基于Mn摻雜ZnS量子點(diǎn)室溫磷光法測(cè)定水樣中百草枯

李 艷，苗艷明，楊茂青，武宇霞，閆桂琴

(山西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山西臨汾 041000)

隨著對(duì)量子點(diǎn)(Quantum Dots,QDs)研究的不斷深入，量子點(diǎn)的室溫磷光(Room Temperature Phosphorscence,RTP)性質(zhì)及其應(yīng)用已成為一大熱點(diǎn)[1 - 4]。室溫磷光檢測(cè)法無(wú)需添加任何除氧劑和誘導(dǎo)劑等復(fù)雜的前處理過(guò)程[1]。相對(duì)于熒光檢測(cè)選擇性更強(qiáng)[5]，可以有效避免生物體液的背景熒光和散射光干擾[6,7]，同時(shí)室溫磷光可以避免激發(fā)光譜和發(fā)射光譜重疊[7]。因此，室溫磷光檢測(cè)法具有廣闊的應(yīng)用前景。

百草枯(1，1-二甲基-4，4-聯(lián)吡啶二氯化物)(Paraquat，PQ)作為一種非選擇性除草劑，可以通過(guò)植物進(jìn)入食品、飲用水、農(nóng)田等領(lǐng)域[8]，其毒性很強(qiáng)，極少的量就可以將人、動(dòng)物致死[9]。因此，構(gòu)建一種簡(jiǎn)單、快速檢測(cè)百草枯含量的方法顯得尤為重要。目前，已經(jīng)有許多方法用于測(cè)定百草枯，包括熒光光譜法[10]、分光光度法[11]、拉曼光譜法[12]、氣相色譜-質(zhì)譜法[13]、高效液相色譜法[14]、電化學(xué)法[15]、毛細(xì)管電泳法[16]等。而磷光光譜測(cè)定法是一種簡(jiǎn)單、靈敏的分析方法，已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[17，18]。迄今為止，基于量子點(diǎn)磷光性質(zhì)檢測(cè)百草枯含量的方法鮮有報(bào)道。本文通過(guò)具有磷光性質(zhì)的3-巰基丙酸(3-Mercaptopropionic Acid,MPA)包裹的Mn摻雜ZnS QDs對(duì)水樣中百草枯進(jìn)行分析檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

通過(guò)Cary Eclipse熒光分光光度計(jì)(美國(guó),瓦里安)對(duì)磷光進(jìn)行測(cè)定。通過(guò)pH酸度計(jì)(上海雷磁)對(duì)pH值進(jìn)行測(cè)定。通過(guò)Cary Eclipse熒光分光光度計(jì)(美國(guó),瓦里安)對(duì)共振光散射(Resonanee Light Seattering，RLS)信號(hào)進(jìn)行測(cè)定(△λ=0；掃描波長(zhǎng)200～700 nm)。

制備量子點(diǎn)的MPA購(gòu)于北京J &K科技公司。Zn(Ac)2·2H2O、Mn(Ac)2·4H2O和Na2S·9H2O均購(gòu)于天津Kermel化學(xué)試劑公司。PQ購(gòu)于北京百靈威科技公司。高純水(18.2 MΩ·cm)采用WaterPro水純化系統(tǒng)(美國(guó)，Labconco公司)制備。

水樣取自臨汾市的自來(lái)水、礦泉水。將水樣通過(guò)0.45 μm濾膜過(guò)濾，且不做其它任何處理。

1.2 Mn摻雜的ZnS QDs的合成

Mn摻雜ZnS QDs的合成參照文獻(xiàn)方法[19]。首先，在三頸瓶中加入5 mL 0.1 mol/L的Zn(Ac)2，2 mL 0.01 mol/L的Mn(Ac)2和50 mL 0.04 mol/L的MPA，用1 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至11，室溫下通入氬氣磁力攪拌30 min，保證MPA與Zn2+和Mn2+充分絡(luò)合。然后，在隔絕氧氣的條件下用注射器注入5 mL 0.1 mol/L Na2S，攪拌20 min后，在50 ℃的空氣環(huán)境下陳化2 h，用等體積的無(wú)水乙醇洗滌，沉淀、離心后，放入真空干燥箱內(nèi)干燥24 h，所得粉末即為合成的量子點(diǎn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)定

