MRI增强CIS/ZnS/GdS量子点对水溶液中Cu2+的选择性检测

吕小云，乔 丽，谈笑玲，阿继凯，王 彬，马洪涛，丁兰芳，王菊巍

(青海大学 数理学院， 青海 西宁 810016)

1 引言

众所周知，某些金属元素(如铁、铜、锌和锰)是健康生活所必需的微量营养元素，而其他重金属(如汞、铅、镉和铬)在生物体中是有毒的.这些金属具有与含氧、硫和氮的生物配体形成复合物的趋势.因此，摄取过量的微量元素会导致蛋白质分子结构的改变、氢键的断裂、酶的抑制，甚至细胞凋亡[1,2].铜是机体必需的过渡元素，在呼吸、结缔组织形成、铁运输和代谢、氧化应激保护、肽激素产生、色素沉着、凝血和正常细胞生长发育等生物过程中都需要铜作为催化辅助因子[3,4].然而，铜也参与氧化还原反应，产生羟基自由基，从而损害脂质、蛋白质和DNA[5].过量的铜会扰乱细胞内稳态，从而导致不同的神经退行性疾病，如威尔逊病、帕金森病和阿尔茨海默病，并妨碍许多其他正常的生物活动[6,7].近年来，随着工业的发展，铜通过各种途径泄漏到环境中，成为饮用水中大量的污染物.由于铜在工业上的广泛使用，它对人类潜在的毒性影响使其成为一个具有挑战性的问题.美国环境保护署(EPA)将饮用水中的铜含量上限定为1.3 ppm[8].因此，开发高灵敏度、高选择性的铜离子探测探针是十分必要和具有挑战性的.

已经开发出了不少用于Cu2+离子选择性检测的荧光检测器，它们具有灵敏度高、特异性强、操作简便等独特优势[9-11].但它们大多是与Cu2+离子共价结合的荧光有机基团，因此在实际应用中存在一些弊端，如有机合成复杂、疏水基团的存在使其在水中溶解度低、体系有害、对其他金属离子的交叉敏感性等.因此，它们不适合用于生物系统中Cu2+离子的检测.近些年，利用配体功能化的银、金纳米颗粒、量子点和聚合物点对各种金属离子(如Cu2+、Zn2+、Hg2+、Cd2+)进行检测的兴趣日益增加，因为它们具有高选择性、高灵敏度和快速响应的特点[12-23].在这些纳米粒子检测器中，量子点具有相当大的优势.由于量子约束效应，它们具有独特的光学和电子特性，目前正在深入研究其在生物传感和生物标记方面的潜在应用[24-26].然而，这些量子点大多基于硫化镉/硒化镉/碲化镉，其中镉对生物体的毒性甚至比铜更大，而碲是一种稀有而昂贵的元素.三元量子点CuInS2(CIS)是由地球含量丰富的元素组成，具有大的斯托克斯位移和较窄的半峰全宽、高光稳定性和长荧光寿命的特点[27].

本文采用低成本、操作简便的CuInS2/ZnS/GdS量子点作为选择性铜离子(Cu2+)探针.由于该材料掺杂典型的T1加权MRI造影剂钆(Gd3+)，不仅能显著增强MRI信号，而且对Cu2+离子具有较高的灵敏度和选择性.该方法的检测限可低至0.5ppb.其感应机制可能是Cu2+诱导的CuInS2/ZnS/GdS量子点聚集和沉淀导致的荧光猝灭.

2 材料和方法

2.1 化学试剂

碘化铜(Ⅰ) (Aldrich，99%)， 1-十二烷基硫醇(DDT，Aldrich，98%)， 1-十八烯(ODE，Aldrich，90%)，醋酸铟(In (Ac)3，Aldrich，99.99%)，醋酸锌(Aldrich，99%)，醋酸钆(Ⅲ)水合物(Aldrich，99.9%)和油酸(OA，90%)购于Sigma-Aldrich.所有的化学物质都是在没有进一步纯化的情况下使用的.

