段玉嬌，李文婷，申前進(jìn)，晉衛(wèi)軍

（北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，北京100875）

0 引言

由于量子點(diǎn)優(yōu)異的熒光性質(zhì)，基于量子點(diǎn)的熒光分析法的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，而量子點(diǎn)的磷光性質(zhì)及其在分析檢測中的應(yīng)用得到的關(guān)注仍然較少。相對于熒光分析法，室溫磷光法(Roomtemperature phosphorescence,RTP)具有很多的優(yōu)點(diǎn)：磷光相對于熒光是一種更為少見的現(xiàn)象，因此進(jìn)行檢測時的選擇性得到進(jìn)一步的增強(qiáng)[1]；磷光壽命比熒光長，因此在進(jìn)行磷光檢測時可以避免自體熒光和散射光的干擾，且對儀器的要求低，磷光壽命的測量比熒光壽命測量更簡便[2]?，F(xiàn)如今，RTP方法已廣泛用于藥物分析、環(huán)境中殺蟲劑和多環(huán)芳烴的檢測，以及手性識別等[3～7]，但利用量子點(diǎn)磷光對于重金屬離子的RTP檢測還報(bào)道較少。

具有磷光性質(zhì)的量子點(diǎn)較少，常見于摻雜型的量子點(diǎn)。摻雜型量子點(diǎn)指的是在單純的量子點(diǎn)內(nèi)部引入過渡金屬離子或稀土離子雜質(zhì)形成的復(fù)合型量子點(diǎn)，通常引入的雜質(zhì)離子是少量或微量的，一般不改變母體的晶體結(jié)構(gòu)。摻雜進(jìn)入母體量子點(diǎn)晶格的雜質(zhì)離子會產(chǎn)生新的電子能級或?qū)δ阁w的電子能級產(chǎn)生微擾，形成新的電子－空穴復(fù)合中心，從而使摻雜型量子點(diǎn)具有全新的光學(xué)性質(zhì)。大多數(shù)的摻雜型半導(dǎo)體都具有較強(qiáng)的磷光發(fā)射，是重要的磷光材料，在顯示器件中有廣泛的應(yīng)用，而目前在水溶液中利用量子點(diǎn)的磷光性質(zhì)進(jìn)行分析、檢測的報(bào)道還比較少[1,8～11]。南開大學(xué)嚴(yán)秀平組在這方面做了很多的探索工作：利用依諾沙星猝滅3-巰基丙酸修飾的ZnS:Mn量子點(diǎn)磷光的性質(zhì)，建立了依諾沙星的RTP檢測方法，并應(yīng)用于尿樣分析[1]；利用維生素C能增強(qiáng)三聚磷酸鹽修飾的ZnS:Mn量子點(diǎn)磷光的性質(zhì)檢測維生素 C[8]；利用 OA-POSS（Octa(3-aminopropyl)octasilsequioxane Octahydrochloride）自組裝3-巰基丙酸修飾的ZnS:Mn量子點(diǎn)檢測DNA[9]；將葡萄糖氧化酶和3-巰基丙酸修飾的ZnS:Mn量子點(diǎn)偶聯(lián)，用此偶聯(lián)物檢測葡萄糖[10]。

該文合成了兩種分別以3-巰基丙酸修飾和L-半胱氨酸修飾的水溶性ZnS:Mn量子點(diǎn)，探索了幾種人們比較關(guān)心的金屬離子與這兩種磷光量子點(diǎn)的相互作用機(jī)理。同時，試圖澄清文獻(xiàn)中對猝滅機(jī)理的一些誤判。再者，就金屬離子磷光傳感器設(shè)計(jì)而言，傳統(tǒng)的RTP檢測方法需要將磷光體固定在固體基質(zhì)上或者在含有除氧劑和誘導(dǎo)劑的流體中才能進(jìn)行[12]，而基于ZnS摻雜Mn量子點(diǎn)的RTP法在水溶液中進(jìn)行檢測時不需加入任何除氧劑和誘導(dǎo)劑，方法簡便快捷。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