將一定量MPA包裹的Mn摻雜ZnS QDs溶于水中，制得2.0 mg/mL的溶液，再將一定量PQ溶于水中，制得250 μg/L的溶液，然后在一系列的比色管中依次加入500 μL 20 mmol/L磷酸鹽緩沖液(PBS，pH=7.4)，100 μL的量子點(diǎn)溶液，以及不同濃度的PQ溶液，用水定容到5 mL，靜止5 min后，在激發(fā)波長(zhǎng)為295 nm的條件下測(cè)定磷光。

1.4 樣品檢測(cè)

首先在10 mL的比色管中依次加入500 μL 0.2 mol/L的PBS，100 μL 2 mg/mL的Mn摻雜ZnS QDs溶液，然后用采集的水樣將該混合溶液稀釋至刻度，并靜置5 min，最后在激發(fā)波長(zhǎng)為295 nm的條件下進(jìn)行磷光測(cè)定，將上述步驟重復(fù)3次。在水樣中加入不同量的PQ，通過(guò)加標(biāo)回收試驗(yàn)驗(yàn)證該方法的可行性。

2 結(jié)果與討論

2.1 MPA包裹的Mn摻雜ZnS QDs的合成

通過(guò)熒光分光光度計(jì)測(cè)定該量子點(diǎn)的最大激發(fā)波長(zhǎng)與發(fā)射波長(zhǎng)分別為295 nm和590 nm(圖1)。hυ1表示由ZnS QDs表面缺陷產(chǎn)生熒光，hυ2則表示Mn2+由4T1-6A1躍遷產(chǎn)生磷光性質(zhì)。Mn摻雜ZnS QDs在590 nm處有很強(qiáng)的磷光發(fā)射峰，是因?yàn)榧ぐl(fā)光被ZnS主體吸收，其電子受到激發(fā)，空穴被Mn2+俘獲，電子和空穴各自在Mn2+上復(fù)合導(dǎo)致Mn2+的激發(fā)，然后以磷光形式釋放能量。在這一過(guò)程中Mn2+發(fā)生了從三重態(tài)(4T1)到基態(tài)(6A1)的躍遷，并在590 nm處發(fā)出橙紅色的磷光[20]。

該量子點(diǎn)是以有機(jī)金屬為前體，具有疏水性。在Mn摻雜ZnS QDs表面包裹MPA，MPA帶具有雙親性配位基的-SH，使得-SH與量子點(diǎn)表面結(jié)合，量子點(diǎn)由油溶轉(zhuǎn)為水溶。如圖2所示，量子點(diǎn)表面帶有氨基配體溶于油相，包裹MPA后，量子點(diǎn)的金屬離子與-SH之間通過(guò)強(qiáng)配位作用，使得量子點(diǎn)表面帶-COOH官能團(tuán)，從而溶于水相。此外，由于粒子間的氫鍵作用，將量子點(diǎn)水溶液調(diào)至堿性，使其表面帶負(fù)電荷，并穩(wěn)定存在于水相中。對(duì)合成的量子點(diǎn)進(jìn)行電勢(shì)檢測(cè)，電勢(shì)值為-27.5 mV(圖3)，這是-COOH存在使得Mn摻雜ZnS QDs帶負(fù)電荷的結(jié)果。進(jìn)一步說(shuō)明MPA包裹到了Mn摻雜ZnS QDs表面。

2.2 PQ檢測(cè)條件優(yōu)化

2.2.1pH對(duì)體系RTP的影響pH值對(duì)量子點(diǎn)表面的電子態(tài)以及量子點(diǎn)中Mn2+的躍遷有重要的影響[21]。本實(shí)驗(yàn)用PBS配制不同pH值的量子點(diǎn)溶液，結(jié)果表明，Mn摻雜的ZnS QDs的磷光強(qiáng)度隨著pH值的增加而增加，與文獻(xiàn)結(jié)果一致[22]。加入PQ，pH值對(duì)體系RTP強(qiáng)度影響較大，pH=4.5～6.5時(shí)體系RTP逐漸增強(qiáng)，pH=6.5～7.5時(shí)體系RTP趨于平穩(wěn)，pH=7.5～9.0時(shí)體系RTP逐漸下降(圖4)。鑒于人體生理體系將7.4選為最佳pH值。

