CdTe量子點(diǎn)熒光猝滅法檢測(cè)甲醛濃度

金 麗，張建坡，曹雪玲，婁大偉

（吉林化工學(xué)院 化學(xué)與制藥工程學(xué)院，吉林 吉林 132022）

熒光分析法由于具有快速、簡便、靈敏度高及重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)，在室內(nèi)空氣環(huán)境痕量甲醛的分析監(jiān)測(cè)中應(yīng)用廣泛.趙小青［1］建立了流動(dòng)注射熒光法測(cè)定食品及飲料中痕量甲醛的方法；陳炎等［2］采用乙酰丙酮熒光分光光度法測(cè)定空氣中的微量甲醛；段鴻鶯等［3］利用熒光分光光度法測(cè)定水溶液中的甲醛.上述熒光法均基于有機(jī)熒光材料.半導(dǎo)體納米粒子通常稱為“量子點(diǎn)”（quantum dots，QDs），具有優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)［4］，廣泛應(yīng)用于標(biāo)記生物分子的體內(nèi)和體外成像［5－6］.文獻(xiàn)［7－11］基于量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度的變化，將量子點(diǎn)用于檢測(cè)無機(jī)分子和小分子及作為pH探針；馬強(qiáng)等［12］采用量子點(diǎn)／聚電解質(zhì)多層膜檢測(cè)甲醛濃度.本文采用半導(dǎo)體納米粒子檢測(cè)水質(zhì)中甲醛濃度，并對(duì)甲醛猝滅量子點(diǎn)的機(jī)理進(jìn)行討論.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 儀器與試劑

氯化鎘、硼氫化鈉、巰基丙酸和Te粉均購于美國Adrich公司；磷酸緩沖溶液、甲醛、乙酰丙酮、硫代硫酸鈉、冰乙酸和氟化銨等均為國產(chǎn)分析純?cè)噭粚?shí)驗(yàn)用水為雙蒸水.

RF－5301PC型熒光分析儀（日本Shimadzu公司），722型可見分光光度計(jì)（上海欣茂儀器設(shè)備廠）.

1.2 方 法

1.2.1 水溶性CdTe量子點(diǎn)的制備 基于文獻(xiàn)［13］制得巰基丙酸修飾CdTe量子點(diǎn)的方法，先在水溶液中將硼氫化鈉與Te粉反應(yīng)制得碲氫化鈉，再調(diào)節(jié)pH＝11.4，在巰基丙酸穩(wěn)定劑存在的條件下，將新制得的碲氫化鈉加入CdCl2水溶液中，加熱，得到巰基丙酸修飾的CdTe量子點(diǎn)水溶液.在常溫下，以羅丹明6G為對(duì)照［14］，測(cè)得所合成量子點(diǎn)的量子效率約為25%.本文采用波長為645nm的量子點(diǎn).1.2.2 熒光法測(cè)定甲醛濃度 向比色管中依次加入0.1mL制備的CdTe量子點(diǎn)溶液、0.5mL Tris－HCl緩沖溶液和0.1mL甲醛分析試樣溶液，定容至1mL，對(duì)其進(jìn)行熒光分析測(cè)定.同時(shí)測(cè)定空白試樣，即量子點(diǎn)在緩沖溶液中的熒光強(qiáng)度.

1.2.3 分光光度法測(cè)定甲醛濃度 甲醛標(biāo)準(zhǔn)貯備液的標(biāo)定：取2.8mL體積分?jǐn)?shù)為36%～38%的甲醛溶液，用雙蒸水稀釋定容至1 000mL.用0.100 0mol／L的Na2S2O3標(biāo)定，甲醛貯備液質(zhì)量濃度為899.2mg／L.