Varian Cary Eclipse熒光分光光度計(jì)，以磷光模式測量。Cinitrate10e型 （GBC Corporation of Australia）紫外-可見分光光度計(jì)，10×10 mm 比色皿。Avatar 360傅里葉紅外光譜儀（美國尼科萊公司）。ESR300E型電子順磁共振儀 （德國Bruker公司）。

3-巰基丙酸（3-MPA，99%）購自 Alfa-aesar。氯化鎘（CdCl2·2.5H2O），氯化銅（CuCl2·2H2O），硝酸鉛（Pb(NO3)2），氯化鐵（FeCl3），氯化汞（HgCl2），氯化鎂（MgCl2·H2O），氯化鈷（CoCl2·6H2O），氯化錳（MnCl2·4H2O），硝酸鋅（ZnNO3·6H2O），硫化鈉（Na2S·9H2O），L-半胱氨酸（L-cysteine）均為分析純，購自國藥集團(tuán)。鹽酸、乙醇、氫氧化鈉購自北京化工廠。實(shí)驗(yàn)用水為電阻率大于18 MΩ·cm的二次蒸餾水。

1.2 水溶性ZnS摻Mn量子點(diǎn)的合成

ZnS:Mn 量子點(diǎn)通過 Zn2+、Mn2+離子和 S2-離子的共沉淀反應(yīng)制備，并利用3-MPA作為穩(wěn)定劑。參考文獻(xiàn)[13]，采用水相法合成摻雜3%Mn（相對于 Zn而言）的 ZnS摻 Mn量子點(diǎn)。將 0.15 g ZnNO3·6H2O 和 175 μL 3-MPA 加 入 50mL 二 次水中，用0.5 mol/L NaOH溶液將pH調(diào)至11，通氮?dú)?0 min。在10mL水中通入氮?dú)? min后，加入 20 mg MnCl2·4H2O，用注射器取 1.5mL 注入上述燒瓶中，溶液繼續(xù)通氮?dú)?0 min。同時在5mL水中通入氮?dú)? min后，加入120 mg Na2S·9H2O，用注射器將Na2S溶液全部注入，接著繼續(xù)通氮?dú)?0 min，得到了量子點(diǎn)的初始溶液，將燒瓶放在50℃水浴鍋中暴露在空氣中陳化2 h，不斷攪拌。由此可得3-MPA修飾的ZnS摻Mn量子點(diǎn)。加入等量無水乙醇，沉淀出量子點(diǎn)。離心棄去未反應(yīng)的離子和雜質(zhì)，真空干燥，用二次水溶解，即得到具有磷光性質(zhì)的量子點(diǎn)溶液。L-cysteine修飾的ZnS摻Mn量子點(diǎn)也采用相同的方法合成，L-cysteine 用量為 0.25 g。

1.3 水溶性ZnS摻Mn量子點(diǎn)對金屬離子的響應(yīng)

配制 Cu2+，Pb2+，F(xiàn)e3+，Hg2+，Co2+，Cd2+，Mn2+等七種離子的溶液，摸索適宜濃度，向一定量ZnS摻Mn量子點(diǎn)溶液中逐量加入金屬離子，測定量子點(diǎn)猝滅前后的磷光及磷光壽命，并對磷光相對強(qiáng)度I0/I和磷光壽命比值τ0/τ與離子濃度的關(guān)系進(jìn)行擬合。

