧光传感体系，检测范围为16.7～1 670 nmol·L-1，所需设备简单，操作简便，成本低，效率高，在pH=7.3的PBS溶液中简单地将Si-QDs与目标物混合在一起即可检测，并且具有较高灵敏性，检出限低至4.7 nmol·L-1。在实际水样品检测中得到了较准确的结果，为Cu2+的简便快速、灵敏准确定量检测提供了新的方案。