CoSe2量子点的制备及其在盐酸环丙沙星检测中的应用

常冬璞，高楼军

(延安大学 化学与化工学院；陕西省化学反应工程重点实验室，陕西 延安 716000)

过渡金属量子点尺寸小，具有量子限制效应，表现出强荧光性，稳定性和低毒性等特征[1-3]，因此，被广泛的应用于化学和生物传感器、催化和能量场等[4，5]。由于其合成较为方便简单，满足宽激发、窄发射、带隙可调节等的优点，在光学方面也崭露头角。过渡金属纳米材料因其具有不饱和d轨道产生的能带结构，而具有独特的光学特质，不仅具有可调谐窄的发射光谱和较宽的激发光谱这一光学优势，并且具有较高的光稳定性[6]。

到目前为止，关于过渡金属硒化物的制备方法有很多种，如化学气相沉积法、超声法和水热法等。Panneerselvam等[7]通过化学气相沉积法得到了NiSe2以及NiP，具体操作为分解前驱物Ni[iPr2P(S)NP(Se)Pr2]2，根据沉积温度的差异从而得到目标材料。Peng等[8]采用物理蒸发法合成CdSxSe1-x纳米薄片，将PbS量子点涂覆在纳米片上，采用电子束光刻技术和发射技术制备了基于纳米材料复合结构的宽光电探测器。这些方法虽然操作简便，但是存在着周期较长，毒性较大，不可控等局限。

盐酸环丙沙星是一种典型的抗生素类药物[9]，能够杀死多种细菌(大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、肺炎链球菌等)，以往对于盐酸环丙沙星的定量检测通常使用的是高效液相色谱法，设备昂贵，操作复杂。本文通过溶剂热法制备了CoSe2量子点，研究了材料的结构及其光学性能，考察了CoSe2量子点对不同药物的响应性研究。并利用CoSe2量子点对盐酸环丙沙星药物具有的荧光性能，建立了荧光法检测盐酸环丙沙星的新方法，该方法具有较好的选择性和灵敏性。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

无水乙二胺(国药集团化学试剂有限公司)；硝酸钴(天津市科密欧化学试剂有限公司)；硒粉(99.99%，麦克林试剂)。

HitachiF-7000荧光分光光度计(日立公司)；Shimadzu UV-3600PLUS 220/230VC紫外分光光度计(日本岛津公司)；X-射线粉末衍射仪(XRD)-7000(日本岛津公司)；场发射扫描电镜(SEM)JSM-7610F(日本电子公司)。

1.2 CoSe2量子点的制备

通过溶剂热法合成CoSe2纳米材料(见图1)。具体步骤：称取0.79 g的硒粉分散于25 mL的无水乙二胺中，超声30 min，继续加入1.455 g硝酸钴中，搅拌30 min，转移至50 mL聚四氟乙烯高压反应釜中，在170 ℃下反应17 h，冷却到室温后，以12000 rpm的速度离心30 min，烘干，研磨，得到CoSe2固体粉末。然后，称取0.1 g的CoSe2固体粉末放入聚四氟乙烯高压反应釜中，加入15 mL去离子水，在180 ℃下反应6 h，冷却，离心，取上层清液备用。

1.3 响应性测试

将得到的上层清液(CoSe2量子点)稀释100倍，取2.00 mL，加入一定体积的盐酸环丙沙星溶液于比色皿中，在25 ℃检测不同浓度的盐酸环丙沙星。用荧光分光光度计对响应过程中的光谱变化进行监测，记录CoSe2量子点在不同药物浓度环境中的光谱变化，研究制备的量子点检测盐酸环丙沙星的性能。

2 结果与讨论

2.1 CoSe2量子点的表征

采用场发射扫描电镜对样品的表面形貌及元素分布特征进行表征，如图2所示，图2a、b、c分别为不同倍数下的扫描电镜照片。从图2b和图2c中可以观察到样品呈现蜂窝状结构[10]，图2d可以观察到采用溶剂热法制备的CoSe2量子点样品为片状结构，且Se与Co元素均匀的分散在样品中(见图2e和图2f)。

图2 CoSe2样品的表面形貌(a、b和c分别为15000、30000和50000倍)及元素分布(d、e和f)

采用透射电子显镜对CoSe2量子点的上层清液进行分析，结果如图3所示。由图可知，CoSe2为均匀分散的球形颗粒，微粒径大约在30～40 nm之间，并未出现聚集，证实量子点均匀地分散在溶剂中。

图3 CoSe2量子点的透射显微镜照片

通过X-射线粉末衍射仪对所得CoSe2样品的结构和相纯度进行表征，如图4a所示。从图4a可以看出，粉状CoSe2的XRD图谱中衍射角位置2θ在34.1°、54.6°和66.3°对应的晶面分别为(101)、(031)和(122)[11]。而CoSe2量子点的XRD图谱中，没有出现明显的衍射峰，说明量子点具有较小的尺寸，晶体面不存在有序的衍射。在与标准衍射图比较时，未观察到由于杂质的存在而出现的峰，这表明制备得到了CoSe2量子点。

