CdTe量子点酸度敏感荧光探针测定水样中铵根离子含量董再蒸

作者：周华萌 徐淑坤 伊魁宇 张红艳

【摘要】 本研究在水相中合成了高质量的巯基乙酸包被的CdTe量子点。在pH 5.8～8.0范围内的PBS缓冲溶液中，CdTe量子点荧光强度与体系酸度存在良好的线性关系。利用NH+4 对量子点荧光的猝灭作用，实现了对水溶液中NH+4 的定量检测。在最优条件下，CdTe量子点酸度敏感探针荧光的猝灭程度与NH+4浓度呈良好的线性关系，线性范围为0.05～6.0 mmol/L，检出限为0.15 μmol/L。对1.0 mmol/L标准溶液平行测定11次，相对标准偏差为3.2%。利用标准加入法对水样中NH+4含量进行了测定，其结果与蒸馏酸滴定法的结果基本一致。

【关键词】 碲化镉，量子点，酸度敏感荧光探针，铵根离子

1 引 言

量子点是一种由II～VI族或III～V族元素组成的、稳定的、溶于水的、粒径介于1～100 nm之间能够受光激发产生荧光的半导体纳米晶粒[1，2]。量子点独特的性质在于它自身的量子效应。当颗粒尺寸进入纳米量级时，尺寸限域将引起尺寸效应、量子限域效应、宏观量子隧道效应和表面效应。量子点在生命科学、分析科学、材料科学、免疫医学、检验检疫等研究领域发挥着越来越大的作用[2～4]。

研究表明，量子点的荧光强度通常随介质pH的改变而变化，这为以量子点作酸度敏感探针提供了理论基础[5～7]。Susha等[8]发现CdTe量子点的荧光强度在pH 6～12范围内无明显变化，在pH值为4～6范围内随酸度增强，荧光强度线性猝灭，且最大发射峰位基本不变。据此，他们首先提出水溶性的CdTe量子点将可能成为氢离子探针。以量子点为酸度敏感探针时，硫醇修饰的CdTe量子点比CdSe量子点前景更好，因为前者可以在80～100 ℃下合成，且量子产率较高，粒径可调，水溶性好，合成过程中很容易被巯基乙酸、L半胱氨酸等生物分子修饰[9，10]而用于生物样品的测定。更重要的是，巯基乙酸修饰的CdTe量子点不经任何处理就表现出很好的酸度敏感性，而用CdSe量子点制备酸度敏感探针则非常繁琐[11，12]。本研究使用巯基乙酸修饰的CdTe量子点定量测定了NH+4含量，结果令人满意。

水中NH+4的来源主要为生活污水中含氮有机物受微生物作用的分解产物和某些工业废水以及农田排水[13]。在有氧环境中，NH+4含量较高时可转变为亚硝酸盐，对鱼类有毒害作用，对人体健康也会产生危害。测定水中NH+4含量有助于评价水体被污染和“自净”状况。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

LS55荧光分光光度计(美国PE公司);UV2100双光束紫外可见分光光度计(北京瑞利分析仪器公司); DF101S集热式恒温加热磁力搅拌器(巩义市英峪予华仪器厂); PHS3C数字式pH计(上海理达仪器厂); FA 1004N分析天平，精密度0.0001 g(上海民桥精密科学仪器有限公司); SZ93自动双重纯水蒸馏器(上海亚荣生化仪器厂); CHAS往返气浴恒温振荡器(江苏金坛大地自动化仪器厂)。

碲粉(Te，上海化学试剂站分装厂);氯化镉(CdCl2·2.5H2O，北京化工厂);巯基乙酸(HSCH2COOH，TGA，中国医药集团上海化学试剂公司); NaBH4(中国医药集团上海化学试剂公司); NaOH(沈阳医药股份有限公司化玻公司); NH4Cl(国药集团化学试剂有限公司);PBS缓冲溶液：分别准确称取17.91 g Na2HPO4·12H2O和7.80 g NaH2PO4·2H2O溶于水中，均定容至100 mL。调整两种溶液的混合比，可得到不同pH值的PBS缓冲溶液。所有的试剂均为分析纯，实验用水为二次蒸馏水。

