硒化镉量子点的合成及其对痕量铅离子的检测研究

张 辉, 吴李花, 邓 超, 陈 怡, 林春绵



硒化镉量子点的合成及其对痕量铅离子的检测研究

张 辉1, 吴李花2, 邓 超1, 陈 怡1, 林春绵2

(1. 浙江省计量科学研究院, 浙江杭州 310018; 2. 浙江工业大学环境学院, 浙江杭州 310014)

研究制备了-半胱氨酸(-cys)修饰的硒化镉(CdSe)量子点，并以该量子点为荧光探针检测水中痕量Pb2+。考察了量子点浓度(5.2×10-3~5.2×10-5mol×L-1)、反应时间(0~75 min)、pH(7.3~9)和干扰离子(Na+、K+、Ca2+等)等因素对Pb2+测定的影响。研究发现，当量子点的浓度为5.2×10-4mol×L-1，pH值为8.0，反应时间为30 min时，检测效果最优，此条件下Pb2+的检测线性区间为0.05~10 mg×L-1，检出限为0.02 mg×L-1。

硒化镉；量子点；荧光探针；铅离子

1 前 言

铅是一种常见的有毒重金属污染物，主要来源于矿山开采、金属冶炼、燃煤、制造和使用铅制品的工矿企业以及汽车尾气排放等。其在人体内半衰期长，即使长期接触低浓度的铅也会导致多种器官和系统受损。人体内铅的主要来源之一就是各种可接触的水，因此检测水中痕量铅离子对保护人体健康和治理环境污染有重要意义[1]。常用的痕量铅离子检测方法有原子吸收光谱法[2,3]、原子荧光光谱法[4,5]、分光光度法[6,7]、电化学分析法[8]等。这些传统的分析技术目前得到了广泛应用，但仍存在一些不足，例如仪器设备昂贵、检测过程较为繁琐，样品预处理复杂，操作要求高等缺点，因此简单、快速、高效、成本低廉的痕量铅离子检测方法是当今社会的研究热点。

量子点(Quantum dots，QDs)作为一种新型荧光探针，具有光学性能优良[9]，抗漂白能力强[10]，光稳定性好[11]等优点，可用来检测环境中的重金属离子[12]。2002年，Chen等[13]报道了经不同修饰剂修饰的CdS QDs可选择性测定Zn2+及Cu2+。Cai等[14]在水相中合成了巯基丁二酸稳定的CdTe QDs，该量子点能检测到水样中痕量级的Ag+，且具有较高的精确度，检出限为54 nmol×L-1。Zheng等[15]用-半胱氨酸修饰的CdSe量子点对Hg2+离子进行了检测。Bu等[16]通过仿生方式用变性牛血清白蛋白(dBSA)包覆CdSe量子点，利用Cu2+对其高灵敏度、高选择性的荧光猝灭作用建立了检测Cu2+的方法，并讨论了荧光猝灭机理。Ali等[17]合成了谷胱甘肽稳定的CdTe和CdZnSe量子点，以此为探针定量检测Pb2+，检出限为20 nmol×L-1。目前国内关于水相合成-半胱氨酸修饰(L-cys)的CdSe量子点对水质痕量Pb2+的检测研究报道较少，本实验基于Pb2+对CdSe量子点荧光有规律的猝灭作用，建立了-cys修饰的CdSe量子点定量检测水溶液中痕量Pb2+的分析方法。

2 实 验

2.1 主要试剂与仪器

试剂：硒粉(Se，纯度为99.9%)，硼氢化钠(NaBH4，纯度为98%)，-半胱氨酸(-cys，纯度为99%)，氯化镉(CdCl2·2.5H2O，纯度为99.0%)，三羟甲基氨基甲烷(tris，纯度≥ 99.9%)，硝酸铅(Pb(NO3)2，纯度99%)及其他无机盐均为分析纯或以上，购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；实验用水均为超纯水。

仪器：Fluoromax-4荧光光谱仪(Horiba Jobin Yvon公司)，UV2600紫外-可见分光光度仪(日本岛津公司)，Vertex70傅里叶红外光谱仪(德国Bruker公司)，300kV高分辨透射电子显微镜(荷兰 Philips-FEI 公司)，AL204电子分析天平(梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司)，Milli-Qintegral5纯水机系统。