2 結(jié)果和討論

2.1 紅外光譜和電子自旋共振譜

圖1所示為3-MPA和L-Cysteine修飾的ZnS摻Mn量子點(diǎn)的紅外吸收譜，量子點(diǎn)的紅外譜圖相對于3-MPA有明顯差異：3-巰基丙酸2 500 cm-1處的強(qiáng)S-H吸收峰明顯減弱，證明3-MPA通過S-Cd鍵與量子點(diǎn)表面鍵合；3-MPA 3 000 cm-1處強(qiáng)的羥基吸收峰移動至3 400 cm-1，說明3-MPA中締合的羥基在修飾到量子點(diǎn)表面后變成了游離羥基，造成了藍(lán)移。3-MPA與量子點(diǎn)的結(jié)合很緊密，多次離心、洗滌依然能結(jié)合在量子點(diǎn)表面[14]。L-Cysteine修飾的ZnS摻Mn量子點(diǎn)的紅外譜圖相對于L-Cysteine也有明顯差異，說明L-Cysteine也已修飾到量子點(diǎn)表面。

圖1 (a)3-MPA和(b)L-cysteine修飾的ZnS摻Mn量子點(diǎn)的紅外吸收譜Fig.1 FT-IR spectra of(a)3-MPA and(b)L-cysteine capped ZnS:Mn QDs

圖2為3-MPA修飾的ZnS:Mn QD的電子順磁共振譜圖。Mn2+的最外層電子構(gòu)型為3d5，有未成對電子，所以能產(chǎn)生電子順磁共振。從圖2中可見，譜圖為6重峰，為典型的Mn2+的電子順磁共振譜圖。為了更明顯地檢測到Mn2+的順磁信號，樣品中Mn2+的比例增加到20%。

圖2 3-MPA修飾的ZnS摻Mn量子點(diǎn)（20%Mn）的電子順磁共振譜Fig.2 EPR spectrum of 3-MPA capped ZnS:Mn QDs

2.2 水溶性ZnS摻Mn磷光量子點(diǎn)對金屬離子的猝滅響應(yīng)

在發(fā)光量子點(diǎn)傳感器設(shè)計(jì)中，3-MPA和LCysteine是兩類常見修飾劑的代表。由兩種修飾劑修飾的ZnS摻Mn量子點(diǎn)磷光激發(fā)和發(fā)射峰分別位于310 nm和590 nm處。ZnS量子點(diǎn)只有缺陷態(tài)的發(fā)光，而Mn摻雜的ZnS量子點(diǎn)才會發(fā)射磷光，其起源于 Mn2+的4T1－6A1躍遷[15]，激發(fā)光被ZnS體相吸收后，使其電子受到激發(fā)，空穴則被Mn2+離子俘獲，電子和空穴在Mn離子上復(fù)合導(dǎo)致磷光產(chǎn)生，此發(fā)光不易受溶解氧影響，強(qiáng)度高，信號穩(wěn)定。為了探索磷光量子點(diǎn)對金屬離子的傳感特性，該文試驗(yàn)了七種常見金屬離子對3-MPA和L-Cysteine修飾的ZnS摻Mn2+量子點(diǎn)的響應(yīng)特點(diǎn)，典型的如圖3、圖4所示。

配制1.0×10-2mol/L氯化鈷溶液，向量子點(diǎn)中滴加氯化鈷，隨氯化鈷濃度的增大，磷光強(qiáng)度逐漸減弱，鈷離子濃度由低到高分別是0，0.625，0.937 5， 1.25，1.562 5，1.875， 2.5， 3.125， 3.75，4.375(10-4mol/L)。

配制2.0×10-4mol/L氯化汞溶液，向ZnS量子點(diǎn)中滴加氯化汞，隨氯化汞濃度的增大，磷光強(qiáng)度逐漸減弱，汞離子濃度由低到高分別是0，0.625，1.25， 1.875,2.5， 3.125， 3.75， 4.375， 5，6.25， 7.5， 8.75， 10(10-6mol/L)。

