碳量子點(diǎn)/銀復(fù)合材料的制備及其在溴氰菊酯檢測(cè)中的應(yīng)用

李滿秀* 任光明 胡文欣 劉莉莉 王苗苗

(忻州師范學(xué)院化學(xué)系山西忻州 034000)

碳量子點(diǎn)(CQDs)是一種分散的、尺寸小于10 nm的類球形納米顆粒[1]，它可作為熒光探針應(yīng)用于相關(guān)物質(zhì)的檢測(cè)。碳量子點(diǎn)/銀(CQDs/Ag)復(fù)合材料[2，3]是用NaBH4還原CQDs表面的Ag+，在其表面直接原位生成納米銀，制備的穩(wěn)定性良好的復(fù)合納米材料。該復(fù)合材料具有生物相容性、低毒性和高的電催化活性等特點(diǎn)，在生物和表面增強(qiáng)拉曼光譜等方面有很好的應(yīng)用。

溴氰菊酯(DM)是一種含有α-氰基的Ⅱ型擬除蟲菊酯類仿生殺蟲劑，具有用量小,對(duì)光穩(wěn)定，對(duì)哺乳動(dòng)物安全和廣譜、低殘留的特點(diǎn)，主要用在防治棉田、蔬菜、果樹和茶葉等作物害蟲，以及殺滅魚類寄生蟲及綿羊體外寄生蟲等方面。目前,測(cè)定溴氰菊酯多采用氣相色譜法[4,5]、液相色譜法[6,7]、電化學(xué)分析法[8]等。這些方法具有檢出限低、準(zhǔn)確性好等優(yōu)點(diǎn),但也有其局限性。本研究制備了CQDs/Ag復(fù)合材料，探究CQDs/Ag在分析測(cè)試方面的應(yīng)用，通過溴氰菊酯與該復(fù)合材料作用，增強(qiáng)其熒光強(qiáng)度，根據(jù)熒光增強(qiáng)程度與溴氰菊酯的濃度成正比關(guān)系，建立了溴氰菊酯殘留測(cè)定的新方法，可對(duì)蔬菜樣品中溴氰菊酯殘留實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

UV-2550型紫外-可見分光光度計(jì)(日本，島津公司)；F-4500型熒光分光光度計(jì)(日本，日立公司)；IRAffinity-1S型傅立葉變換紅外光譜儀(日本，島津公司)；85-2型恒溫磁力攪拌器(上海司樂儀器廠)；DHG-9240型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(上海-恒科技有限公司)；Scientz-10N型冷凍干燥機(jī)(寧波新芝生物科技股份有限公司)；pHS-3B型酸度計(jì)(上海精密科學(xué)儀器有限公司),AL204型電子分析天平(梅特勒托利多儀器(上海)公司)。

葡萄糖(天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司)；溴氰菊酯(100 μg/mL，上海市農(nóng)藥研究所)；硫酸奎寧(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；H3BO3、H3PO4(天津市福晨化學(xué)試劑廠)；HAc(西隴化工股份有限公司);NaOH(天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司);AgNO3、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；檸檬酸鈉(北京化工廠)；NaBH4(天津傲然精細(xì)化工研究所)，不同pH的B-R緩沖溶液。試劑級(jí)別為分析純。實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 CQDs的合成稱取1.44 g葡萄糖，用適量超純水溶解并定容至50 mL容量瓶中，然后轉(zhuǎn)移至100 mL單口圓底燒瓶中，在室溫下用磁力攪拌器攪拌10 min，然后放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，在200 ℃下保溫8 h。反應(yīng)結(jié)束后，得到淺黃色粘稠液體，自然冷卻至室溫，定容至50 mL容量瓶中，過濾離心后，得到均一的CQDs水溶液。

1.2.2 CQDs/Ag復(fù)合材料的合成使用原位復(fù)合法[9]，在燒杯中加入10 mL CQDs溶液，再加入AgNO3溶液(0.05 mol/L，50 μL)，檸檬酸鈉溶液(75 mmol/L，0.5 mL)，PVP溶液(17.5 mmol/L，0.1 mL)，使之混合，最后加入超純水(總體積控制在25 mL)，在室溫下強(qiáng)力攪拌10 min，再將NaBH4溶液(100 mmol/L，250 μL)快速注入混合溶液中，繼續(xù)攪拌45 min,制備出CQDs/Ag復(fù)合溶液。用1 000 Da的透析袋透析24 h，將透析袋內(nèi)的溶液冷凍干燥約12 h，得到微黃色粉末。

