CdTe量子點(diǎn)熒光猝滅法測(cè)定甲醛

周 正，康天放，魯理平

（北京工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院 區(qū)域大氣復(fù)合污染防治北京市重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京100124）

甲醛是城市生態(tài)系統(tǒng)中對(duì)人們居住環(huán)境質(zhì)量有重要影響的環(huán)境污染物，已被世界衛(wèi)生組織確認(rèn)為致癌和致畸物質(zhì)［1－2］，因此發(fā)展和建立快速準(zhǔn)確測(cè)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(cè)定方法主要有分光光度法、色譜法和電化學(xué)法等［3］。近年來，半導(dǎo)體納米晶體，即量子點(diǎn)（QDs）因其獨(dú)特的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，引起了科學(xué)界越來越廣泛的關(guān)注。與傳統(tǒng)的熒光染料相比，量子點(diǎn)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，例如尺寸可調(diào)，窄且對(duì)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(xué)等領(lǐng)域中有很好的應(yīng)用前景［4－5］。近年來，利用量子點(diǎn)熒光猝滅原理測(cè)定甲醛已有文獻(xiàn)報(bào)道［6－9］。文獻(xiàn)［6］采用量子點(diǎn)／聚電解質(zhì)層層組裝多層膜檢測(cè)甲醛，但是，檢測(cè)過程存在耗時(shí)較長(zhǎng)等不足。文獻(xiàn)［7］制備了巰基丙酸修飾的CdTe量子點(diǎn)，僅做了甲醛定量分析的初步研究，存在線性范圍窄等缺點(diǎn)。因此，建立快速簡(jiǎn)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(diǎn)優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)，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(diǎn)（NAC－CdTe），并建立熒光光譜法測(cè)定甲醛含量的高靈敏度分析方法。

1 試驗(yàn)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(jì)；FA 1004型電子分析天平；PHS－2F型酸度計(jì)；KQ 218型超聲清洗器；Milli－Q 超純水系統(tǒng)。

甲醛標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液：移取體積分?jǐn)?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(biāo)定甲醛質(zhì)量濃度。使用時(shí)用水稀釋至所需質(zhì)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(yàn)用水為超純水。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 水溶性 NAC－CdTe量子點(diǎn)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(nèi)襯的不銹鋼反應(yīng)釜中混勻，向反應(yīng)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(diào)節(jié)混合溶液的pH到9.0。然后將反應(yīng)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(chǎn)物NAC－CdTe量子點(diǎn)溶液在4℃條件下避光儲(chǔ)存。

1.2.2 熒光光譜法測(cè)定甲醛

在10mL比色管中依次加入7.5×10－8mol·L－1NAC－CdTe量子點(diǎn)溶液0.5mL、0.01mol·L－1Tris－HCl緩沖溶液0.5mL及不同體積的甲醛標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)進(jìn)行熒光掃描，記錄熒光發(fā)射峰處的熒光強(qiáng)度，并計(jì)算熒光響應(yīng)信號(hào)I0／I的值，其中，I0為不加甲醛的熒光強(qiáng)度，I為加入甲醛后的熒光強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 NAC－CdTe量子點(diǎn)的表征

所合成的NAC－CdTe量子點(diǎn)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(diǎn)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(zhǎng)為544nm，最大熒光發(fā)射峰出現(xiàn)在567nm。合成的NAC－CdTe量子點(diǎn)的粒徑和濃度可由文獻(xiàn)［11］提出的經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算得出，經(jīng)驗(yàn)式如下：

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

由公式（1～3）計(jì)算得出，合成的NAC－CdTe量子點(diǎn)的粒徑為3.2nm，濃度為1.12×10－5mol·L－1。試驗(yàn)考察了在pH 6.0的0.002mol·L－1Tris－HCl溶液中不同NAC－CdTe量子點(diǎn)濃度對(duì)熒光強(qiáng)度的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 不同濃度量子點(diǎn)溶液的熒光強(qiáng)度Fig.2 Fluorescence intensity of NAC－CdTe QDs solution with diffirent concentrations

由圖2可知：隨著量子點(diǎn)濃度的增大，其熒光強(qiáng)度也隨之變大。

2.2 試驗(yàn)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(duì)體系熒光強(qiáng)度的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 Tris－HCl緩沖溶液的酸度對(duì)體系熒光強(qiáng)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(dāng)緩沖溶液的pH小于8時(shí)，熒光響應(yīng)信號(hào)I0／I值隨溶液pH增大而逐漸減小，甲醛吸附在CdTe量子點(diǎn)表面，從而猝滅其熒光強(qiáng)度；當(dāng)pH大于或等于8時(shí)，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(diǎn)的熒光不會(huì)被猝滅。為了獲得更寬的線性范圍和更好的線性關(guān)系，選擇pH 6.0的緩沖溶液進(jìn)行試驗(yàn)。