3-MPA修飾的ZnS:Mn QDs對不同金屬離子（Cu2+，F(xiàn)e3+，Co2+，Cd2+濃度為 3.125 ×10-4mol/L，Pb2+，Hg2+濃度為 3.125×10-5mol/L）的猝滅響應(yīng)次序?yàn)?Co2+＞ Pb2+＞ Mn2+＞ Hg2+＞ Cu2+＞ Fe3+＞ Cd2+。L-Cysteine修飾的ZnS:Mn QDs對不同金屬離子（Cu2+，Pb2+，F(xiàn)e3+，Co2+，Cd2+，Mn2+濃度為 3.125×10-5mol/L，Hg2+濃度為 3.125×10-6mol/L） 的猝滅響應(yīng)次序?yàn)?Hg2+＞ Co2+＞ Pb2+＞ Cu2+＞ Cd2+＞Mn2+＞ Fe3+。與3-MPA修飾的ZnS:Mn量子點(diǎn)相比，L-Cysteine修飾的ZnS:Mn量子點(diǎn)靈敏度提高。值得注意的是，Cd2+能增強(qiáng)3-MPA修飾的ZnS:Mn量子點(diǎn)的磷光，卻猝滅L-Cysteine修飾的ZnS:Mn量子點(diǎn)的磷光，而且兩種量子點(diǎn)對七種離子的響應(yīng)靈敏度次序有差異。

圖3 （A）Co2+對3-MPA修飾的ZnS:Mn QD的磷光猝滅譜圖（B）I0/I對Co2+濃度的線性擬合圖（C）τ0/τ對 Co2+濃度的線性擬合圖Fig.3 Effect of increasing concentrations of Co2+on the phosphorescence signal of 3-MPA capped ZnS:Mn QDs(A)quenched phosphorescence spectra,(B)I0/I v.s.[Co2+],(C)τ0/τ v.s.[Co2+]

磷光猝滅過程通常分為動態(tài)猝滅和靜態(tài)猝滅兩類。動態(tài)猝滅是猝滅劑和磷光物質(zhì)的激發(fā)態(tài)分子之間發(fā)生相互作用，導(dǎo)致磷光體磷光強(qiáng)度降低和壽命縮短的過程。這一過程遵從Sterm-Volmer方程 I0/I=1+KSV[Q]或 τ0/τ=1+kqτ0[Q]。其中，I0代表磷光體的磷光強(qiáng)度，I代表加入磷光猝滅劑后體系的磷光強(qiáng)度，[Q]為猝滅劑濃度，KSV為Sterm-Volmer常數(shù)，它反映了磷光分子與磷光猝滅劑在猝滅過程中彼此擴(kuò)散和相互碰撞達(dá)到平衡時的量效關(guān)系，kq為猝滅速率常數(shù)，τ和τ0分別為猝滅劑存在和不存在時候的發(fā)光壽命。靜態(tài)猝滅是指猝滅劑和磷光物質(zhì)在基態(tài)時發(fā)生配位作用，生成不發(fā)光的配合物導(dǎo)致磷光體磷光強(qiáng)度降低的過程。這一過程遵從方程I0/I=1+K[Q]，K是配合物形成常數(shù)，靜態(tài)猝滅的特征是發(fā)光壽命不發(fā)生變化[16]。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，七種離子都改變了量子點(diǎn)的磷光壽命，表明動態(tài)猝滅特征。按照線性或指數(shù)形式擬合的磷光相對強(qiáng)度I0/I和磷光壽命比值τ0/τ與離子濃度的關(guān)系，計(jì)算出KSV和kq，結(jié)果如表1所示。

對3-MPA修飾的量子點(diǎn)而言：Cu2+，F(xiàn)e3+離子對ZnS:Mn量子點(diǎn)的磷光猝滅可用指數(shù)形式擬合，Co2+，Hg2+，Pb2+，Mn2+，Cd2+五種離子對 ZnS:Mn量子點(diǎn)的猝滅可用線性形式擬合。Cu2+，Pb2+，F(xiàn)e3+，Hg2+，Co2+，Mn2+六種離子能有效猝滅量子點(diǎn)的磷光，Cd2+離子能增強(qiáng)量子點(diǎn)磷光。七種離子中，F(xiàn)e3+，Hg2+，Co2+，Mn2+，Pb2+減小了 ZnS:Mn 量子點(diǎn)的