通过XPS分析所制备的CoSe2量子点的化学组成。由图4b可知，所制备的CoSe2量子点含有Co和Se。图4c显示，粉末中Co对应的拟合峰值分别是781.43 eV和796.43 eV，归因于Co2P3/2和Co2P1/2，对比显示量子点Co的两个主峰与之接近，与之前文献报道相一致[12]。图4d对应粉末中的两个Se的拟合峰值分别为53.68 eV与58.88 eV，归因于Se3d5/2与Se3d3/2，这也与之前的报道一致[13]。拟合峰产生主要是由于Se的氧化，通常是因为与水和空气接触，而对于量子点的Se3d5/2的峰不明显是因为含量过少，导致强度不高。而上层清液中量子点的XPS图，也与粉末近似接近，进一步的表征了材料CoSe2的组成。

2.2 CoSe2量子点的光学性能

图5a为CoSe2量子点的紫外-可见吸收光谱，可以看出，大约在325 nm处有一个吸收带，其本质就是第一激子特征峰，由于量子点自身体积过小，因而会产生量子约束效应。同时，吸光度随着波长的减小而逐渐增加，可解释为纳米材料的尺寸越小相应激子的能量就越高[14]。图5a中的插图为CoSe2材料水溶液的丁达尔效应，在波长为532 nm的激光笔照射下的图。图5b图为量子点的吸收带隙图，其带隙约为3.84 eV，带隙比一般的量子点宽，有利于产生较短波长的荧光。

图5c为CoSe2量子点的荧光激发发射图，取CoSe2量子点溶液，利用荧光分光光度计测得最佳激发波长为321 nm，最佳发射波长为397 nm；图5d为CoSe2量子点在不同激发波长下的荧光光谱图(从321 nm到391 nm，增加幅度为10 nm)。由图可知，随着激发波长从321 nm增至391 nm，发射峰位置从392 nm增至420 nm。随着激发波长的增加，激发峰位置发生一定程度的红移，当激发波长增大时，荧光强度会降低同时发射波长会发生红移，说明材料具有依赖激发波长的荧光特性[15]。

2.3 检测机理

盐酸环丙沙星通过能量传递来增强CoSe2量子点的荧光强度，荧光机理为能量共振转移机制[16]。当供体荧光分子的荧光发射光谱与受体荧光分子的荧光激发光谱或者紫外-可见吸收光谱重叠时，受激发光照射的供体分子将通过非辐射能量转向受体分子传递能量。荧光共振能量转移(FRET)是一种重要的光谱技术，具有超过半个世纪的实际应用历史。FRET是分子电子光谱现象。当荧光(FL)发射光谱体FL分子与FL激发或UV可见重叠受体FL分子，供体分子的吸收光谱激发光后将能量传递给受体分子通过非辐射能量转移的方式。

2.4 盐酸环丙沙星的检测

在激发波长321 nm下，取稀释100倍后的CoSe2上层清液量子点2 mL，对14种10-4mol·L-1浓度的不同药物(阿奇霉未分散片，吡罗昔康片，西咪替丁，利巴韦林，盐酸环丙沙星等)进行荧光测试，得到CoSe2量子点对不同药物的响应性如图6所示。由图6a知，在CoSe2量子点对不同药物的响应性研究中，CoSe2对盐酸环丙沙星的检测具有高的选择性[17]。

为了排除溶剂水对CoSe2量子点的荧光强度影响，图6b为CoSe2上层清液中加20 μL的水作为对比的情况，证明溶剂水对CoSe2量子点的荧光无影响。

为了进一步测试CoSe2量子点对盐酸环丙沙星的灵敏度，检测不同浓度的盐酸环丙沙星(每次增加0.25 μmol·L-1)下CoSe2量子点的荧光强度变化，如图6c所示。研究发现CoSe2量子点的荧光强度随着盐酸环丙沙星浓度的增加而增加，在7.50×10-7～2.50×10-6mol·L-1呈现良好的线性关系，线性方程为△F=1390.24+2022.2c，R2=0.997，检出限为2.98×10-8mol·L-1(见图6d)，可以表明线性关系良好，能够很好地用于盐酸环丙沙星的检测。

3 结论

采用溶剂热法合成了CoSe2量子点材料，通过SEM、TEM、XRD和XPS等对材料的形貌结构以及光学特性进行了表征。利用CoSe2量子点具有的优异的荧光性能，作为荧光探针对不同药物进行检测，研究发现制备的CoSe2量子点纳米材料对盐酸环丙沙星药物具有很高的选择性和灵敏度，有望成为一种高灵敏度的传感器来有效地监测盐酸环丙沙星。