一种基于ZnO 量子点的荧光毛细管传感器检测有机溶剂中水含量

杨佳妮，李淑英，段志强,，鲁叶，刘冰清，吕丽，王桦,*

（1.曲阜师范大学化学与化工学院，山东省生命有机分析重点实验室，山东曲阜 273165）(2.济宁市功能材料与监测器件工程技术中心,鲁南工程技术研究院，山东济宁 272000）

一种基于ZnO 量子点的荧光毛细管传感器检测有机溶剂中水含量

杨佳妮1，李淑英1，段志强1,2，鲁叶1，刘冰清1，吕丽2，王桦1,2*

（1.曲阜师范大学化学与化工学院，山东省生命有机分析重点实验室，山东曲阜 273165）(2.济宁市功能材料与监测器件工程技术中心,鲁南工程技术研究院，山东济宁 272000）

该文利用高浓度3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）包覆ZnO量子点，成功制备出对水超敏感的纳米ZnO@APTES高荧光复合材料，进而将之修饰到毛细管内壁，借助毛细现象自动吸取待测样品，实现了对有机溶剂中水含量分析。以乙醇中的水含量分析为例，在最佳条件下，通过测定不同水量引起的毛细管壁上ZnO量子点的荧光猝灭率的变化，获知试剂中水含量，测得其线性检测范围为5.0%～30%。

ZnO@APTES复合材料；ZnO量子点；毛细管；荧光传感器；水含量分析

0 引言

在工业制造和农业生产中，评判化工、食品、医药、塑料、合成纤维等产品是否符合标准，一项重要指标是其含水量的多少。此外，有机溶剂中含水量直接影响着有机溶剂的效能，并决定有机化学反应的产物、产率及其反应的选择性，因此，有机溶剂中水含量的测定具有非常重要的意义。在众多的水含量测定方法中，1935年出现的卡尔费休法[1-2]是公认的行业标准分析方法。但是尽管多年来该方法已获得了很大的改进，其在实际应用中仍然受到操作复杂、毒性大、反应速率慢、选择性差以及精密度低等缺点的限制。

众所周知，气相色谱法[3]、分光光度法[4]、近红外技术[5-6]、红外光谱法[7]和荧光法[8]测定水含量的方法已得到广泛的报道。其中，荧光分析法因具有操作简便、快速,灵敏度高，选择性好等优点而被越来越多的科研工作者所青睐，并被应用于构建各种检测对象的光化学传感器，但基于荧光技术测定有机溶剂中水含量的报道仍不多见[9]。

近年来，纳米氧化锌(ZnO)作为一种新型多功能无机材料得到了广泛关注。ZnO具有小尺寸、宏观量子隧道、表面和界面以及量子尺寸等效应，物理化学性质稳定，氧化活性高且廉价易得。同时，纳米级ZnO表现出的特殊荧光性质以及吸收光谱较宽、无毒、实惠等特点使其广泛应用于光学传感器的开发当中。但是，传统的ZnO量子点在水相溶液中不稳定，原因在于水分子能攻击量子点表面的荧光中心进而快速地破坏它们[10]。基于此，许多科研工作者通过连接表面活性基团来改善ZnO量子点的水溶性、荧光稳定性等。在这之中，应用较多的是采用3-氨基丙基三乙氧基硅烷（H2NCH2CH2CH2Si(OC2H5)3，APTES）对ZnO量子点进行包覆，通过APTES的-NH2修饰来提高ZnO的荧光量子产率。同时，包裹后的量子点表面暴露出大量的亲水基团（-NH2，-OH），使ZnO具有良好的水溶性和稳定性。吴杰等[11]在APTES与ZnO最优包覆摩尔比1∶1的条件下，合成了具有水溶性和荧光稳定性的ZnO/氨丙基-硅氧烷量子点。包覆后的ZnO量子点从醇相转到水相后，虽然荧光强度有所下降，但仍然有强烈的荧光发射。但是，人们发现，当继续提高APTES与ZnO的摩尔比，所合成的ZnO@APTES复合材料在水相中反而极其不稳定，少量水便能猝灭量子点的荧光。这可能是因为APTES的氨基具有很高的化学活性，遇水可自催化水解缩合反应。一方面，APTES中的-NH2强烈水解后体系环境呈碱性，可使纳米ZnO溶解形成ZnO2-；另一方面，ZnO中Zn2+可与APTES中的-NH2发生络合反应；这两方面的原因都将导致ZnO@APTES的荧光猝灭。基于此，该文采用在无水环境下合成了的高荧光强度纳米ZnO@APTES复合材料，实现对常见有机溶剂乙醇中水含量的检测。同时，将纳米ZnO@APTES复合材料修饰于毛细管内壁，利用毛细现象自动吸取样品，并借助被测样品中水与管壁上APTES的水解反应引起ZnO荧光强度的变化，实现对样品中水含量的定量分析，取得了满意的结果。该方法具有简单、快速、成本低等优点，可望实际推广应用于各种有机试剂中水含量的检测。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