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(yàn)考察了Tris－HCl緩沖溶液的濃度對(duì)體系熒光強(qiáng)度的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 Tris－HCl緩沖溶液濃度對(duì)體系熒光強(qiáng)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(dāng)Tris－HCl緩沖溶液濃度在0～1.5×10－2mol·L－1內(nèi)時(shí)，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(shí)達(dá)到最大。因此試驗(yàn)選擇濃度為0.01mol·L－1的Tris－HCl緩沖溶液。

2.2.3 NAC－CdTe量子點(diǎn)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(diǎn)濃度對(duì)熒光響應(yīng)信號(hào)I0／I值的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 量子點(diǎn)濃度對(duì)體系熒光強(qiáng)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(yīng)信號(hào)I0／I值在量子點(diǎn)濃度為4.5×10－8mol·L－1時(shí)達(dá)到最大，熒光猝滅程度較大，靈敏度高，但測(cè)定的甲醛濃度范圍較窄；當(dāng)量子點(diǎn)濃度為11.2×10－8mol·L－1時(shí)，體系的熒光很強(qiáng)，但是熒光猝滅程度小，導(dǎo)致靈敏度低。為了兼顧靈敏度和線性范圍，選取量子點(diǎn)濃度為7.5×10－8mol·L－1進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2.4 體系的穩(wěn)定性

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

圖6 體系熒光強(qiáng)度隨時(shí)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(dāng)超過10min之后，I0／I值基本保持穩(wěn)定。所以試驗(yàn)在體系穩(wěn)定10min后進(jìn)行熒光強(qiáng)度掃描。

2.3 選擇性試驗(yàn)

試驗(yàn)對(duì)NAC－CdTe量子點(diǎn)測(cè)定甲醛的選擇性進(jìn)行了研究，分別選取了7種干擾物質(zhì)（乙醛、甲苯、乙醇、丙酮、甲醇、乙二醇、乙醚），這些干擾物質(zhì)的濃度均為甲醛濃度的10倍。結(jié)果表明，這些物質(zhì)基本不會(huì)改變體系熒光強(qiáng)度。原因在于甲醛可以與CdTe量子點(diǎn)表面包覆的N－乙酰－L－半胱氨酸特異結(jié)合，從而減小其他干擾物對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。有研究表明［12］，甲醛能與蛋白質(zhì)的胺基自發(fā)地發(fā)生親核加成反應(yīng)，NAC分子上的仲胺可以和甲醛反應(yīng)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(huì)猝滅熒光體系的熒光強(qiáng)度，而在酸性條件下會(huì)使熒光體系的熒光強(qiáng)度減弱。

2.4 體系熒光猝滅機(jī)理

熒光猝滅是指熒光物質(zhì)與熒光猝滅劑之間發(fā)生物理或化學(xué)作用，從而導(dǎo)致熒光物質(zhì)的熒光強(qiáng)度減弱。熒光猝滅分為靜態(tài)猝滅和動(dòng)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(zhì)的吸收光譜會(huì)發(fā)生改變；相反，動(dòng)態(tài)猝滅過程中熒光物質(zhì)的吸收光譜不會(huì)發(fā)生改變［13－14］。圖7為 NAC－CdTe量子點(diǎn)溶液加入甲醛前后的紫外－可見吸收光譜。

由圖7可知：當(dāng)有甲醛存在時(shí)，NAC－CdTe量子點(diǎn)的紫外－可見吸收光譜與沒有甲醛存在時(shí)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(duì)NAC－CdTe量子點(diǎn)的熒光猝滅過程為動(dòng)態(tài)猝滅。甲醛作為一種傳統(tǒng)的電子受體，能夠引導(dǎo)電子從量子點(diǎn)的導(dǎo)帶到價(jià)帶移動(dòng)，即當(dāng)甲醛吸附在量子點(diǎn)的表面時(shí)，負(fù)電荷從量子點(diǎn)表面移動(dòng)到甲醛的羰基軌道上，激發(fā)態(tài)量子點(diǎn)在電子轉(zhuǎn)移的過程中激發(fā)能降低，從而導(dǎo)致熒光減弱。

圖7 加入甲醛前后NAC－CdTe量子點(diǎn)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(cè)定

在最佳的試驗(yàn)條件下，試驗(yàn)考察了在加入不同質(zhì)量濃度甲醛后NAC－CdTe量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度的變化情況，結(jié)果見圖8～圖9。

圖8 在不同質(zhì)量濃度甲醛存在時(shí)NAC－CdTe量子點(diǎn)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(diǎn)的濃度一定的情況下，隨著甲醛質(zhì)量濃度的增加，量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度逐漸降低。由圖9可知：甲醛質(zhì)量濃度在5.0×10－6～1.0×10－1g·L－1內(nèi)，熒光響應(yīng)信號(hào)I0／I值與甲醛質(zhì)量濃度呈線性關(guān)系，Stern－Volmer熒光猝滅方程為I0／I＝1.012＋8.709ρ甲醛，相關(guān)系數(shù)為0.992 5。0.992 5。以3s／k（s為空白溶液11次測(cè)定值的標(biāo)準(zhǔn)偏差，k為標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率）計(jì)算檢出限為1.3×10－6g·L－1。