2.2 实验方法

2.2.1 量子点的制备

2.2.2 量子点荧光强度与体系酸度关系的考察 取适量量子点用二次蒸馏水稀释50倍，置阴暗处备用。在4 mL样品管中依次加入100 μL稀释后的量子点及1900 μL不同酸度值的PBS缓冲溶液，混合均匀，放置30 min后，用荧光分光光度计测定其荧光强度值。

2.2.3 NH+4含量的测定 在5 mL可密闭样品管中依次加入100 μL一定浓度的CdTe量子点、400 μL 0.05 mol/LPBS缓冲溶液、二次蒸馏水及不同体积NH+4，通过调整H2O的加入体积，使体系总积为4 mL。将样品管置于空气浴摇床中，常温下低速振荡15 min使其充分反应。反应结束放置5 min待溶液稳定后于荧光分光光度计测定各组溶液的荧光强度I。计算试剂空白荧光强度与不同浓度NH+4 的荧光强度比值的对数值ln(I0/I)，并考察ln(I0/I)与对应浓度之间的关系。

3 结果与讨论

3.1 巯基乙酸包被CdTe量子点的光学性质

按实验方法合成出了光学性质稳定、发射峰峰位分布范围宽的水溶性量子点。如图1所示，实验中所用量子点紫外吸收光谱宽而且连续，同时还具有很宽的荧光激发波长范围，其荧光发射峰峰形对称，半峰宽窄(30～50 nm)，荧光强度高。 图1 CdTe量子点的紫外可见吸收光谱(a)，荧光激发光谱(b)和荧光发射光谱(c)

3.2 体系酸度对量子点荧光强度的影响

按实验方法考察了3种缓冲溶液(PBS， BR， TrisHCl)对量子点荧光强度的影响，发现量子点在等浓度、相同体积的3种缓冲溶液中荧光强度依次降低。由于CdTe量子点荧光强度线性变化的酸度范围大致在pH 5.5～8.0内，与PBS缓冲溶液(pKa=6.80)的缓冲范围相当，因此在后续实验中选择PBS缓冲溶液来维持体系酸度的稳定性。实验结果表明，在pH 5.8～8.0范围内随着酸度的增强，量子点荧光强度被显著猝灭，并且荧光强度与酸度之间呈良好的线性关系，r= 0.9990(如图2)。

3.3 NH+4对量子点荧光强度的影响

NH+4在水中可水解生成H+， NH+4浓度越大，体系酸度随之增强。考察了在相同浓度的量子点溶液(1.25×10-5 mol/L)中加入不同浓度的NH+4后，量子点酸度敏感荧光探针荧光强度的变化。结果表明，在0～5.0 μmol/L范围内，NH+4能够使量子点荧光强度增强(图3b)，而在5.0×10-3～3.0 mmol/L范围内，随着NH+4加入量的增大，量子点荧光逐渐被猝灭(图3a)。

用量子点荧光探针检测NH+4时，低浓度的NH+4能够使量子点荧光强度增强。对于1.25×10-5 mol/L的量子点，当NH+4浓度达到5.0 μmol/L后，随着NH+4的增多，量子点荧光强度则逐渐降低。这种现象既不同于量子点与生物大分子偶联时所表现出的单一荧光增强作用，也不同于重金属离子与量子点作用时表现出的单一荧光猝灭作用。所以有必要对NH+4与量子点作用机理进行讨论。

本研究所用量子点酸度敏感荧光探针表面修饰有巯基乙酸(HSCH2COOH)，在pH=7.0时其表面带负电荷，而NH+4带正电，二者容易受静电引力作用发生偶联。NH+4被量子点吸附在其表面之后，将对量子点表面未吸附其它阳离子的缺陷部分进行修饰，从而使量子点的荧光强度增强。当NH+4浓度增加到一定程度时，量子点表面能够容纳NH+4的量达到饱和。此后若继续增加NH+4浓度，由NH+4水解造成的酸度增强将使量子点表面配体缺失，这时酸效应所产生的荧光猝灭作用使量子点荧光强度显著降低。