CUV-10紫外透射仪（上海勤翔科学仪器有限公司），荧光光谱仪FluoroMax-4（HORIBA Scientific，带有固相荧光测定支架），KQ-100B型超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司），FA2004N电子分析天平（上海菁海仪器有限公司），VORTEX3漩涡混匀器（广州仪科实验室技术有限公司），全自动超纯水仪(成都超纯科技有限公司)，磁力加热搅拌器（金坛市金城国盛实验仪器厂）。

氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES，98%，国药集团化学试剂有限公司)，其余试剂包括二水合醋酸锌（天津市恒星化学试剂制造有限公司）、无水乙醇（天津市富宇精细化工有限公司）、水合氢氧化锂（天津市富宇精细化工有限公司）均为分析纯。实验用水均为二次去离子水。

1.2 ZnO@APTES荧光复合材料的制备

利用无水乙醇配制120 mmol/L Zn(CH3COO)2·2H2O，加热使其溶解，当溶液呈澄清透明状，停止加热并使其自然冷却。取50 mL Zn(CH3COO)2· 2H2O，在超声环境下缓慢加入LiOH·H2O（190 mmol/L，无水乙醇溶解），使混合物pH在7.5左右，避光搅拌过夜即可得到ZnO量子点。然后，以无水乙醇配制2 mL 20%APTES溶液，加入等体积ZnO量子点，避光搅拌过夜，即得到纳米ZnO@APTES荧光复合材料。

1.3 水含量的荧光传感测定

采用2 mol/L NaOH的乙醇溶液清洗毛细管的内外管壁,再用超纯水清洗,最后放入40℃烘箱中烘干待用。将预处理好的毛细管用ZnO@APTES溶液浸泡12 h，取出用无水乙醇清洗后吹干，完成毛细管氨基硅烷化，使其内壁表面带上纳米ZnO@APTES复合材料。将修饰好的毛细管插入含有不同质量分数水的待测溶液中以自动取样，之后测定其固相荧光强度变化。水对ZnO@APTES的猝灭效率根据方程式计算：猝灭效率=（F0-F）/F0。其中F0和F分别指加入含水乙醇反应前后ZnO@APTES的荧光强度（λem= 525 nm）。

2 结果与讨论

2.1 纳米ZnO@APTES复合材料的荧光性能及其用于水含量检测的可行性研究

如图1A所示，ZnO量子点在波长520 nm处有一强而宽的绿色发射峰。关于纳米ZnO可见荧光的产生机理尽管还存在不少争议，但普遍认为粒径极小、比表面积高的ZnO量子点存在着大量的O2-/O-空位点缺陷，它们通过俘获空穴与含有一个电子的氧空位能级生成深能级复合中心，之后表面浅能级俘获的电子与表面深能级俘获的空穴在深能级复合中心进行复合，产生可见荧光发射[12]。

ZnO量子点被APTES包覆过程中，ZnO核粒径增大，导致其荧光发射出现轻微红移(从520 nm转移到525 nm)，而且硅烷化包覆后的ZnO荧光强度明显增强（图1A和C）。ZnO量子点具有表面缺陷荧光发射的特性，已有研究证实SiO2修饰能有效减少ZnO量子点的表面缺陷，降低其可见荧光的发射强度[13-14]。因此，APTES包覆是通过-NH2修饰在ZnO量子点的表面，提高其荧光量子产率。