1.2.3 CQDs和CQDs/Ag的光譜表征對(duì)制備得到的CQDs/Ag與CQDs進(jìn)行表征，將兩種材料分別與干燥的KBr固體混合壓片，使用傅立葉紅外光譜儀測(cè)量其紅外吸收。取兩支10 mL比色管，分別加入0.2 mL CQDs溶液和0.2 mL CQDs/Ag溶液，1 mL pH=9.15的B-R緩沖溶液，最后用超純水定容至5 mL，分別測(cè)定其熒光光譜和紫外-可見吸收光譜。

1.2.4 溴氰菊酯的定量檢測(cè)取10 mL比色管，先后加入0.2 mL CQDs/Ag溶液，0.8 mL 6 μg/mL溴氰菊酯標(biāo)準(zhǔn)液，1 mL pH=9.15的B-R緩沖溶液，用超純水定容至5 mL，混合均勻后，在室溫下反應(yīng)30 min，以激發(fā)/發(fā)射波長為341/429 nm測(cè)定其熒光強(qiáng)度，激發(fā)和發(fā)射光譜通帶均為10 nm。

2 結(jié)果與討論

2.1 CQDs和CQDs/Ag的光譜表征

圖1 CQDs和CQDs/Ag的紅外(IR)光譜圖Fig.1 IR spectra of CQDs and CQDs/Ag

2.1.1 CQDs和CQDs/Ag的紅外光譜圖1為CQDs和CQDs/Ag的傅立葉變換紅外光譜圖。從圖中可知，在3 417 cm-1處出現(xiàn)明顯的-OH峰，在2 929 cm-1處出現(xiàn)明顯的C-H峰；在1 600 cm-1、1 400 cm-1、1 029 cm-1處出現(xiàn)明顯的C=O、C-O-C、C-O伸縮振動(dòng)峰。不同之處在于：在CQDs/Ag圖譜中-OH峰、C-H峰、C=O、C-O-C、C-O伸縮振動(dòng)峰的相對(duì)強(qiáng)度明顯降低[7]。強(qiáng)度降低可能是因?yàn)樵贑QDs芳環(huán)上的部分酚羥基被氧化，導(dǎo)致合成的CQDs/Ag的特征吸收峰的相對(duì)強(qiáng)度降低。

2.1.2 CQDs和CQDs/Ag的紫外-可見及熒光光譜表征CQDs和CQDs/Ag的紫外-可見吸收光譜如圖2所示，CQDs/Ag的最大吸收峰在403 nm處;CQDs最大吸收峰為284 nm。CQDs和CQDs/Ag的熒光光譜如圖3所示，CQDs的最佳激發(fā)和發(fā)射波長為349 nm和436 nm，CQDs/Ag的最佳激發(fā)和發(fā)射波長為341 nm和429 nm。兩者比較：制備出的CQDs/Ag的激發(fā)和發(fā)射波長藍(lán)移且強(qiáng)度明顯降低。熒光強(qiáng)度降低的原因可能是：Ag+通過靜電引力作用吸附在CQDs的表面，加入還原劑NaBH4后Ag+被還原成納米銀，逐漸沉積在CQDs的表面，隨著晶粒慢慢長大，形成Ag包覆CQDs的復(fù)合材料，導(dǎo)致熒光強(qiáng)度降低。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[10,11]，選用硫酸奎寧作參照樣品，測(cè)得CQDs/Ag的熒光量子產(chǎn)率為0.448。

