趙亞菲， 黃正喜， 李春涯， 張慧娟

(中南民族大學(xué)化學(xué)與材料化學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430074)

環(huán)境中的汞對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人體健康危害極大，即使在低濃度時(shí)其對(duì)微生物和人類也會(huì)產(chǎn)生極大的傷害[1]。相較于經(jīng)典的汞分析方法對(duì)儀器需求較高，或者需要繁瑣的衍生前處理等缺點(diǎn)[2 - 4]，基于量子點(diǎn)(QDs)技術(shù)而建立的熒光光度法測(cè)定Hg2+以其高靈敏度、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注[5 - 8]。而水溶性量子點(diǎn)具有制備過(guò)程簡(jiǎn)便、重復(fù)性好、表面性質(zhì)易于修飾等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[9]。制備水溶性量子點(diǎn)一般采用巰基乙酸、巰基丙酸及巰基乙胺等水溶性巰基化試劑作為穩(wěn)定劑，通過(guò)包覆量子點(diǎn)增強(qiáng)其光學(xué)穩(wěn)定性，但是這類巰基化穩(wěn)定劑都具有較大毒性不利于在生命醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用，因此發(fā)展低毒性穩(wěn)定劑制備水溶性量子點(diǎn)尤為重要[10]。殼聚糖(CTS)及其衍生物一直以生物相容性好、生物可降解性好、安全性高等獨(dú)特性能，在生物材料、藥物緩釋和環(huán)境治理等領(lǐng)域的應(yīng)用中取得了重要進(jìn)展[11,12]。

目前用殼聚糖及其衍生物直接一步法制備水溶性量子點(diǎn)的報(bào)道很少，大多采用的是對(duì)已合成好的水溶性量子點(diǎn)進(jìn)行殼聚糖修飾，對(duì)于降低量子點(diǎn)的毒性有限[13]。Mansur等人報(bào)道了殼聚糖及殼聚糖季銨鹽衍生物一步法合成了殼聚糖包覆CdS QDs，但未應(yīng)用于分析測(cè)定[14]。殼聚糖上的氨基和羥基對(duì)于很多金屬離子都具有配位能力，可能導(dǎo)致制備的水溶性量子點(diǎn)容易受到其他離子干擾，選擇性不強(qiáng)，而巰基對(duì)于某些金屬離子特別是汞具有較強(qiáng)的親和能力可提高水溶性量子點(diǎn)的選擇性和抗干擾性[15，16]。本文采用3-巰基丙酸對(duì)殼聚糖進(jìn)行巰基化改性，將殼聚糖與巰基化穩(wěn)定劑的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，制備出殼聚糖巰基化穩(wěn)定劑，進(jìn)而采用一步法合成出低毒性具有選擇性的巰基化殼聚糖包覆水溶性CdS QDs，并考察所制備量子點(diǎn)的光學(xué)性質(zhì)，建立了熒光猝滅法測(cè)定環(huán)境水樣中的Hg2+。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

NEXUS 470 型智能傅立葉紅外光譜儀(美國(guó)，Nicolet 公司)；VERTEX 70拉曼光譜儀，Bruker D8 X 射線衍射儀(德國(guó)，布魯克公司)；FEI Tecnai G20透射電子顯微鏡(美國(guó)，F(xiàn)EI公司)；INESA 970CRT熒光分光光度計(jì)(上海儀電分析儀器有限公司)。

3-巰基丙酸(99%，J&K CHEMICAL);殼聚糖(脫乙酰度，80%～95%)，N，N′-二環(huán)己基碳二亞胺(DCC，98%)，4-二甲氨基吡啶(DMAP，98%)，CdCl2·2.5H2O(> 99%)，Na2S·9H2O(> 98%)，均購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司。實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1巰基化殼聚糖的合成巰基化殼聚糖的制備過(guò)程參照文獻(xiàn)報(bào)道的方法[17]并做改進(jìn)。將殼聚糖和3-巰基丙酸混合于二氯甲烷中。隨后依次加入DCC和DMAP，攪拌均勻，室溫反應(yīng)24 h。反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)溶液過(guò)濾并用少量的DCM和DMF分別洗滌3次后得到白色固體，然后將白色固體溶解在1%乙酸水溶液中，離心后取上清液用丙酮沉淀，得到淺黃色絮狀產(chǎn)物，產(chǎn)物在真空干燥箱中60 ℃下干燥5 h。

1.2.2巰基化殼聚糖包覆CdS量子點(diǎn)的合成將制備的巰基化殼聚糖與CdCl2加入圓底燒瓶中，用一定量的水溶解。用冰乙酸將反應(yīng)溶液的pH調(diào)節(jié)為3.0，然后將Na2S溶液迅速加入燒瓶中，氮?dú)獗Ｗo(hù)下50 ℃攪拌反應(yīng)2 h。反應(yīng)結(jié)束后將反應(yīng)液用無(wú)水乙醇沉淀得到CdS QDs。產(chǎn)物用無(wú)水乙醇洗滌三次后在真空干燥箱中60 ℃下干燥2 h。

