CdSe/CdS量子点荧光探针检测Cu2+

2023-01-16汪登鹏藤田澧久

沈阳理工大学学报 2023年1期

汪登鹏，高锋，藤田澧久

(广西大学资源环境与材料学院，南宁 530000)

河流和湖泊中的有毒重金属，如铬、镉、铜、铅和汞等，对动物、植物及人类的生存和健康影响很大[1]。其中铜是生物必需的元素之一，铜的缺乏会导致生物体的某些功能障碍，但过度摄入铜会导致铜中毒，Cu2+是铜最常见的价态，痕量Cu2+的测定具有重要的意义。目前检测Cu2+的方法主要有原子吸收光谱法[2]、原子荧光分光光度法[3]、电感耦合等离子体质谱法、电化学法[4]和荧光探针法[5]等。与荧光探针法相比较，其他几种方法虽然都具备一定的检测能力，但存在选择性差、灵敏度不高，或具有高选择性与灵敏度但设备复杂、昂贵，或存在样品制备程序复杂等问题，故其应用受到一定限制。荧光探针法最大的优势是其荧光响应迅速，此外还具有可视性和灵敏度高、检测重金属离子的选择性好、线性范围宽等优点，且该检测方法成本低、操作简单。上述诸多优势使得荧光探针成为当前研究的热点，并广泛应用于生物医学和分析化学等领域[6]。

荧光探针大致可分为有机荧光探针和无机荧光探针。与有机荧光探针相比，无机量子点具有高荧光量子产率、荧光发射光谱可调、多种荧光颜色可视性的优点。用于检测Cu2+的量子点荧光探针较多，如CdX(X代表Te、Se、S)[7]、ZnS、C[8]和Au量子点[9]等。根据光谱特性，量子点荧光探针可分为基于单一荧光峰强度变化的普通荧光探针和基于两个发射峰相对强度的比率荧光探针[10]；根据结构，量子点可分为单晶体型、核壳型和混晶型等[11-13]。量子点检测Cu2+有Turn-off，Off-on两种方式。

本文首先制备疏基乙酸封端的CdSe/CdS核壳型量子点，并通过X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和光致发光光谱(PL)对其进行表征；然后以该量子点作为Cu2+浓度检测探针，基于Turn-off模式定量检测水溶液中Cu2+的浓度；最后使用该荧光探针对自来水样品中的Cu2+浓度进行检测。

1 实验部分

1.1 实验试剂

疏基乙酸(TGA)、硼氢化钠(NaBH4)、氯化镉(CdCl2·2.5H2O)、硫化钠(Na2S·9H2O)和各种金属离子标准溶液(K+、Na+、Mg2+、Ba2+、Al3+、Mn2+、Fe3+、Ca2+、Pb2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+)，均购自国药集团化学试剂有限公司；盐酸(HCl)、三羟甲基氨基甲烷(Tris)，购自阿拉丁试剂(上海)有限公司。所有试剂均为分析纯。

1.2 实验仪器

透射电子显微镜(F200X型，赛默飞世尔科技公司)；高灵敏稳瞬态荧光光谱仪(FL3C-111 TCSPC型，堀场仪器(上海)有限公司)；X射线衍射仪(D/MAX2500V型，日本理学公司)；傅里叶红外光谱仪(Nicolet iS20型，赛默飞世尔科技公司)。

1.3 CdSe/CdS核壳量子点的制备

采用液相反应法[14]制备CdSe/CdS核壳量子点。向三颈烧瓶中通氮气30 min后，分别加入一定量的单质Se、NaBH4和10 mL超纯水，剧烈搅拌后得到无色澄清的NaHSe溶液。称取一定量的CdCl2溶解于100 mL超纯水中，然后加入一定体积的TGA，再加入1 mol/L的NaOH溶液调节pH为11，再通入氮气30 min以排除氧气。将配制好的NaHSe溶液快速转移至CdCl2混合溶液中，边通氮气边剧烈搅拌，升温至80℃加热回流30 min，得到CdSe溶液。待其冷却至室温后，按照CdSe和CdS物质的量比为1∶1配制一定量的CdCl2和Na2S溶液，在剧烈搅拌下逐滴加入CdSe溶液中，将反应体系升温至80℃并回流30 min后制备得到CdSe/CdS核壳结构的量子点。使用无水乙醇洗涤量子点，离心3次后重新分散于超纯水中待用。

