基于Mn掺杂ZnS量子点室温磷光法测定水样中百草枯

李 艳，苗艳明，杨茂青，武宇霞，闫桂琴

(山西师范大学生命科学学院，山西临汾 041000)

随着对量子点(Quantum Dots,QDs)研究的不断深入，量子点的室温磷光(Room Temperature Phosphorscence,RTP)性质及其应用已成为一大热点[1 - 4]。室温磷光检测法无需添加任何除氧剂和诱导剂等复杂的前处理过程[1]。相对于荧光检测选择性更强[5]，可以有效避免生物体液的背景荧光和散射光干扰[6,7]，同时室温磷光可以避免激发光谱和发射光谱重叠[7]。因此，室温磷光检测法具有广阔的应用前景。

百草枯(1，1-二甲基-4，4-联吡啶二氯化物)(Paraquat，PQ)作为一种非选择性除草剂，可以通过植物进入食品、饮用水、农田等领域[8]，其毒性很强，极少的量就可以将人、动物致死[9]。因此，构建一种简单、快速检测百草枯含量的方法显得尤为重要。目前，已经有许多方法用于测定百草枯，包括荧光光谱法[10]、分光光度法[11]、拉曼光谱法[12]、气相色谱-质谱法[13]、高效液相色谱法[14]、电化学法[15]、毛细管电泳法[16]等。而磷光光谱测定法是一种简单、灵敏的分析方法，已广泛应用于各个领域[17，18]。迄今为止，基于量子点磷光性质检测百草枯含量的方法鲜有报道。本文通过具有磷光性质的3-巯基丙酸(3-Mercaptopropionic Acid,MPA)包裹的Mn掺杂ZnS QDs对水样中百草枯进行分析检测。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

通过Cary Eclipse荧光分光光度计(美国,瓦里安)对磷光进行测定。通过pH酸度计(上海雷磁)对pH值进行测定。通过Cary Eclipse荧光分光光度计(美国,瓦里安)对共振光散射(Resonanee Light Seattering，RLS)信号进行测定(△λ=0；扫描波长200～700 nm)。

制备量子点的MPA购于北京J &K科技公司。Zn(Ac)2·2H2O、Mn(Ac)2·4H2O和Na2S·9H2O均购于天津Kermel化学试剂公司。PQ购于北京百灵威科技公司。高纯水(18.2 MΩ·cm)采用WaterPro水纯化系统(美国，Labconco公司)制备。

水样取自临汾市的自来水、矿泉水。将水样通过0.45 μm滤膜过滤，且不做其它任何处理。

1.2 Mn掺杂的ZnS QDs的合成

Mn掺杂ZnS QDs的合成参照文献方法[19]。首先，在三颈瓶中加入5 mL 0.1 mol/L的Zn(Ac)2，2 mL 0.01 mol/L的Mn(Ac)2和50 mL 0.04 mol/L的MPA，用1 mol/L NaOH溶液调节pH至11，室温下通入氩气磁力搅拌30 min，保证MPA与Zn2+和Mn2+充分络合。然后，在隔绝氧气的条件下用注射器注入5 mL 0.1 mol/L Na2S，搅拌20 min后，在50 ℃的空气环境下陈化2 h，用等体积的无水乙醇洗涤，沉淀、离心后，放入真空干燥箱内干燥24 h，所得粉末即为合成的量子点。

1.3 实验测定

将一定量MPA包裹的Mn掺杂ZnS QDs溶于水中，制得2.0 mg/mL的溶液，再将一定量PQ溶于水中，制得250 μg/L的溶液，然后在一系列的比色管中依次加入500 μL 20 mmol/L磷酸盐缓冲液(PBS，pH=7.4)，100 μL的量子点溶液，以及不同浓度的PQ溶液，用水定容到5 mL，静止5 min后，在激发波长为295 nm的条件下测定磷光。

1.4 样品检测

首先在10 mL的比色管中依次加入500 μL 0.2 mol/L的PBS，100 μL 2 mg/mL的Mn掺杂ZnS QDs溶液，然后用采集的水样将该混合溶液稀释至刻度，并静置5 min，最后在激发波长为295 nm的条件下进行磷光测定，将上述步骤重复3次。在水样中加入不同量的PQ，通过加标回收试验验证该方法的可行性。

2 结果与讨论

2.1 MPA包裹的Mn掺杂ZnS QDs的合成

通过荧光分光光度计测定该量子点的最大激发波长与发射波长分别为295 nm和590 nm(图1)。hυ1表示由ZnS QDs表面缺陷产生荧光，hυ2则表示Mn2+由4T1-6A1跃迁产生磷光性质。Mn掺杂ZnS QDs在590 nm处有很强的磷光发射峰，是因为激发光被ZnS主体吸收，其电子受到激发，空穴被Mn2+俘获，电子和空穴各自在Mn2+上复合导致Mn2+的激发，然后以磷光形式释放能量。在这一过程中Mn2+发生了从三重态(4T1)到基态(6A1)的跃迁，并在590 nm处发出橙红色的磷光[20]。