为考察量子点荧光强度增强的机理，分别采用半胱氨酸和半胱胺包被的CdTe量子点与NH+4作用，考察低浓度的NH+4能否对上述两种量子点产生荧光增敏作用。实验结果表明， 在0.25～2.0 mmol/L范围内，半胱氨酸包被的CdTe量子点荧光强度随NH+4浓度增加而增强; 而半胱胺包被的CdTe量子点在此浓度范围内未观察到荧光强度增强，且更低的NH+4浓度也未对半胱胺包被的量子点表现出荧光增强作用。在pH 7.0时，半胱氨酸包被的CdTe量子点同巯基乙酸包被的CdTe量子点一样，表面带负电，而半胱胺包被的CdTe量子点带正电。上述实验结果表明，NH+4是通过静电引力作用对表面带负电荷的量子点表面进行修饰而使其荧光强度增强。

3.4 量子点浓度的选择、反应时间和反应温度的影响

等量的NH+4对不同浓度量子点的荧光强度的影响不同。当量子点浓度过高时，NH+4对量子点荧光猝灭作用不明显，且量子点本身发生自体猝灭作用，不利于荧光强度的检测且浪费实验原料;若量子点浓度过低，NH+4对量子点荧光强度猝灭程度过大，导致方法线性范围过窄，不利于定量检测。经过实验优化，选择稀释800倍(6.25 μmol/L)的量子点为酸度敏感荧光探针定量检测痕量NH+4。

量子点荧光强度15 min后趋于稳定，延长反应时间至50 min，荧光强度基本不变。本方法在加入NH+4 20 min后测定。由于反应体系的温度对体系荧光强度的影响不大，本方法选择在室温下进行测定。

3.5 标准曲线及检出限

实验结果表明，在0.05～ 6.0 mmol/L范围内，CdTe量子点的荧光猝灭程度ln(I0/I)与NH+4 浓度存在良好的线性关系，其线性方程为ln(I0/I)=0.05479C + 0.00503(I0为荧光强度最大值，I为不同浓度NH+4 对应的荧光强度值，C为NH+4浓度，单位mmol/L)，线性相关系数为0.9997; 检出限(3σ)为1.5×10-5 mol/L。对浓度为1.0 mmol/L的标准溶液平行测定11次，得到的相对标准偏差为3.2%。

3.6 共存物质的影响

在NH+4浓度为5.0×10-5 mol/L时，考察了常见共存离子对体系荧光强度的影响。实验结果表明，50倍的K+， Na+， Mg2+， Ca2+， Fe3+等阳离子; 100倍的Cl-， NO-3， I-等阴离子均不干扰测定。Cu2+， Fe2+， Cd2+， CO2-3等离子对测定有较大干扰，但在所测样品中通常含量不高，所以可以用本方法测定基体不很复杂的样品中NH+4含量。

3.7 水样中NH+4含量测定

用标准曲线法测定实际样品的回收率较差，这说明存在基体干扰。在实验中为了消除共存物质的干扰，采用标准加入法对水样中NH+4进行测定。实验证明，采用标准加入法对水样中NH+4进行测定可以得到满意的结果。向5个盛有1 mL水样的样品管中依次加入等量的CdTe量子点(酸度敏感探针)、PBS缓冲溶液及不同浓度的NH4Cl标准溶液，加入不同体积的纯水使体系总体积为2 mL。使用荧光分光光度计测定加入不同量NH+4后体系荧光强度I，计算试剂空白荧光强度与其荧光强度比值的对数值ln(I0/I)，并绘制ln(I0/I)与对应浓度之间的校正曲线。对样品平行测定9次，测得各样品加标后的荧光强度值，并用外推法算得所测水样中NH+4含量为(77.2±8.3) μmol/L，即(1.39±0.15) mg/L，与蒸馏酸滴定法所测结果((1.20±0.20) mg/L，n=9)基本一致。