2.2 CIS/ZnS/GdS量子点的合成

将0.3mmol (0.0876g) 醋酸铟和0.3mmol (Ⅰ)碘化铜(0.0571g)与3mL 1-十二硫醇(DDT)和6mL 1-十八烯(ODE)混合在一个三颈烧瓶中.反应混合物在氩气气氛中保持纯净.烧瓶在硅油浴中加热至120℃ 30分钟，直至形成清澈的溶液.然后温度逐渐升高到230℃.随着温度的升高，反应溶液的颜色从无色逐渐变为黄色、红色，最后变为黑色，这表明CIS纳米颗粒成核并生长.在此合成过程中，DDT作为硫的前驱体提供硫元素.采用原位包壳ZnS的CIS量子点，无需对芯进行纯化.将醋酸锌(2.4mmol)、油酸(3mL)、ODE(3mL)和DDT(0.5mL)混合在一起，在氩气气氛下和温度为110℃的条件下加热搅拌半个小时.将此溶液逐滴滴加到230℃的CIS反应液中形成ZnS壳层.对于GdS壳层，将乙酸钆水合物(0.9mmol)、油酸(3mL)、ODE(3mL)和DDT(0.5mL)混合在一起，在氩气气氛下和温度为110℃的条件下加热搅拌半个小时.将此溶液逐滴滴加到230℃的CIS反应液中.最后，将烧瓶浸入冰浴或水浴中使溶液淬灭.可以通过加入乙醇沉淀、离心和上清液来收集纳米颗粒.得到的CIS/ZnS/GdS量子点经乙醇和丙酮洗涤三次后，在室温下干燥.这些量子点容易分散在氯仿或甲苯中.干燥后的样品在室温下保存.

2.3 CIS/ZnS/GdS量子点的水溶液相转移

合成的CIS/ZnS/GdS纳米颗粒表面疏水，可分散在氯仿和甲苯中.水相转移是通过聚乙二醇(PEG)包裹策略实现的.通常情况下，将150mg聚乙二醇(PEG)搅拌溶于10ml甲苯中，将10mgQDs溶于10ml甲苯中.待PEG溶解后，逐滴加入QD溶液中，70℃氩气搅拌1～2小时.PEG包裹的量子点可以用乙醚进行沉淀和洗涤.用乙醚洗涤三次后，最终产品易溶于水.

2.4 表征

透射电镜(TEM)图像由Morgagni 268D(FEI-Philips)配置MegaView2 CCD相机拍摄.量子点稀释分散在甲苯溶液中，将溶液滴注到由铜栅极支撑的薄碳膜上.用Thermo Fisher生产的ARL X’tra X射线衍射仪获得了X射线粉末衍射(XRD)图.紫外可见光谱由Evolution 201紫外可见分光光度计记录.实验使用FP-8200荧光光谱仪(日本)记录了PL光谱.

2.5 重金属离子的检测

在去离子水中制备了不同浓度的Cu2+(0.5ppb、1ppb、5ppb、10ppb、50ppb、0.1ppm、0.5ppm、1ppm、1.5ppm、2ppm、2.5ppm、5ppm、10ppm).将给定的金属离子溶液(1uL)加入1ml CIS/ZnS/GdS量子点溶液中.平衡1分钟后，在365nm激发光波长下测量了CIS/ZnS/GdS量子点溶液的荧光光谱.接着，测量了CIS/ZnS/GdS量子点加入其他不同的金属离子(Cu2+、Al3+、Sn2+、Zn2+、Fe2+、Mn2+、Ca2+、Na+和Gd3+)时的荧光特性.

3 结果与讨论

图1(a)为CIS/ZnS/GdS量子点的典型TEM图像.CIS/ZnS/GdS量子点的紫外-可见吸收光谱如图1(b)所示，荧光发射光谱如图1(c)所示.在600nm处观察到最大的发光强度，荧光光谱半峰宽度(FWHM)为83nm.宽的半高宽可能表明量子点表面缺陷较多.量子点粒子的大小尺寸在2～3纳米之间.随着纳米粒子粒径的减小，比表面积增大，表面相原子数增多，导致了表面原子的配位不足、不饱和键和悬挂键增多.使这些表面原子具有高的活性.