2.2.2時(shí)間對(duì)體系RTP的影響未加百草枯之前，Mn摻雜ZnS QDs的RTP幾乎不受時(shí)間的影響；加入百草枯后，Mn摻雜ZnS QDs/PQ體系在30 min內(nèi)RTP趨于穩(wěn)定(圖4)。PQ對(duì)Mn摻雜ZnS QDs的磷光強(qiáng)度有很強(qiáng)的猝滅效應(yīng)，隨著溶液中PQ濃度的不斷增加，磷光強(qiáng)度逐漸減弱，且猝滅明顯(圖5a)，因此可以通過(guò)磷光猝滅效應(yīng)靈敏地檢測(cè)水溶液中的PQ。

2.3 Mn摻雜ZnS QDs對(duì)PQ的RTP響應(yīng)

在最佳條件下，磷光猝滅強(qiáng)度(P0/P)與PQ濃度之間呈良好的線性關(guān)系(圖5a插圖)，其線性關(guān)系為:P0/P=0.066cPQ+0.866(R=0.994)。該方法的線性范圍為2.5～50 μg/L，檢出限(3σ)為0.769 μg/L。圖5b表示Mn摻雜ZnS QDs與PQ的共振光散射光譜，Mn摻雜ZnS QDs濃度一定的情況下，隨著PQ濃度的增加，共振光散射強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。未加PQ時(shí)RLS較弱，隨著PQ濃度的不斷增加，由于陰離子與PQ陽(yáng)離子的靜電引力作用形成疏水性較強(qiáng)的化合物，在疏水作用與分子間作用力下，量子點(diǎn)與PQ聚集形成納米復(fù)合物，使得體系RLS急劇增強(qiáng)。

2.4 PQ與Mn摻雜ZnS QDs的作用機(jī)理研究

隨著PQ濃度的不斷增加，磷光強(qiáng)度明顯被猝滅，表明Mn摻雜ZnS QDs與PQ之間發(fā)生了相互作用。磷光猝滅過(guò)程通常分為動(dòng)態(tài)猝滅和靜態(tài)猝滅兩類，動(dòng)態(tài)猝滅過(guò)程遵從Stem-Volmer方程(方程1)。靜態(tài)猝滅過(guò)程遵從Lineweaver-Burk雙倒數(shù)函數(shù)曲線(方程2)[23]

P0/P=1+KSVcq

(1)

1/(P0-P)=1/P0+KLB/(P0cq)

(2)

其中，P0代表磷光體的磷光強(qiáng)度，P代表加入磷光猝滅劑后體系的磷光強(qiáng)度，cq為猝滅劑濃度。KSV為Stem-Volmer常數(shù)，KLB是靜態(tài)猝滅結(jié)合常數(shù)。圖6為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出來(lái)的曲線，結(jié)果表明P0/P與PQ的濃度關(guān)系符合Stem-Volmer方程，由此推測(cè)Mn摻雜ZnS QDs與PQ之間符合動(dòng)態(tài)猝滅。

由于MPA包裹的Mn摻雜ZnS QDs帶有負(fù)電荷，PQ分子帶有兩個(gè)正電荷，通過(guò)靜電作用可以使Mn摻雜ZnS QDs與PQ分子相互結(jié)合，推測(cè)其可能的機(jī)理如下：

2.5 共存物質(zhì)的干擾

在PQ為5 μg/L下，考察了一些共存物質(zhì)的影響。由表1可知，大多數(shù)共存物質(zhì)的相對(duì)誤差在5%以下；只有草甘膦、敵敵畏的相對(duì)誤差分別為7.3%、5.9%。表明該方法對(duì)PQ具有很好的選擇性。

表1 共存物質(zhì)的影響(含百草枯5 μg/L)

2.6 樣品分析

用Mn摻雜ZnS QDs檢測(cè)水樣中PQ的濃度，水樣不需要任何復(fù)雜的預(yù)處理，加標(biāo)水樣測(cè)定的回收率為87%～98%，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 基于Mn摻雜ZnS量子點(diǎn)在水樣中對(duì)PQ的應(yīng)用檢測(cè)

3 結(jié)論

構(gòu)建了一種基于MPA包裹的Mn摻雜ZnS QDs室溫磷光猝滅法檢測(cè)水樣中PQ濃度的分析方法，該方法檢測(cè)范圍寬，檢出限低，適用于不同水體中痕量PQ的檢測(cè)。