周 正，康天放，魯理平

（北京工業(yè)大學 環(huán)境與能源工程學院 區(qū)域大氣復合污染防治北京市重點試驗室，北京100124）

甲醛是城市生態(tài)系統(tǒng)中對人們居住環(huán)境質量有重要影響的環(huán)境污染物，已被世界衛(wèi)生組織確認為致癌和致畸物質［1－2］，因此發(fā)展和建立快速準確測定微量甲醛的方法具有重要意義。甲醛的污染已引起人們的高度重視，其測定方法主要有分光光度法、色譜法和電化學法等［3］。近年來，半導體納米晶體，即量子點（QDs）因其獨特的電學和光學性質，引起了科學界越來越廣泛的關注。與傳統(tǒng)的熒光染料相比，量子點具有獨特的優(yōu)勢，例如尺寸可調，窄且對稱的熒光發(fā)射光譜，寬且連續(xù)的吸收光譜，極好的光穩(wěn)定性及生物相容性等，因此其在光電子及生物醫(yī)學等領域中有很好的應用前景［4－5］。近年來，利用量子點熒光猝滅原理測定甲醛已有文獻報道［6－9］。文獻［6］采用量子點／聚電解質層層組裝多層膜檢測甲醛，但是，檢測過程存在耗時較長等不足。文獻［7］制備了巰基丙酸修飾的CdTe量子點，僅做了甲醛定量分析的初步研究，存在線性范圍窄等缺點。因此，建立快速簡便、線性范圍寬、靈敏度高的分析方法仍具有重要的意義。

本工作基于量子點優(yōu)異的光學性質，通過一步水熱法合成水溶性N－乙酰－L－半胱氨酸修飾的碲化鎘量子點（NAC－CdTe），并建立熒光光譜法測定甲醛含量的高靈敏度分析方法。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

F－4600型熒光光譜儀；UV－2450型紫外－可見分光光度計；FA 1004型電子分析天平；PHS－2F型酸度計；KQ 218型超聲清洗器；Milli－Q 超純水系統(tǒng)。

甲醛標準儲備溶液：移取體積分數(shù)為36%～38%的甲醛溶液4.2mL，加入到500mL容量瓶中，用水稀釋至刻度，用碘量法標定甲醛質量濃度。使用時用水稀釋至所需質量濃度。

亞 碲 酸 鈉、氯 化 鎘、N－乙 酰－L－半 胱 氨 酸（NAC）、硼氫化鈉、乙酸銨、乙酰丙酮、氫氧化鈉、冰乙酸、甲醛、三（羥甲基）氨基甲烷均為分析純，試驗用水為超純水。

1.2 試驗方法

1.2.1 水溶性 NAC－CdTe量子點的合成［10］

將2×10－2mol·L－1CdCl2溶液25mL與水55mL在100mL的有聚四氟乙烯內襯的不銹鋼反應釜中混勻，向反應釜中加入 NAC（1.8×10－3mol），Na2TeO3（1.0×10－4mol）和 NaBH4（1.0×10－4mol），在劇烈攪拌下逐滴加入 NaOH 溶液，調節(jié)混合溶液的pH到9.0。然后將反應釜置于烘箱中，在180℃下加熱25min后用水冷卻至室溫。將所制得的產物NAC－CdTe量子點溶液在4℃條件下避光儲存。

1.2.2 熒光光譜法測定甲醛

在10mL比色管中依次加入7.5×10－8mol·L－1NAC－CdTe量子點溶液0.5mL、0.01mol·L－1Tris－HCl緩沖溶液0.5mL及不同體積的甲醛標準溶液，然后用水定容，室溫下穩(wěn)定10min后，用熒光光譜儀以400nm為激發(fā)波長進行熒光掃描，記錄熒光發(fā)射峰處的熒光強度，并計算熒光響應信號I0／I的值，其中，I0為不加甲醛的熒光強度，I為加入甲醛后的熒光強度。

2 結果與討論

2.1 NAC－CdTe量子點的表征

所合成的NAC－CdTe量子點的紫外－可見吸收光譜圖和熒光發(fā)射光譜圖見圖1。

圖1 NAC－CdTe量子點的歸一化紫外－可見吸收光譜和熒光發(fā)射光譜Fig.1 Normalized UV－Visible absorption spectrum and fluorescence emission spectrum of NAC－CdTe QDs

由圖1可知：紫外－可見吸收光譜的吸收峰波長為544nm，最大熒光發(fā)射峰出現(xiàn)在567nm。合成的NAC－CdTe量子點的粒徑和濃度可由文獻［11］提出的經驗式計算得出，經驗式如下：

式（1～3）中：D 為量子點的粒徑，nm；λ為量子點的第一吸收峰的波長，nm；ε為量子點的摩爾吸光率，L·mol－1·cm－1；A為量子點在第一吸收峰的吸光度；c為量子點濃度，mol·L－1；L表示光路的長度，cm。