图1 (a)CIS/ZnS/GdS量子点的透射电镜；(b)紫外可见吸收光谱；(c)荧光发射光谱

在接下来的实验中，记录了金属离子加入CIS/ZnS/GdS量子点1min后的荧光光谱，研究了不同浓度的Cu2+对量子点荧光猝灭的响应.CIS/ZnS/GdS量子点对Cu2+的荧光响应最快可达30秒.从图2(a)和(b)可以看出，随着溶液中Cu2+离子浓度的增加，CIS/ZnS/GdS量子点的荧光强度明显降低.图2(c)绘制了600nm处的荧光强度比(I0-ICu)/I0与Cu2+离子浓度的对数关系图.I0和ICu分别为无Cu2+和有Cu2+时量子点在600nm处的最大荧光强度.由于比表面积增加，表面原子的活性增加，引起纳米粒子表面原子结构型的变化，同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化.表面缺陷导致陷阱电子或空穴，影响着量子点的发光性质.Cu2+可以与CIS/ZnS/GdS量子点相互作用，改变量子点表面性质，导致在量子点表面形成CuS颗粒.CuS在水中的溶解度低.随着Cu2+浓度的增加，Cu2+颗粒的积累量增加，导致CIS/ZnS/GdS量子点的聚集和沉淀.结果表明，随着Cu2+浓度的增加，CIS/ZnS/GdS量子点的荧光被猝灭.而且Cu2+浓度越高，荧猝灭越严重.在本次研究中，Cu2+的最低浓度可低至0.5ppb，比美国环境保护署(EPA)规定的饮食者体内Cu2+的最高浓度(1.3ppm)低2.6×103倍.

图2 (a)CIS/ZnS/GdS量子点在不同浓度Cu2+(0.5、1、5、10、50、100、500、1000、1500、2000、2500、5000和10,000ppb)下的荧光光谱；(b)和浓度响应分析；(c)激发光波长为365nm、600nm处QDs的荧光强度比(I0-ICu)/I0与以对数标度添加的不同浓度Cu2+离子的关系图，红线表示线性拟合.

通过在量子点溶液中加入不同种类的金属离子，进一步研究了其他金属离子对CIS/ZnS/GdS量子点的选择性影响.图3显示了当加入其他金属离子时量子点的荧光强度的变化.蓝色条代表其他种类的金属离子，红色条为Cu2+离子.其他的金属离子选择了Al3+、Sn2+、Zn2+、Fe2+、Mn2+、Ca2+、Na+和Gd3+.所有金属离子的溶液浓度设定为5ppm.从图3可以清楚地看到，CIS/ZnS/GdS量子点对这些金属离子没有选择性的敏感性，这些金属离子对量子点的荧光强度基本都没有影响.有趣的是，作为对比，加入相同浓度的Cu2+会导致CIS/ZnS/GdS量子点的荧光显著猝灭，如红色条所示.结果显示，即使在其他金属离子存在的情况下，CIS/ZnS/GdS量子点对Cu2+离子也表现出良好的选择性.

图3 不同金属离子顺序加入后CIS/ZnS/GdS量子点在600nm处的荧光强度对比，蓝色条为其他金属离子(Al3+、Sn2+、Zn2+、Fe2+、Mn2+、Ca2+、Na+和Gd3+)，红色条代表相同浓度的Cu2+离子

4 结论

本研究采用具有增强荧光特性的CIS/ZnS/GdS量子点作为荧光报告剂，对水溶液中痕量Cu2+进行了高灵敏度和选择性的检测.用碘化铜、醋酸铟、1-十二硫醇(DDT)和1-十八烯(ODE)，在230℃下合成了CuInS2(CIS)量子点，然后在其表面包壳了ZnS和GdS壳层，使其表面钝化.在水溶液中，CIS/ZnS/GdS量子点具有快速的荧光响应，对Cu2+离子的选择性检测有较高的灵敏度，检测限低至0.5ppb.诸如Al3+、Sn2+、Zn2+、Fe2+、Mn2+、Ca2+、Na+和Gd3+的其他金属离子的存在并不影响CIS/ZnS/GdS量子点对Cu2+的选择性检测.根据实验数据的结果，该检测机制可能是由于Cu2+诱导的量子点的聚集和沉淀导致的量子点荧光的显著猝灭.