標(biāo)準(zhǔn)曲線的測(cè)定：依次向7支25mL具塞玻璃管中加入0，1，2，3，4，5，6mL甲醛標(biāo)準(zhǔn)液，并分別加入2.5mL乙酰丙酮溶液，加雙蒸水稀釋至25mL，搖勻.在60℃水浴鍋中加熱0.5h后取出，冷卻.用10mm比色皿，在波長414nm處以水為參比測(cè)量吸光度，繪制曲線，得出回歸方程.

1.2.4 木屑中甲醛濃度的測(cè)定 向1支25mL具塞玻璃管中加入0.1mL分析試樣和2.5mL乙酰丙酮溶液，加雙蒸水稀釋至25mL，搖勻.在60℃水浴鍋中加熱0.5h后取出，冷卻.用10mm比色皿，在波長414nm處以水為參比測(cè)量吸光度，通過回歸方程計(jì)算甲醛濃度.

2 結(jié)果與討論

2.1 CdTe量子點(diǎn)透射電鏡表征

通過透射電子顯微鏡觀察納米粒子，結(jié)果如圖1所示.由圖1可見，CdTe量子點(diǎn)分布均勻，外形呈球形，平均粒徑為5nm.

圖1 CdTe量子點(diǎn)的透射電子顯微鏡照片F(xiàn)ig.1 TEM image of CdTe quantum dots

2.2 甲醛猝滅CdTe量子點(diǎn)表征

圖2為加入不同濃度甲醛后，量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度變化曲線.由圖2可見，當(dāng)量子點(diǎn)的濃度（mol／L）不變時(shí)，量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度隨甲醛溶液濃度的增加而逐漸減弱，表明甲醛對(duì)量子點(diǎn)有明顯猝滅作用，量子點(diǎn)的發(fā)射峰形變化較小，表明量子點(diǎn)猝滅后的尺寸變化較?。?5］.

2.3 熒光猝滅機(jī)理

熒光猝滅分為動(dòng)態(tài)猝滅和靜態(tài)猝滅：動(dòng)態(tài)猝滅是猝滅劑與熒光物質(zhì)激發(fā)態(tài)分子之間的相互作用致使熒光強(qiáng)度降低的過程；靜態(tài)猝滅是猝滅劑與熒光物質(zhì)基態(tài)分子形成不發(fā)光配合物降低熒光強(qiáng)度的過程［16］.本文分別考察室溫和加熱條件下甲醛對(duì)量子點(diǎn)的猝滅作用，并用Stern－Volmer方程［17］

處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).其中：I0為未加入甲醛時(shí)CdTe量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度；I為加入甲醛后CdTe量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度；KSV為Stern－Volmer動(dòng)態(tài)猝滅常數(shù)；c（甲醛）為加入甲醛的濃度；Kq為動(dòng)態(tài)熒光猝滅速率常數(shù)；τ0為猝滅劑不存在時(shí)熒光分子的平均壽命.

甲醛濃度對(duì)量子點(diǎn)的I0／IStern－Volmer曲線如圖3所示.由于KSV為斜率，因此1／KSV在數(shù)值上等于猝滅效率為50%時(shí)猝滅劑的濃度，由式Kqτ0＝KSV可求得雙分子猝滅過程的速率常數(shù)Kq（單位為L／（mol·s））.由圖3可見，24℃的回歸方程為

圖2 不同甲醛加入量對(duì)量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度的影響Fig.2 Effects of different concentrations of formaldehyde added on the fluorescence intensity of QDs

圖3 甲醛濃度對(duì)量子點(diǎn)的I0／I Stern－Volmer曲線Fig.3 Unmodified Stern－Volmer curves of I0／I of quantum dots vs concentration of formaldehyde