磷光壽命，Cu2+和Cd2+增加了量子點(diǎn)的磷光壽命，將τ0/τ與金屬離子濃度擬合成線性關(guān)系，F(xiàn)e3+，Co2+，Pb2+，Cd2+四種離子線性較好，Hg2+，Cu2+，Mn2+三種離子線性較差。

圖4 （A）Hg2+對L-半胱氨酸修飾的ZnS:Mn QD的磷光猝滅譜圖（B）I0/I對Hg2+濃度的線性擬合圖（C）τ0/τ 對 Hg2+濃度的線性擬合圖Fig.4 Effect of increasing concentrations of Hg2+on the phosphorescence signal of L-Cysteine capped ZnS:Mn QDs(A)quenched phosphorescence spectra,(B)I0/I v.s.[Hg2+],(C)τ0/τ v.s.[Hg2+]

表1 金屬離子對兩種ZnS:Mn量子點(diǎn)猝滅響應(yīng)的KSV和kq值Tab.1 Caculation of KSVand kq

對L-Cysteine修飾的量子點(diǎn)而言：Cu2+離子對ZnS:Mn量子點(diǎn)的磷光猝滅可用指數(shù)形式擬合，F(xiàn)e3+，Co2+，Hg2+，Pb2+，Mn2+，Cd2+六種離子對 ZnS:Mn量子點(diǎn)的猝滅可用線性形式擬合。七種離子都能有效猝滅量子點(diǎn)的磷光，并減小了ZnS:Mn量子點(diǎn)的磷光壽命。除Cd2+外，其它六種離子的τ0/τ與金屬離子濃度可擬合成線性關(guān)系，Cd2+對磷光壽命的影響線性較差。

由表1可見，對于3-MPA修飾的ZnS:Mn量子點(diǎn)，從KSV來看，猝滅程度從大到小依次為Co2+＞ Pb2+＞ Mn2+＞ Hg2+＞ Fe3+＞ Cu2+＞ Cd2+，從 kq來看， 猝滅程度為 Co2+＞ Pb2+＞ Hg2+＞ Fe3+＞ Mn2+＞Cu2+＞Cd2+。對于L-Cystein修飾的ZnS:Mn量子點(diǎn)，從KSV來看，猝滅程度從大到小依次為Hg2+＞Co2+＞ Pb2+＞ Cu2+＞ Cd2+＞ Mn2+＞ Fe3+，從 kq來看，猝滅程度為 Hg2+＞ Co2+＞ Cu2+＞ Pb2+＞ Mn2+＞ Cd2+＞Fe3+。除個別離子外，二者的大小次序基本一致，二者的差異，可能是由于動態(tài)和靜態(tài)猝滅的程度不同。但不管猝滅次序如何，所試驗(yàn)過的幾種金屬離子都能引起磷光壽命的變化，而且都符合Stern-Volmer形式。也就是說，所試驗(yàn)金屬離子的猝滅至少部分是動態(tài)的。

3 結(jié)論

以3-巰基丙酸和L-半胱氨酸為修飾劑合成了水溶性 ZnS:Mn 磷光 量子點(diǎn)，Cu2+，Mn2+，F(xiàn)e3+，Co2+，Pb2+，Hg2+離子能有效猝滅兩種量子點(diǎn)的磷光，Cd2+離子對于兩種量子點(diǎn)的磷光則有差異，它能增強(qiáng)3-MPA修飾的ZnS:Mn量子點(diǎn)的磷光卻猝滅L-Cysteine修飾的ZnS:Mn量子點(diǎn)的磷光。七種離子猝滅方程各有不同，通過測量磷光壽命推斷，猝滅機(jī)理主要為動態(tài)猝滅。

[1]He Y,Wang H F,Yan X P.Exploring Mn-Doped ZnS Quantum Dots for the Room -Temperature Phosphorescence Detection of Enoxacinin Biological Fluids[J].Anal.Chem.,2008,80(10):3 832～3 837.