由公式（1～3）計算得出，合成的NAC－CdTe量子點的粒徑為3.2nm，濃度為1.12×10－5mol·L－1。試驗考察了在pH 6.0的0.002mol·L－1Tris－HCl溶液中不同NAC－CdTe量子點濃度對熒光強度的影響，結果見圖2。

圖2 不同濃度量子點溶液的熒光強度Fig.2 Fluorescence intensity of NAC－CdTe QDs solution with diffirent concentrations

由圖2可知：隨著量子點濃度的增大，其熒光強度也隨之變大。

2.2 試驗條件的優(yōu)化

2.2.1 Tris－HCl緩沖溶液酸度

在 7.5 × 10－8mol · L－1NAC－CdTe－0.01mol·L－1Tris－HCl－0.05g·L－1甲醛體系中，考察了不同酸度的Tris－HCl溶液對體系熒光強度的影響，結果見圖3。

圖3 Tris－HCl緩沖溶液的酸度對體系熒光強度的影響Fig.3 Effect of acidity of Tris－HCl buffer solution on the fluorescence intensity of the system

由圖3可知：當緩沖溶液的pH小于8時，熒光響應信號I0／I值隨溶液pH增大而逐漸減小，甲醛吸附在CdTe量子點表面，從而猝滅其熒光強度；當pH大于或等于8時，I0／I值近似等于1，甲醛與NAC生成了過渡化合物［12］，所以CdTe量子點的熒光不會被猝滅。為了獲得更寬的線性范圍和更好的線性關系，選擇pH 6.0的緩沖溶液進行試驗。

2.2.2 Tris－HCl緩沖溶液的濃度

在 7.5×10－8mol·L－1NAC－CdTe－Tris－HCl（pH 6.0）－0.05g·L－1甲醛體系中，試驗考察了Tris－HCl緩沖溶液的濃度對體系熒光強度的影響，結果見圖4。

圖4 Tris－HCl緩沖溶液濃度對體系熒光強度的影響Fig.4 Effect of concentration of Tris－HCl buffer solution on the fluorescence intensity of the system

由圖4可知：當Tris－HCl緩沖溶液濃度在0～1.5×10－2mol·L－1內時，I0／I值先逐漸增大然后減小，并在Tris－HCl緩沖溶液濃度為0.01mol·L－1時達到最大。因此試驗選擇濃度為0.01mol·L－1的Tris－HCl緩沖溶液。

2.2.3 NAC－CdTe量子點濃度

在含有0.05g·L－1甲醛的0.01mol·L－1Tris－HCl溶液（pH 6.0）中，考察了 NAC－CdTe量子點濃度對熒光響應信號I0／I值的影響，結果見圖5。

圖5 量子點濃度對體系熒光強度的影響Fig.5 Effect of QDs concentration on the fluorescence intensity of the system

由圖5可知：熒光響應信號I0／I值在量子點濃度為4.5×10－8mol·L－1時達到最大，熒光猝滅程度較大，靈敏度高，但測定的甲醛濃度范圍較窄；當量子點濃度為11.2×10－8mol·L－1時，體系的熒光很強，但是熒光猝滅程度小，導致靈敏度低。為了兼顧靈敏度和線性范圍，選取量子點濃度為7.5×10－8mol·L－1進行試驗。

2.2.4 體系的穩(wěn)定性

在量子點濃度為7.5×10－8mol·L－1、Tris－HCl濃 度 0.01mol·L－1、甲醛質 量 濃度為0.05g·L－1的溶液（pH 6.0）中，試驗考察了體系的穩(wěn)定性，結果見圖6。

圖6 體系熒光強度隨時間變化曲線Fig.6 Time variation curve of fluorescence intensity of the system

由圖6可知：在前10min，I0／I值是逐漸增大的；當超過10min之后，I0／I值基本保持穩(wěn)定。所以試驗在體系穩(wěn)定10min后進行熒光強度掃描。

2.3 選擇性試驗

試驗對NAC－CdTe量子點測定甲醛的選擇性進行了研究，分別選取了7種干擾物質（乙醛、甲苯、乙醇、丙酮、甲醇、乙二醇、乙醚），這些干擾物質的濃度均為甲醛濃度的10倍。結果表明，這些物質基本不會改變體系熒光強度。原因在于甲醛可以與CdTe量子點表面包覆的N－乙酰－L－半胱氨酸特異結合，從而減小其他干擾物對試驗結果的影響。有研究表明［12］，甲醛能與蛋白質的胺基自發(fā)地發(fā)生親核加成反應，NAC分子上的仲胺可以和甲醛反應生成過渡化合物N－羥甲基胺，該化合物在酸性和中性條件下不穩(wěn)定，可迅速分解還原為胺和甲醛，但在堿性條件下穩(wěn)定，能相互之間縮合。這也解釋了為什么在堿性條件下甲醛不會猝滅熒光體系的熒光強度，而在酸性條件下會使熒光體系的熒光強度減弱。