1.4 量子点检测Cu2+的浓度

将300 μL的CdSe/CdS量子点溶液、2.4 mL的Tris-HCl缓冲液(浓度为10 mmol/L，pH为9.0)、300 μL的Cu2+溶液混合后静置10 min，再采用397 nm波长近紫外光激发，检测其发射的荧光强度。

2 结果与讨论

2.1 量子点的表征

测试得到CdSe和CdSe/CdS量子点的XRD图谱，如图1所示。

图1 CdSe和CdSe/CdS量子点的XRD图

由图1可见，CdSe/CdS量子点的XRD谱线在衍射角25.8°、43.2°和50.5°三个位置出现清晰的衍射峰，峰位介于立方CdSe和CdS的(111)、(220)和(311)晶面的特征峰之间，说明CdSe的内核与CdS包层之间存在相互作用力，使晶格参数发生变化，从而使其衍射峰位产生偏移。在CdSe外延生长CdS的纳米颗粒中也观察到类似的衍射峰[15]。此外，与CdS和CdSe晶体相比，这些衍射峰出现明显宽化的现象，反映出所制备CdSe/CdS样品的量子点特征。

采用透射电子显微镜/能谱仪(TEM/EDS)对CdSe/CdS量子点进行分析，结果如图2所示。

图2 CdSe/CdS量子点的TEM/EDS分析

由图2(a)可见，CdSe/CdS量子点显示出良好的分散性，单个粒子接近球形。根据量子点统计数据(图2(a)中粒径分布插图)可知，量子点的平均粒径约为2.4 nm。图2(b)中晶格条纹清晰，晶面间距为0.218 nm，对应CdSe的(220)晶面，证明产物中存在CdSe；在量子点晶格内部及边缘，没有观察到明显的晶格畸变，说明CdS与CdSe具有很好的晶格匹配性，CdSe表面可能外延生长出CdS层。由图2(c)可视区域内个别较大量子点的能谱分析结果可以观察到，Cd、S、Se元素分布较为均匀，S元素分布于量子点团聚体的整个投影区域，而Se元素倾向于分布在投影区域的内部，分布面积明显小于S元素，表明合成物质为CdSe/CdS核壳结构的量子点。

CdSe和CdSe/CdS的吸收光谱与荧光光谱如图3所示。

图3 CdSe与CdSe/CdS量子点吸收光谱和荧光光谱

由图3可以看出，CdSe/CdS的吸收峰相较于CdSe有少许蓝移，相同的现象也发生于其荧光光谱中。这是由于在CdSe表面外延生长形成CdS壳层所致。此外，图3(b)中CdSe/CdS的荧光强度远远高于CdSe的强度，这是由于CdS壳层对CdSe核粒子的表面缺陷进行了修饰，减少了CdSe禁带结构中的缺陷能级数量，提高了CdSe激子复合发光的强度[15]。

2.2 荧光检测条件的优化

按1.4中实验方法，采用CdSe/CdS量子点检测Cu2+浓度，改变静置反应时间，测得不同反应时间下CdSe/CdS量子点的荧光强度及Cu2+诱使CdSe/CdS量子点的荧光淬灭，结果如图4所示。图中纵坐标为荧光强度比I/I0，I表示添加Cu2+时量子点的荧光强度，I0表示不添加Cu2+时量子点的荧光强度。

图4 反应时间对荧光强度的影响

由图4可见，CdSe/CdS量子点的荧光强度随时间变化不明显，说明其荧光稳定性较好。加入Cu2+后，CdSe/CdS量子点的荧光淬灭反应迅速，5 min后荧光强度保持稳定，说明5 min后Cu2+与CdSe/CdS量子点的反应基本完全，荧光淬灭效果接近最大值。故适宜的静置反应时间为5 min。

溶液的pH不同可能会影响量子点的荧光强度，也可能会影响检测物质的灵敏度和选择性[16]。TGA封端的CdSe/CdS量子点在pH较低的缓冲液中荧光几乎完全猝灭，并形成沉淀[17]。如果pH过高，Cu2+会与溶液中的OH-发生化学反应，形成沉淀，进而影响检测的灵敏度。因此，本文考察溶液pH在5.5~10.7的范围内变化时对实验结果的影响。测得不同pH下的CdSe/CdS量子点荧光强度及Cu2+诱使CdSe/CdS量子点的荧光淬灭，结果如图5所示。

由图5可以看出:当溶液的pH较小时，由于量子点表面的硫醇基团不太稳定，不能保持较高的荧光强度；随着pH增大，CdSe/CdS量子点的荧光强度逐渐增大并趋于稳定，当pH为8.0时，荧光强度接近最大值，此时Cu2+诱使量子点荧光淬灭效率基本达到最高。故选择适宜的pH为8.0。