1.2.3測(cè)定方法在10 mL容量瓶中依次加入pH值2.0的0.2 mol/L磷酸鹽緩沖溶液， 一定量的Hg2+標(biāo)準(zhǔn)溶液和CdS QDs儲(chǔ)備液，用水定容，搖勻，在室溫下放置20 min，在熒光分光光度計(jì)上,在激發(fā)/發(fā)射波長(zhǎng)為350/470 nm處，測(cè)量溶液的熒光強(qiáng)度。狹縫寬度為10 nm。

2 結(jié)果與討論

2.1 巰基化殼聚糖及其包覆CdS QDs的表征

圖1和圖2分別為殼聚糖和巰基化殼聚糖的紅外光譜圖和拉曼光譜圖。由圖1可見(jiàn)，與殼聚糖的紅外光譜圖相比，巰基化殼聚糖1 596 cm-1處的-NH2彎曲振動(dòng)吸收峰消失，巰基化殼聚糖的紅外光譜圖中1 634 cm-1、1 530 cm-1都出現(xiàn)一吸收峰，應(yīng)為酰胺Ⅰ帶和酰胺Ⅱ帶，可判斷巰基化殼聚糖中生成了酰胺鍵。由圖2可看出，與殼聚糖的拉曼光譜相比，巰基化殼聚糖的拉曼光譜中-NH2的伸縮振動(dòng)峰3 300 cm-1和彎曲振動(dòng)峰1 592 cm-1消失，在2 600 cm-1出現(xiàn)了-SH的伸縮振動(dòng)峰，這是因?yàn)閹€基丙酸的羧基與殼聚糖的氨基發(fā)生了酰胺化反應(yīng)，說(shuō)明該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)殼聚糖的巰基化修飾。

圖1 殼聚糖(a)和巰基化殼聚糖(b)的紅外光譜圖

圖2 殼聚糖(a)和巰基化殼聚糖(b)的拉曼光譜圖

圖3 巰基化殼聚糖包覆CdS QDs的透射電鏡(TEM)圖(A)和X射線衍射(XRD)圖(B)

圖4 巰基化殼聚糖包覆CdS 量子點(diǎn)的熒光光譜圖

利用透射電子顯微鏡(TEM)對(duì)制備的量子點(diǎn)形貌進(jìn)行了表征,見(jiàn)圖3A。TEM圖像顯示，量子點(diǎn)粒徑分布較均勻，大小在3～5 nm之間。巰基化殼聚糖包覆CdS QDs的X射線衍射圖如圖3B所示。圖中出現(xiàn)了三個(gè)明顯的峰，分別是 26.7°、44.1°and 51.7°，與CdS XRD標(biāo)準(zhǔn)JCPDS卡對(duì)比發(fā)現(xiàn)這三個(gè)峰與CdS 晶體的晶面111、220 和 311的峰位置基本重合，晶體粒徑由 Debye-Scherrer’s公式:D=0.89λ/βcosθ(其中D是納米顆粒的直徑，λ是X射線的波長(zhǎng)，β是半高寬，θ是衍射角)計(jì)算得出。經(jīng)計(jì)算得出CdS QDs 的粒徑為3 nm，與TEM表征結(jié)果相吻合。

2.2 巰基化殼聚糖包覆CdS量子點(diǎn)光學(xué)性質(zhì)的考察

巰基化殼聚糖包覆CdS QDs在200～400 nm激發(fā)波長(zhǎng)下，都能被激發(fā)，如圖4所示。發(fā)射的熒光波長(zhǎng)都在470 nm處，且當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)為350 nm時(shí)熒光強(qiáng)度最大，峰形最對(duì)稱。由此說(shuō)明制備的巰基化殼聚糖包覆CdS QDs的熒光激發(fā)波長(zhǎng)范圍寬而且連續(xù)，其熒光發(fā)射峰峰形對(duì)稱，半峰寬較窄，熒光強(qiáng)度高。后續(xù)實(shí)驗(yàn)都在激發(fā)波長(zhǎng)為350 nm和發(fā)射波長(zhǎng)在470 nm的條件下進(jìn)行。

2.3 熒光反應(yīng)條件的選擇

考察了pH對(duì)巰基化殼聚糖包覆CdS QDs熒光強(qiáng)度的影響。由圖5A可見(jiàn)，在pH=1～6的范圍內(nèi)，熒光強(qiáng)度的變化不大，比較穩(wěn)定，但是當(dāng)pH>6后，熒光強(qiáng)度降低，量子點(diǎn)開(kāi)始發(fā)生沉降。由圖5B中可以看出，當(dāng)pH值為1～2時(shí)，Hg2+對(duì)巰基化殼聚糖包覆CdS QDs的熒光猝滅幅度最大且穩(wěn)定，故后續(xù)定量檢測(cè)Hg2+時(shí)選擇溶液pH值為2.0。