2.2 CdSe量子点的制备

(1) NaHSe前驱体的制备。三颈圆底烧瓶中加入60 mL的超纯水，搅拌下通N2除氧30 min，然后保持通N2状态，依次加入0.0198 g(0.25 mmol)的Se粉，0.0189 g(0.5 mmol)的NaBH4，在35~40℃条件下反应至黑色Se粉反应完全，反应溶液由浑浊变澄清，制得NaHSe前驱体，持续保持搅拌和通N2，冷却至室温。

(2) Cd前驱体的制备。三颈圆底烧瓶中加入60 mL的超纯水，搅拌并通N2曝气30 min，然后保持通N2状态，加入氯化镉0.1428 g(0.625 mmol)、-半胱氨酸0.1136 g(0.94 mmol)，充分搅拌后用NaOH调节溶液pH制得Cd前驱体。

(3) CdSe量子点的制备。在通N2的保护状态下，将制备的NaHSe前驱体迅速倒入Cd前驱体中，室温下搅拌反应20 min，然后在50℃水浴锅中加热回流1 h，制得淡黄色透明溶液，此即为-半胱氨酸修饰的CdSe量子点溶液。

2.3 用荧光猝灭法检测水中痕量Pb2+

将上述制备的CdSe量子点用tris缓冲溶液配制成一定浓度的水溶液，再分别配置一系列不同浓度的铅离子溶液，分别取2 mL量子点水溶液和2 mL不同浓度的铅离子溶液于10 mL比色管中，混合均匀，最终量子点的浓度为5.2×10-4mol×L-1，铅离子浓度在0.01~10 mg×L-1，混合溶液静置反应30 min后测定荧光光谱，激发光425 nm，狭缝宽2 nm，扫描范围450~750 nm，在最强峰560 nm处记录发射峰强度，在相同条件下测定空白值0。

3 结果与讨论

3.1 CdSe量子点的表征

3.1.1-半胱氨酸修饰CdSe量子点透射电镜(TEM)分析

量子点的粒径一般在10 nm以下，通常制备的量子点采用透射电子显微镜表征形貌。图1是所制备的水相CdSe 量子点的透射电子显微镜照片。由图1a可知，CdSe 量子点平均尺寸约为2 nm，平面形状近似圆形，分散性较好，没有出现团聚现象。图1b也表明 CdSe量子点晶格清晰，结晶性能良好。

图1 L-cys-CdSe QDs 的透射电镜图(a)和高分辨透射电镜图(b)

3.1.2-半胱氨酸修饰CdSe量子点的光学性质

图2是在上述条件下合成的-cys修饰的CdSe量子点的UV-Vis吸收光谱和荧光发射光谱，从图上可看出，水相条件下合成的CdSe量子点的荧光发射波长在450~750 nm，制备的CdSe量子点UV-Vis吸收峰在395~430 nm，最大吸收峰在417 nm，与荧光最大发射峰(560 nm)相隔大于100 nm，表现出较大的stokes位移。CdSe量子点的吸收边位于430 nm，根据公式(eV) = hc/(为禁带宽度，h为普朗克常数6.626×10-34J·s，c为光速3×10-8m×s-1，为吸收峰波长)可算出相应的禁带宽度为2.88 eV，与CdSe体相材料的吸收边729 nm (1.74 eV)相比[18]，吸收峰发生明显的蓝移，可见随着粒径的减小，量子点表现出明显的量子尺寸效应。

图2 L-cys 修饰CdSe 量子点的UV-Vis 吸收光谱和荧光发射光谱

3.1.3-半胱氨酸修饰CdSe量子点的红外光谱

图3(a)和图3(b)分别是-cys晶体和-cys修饰的CdSe量子点红外谱图。由图3(a)可知，在2500~3000 cm-1有宽的吸收峰(γOH，-COOH)，在1600 cm-1有强的吸收峰(γC=O)，1298~1390 cm-1有较强吸收(γC-O)，940 cm-1有较弱吸收(δOH)，这些表明-COOH的存在，3421 cm-1和3184 cm-1处分别有吸收，表明存在-NH2，2550~2650 cm-1处的峰表示-SH存在。图3(b)与图3(a)对比，3323 cm-1处出现的吸收峰可说明CdSe量子点表面有-NH2，在2500~3000 cm-1附近，羧基(-COOH)中O-H基团的特征吸收峰消失，-C=O基团的吸收峰从1600 cm-1蓝移到1590 cm-1，同时2550~2650 cm-1处表示-SH的特征峰也消失，C-S基团从1062 cm-1蓝移到1045 cm-1，-COO- 也从1421 cm-1蓝移到1402 cm-1，这些变化说明-cys成功地修饰到了CdSe量子点上，巯基和羧基与Cd2+形成共价键，从而使其包裹在量子点表面。无毒的-半胱氨酸对CdSe量子点的修饰，可以增加CdSe量子点的亲水性，使CdSe量子点更稳定地分散在水溶液中，保证其可以用来检测水质中铅离子。