图1 不同反应溶液的荧光光谱图：（A）ZnO；（B）ZnO+ 5.0%H2O；（C）ZnO@APTES；（D）ZnO@APTES+5.0%H2O以及对应产物溶液照片Fig.1Fluorescence spectra of different reaction solutions of（A）ZnO;（B）ZnO+5%H2O;（C）ZnO@APTES;（D）ZnO@APTES+5%H2O and the photographs of corresponding reaction product solutions

为了验证利用纳米ZnO@APTES复合材料来检测水含量的可行性，实验在纳米ZnO以及纳米ZnO@APTES复合材料中加入等体积的水，检测其荧光强度，结果如图1所示。裸ZnO遇水后荧光强度下降（图1A和B），这是因为一般溶胶凝胶法制备的胶体ZnO量子点不稳定，粒径会随着时间的推移不断增长，同时，ZnO量子点的荧光在水相环境中易于被猝灭。但是由于ZnO量子产率低，因此加入水后其荧光猝灭强度不大，对水的检测灵敏度低；特别是，纳米ZnO@APTES复合材料具有高强度荧光，包覆在纳米ZnO表面的APTES遇水后强烈水解，进而与Zn2+络合，导致复合材料在400～440 nm范围的荧光发射峰强度增大，同时，其在525 nm处的荧光发射峰强度发生规律性下降（图1C和D），证明基于纳米ZnO@APTES复合材料的新方法可实现对水含量的高灵敏检测。

2.2 实验条件的优化

2.2.1 APTES质量分数的选择

APTES的浓度对纳米ZnO@APTES复合材料的荧光性能有很大影响。利用无水乙醇配制质量分数分别为5%，10%，15%，20%，25%的APTES溶液，并将其用于纳米ZnO的表面包裹（对应APTES和ZnO的摩尔比分别为1.88∶1.00，3.77∶1.00，5.66∶1.00，7.54∶1.00，9.43∶1.00）。

由图2可知，纳米ZnO的水溶性较差，在水相溶液中易于析出絮状白色沉淀；利用APTES包覆纳米ZnO，当APTES和ZnO的摩尔比在1.88∶1.00～5.66∶1.00的范围内，合成的复合材料溶液浑浊，且荧光强度弱。此前的研究发现[11]，利用不同APTES的量对ZnO量子点进行包覆，当包覆层中的硅原子与核中锌原子摩尔比n(Si)∶n(Zn)在0.25∶1.00～1.75∶1.00的范围内时，其荧光强度呈现出先增大后减小的趋势，其中在摩尔比n(Si)∶n(Zn)=1∶1时强度达到最大。由此可推断，适量的APTES包覆可增强ZnO量子点的荧光性能，而过量的APTES（5%～15%）使包覆层过厚，从而降低其在水中的分散性，溶液变浑浊，同时荧光强度减弱。有趣的是，当增大APTES与ZnO摩尔比至7.54∶1.00，溶液将会由浑浊重新变为澄清，且荧光发射增强。推测这是由于APTES浓度很大时，高浓度-NH2会与ZnOAPTES复合物上的Zn2+络合而“刻蚀”ZnO量子点，使其颗粒变小，导致荧光增强，同时溶液因ZnO-APTES复合物的溶解而变为澄清。而当APTES浓度继续增大至25%，即n（APTES）∶n（ZnO）=9.43∶1时，部分ZnO量子点会因“刻蚀”过度而溶解，引起复合物的荧光强度下降甚至消失。鉴此，该实验选择的最佳APTES质量分数为20%。

图2 （A）自然光和（B）紫外光下含有不同浓度APTES的ZnO@APTES溶液图片；（C）APTES浓度对所合成纳米复合材料荧光强度的影响Fig.2Photographs of ZnO@APTES nanocomposites with different concentrations of APTES under the(A)natural light and(B)UV light;(C)Effects of APTES concentrations on the fluorescence intensities of the as-prepared nanocomposites