已知CdTe量子點(diǎn)的熒光平均壽命約為2×10－9s［18］，可得反應(yīng)溫度為24℃時(shí)的Kq＝4.38×1011，32℃時(shí)的Kq＝5.67×1011，該值與最大動(dòng)態(tài)猝滅常數(shù)Kq＝2×1010mol／（L·s）接近，因此為動(dòng)態(tài)猝滅過程.當(dāng)溫度升高時(shí)，動(dòng)態(tài)熒光猝滅速率常數(shù)Kq增大，這是由于動(dòng)態(tài)猝滅與分子擴(kuò)散有關(guān)，溶液的黏度隨溫度的升高而下降，同時(shí)分子運(yùn)動(dòng)加速，使得分子的擴(kuò)散系數(shù)增大，進(jìn)而雙分子猝滅常數(shù)增大.圖4為甲醛與量子點(diǎn)作用前后的紫外吸收光譜.由圖4可見，反應(yīng)前后溶液的紫外吸收光譜峰變化較小，因此，進(jìn)一步可推斷甲醛與量子點(diǎn)之間為動(dòng)態(tài)熒光猝滅［14］.

2.4 樣品分析

稱取5g木屑（取樣于某木材市場(chǎng)）放入裝有200mL雙蒸水的燒瓶中，加熱回流，每隔30min取樣0.2mL，所取樣品分為兩份，分別用熒光猝滅法和分光光度法［19］檢驗(yàn)甲醛濃度，結(jié)果如圖5所示.

圖4 甲醛與量子點(diǎn)作用前后的紫外吸收光譜Fig.4 UV－Vis absorption spectra of QDs without and with for maldehyde

圖5 木屑析出甲醛對(duì)量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of formal dehyde from bits of wood on the fluorescence intersity of QDs

由圖5可見，隨著加熱時(shí)間的延長，所取樣品對(duì)量子點(diǎn)的猝滅作用增大，即甲醛的溶出量逐漸增大，當(dāng)加熱時(shí)間超過180min后，甲醛溶出量變化很小.計(jì)算I0／I，并從圖3曲線b中查出所對(duì)應(yīng)的甲醛濃度，換算為燒瓶中甲醛的濃度，結(jié)果列于表1.

對(duì)比分析采用分光光度法測(cè)定甲醛濃度，測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)曲線的數(shù)據(jù)見表1，可知甲醛標(biāo)準(zhǔn)系列回歸方程為y＝7.72x＋0.003 2，相關(guān)系數(shù)為0.999 2.通過測(cè)定分析樣品的吸光度（表2），由回歸方程求出對(duì)木屑加熱不同時(shí)間甲醛的溶出量，并換算為燒瓶中的甲醛濃度.

表1 熒光猝滅法與分光光度法比較Table 1 Fluorescence quenching method compared with spectrophotometry method

表2 分光光度法標(biāo)準(zhǔn)系列Table 2 Spectrophotometry：standard series

下面將所得數(shù)據(jù)與熒光猝滅法的數(shù)據(jù)進(jìn)行一元線性回歸分析.建立回歸方程，其中橫坐標(biāo)x軸表示熒光猝滅的測(cè)定結(jié)果，縱坐標(biāo)y軸表示乙酰丙酮分光光度法的測(cè)定結(jié)果.若所有點(diǎn)均分布在通過原點(diǎn)且斜率為1的直線兩側(cè)，則兩種方法的檢測(cè)效果相同.

經(jīng)兩種方法對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行一元線性回歸分析可得方程為

查t表n＝5，P＝0.95時(shí)，t＝2.571，計(jì)算值遠(yuǎn)小于查表值，截距b與1差異較小，可認(rèn)為直線斜率為1.可見熒光猝滅法和乙酰丙酮分光光度法的檢測(cè)效果相同.

綜上所述，本文基于甲醛可使CdTe量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度降低，并且甲醛濃度與熒光強(qiáng)度的降低之間具有良好的線性關(guān)系，建立了CdTe量子點(diǎn)檢測(cè)水質(zhì)中甲醛濃度的方法，探討了其猝滅機(jī)理，并采用一元線性回歸分析熒光猝滅法與乙酰丙酮分光光度法的檢測(cè)結(jié)果.結(jié)果表明，兩種方法檢測(cè)水質(zhì)中甲醛濃度的效果相同.

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