图3 红外谱图

(a)-cysteine (b)-cys- CdSe QDs

3.2 反应参数对-半胱氨酸修饰的量子点荧光性能的影响

3.2.1 反应时间对荧光性能的影响

在反应时间为0，30，60，90，150 min时分别取样，其它实验条件如2.2节所述，以450 nm为激发波长，测得荧光谱图见图4。随着反应时间延长，-半胱氨酸修饰的量子点的荧光性能发生改变。CdSe量子点荧光强度随着加热反应时间的延长先增大后减小，在60 min中时达到最大。根据量子尺寸效应，随着纳米粒子粒径增大，荧光峰的位置会发生红移[19]。由图4插图可知，CdSe量子点最强荧光发射峰位随着反应时间的增加逐渐红移，从570 nm红移到605 nm，表明CdSe纳米晶的尺寸分布逐渐变大。可能是反应刚开始的时候，体系中存在大量Se2-和Cd-L-cys 配合物，量子点生长速度快，但此时颗粒粒径还较小，表面缺陷会比较多，因而荧光强度不高。随着反应进行，Se2-和Cd--cys配合物的浓度不断降低，量子点生长速度变慢，荧光量子产率逐渐上升，荧光增强[20]。

图4 不同反应时间下L-半胱氨酸修饰的CdSe 量子点的荧光光谱图；内插图为不同反应时间下合成的量子点的最强荧光发射波长及对应的荧光强度

3.2.2 回流温度对荧光性能的影响

考察体系回流温度为35，50，65，80和95℃时，体系的荧光强度变化，其他实验条件如2.2所述。从图5可以看出回流温度对荧光强度的影响很显著，50℃时，-cys-CdSe 量子点荧光强度最大，且发射波长发生红移。荧光峰红移表明颗粒生长速度更快，且通过增加温度可获得尺寸更大的量子点，这可由量子点粒子形成动力学来解释，当配体分子解离时，量子点表面暴露部分可继续与溶液中的Cd或Se前驱体反应从而继续生长，较高温度下配位和解离的速度变快，这也导致生长速度变快，从而形成更大粒径的量子点粒子[21]。当温度高于50℃ 时，荧光峰强度反而下降，这可能是此时量子点表面配体解离速度大于粒子生长速度，导致量子点表面缺陷变大，因而荧光强度变弱。因此，为了得到预期粒径的量子点，必须控制反应温度。

图5 不同回流温度下L-半胱氨酸修饰的CdSe 量子点的荧光发光谱图；内插图为不同回流温度下合成的量子点的最强荧光发射波长及其对应的荧光强度

3.3 Pb2+对CdSe量子点猝灭条件优化

3.3.1-半胱氨酸修饰的CdSe量子点浓度的选择

量子点浓度直接影响Pb2+的检测效果，量子点浓度过大时，检测的灵敏度低，检测线性范围宽，而当量子点浓度过低时，检测灵敏度高，但是检测的线性范围窄，因此要选择合适的量子点浓度。为得到最佳的检测灵敏度和线性范围，本实验选择的CdSe量子点浓度为5.2×10-4mol×L-1(以Cd2+计)。

3.3.2 pH值的选择

当溶液呈酸性时，-cys的巯基和羧基质子化，不能稳定地包裹在CdSe量子点表面，降低了量子点的稳定性，因此体系pH的考查范围选在碱性区间。选用量子点浓度为5.2×10-4mol×L-1，铅离子浓度为0.4 mg×L-1，用三羟甲基氨基甲烷(tris)-盐酸缓冲溶液调节量子点溶液pH，考查pH分别为7.3、8、8.5、9时铅离子对量子点溶液荧光猝灭程度的影响，从图6可以看出，随着pH增大，体系荧光猝灭程度先增大后减小，当pH为8时，体系荧光猝灭程度最大。这是因为，在一定的碱性条件下，-cys的巯基与CdSe量子点的配位作用明显，-cys分子带负电[22]，在静电引力的作用下，铅离子更易吸附扩散到量子点表面，引起荧光猝灭；而当pH更高时，则会形成氢氧化物，反而影响铅离子对量子点的猝灭作用。