[2]Hu S,Mao H S,Wang Y.Optical sensing of heavy metal ions in anionic micellar solution using a Pd porphyrin phosphorescent probe[J].Journal of Photochemistry and Photobiology A:Chemistry,2009,204(1):1～6.

[3]Carretero A S,Cruces-Blanco C,Garcia M I R,et al.Simple and rapid determination of the drug naproxen in pharmaceutical preparations by heavy atom-induced room temperature phosphorescence[J],Talanta,1999,50(2):401～407.

[4]Capitan-Vallvey L F,Ramos M D F,Avidad R,et al.Determination of the pesticide morestan by means of a single-use phosphorimetric sensor[J].Anal.Chim.Acta,2001,440(2):131～141.

[5]Jin W J,Liu C S.Luminescence rule of polycyclic aromatic hydrocarbons in micelle-stabilized roomtemperature phosphorescence[J].Anal.Chem.,1993,65(7):863～865.

[6]Murillo P J A,Alanon M A,Alanon P M T.Determination of nafcillin by room temperature phosphorescence[J].Anal.Chim.Acta,2000,423(1):85～93.

[7]Wang Y,Feng T T,Chao J B,et al.Phosphorescence properties and chiral discrimination of camphorquinone enantiomers in the presence of α-cyclodextrin and 1,2-dibromoethane [J].Journal ofPhotochemistry and Photobiology A:Chemistry,2010,212(1):49～55.

[8]Wang H F,Li Y,Wu Y Y,et al.Ascorbic Acid Induced Enhancement of Room Temperature Phosphorescence of Sodium Tripolyphosphate-Capped Mn-Doped ZnS Quantum Dots:Mechanism and Bioprobe Applications[J].Chemistry-A European Journal,2010,16(43):12 988～12 994.

[9]He Y,Wang H F,Yan X P.Self-Assembly of Mn-Doped ZnS Quantum Dots/Octa(3-aminopropyl)octasilsequioxane Octahydrochloride Nanohybrids for Optosensing DNA[J].Chemistry-A European Journal,2009,15(22):5 436～5 440.

[10]Wu P,He Y,Wang H F,et al.Conjugation of Glucose Oxidase onto Mn-Doped ZnS Quantum Dots for Phosphorescent Sensing of Glucose in Biological Fluids[J].Anal.Chem.,2010,82(4):1 427 ～ 1 433.

[11]Thakar R,Chen Y C,Snee P T.Efficient Emission from Core/(Doped)Shell Nanoparticles:Applicationsfor Chemical Sensing[J].Nano Letters,2007,7(11):3 429～3 432.

[12]Zhu C Q,Zhuo S J,Zheng H,et al.Fluorescence enhancement method for the detennination of nucleic acidsusing cationic cyanine as a fluorescence Probe[J].The Analyst,2004,129(3):254～258.

[13]Zhuang J Q,Zhang X D,Wang G,et al.Synthesis of water-soluble ZnS:Mn2+nanocrystals by using mercaptopropionic acid as stabilizer[J].J.Mater.Chem.,2003,13(7):1 853～1 857.

[14]Shang Z B,Wang Y,Jin W J.Triethanolamine-capped CdSe quantum dots as fluorescent sensors for reciprocal recognition of mercury(Ⅱ)and iodide in aqueous solution[J].Talanta,2009,78(2):364～369.

[15]Chung J H,Ah C S,Jang D J.Formation and distinetive decay times of surface and lattice bound Mn2+imputy luminescence in ZnS nanoparticles[J].J.Phys.Chem.B,2001,105(19):4 128～4 132.

[16]朱若華，晉衛(wèi)軍.室溫磷光分析法原理與應(yīng)用[M]，北京：科學(xué)出版社，2006.