图5 pH对荧光强度的影响

2.3 CdSe/CdS量子点对Cu2+的荧光响应特性

CdSe/CdS量子点对Cu2+具有灵敏的荧光响应特性，测得不同Cu2+浓度下的荧光光谱及荧光淬灭率(1-I/I0)，结果如图6所示。

图6 Cu2+对CdSe/CdS量子点的荧光淬灭效应

2.4 荧光检测Cu2+的选择性

采用CdSe/CdS荧光探针在最佳条件下对Cu2+进行荧光检测，通过与其他11种金属离子(即K+、Na+、Mg2+、Ba2+、Al3+、Mn2+、Fe3+、Ca2+、Pb2+、Cd2+、Zn2+)相比较，评估CdSe/CdS量子点体系对Cu2+的选择性。其中，添加Cu2+的浓度为50 μmol/L，其他离子浓度取为Cu2+浓度的10倍。各种离子对CdSe/CdS荧光探针荧光强度的影响如图7所示。

图7 各种离子对CdSe/CdS荧光探针荧光强度的影响

由图6(a)可见，随着Cu2+浓度的增加，CdSe/CdS量子点的荧光强度逐渐下降。在Cu2+浓度为60 μmol/L的情况下，荧光猝灭率达到92.7%。由图6(b)可知，Cu2+浓度对CdSe/CdS量子点荧光强度的影响可以由两段线性关系表示，分别如图6(c)和图6(d)所示。由图6(c)的拟合结果可知，Cu2+浓度(C(Cu2+))在0.5~7 μmol/L范围内时，(1-I/I0)与C(Cu2+)的线性关系为

线性相关系数R2＝0.969。由图6(d)的拟合结果可知，C(Cu2+)在7~60 μmol/L范围内时，(1-I/I0)与C(Cu2+)的线性关系为

线性相关系数R2＝0.989。

浓度检测限(Limit of Detection，LOD)计算公式为[18]

式中:δ为空白样11次检测值的标准偏差；K为标准曲线的斜率。根据式(3)计算得到体系对Cu2+浓度的检测限为0.06 μmol/L，本方法的检测限低于文献[19-21]的研究结果。采用不同配体的量子点检测Cu2+浓度的方法比较如表1所示。

表1 使用量子点测量Cu2+浓度的方法比较

由图7可以看出，除Cu2+以外的其他金属离子对CdSe/CdS量子点的荧光强度影响不大，说明CdSe/CdS量子点对Cu2+的检测具有高选择性。

2.5 荧光淬灭机理

分析物与荧光探针之间发生荧光淬灭反应的机理主要有静态淬灭和动态淬灭两种[22]。静态淬灭认为分析物与荧光探针的基态荧光分子发生反应形成非荧光体；动态淬灭认为荧光淬灭与扩散过程有关，是分析物与处于激发态的荧光分子之间发生碰撞，释放热能，使得荧光体无辐射跃迁至基态，从而导致荧光淬灭。静态荧光淬灭过程会形成非荧光体，因此其反应前后的紫外-可见吸收光谱会发生改变，但反应前后的荧光寿命不发生改变；动态荧光淬灭与静态荧光淬灭特征相反，其反应前后紫外-可见吸收光谱不变，但荧光寿命会发生变化。不同Cu2+浓度下CdSe/CdS量子点的紫外-可见吸收光谱如图8所示。添加Cu2+和不添加Cu2+时CdSe/CdS量子点的荧光寿命谱图如图9所示。

由图8可见，添加不同浓度Cu2+后CdSe/CdS量子点的紫外-可见吸收光谱没有明显变化。由图9可见，添加Cu2+后，量子点的寿命明显减小。因此，Cu2+导致CdSe/CdS量子点荧光淬灭的机理为动态淬灭。

图8 不同Cu2+浓度下CdSe/CdS量子点的紫外-可见吸收光谱

图9 添加和不添加Cu2+时CdSe/CdS量子点的荧光寿命谱图

2.6 实际水样中Cu2+浓度的检测

为评估CdSe/CdS量子点荧光探针对检测Cu2+的实用性与可靠性，采用实际水样(自来水)进行检测实验。选取三种不同Cu2+浓度水平(10、20、30 μmol/L)的自来水样品，每个样品检测三次取平均值，检测结果如表2所示。表中回收率为Cu2+浓度的检测值与实际值之比，相对标准偏差为标准偏差与平均值之比，反映Cu2+检测的精度。