2.4 體系熒光猝滅機理

熒光猝滅是指熒光物質與熒光猝滅劑之間發(fā)生物理或化學作用，從而導致熒光物質的熒光強度減弱。熒光猝滅分為靜態(tài)猝滅和動態(tài)猝滅，由于靜態(tài)猝滅過程中生成了基態(tài)配合物，熒光物質的吸收光譜會發(fā)生改變；相反，動態(tài)猝滅過程中熒光物質的吸收光譜不會發(fā)生改變［13－14］。圖7為 NAC－CdTe量子點溶液加入甲醛前后的紫外－可見吸收光譜。

由圖7可知：當有甲醛存在時，NAC－CdTe量子點的紫外－可見吸收光譜與沒有甲醛存在時的紫外－可見吸收光譜相比基本沒有發(fā)生改變，說明甲醛對NAC－CdTe量子點的熒光猝滅過程為動態(tài)猝滅。甲醛作為一種傳統(tǒng)的電子受體，能夠引導電子從量子點的導帶到價帶移動，即當甲醛吸附在量子點的表面時，負電荷從量子點表面移動到甲醛的羰基軌道上，激發(fā)態(tài)量子點在電子轉移的過程中激發(fā)能降低，從而導致熒光減弱。

圖7 加入甲醛前后NAC－CdTe量子點的紫外－可見吸收光譜Fig.7 UV－Vis absorption spectra of NAC－CdTe QDs without formaldehyde and in the presence of formaldehyde

2.5 甲醛的測定

在最佳的試驗條件下，試驗考察了在加入不同質量濃度甲醛后NAC－CdTe量子點熒光強度的變化情況，結果見圖8～圖9。

圖8 在不同質量濃度甲醛存在時NAC－CdTe量子點的熒光光譜圖Fig.8 Fluorescence emission spectra of NAC－CdTe QDs in the presence of formaldehyde with different concentrations

由圖8可知：在量子點的濃度一定的情況下，隨著甲醛質量濃度的增加，量子點的熒光強度逐漸降低。由圖9可知：甲醛質量濃度在5.0×10－6～1.0×10－1g·L－1內，熒光響應信號I0／I值與甲醛質量濃度呈線性關系，Stern－Volmer熒光猝滅方程為I0／I＝1.012＋8.709ρ甲醛，相關系數(shù)為0.992 5。0.992 5。以3s／k（s為空白溶液11次測定值的標準偏差，k為標準曲線的斜率）計算檢出限為1.3×10－6g·L－1。

將本工作建立的NAC－CdTe量子點熒光猝滅法與文獻［7－9］報道的測定甲醛的熒光法進行了比較，結果見表1。

由表1可以看出，本方法具有更寬的線性范圍和更低的檢出限。

圖9 熒光猝滅曲線Fig.9 Fluorescence quenching curve

表1 不同熒光法測定甲醛的比較Tab.1 Comparison between different fluorescence methods for the determination of formaldehyde

2.6 樣品分析

按試驗方法測定了北京南護城河水樣品中的甲醛，該水樣中未檢測出甲醛。向水樣中加入一定量甲醛標準溶液，配制成甲醛模擬水樣，再測定其中的甲醛，同時采用乙酰丙酮分光光度法［15］測定甲醛，對比結果見表2。

表2 熒光猝滅法與乙酰丙酮分光光度法測定甲醛的比較（n＝5）Tab.2 Comparison of formaldehyde determination by fluorescence quenching method and acetylacetone spectrophotometric method（n＝5）

由表2可知：本法的測定結果與乙酰丙酮分光光度法的測定結果相符。

本工作采用一步水熱法合成了NAC－CdTe量子點，基于甲醛可以猝滅量子點的熒光強度，建立了測定甲醛的熒光光譜法。通過條件優(yōu)化，得到了最佳測定條件。所建立的方法具有以下優(yōu)勢：首先，以N－乙酰－L－半胱氨酸為修飾劑制備量子點，避開了傳統(tǒng)有機溶劑為修飾劑，增加了量子點的水溶性和穩(wěn)定性；其次，運用了N－乙酰－L－半胱氨酸中氨基與甲醛進行特異性結合，提高了對甲醛檢測的靈敏度和選擇性。猝滅過程可以很好地用Stern－Volmer熒光猝滅方程來描述，線性范圍為5.0×10－6～1.0×10－1g·L－1。本工作建立的量子點熒光猝滅法與乙酰丙酮分光光度法的測定結果一致。

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