2.2.2 ZnO@APTES复合材料浓度的选择

ZnO@APTES复合材料的浓度是影响灵敏度的一个重要因素。将含有60.0 mmol/L ZnO的 ZnO@APTES依次稀释2、5、10、15、20、25倍，分别与含水量10%的乙醇溶液反应，进而通过测定加水前后对应ZnO@APTES的荧光强度变化计算其荧光猝灭率，并以猝灭率对ZnO@APTES所含的ZnO浓度作图，结果如图3所示。当ZnO@APTES稀释10倍，即所含ZnO浓度为6.0 mmol/L时，发现其荧光猝灭值最大，表明其检测水的灵敏度最高，故选择稀释10倍的ZnO@APTES溶液用于本文中水含量分析。

图3 （A）不同稀释倍数的ZnO@APTES与含水量10%乙醇溶液反应前（上行）后（下行）的产物溶液的荧光照片（从左至右ZnO浓度依次为60.0,30.0,12.0,6.0,4.0,3.0,2.4 mmol/L）；（B）不同ZnO@APTES浓度检测含水量10%乙醇时反应溶液的荧光猝灭率变化图Fig.3(A)Fluorescent photographs of the reaction solutions of ZnO@APTES with different concentrations before (upper)and after(lower)adding 10%water in ethanol samples(from left to right are 60.0,30.0,12.0,6.0,4.0,3.0, 2.4 mmol/L ZnO);(B)the fluorescence quenching efficiencies of ZnO@APTES of different concentrations with 10% water in ethanol

2.3 乙醇中水含量的检测

在最优的实验条件下，用荧光法测定了所制备传感器对乙醇中不同质量分数水的响应特性。当纳米ZnO@APTES复合材料接触水后，APTES的水解产物会使ZnO溶解，从而导致荧光猝灭。如图4所示，图4A、B分别为在普通试管、毛细管中进行检测得到的荧光光谱图以及对应溶液荧光变化照片。在激发波长340 nm下，纳米ZnO@APTES复合材料在525 nm处有一最大发射峰。随着乙醇中含水量的增大，该发射峰强度下降，在紫外灯照射下相应的溶液颜色也因荧光猝灭而由黄色逐渐变为紫色。

图4 （A）试管和（B）毛细管中不同含水量的乙醇溶液与纳米ZnO@APTES作用的荧光光谱图及其对应产物溶液照片Fig.4Fluorescence spectra of ZnO@APTES with different water contents in ethanol in the(A)test tubes and(B) capillary tubes with the photographs of corresponding product solutions

分别在试管和毛细管中进行对比性检测水含量，并以荧光猝灭率对乙醇中水的质量分数作线性关系图，结果如图5所示。实验发现二者的荧光猝灭效率与乙醇中含水量分别在0.5%～40 %和5.0%～30%的范围内呈现良好的线性关系。其中，试管中线性回归方程为：y=0.80x+11.76，相关系数0.9958；毛细管中线性回归方程为：y= 1.82x-3.24，相关系数0.9987。结果表明，基于荧光毛细管的传感器其检测乙醇中水含量的性能与基于普通试管的荧光分析法相近。

图5 （A）试管和（B）毛细管中ZnO@APTES荧光猝灭率与含水量的校正曲线Fig.5The calibration curves describing the relationship between the fluorescence quenching efficiencies of ZnO@APTES and water levels in the(A)test tubes and(B)capillary tubes

3 结论

该文研究了一种快速、简单、灵敏的荧光毛细管传感器，用于有机试剂（如乙醇）中水含量的速测。利用高浓度APTES包裹ZnO量子点，首次制备出对水高度敏感的纳米ZnO@APTES荧光复合材料，进而成功地将之修饰到毛细管内壁，并借助毛细现象自动吸取待测样品，实现了对乙醇中水含量的高灵敏分析。该工作通过制备高荧光强度的纳米ZnO复合材料，以及结合便宜易得的毛细管，构建成高性能的荧光毛细管传感器，可望为各种有机溶剂中水含量分析提供了一种新的检测途径。

[1]Dantan N,Frenzel W,Küppers S.Determination of water traces in various organic solvents using Karl Fischer method under FIA conditions[J].Talanta,2000,52(1): 101-109.