该量子点是以有机金属为前体，具有疏水性。在Mn掺杂ZnS QDs表面包裹MPA，MPA带具有双亲性配位基的-SH，使得-SH与量子点表面结合，量子点由油溶转为水溶。如图2所示，量子点表面带有氨基配体溶于油相，包裹MPA后，量子点的金属离子与-SH之间通过强配位作用，使得量子点表面带-COOH官能团，从而溶于水相。此外，由于粒子间的氢键作用，将量子点水溶液调至碱性，使其表面带负电荷，并稳定存在于水相中。对合成的量子点进行电势检测，电势值为-27.5 mV(图3)，这是-COOH存在使得Mn掺杂ZnS QDs带负电荷的结果。进一步说明MPA包裹到了Mn掺杂ZnS QDs表面。

2.2 PQ检测条件优化

2.2.1pH对体系RTP的影响pH值对量子点表面的电子态以及量子点中Mn2+的跃迁有重要的影响[21]。本实验用PBS配制不同pH值的量子点溶液，结果表明，Mn掺杂的ZnS QDs的磷光强度随着pH值的增加而增加，与文献结果一致[22]。加入PQ，pH值对体系RTP强度影响较大，pH=4.5～6.5时体系RTP逐渐增强，pH=6.5～7.5时体系RTP趋于平稳，pH=7.5～9.0时体系RTP逐渐下降(图4)。鉴于人体生理体系将7.4选为最佳pH值。

2.2.2时间对体系RTP的影响未加百草枯之前，Mn掺杂ZnS QDs的RTP几乎不受时间的影响；加入百草枯后，Mn掺杂ZnS QDs/PQ体系在30 min内RTP趋于稳定(图4)。PQ对Mn掺杂ZnS QDs的磷光强度有很强的猝灭效应，随着溶液中PQ浓度的不断增加，磷光强度逐渐减弱，且猝灭明显(图5a)，因此可以通过磷光猝灭效应灵敏地检测水溶液中的PQ。

2.3 Mn掺杂ZnS QDs对PQ的RTP响应

在最佳条件下，磷光猝灭强度(P0/P)与PQ浓度之间呈良好的线性关系(图5a插图)，其线性关系为:P0/P=0.066cPQ+0.866(R=0.994)。该方法的线性范围为2.5～50 μg/L，检出限(3σ)为0.769 μg/L。图5b表示Mn掺杂ZnS QDs与PQ的共振光散射光谱，Mn掺杂ZnS QDs浓度一定的情况下，随着PQ浓度的增加，共振光散射强度逐渐增强。未加PQ时RLS较弱，随着PQ浓度的不断增加，由于阴离子与PQ阳离子的静电引力作用形成疏水性较强的化合物，在疏水作用与分子间作用力下，量子点与PQ聚集形成纳米复合物，使得体系RLS急剧增强。

2.4 PQ与Mn掺杂ZnS QDs的作用机理研究

随着PQ浓度的不断增加，磷光强度明显被猝灭，表明Mn掺杂ZnS QDs与PQ之间发生了相互作用。磷光猝灭过程通常分为动态猝灭和静态猝灭两类，动态猝灭过程遵从Stem-Volmer方程(方程1)。静态猝灭过程遵从Lineweaver-Burk双倒数函数曲线(方程2)[23]

P0/P=1+KSVcq

(1)

1/(P0-P)=1/P0+KLB/(P0cq)

(2)

其中，P0代表磷光体的磷光强度，P代表加入磷光猝灭剂后体系的磷光强度，cq为猝灭剂浓度。KSV为Stem-Volmer常数，KLB是静态猝灭结合常数。图6为实验数据拟合出来的曲线，结果表明P0/P与PQ的浓度关系符合Stem-Volmer方程，由此推测Mn掺杂ZnS QDs与PQ之间符合动态猝灭。

由于MPA包裹的Mn掺杂ZnS QDs带有负电荷，PQ分子带有两个正电荷，通过静电作用可以使Mn掺杂ZnS QDs与PQ分子相互结合，推测其可能的机理如下：

2.5 共存物质的干扰

在PQ为5 μg/L下，考察了一些共存物质的影响。由表1可知，大多数共存物质的相对误差在5%以下；只有草甘膦、敌敌畏的相对误差分别为7.3%、5.9%。表明该方法对PQ具有很好的选择性。

表1 共存物质的影响(含百草枯5 μg/L)

2.6 样品分析

用Mn掺杂ZnS QDs检测水样中PQ的浓度，水样不需要任何复杂的预处理，加标水样测定的回收率为87%～98%，结果见表2。

表2 基于Mn掺杂ZnS量子点在水样中对PQ的应用检测

3 结论

构建了一种基于MPA包裹的Mn掺杂ZnS QDs室温磷光猝灭法检测水样中PQ浓度的分析方法，该方法检测范围宽，检出限低，适用于不同水体中痕量PQ的检测。