图6 pH对荧光猝灭程度的影响

图7 反应时间对体系荧光强度变化的影响

3.3.3 反应时间的影响

图7是-cys修饰的CdSe量子点与Pb2+反应过程中荧光猝灭强度随时间变化的趋势图。固定量子点浓度为1.04×10-4mol×L-1，pH = 8，铅离子浓度为0.64 mg×L-1，进行时间选择性实验。从图7可看出，反应刚开始时，体系的荧光猝灭显著增强，从30 min时开始趋于稳定，到40 min时荧光猝灭值基本稳定，反应达到平衡。如果在反应还没有达到平衡就进行测量，对目标Pb2+的检测可能不准确，为了准确快速地测量Pb2+的浓度，实验选择30 min作为检测的时间点。

表1 共存离子对荧光强度的影响

3.4 共存离子对CdSe量子点荧光猝灭的影响

在Pb2+浓度为1 mg×L-1的基础上，以tris缓冲溶液为体系，研究了常见干扰离子对体系荧光猝灭程度的影响，所测数据列于表1。由表可知，520倍的Na+和K+，250倍的NH4+，200倍的Mg2+，80倍的Ca2+，40倍的Ba2+，1倍的Zn2+对Pb2+的测定不干扰，5倍的Cu2+、Fe3+和Mn2+对体系都有较强的猝灭作用，对Pb2+的测定有干扰，针对起干扰作用的离子可添加相应的掩蔽剂来掩蔽其干扰性，这有待后续研究。

图8 Pb2+ 浓度与量子点荧光强度猝灭率(F0/F)间的线性关系

3.5 Pb2+浓度与量子点荧光强度猝灭率(0/)间的线性关系

不同浓度的Pb2+可以按规律不同程度地猝灭-半胱氨酸修饰的CdSe量子点溶液的荧光。按上述优化的实验条件：量子点的浓度为5.2×10-4mol×L-1，pH为8的tris缓冲溶液，反应30 min，测得荧光强度猝灭率(0/)在Pb2+浓度为0.05~10 mg×L-1的线性如图8所示，(0和分别表示添加和不添加Pb2+时CdSe量子点荧光强度，为Pb2+的浓度)。从图8可以看出R2= 0.9981，表明(0/)和Pb2+浓度具有较好的线性关系。说明用量子点的荧光猝灭来检测Pb2+浓度是可行的。经计算本方法的检出限(3δ/k，即以空白的3倍标准偏差除以标准曲线的斜率[23])为0.02 mg×L-1，重复检测0.8 mg×L-1Pb2+的相对标准偏差为1.169% (= 11)。

4 结 论

本研究在水相条件下利用廉价绿色化学试剂合成了-cys修饰的CdSe量子点，根据Pb2+对其荧光的猝灭作用来测定水质中的痕量Pb2+。在最优条件下，量子点荧光强度猝灭率(0/)与Pb2+浓度间存在较好的线性关系，线性相关系数为0.9981，测得Pb2+的线性检测区间为0.05～10 mg×L-1，检出限为0.02 mg×L-1。研究表明以-cys修饰的CdSe量子点为荧光探针检测痕量的Pb2+具有宽的线性区间和高的灵敏度。

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Synthesis of CdSe Quantum Dots and their Application in Trace Lead Ion Detection

ZHANG Hui1, WU Li-hua2, DENG Chao1, CHEN Yi1, LIN Chun-mian2

(1. Zhejiang Province Institute of Metrology, Hangzhou 310018, China;2. College of Environment, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

CdSe quantum dots were synthesized in aqueous solutions and functionalized with-cysteine (-cys-CdSe quantum dots), which were used as fluorescence probe to detect Pb2+. Affecting factors including CdSe quantum dot concentration (5.2×10-3~5.2×10-5mol×L-1), reaction time (0~75 min), pH value (7.3~9) and interfering ions (Na+, K+, Ca2+and so on) were studied. When studied in conditions of tris-HCl buffer with pH = 8.0，-cys-CdSe quantum dots concentration of 5.2×10-4mol×L-1and reaction time of 30 min, the results show that the linear responding Pb2+concentration is 0.05~10 mg×L-1and the detection limit is 0.02 mg×L-1.

CdSe；quantum dots；fluorescence probes；lead ion

1003-9015(2016)05-1184-07

X132

A

10.3969/j.issn.1003-9015.2016.05.029

2016-01-15；

2016-05-12。

浙江省科学技术厅公益技术研究社会发展项目(2014C33053)。

张辉(1979-)，女，河南新乡人，浙江省计量科学研究院副研究员，博士。通讯联系人：林春绵，E-mail：lcm@zjut.edu.cn