[2]王维通.痕量水分析法[M].北京:科学出版社,1982. 83-89.

[3]赵桂兰,庞世敏.填充柱气相色谱法测定有机溶剂中的水[J].广东化工,2009,08:215-216.

[4]李桂芝,刘永明.有机溶剂中水的分光光度法测定[J].光谱学与光谱分析,2004,01:122-124.

[5]张玉荣,付玲,周显青.基于BP神经网络小麦含水量的近红外检测方法[J].河南工业大学学报(自然科学版),2013,01:17-20.

[6]李凤瑞,肖宝兰,唐玉国,等.应用近红外光谱方法在线测定煤中水分[J].电站系统工程,2003,06:19-20.

[7]郭霞,史爱峰,石立杰,等.基于光栅红外光谱法的润滑油溶解水含量现场定量检测[J].润滑与密封, 2015,12:139-142.

[8]Niu C,Li L,Qin P,et al.Determination of water content inorganicsolventsbynaphthalimidederivative fluorescent probe[J].Analytical Sciences,2010,26(6): 671-674.

[9]武亚明.有机溶剂中微量水测量方法简述[J].中小企业管理与科技(上旬刊),2010,12:318.

[10]Jana N R,Yu H,Ali E M,et al.Controlled photostability of luminescent nanocrystalline ZnO solution for selective detection of aldehydes[J].Chemical Communications, 2007，14:1406-1408.

[11]吴杰,迟燕华,庄稼.水溶性ZnO/氨丙基-硅氧烷量子点的合成与荧光特性[J].无机化学学报,2010,07: 1199-1206.

[12]Van Dijken A,Meulenkamp E A,Vanmaekelbergh D,et al.The luminescence of nanocrystalline ZnO particles: the mechanism of the ultraviolet and visible emission[J]. J.Lumin,2000,87:454-456.

[13]Dahan M,Levi S,Luccardini C,et al.Diffusion dynamics of glycine receptors revealed by single-quantum dot tracking[J].Science,2003,302(5644):442-445.

[14]Gerion D,Pinaud F,Williams S C,et al.Synthesis and properties of biocompatible water-soluble silica-coated CdSe/ZnS semiconductor quantum dots[J].The Journal of Physical Chemistry B,2001,105(37):8861-8871.

A ZnO quantum dots-based fluorescent sensor with capillary tubes for the detection of water content in organic solvents

Yang Jia-ni1,Li Shu-ying1,Duan Zhi-qiang1,2,Lu Ye1,Liu Bing-qing1,Lv Li2,Wang Hua1,2*
(1.The Key Laboratory of Life-Organic Analysis,Qufu Normal University,Qufu 273165,China) (2.Jining Functional Materials and Monitoring DevicesE&TCenter,Jining 272000,China)

In this paper,ZnO quantum dots were encapsulated into 3-aminopropyl-triethoxysilane(APTES)with high concentrations,resulting in the ZnO@APTES nanocomposites with high fluorescence and high sensitivity to water.The resulted nanocomposites were coated onto the inner surface of capillary tubes as the detection platform toward the detection of H2O content in organic solvents,where the sample solutions were automatically sucked into the capillary tubes by the capillarity.The ZnO fluorescence of ZnO@APTES could be dramatically quenched by water, of which the fluorescent quenching efficiencies could depend on the water levels in organic solvents.A ZnO@APTES-based fluorimetric method with capillary tubes was thus developed for the detection of water in ethanol as a solvent example.Under the optimal experimental conditions,the determination of water contents could be realized in the linear range of 5.0%～30%.

ZnO@APTES nanocomposites;ZnO quantum dots;capillary tubes;fluorescence sensor;water analysis

国家自然科学基金（21375075,21675099）和山东省“泰山学者”建设工程基金资助

*通信联系人,E-mail:huawang_qfnu@126.com