將本工作建立的NAC－CdTe量子點(diǎn)熒光猝滅法與文獻(xiàn)［7－9］報(bào)道的測(cè)定甲醛的熒光法進(jìn)行了比較，結(jié)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(cè)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(yàn)方法測(cè)定了北京南護(hù)城河水樣品中的甲醛，該水樣中未檢測(cè)出甲醛。向水樣中加入一定量甲醛標(biāo)準(zhǔn)溶液，配制成甲醛模擬水樣，再測(cè)定其中的甲醛，同時(shí)采用乙酰丙酮分光光度法［15］測(cè)定甲醛，對(duì)比結(jié)果見表2。

表2 熒光猝滅法與乙酰丙酮分光光度法測(cè)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(cè)定結(jié)果與乙酰丙酮分光光度法的測(cè)定結(jié)果相符。

本工作采用一步水熱法合成了NAC－CdTe量子點(diǎn)，基于甲醛可以猝滅量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度，建立了測(cè)定甲醛的熒光光譜法。通過條件優(yōu)化，得到了最佳測(cè)定條件。所建立的方法具有以下優(yōu)勢(shì)：首先，以N－乙酰－L－半胱氨酸為修飾劑制備量子點(diǎn)，避開了傳統(tǒng)有機(jī)溶劑為修飾劑，增加了量子點(diǎn)的水溶性和穩(wěn)定性；其次，運(yùn)用了N－乙酰－L－半胱氨酸中氨基與甲醛進(jìn)行特異性結(jié)合，提高了對(duì)甲醛檢測(cè)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(diǎn)熒光猝滅法與乙酰丙酮分光光度法的測(cè)定結(jié)果一致。

［1］ KIM H，KIM Y D，CHO S H.Formaldehyde exposure levels and serum antibodies to formaldehyde－h(huán)uman serum albumin of korean medical students［J］.Archives of Environmental Health，1999，54（2）：115－118.

［2］ HERSCHKOVITZ Y，ESHKENAZI I，CAMPBELL C E，et al.An electrochemical biosensor for formaldehyde［J］.Journal of Electroanalytical Chemistry，2000，491（1／2）：182－187.

［3］ 鄭睿行，馬力，姚鑫.甲醛的測(cè)定方法研究進(jìn)展［J］.生命科學(xué)儀器，2008，6（4）：58－62.

［4］ RESCH G U，GRABOLLE M，CAVALIERE J S，et al.Quantum dots versus organic dyes as fluorescent labels［J］.Nat Methods，2008，5（9）：763－775.

［5］ LARSON D R，ZIPFEL W R，WILLIAMS R M，et al.Water－soluble quantum dots for multiphoton fluorescence imaging in vivo［J］.Science，2003，300：1434－1436.

［6］ MA Q，CUI H，SU X.Highly sensitive gaseous formaldehyde sensor with CdTe quantum dotsmultilayer films［J］.Biosensors and Bioelectronics，2009，25（4）：839－844.

［7］ 金麗，張建坡，曹雪玲，等.CdTe量子點(diǎn)熒光猝滅法測(cè)定甲醛濃度［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，52（3）：596－600.

［8］ CHEN H Q，ZHOU C L，WANG L，et al.Terbium（Ⅲ）chelate complexes as fluorescence energy transfer donor in the determination of formaldehyde in aqueous solutions［J］.Spectrochimica Acta Part A，2011，78（1）：371－374.

［9］ LIU C X，SHI C X，LI H X，et al.Nanomolar fluorescent quantitative detection of formaldehyde with a 8－h(huán)ydroxyquinoline derivative in aqueous solution and electrospun nanofibers［J］.Sensors and Actuators B，2015，219：185－191.

［10］ WANG Q S，ZHOU X L，F(xiàn)ANG T T，et al.Onestep growth of high－quality CdTe quantum dots via hydrothermal method and cytotoxicity evaluation［J］.Powder Technology，2013，247：81－86.

［11］ YU W W，QU L，PENG X，et al.Experimental determination of the extinction coefficient of CdTe，CdSe，and CdS nanocrystals［J］.Chem Mater，2003，15（14）：2854－2860.

［12］ KORPAN Y I，GONCHAR M V，SIBIRNY A A，et al.Development of highly selective and stable potentiometric sensors for formaldehyde determination［J］.Biosensors and Bioelectronics，2000，15（1／2）：77－83.

［13］ BURDA C，GREEN T C，LINK S，et al.Electron shuttling across interface of CdSe nanoparticles monitored by femtosecond laser spectroscopy［J］.J Phys Chem B，1999，103（11）：1783－1788.

［14］ GREENHAM N C，PENG X，ALIVISATOS A P.Charge separation and transport in conjugated polymer／semiconductor nanocrystal composites studied by photoluminescence quenching and photoconductivity［J］.Phys Rev B，1996，54（24）：17628－17637.

［15］ HJ 601－2011 甲醛的測(cè)定——乙酰丙酮分光光度法［S］.