圖5 pH對(duì)巰基化殼聚糖包覆CdS QDs的熒光強(qiáng)度(A)及Hg2+熒光猝滅效應(yīng)(B)的影響

同時(shí)考察了CdS QDs濃度對(duì)熒光反應(yīng)的影響。在一定濃度范圍內(nèi)，熒光強(qiáng)度隨著量子點(diǎn)濃度的增加而增大，但量子點(diǎn)濃度過(guò)大時(shí)，由于熒光的自猝滅現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致熒光強(qiáng)度降低。經(jīng)過(guò)考察發(fā)現(xiàn)，制備的量子點(diǎn)濃度為0.24 g/L時(shí)，Hg2+對(duì)量子點(diǎn)的熒光猝滅程度最大。所以在定量檢測(cè)Hg2+時(shí)，巰基化殼聚糖包覆CdS量子點(diǎn)的濃度選為0.24 g/L。

2.4 共存離子的影響

將5.0×10-7mol/L Hg2+和共存離子按表1所示濃度混合均勻后，加入巰基化殼聚糖包覆CdS QDs溶液中，共存離子存在下巰基化殼聚糖包覆CdS QDs的熒光強(qiáng)度變化如表1所示。對(duì)加入5.0×10-7mol/L Hg2+的巰基化殼聚糖包覆CdS QDs溶液(0.24 g/L)9次重復(fù)測(cè)定得到的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.4%，所以共存離子引起的誤差不超過(guò)3.4%，對(duì)本實(shí)驗(yàn)不產(chǎn)生干擾。

表1 共存離子對(duì)Hg2+測(cè)定的影響

(續(xù)表1)

3 方法評(píng)價(jià)及應(yīng)用

圖6 Hg2+濃度變化對(duì)巰基化殼聚糖包覆CdS QDs的熒光影響

巰基化殼聚糖包覆CdS QDs熒光強(qiáng)度的減弱程度與Hg2+濃度的關(guān)系如圖6所示,符合Stern-Volmer方程，即F0/F=9.9×104[S]+1.2，其中F0和F是未加入Hg2+和加入Hg2+時(shí)的量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度，[S]是Hg2+濃度。在最佳條件下，線性范圍為3.0×10-7～5.0×10-5mol/L，線性相關(guān)系數(shù)R=0.996。在信噪比為3的條件下檢出限為5.3×10-8mol/L。由于量子點(diǎn)與Hg2+發(fā)生熒光猝滅過(guò)程中熒光發(fā)射波長(zhǎng)沒(méi)有發(fā)生明顯的移動(dòng)，而隨著Hg2+濃度的增加熒光發(fā)射波長(zhǎng)均在 470 nm處，因此該體系的熒光猝滅現(xiàn)象可能是量子點(diǎn)和Hg2+發(fā)生了有效電子轉(zhuǎn)移，Hg2+的存在促進(jìn)了導(dǎo)帶中激態(tài)電子與價(jià)帶中空穴的非輻射重組，從而導(dǎo)致量子點(diǎn)的熒光猝滅[18]。

方法的日內(nèi)及日間精密度在5.0×10-7和5.0×10-5mol/L兩個(gè)濃度下進(jìn)行了考察，計(jì)算結(jié)果表明在兩個(gè)濃度下平行測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)都在5.8%之內(nèi)(n=6)，說(shuō)明方法的精密度良好。

分別取自來(lái)水和湖水作為實(shí)際樣品進(jìn)行檢測(cè)，自來(lái)水未作任何預(yù)處理，湖水僅進(jìn)行了過(guò)濾去除懸浮物。將水樣的pH調(diào)至2.0，按照1.2.3測(cè)定方法，在最佳條件下進(jìn)行回收率測(cè)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。雖然在樣品中未檢出Hg2+，但是加標(biāo)回收率在86.4%～104.6%之間，說(shuō)明該方法可用于水樣中 Hg2+的測(cè)定。

表2 實(shí)際水樣品的加標(biāo)回收率

此外，將所建立的方法與文獻(xiàn)已報(bào)道的量子點(diǎn)熒光光度法測(cè)定Hg2+的方法進(jìn)行了比較，見(jiàn)表3。

表3 與文獻(xiàn)已報(bào)道的量子點(diǎn)法測(cè)定Hg2+的結(jié)果比較

4 結(jié)論

制備了巰基化殼聚糖，并采用一步法合成了巰基化殼聚糖包覆CdS QDs，制備的量子點(diǎn)粒徑分布均勻，光穩(wěn)定性好且?guī)€基化殼聚糖的包覆降低了量子點(diǎn)的毒性。基于Hg2+對(duì)量子點(diǎn)的熒光猝滅作用建立了熒光猝滅法測(cè)定水樣中Hg2+的分析方法。方法的日內(nèi)及日間精密度良好且抗干擾性好，所建立的分析方法將有望用于生物體系中Hg2+的檢測(cè)。