2.2 CQDs/Ag與溴氰菊酯作用效果與機(jī)理探討

CQDs/Ag與溴氰菊酯作用的熒光光譜如圖4所示。以熒光強(qiáng)度F對(duì)溴氰菊酯的濃度進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，發(fā)現(xiàn)溴氰菊酯濃度在4.8～16.8 μg/mL范圍內(nèi)與熒光強(qiáng)度呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。CQDs/Ag溶液中加入溴氰菊酯溶液，熒光強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。此現(xiàn)象可能與加入溴氰菊酯后CQDs/Ag顆粒變小的結(jié)果相關(guān)，在一定濃度溴氰菊酯存在時(shí)，引起CQDs/Ag聚集，發(fā)生明顯表面鍵合、腐蝕作用，顆粒尺寸減小，表現(xiàn)出明顯量子尺寸效應(yīng)，導(dǎo)致體系熒光信號(hào)顯著增強(qiáng)。

圖2 CQDs(a)和CQDs/Ag(b)的紫外-可見(UV-Vis)吸收光譜圖Fig.2 UV-Vis absorption spectra of CQDs(a)and CQDs/Ag(b)

圖3 CQDs(1，1′)和CQDs/Ag(2,2′)的熒光激發(fā)及發(fā)射光譜圖Fig.3 Fluorescence excitation/emission spectra of CQDs(1，1′) and CQDs/Ag(2,2′)

2.3 實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化

2.3.1 緩沖體系pH的選擇在適量的CQDs/Ag溶液中加入溴氰菊酯，再分別加入H3BO3、H3PO4、B-R 緩沖溶液，發(fā)現(xiàn)H3BO3、H3PO4緩沖溶液使之熒光強(qiáng)度減弱，B-R緩沖溶液使之熒光強(qiáng)度增強(qiáng)。分別配制pH為2.09、2.56、3.29、4.10、5.02、6.09、7.00、8.35、9.15、10.30、11.20的B-R緩沖溶液。取11支10 mL比色管，分別加入0.2 mL CQDs/Ag溶液，1 mL不同pH的B-R緩沖溶液，加入0.8 mL 6 μg/mL的溴氰菊酯，定容到5 mL，測(cè)定其熒光強(qiáng)度。由圖5可知，在pH為9.15時(shí)，體系的相對(duì)熒光強(qiáng)度ΔF(ΔF=F-F0)較大且體系較為穩(wěn)定，所以選擇pH=9.15的B-R緩沖溶液。

圖4 不同濃度溴氰菊酯對(duì)CQDs/Ag的熒光增強(qiáng)作用Fig.4 The fluorescence enhancement effect of different concentration of deltamethrin1-10:0,4.8,6.0,7.2,8.4,9.6,10.8,12.0,14.4,16.8 μg/mL,respectively.

圖5 pH對(duì)CQDs/Ag相對(duì)熒光強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of pH on the relative fluorescence intensity of CQD/Ag

2.3.2 反應(yīng)時(shí)間的選擇在10 mL比色管中，分別加入0.2 mL CQDs/Ag溶液，1 mL pH為9.15的B-R緩沖溶液，0.8 mL 6 μg/mL的溴氰菊酯，定容到5 mL，分別測(cè)定反應(yīng)15、30、45、60、75、90 min時(shí)體系的熒光強(qiáng)度，并與未加入溴氰菊酯的體系對(duì)比，發(fā)現(xiàn)30 min時(shí)，溴氰菊酯對(duì)CQDs/Ag的熒光增強(qiáng)作用最大。實(shí)驗(yàn)選擇反應(yīng)時(shí)間為30 min。

2.3.3 溫度的選擇分別取0.2 mL CQDs/Ag溶液和1 mL pH=9.15的B-R緩沖溶液于2支比色管中，其中一支再加入0.8 mL 6 μg/mL溴氰菊酯溶液，均定容至5 mL。分別在不同溫度(15、25、35、45、55 ℃)下反應(yīng)30 min后，測(cè)定體系熒光強(qiáng)度。當(dāng)溫度為25 ℃時(shí)，ΔF最大，所以選擇實(shí)驗(yàn)在25 ℃進(jìn)行。

2.4 干擾試驗(yàn)

固定溴氰菊酯的濃度為4.8 μg/mL，研究不同離子、有機(jī)物以及其它農(nóng)藥對(duì)體系的干擾(控制相對(duì)誤差在5%范圍內(nèi))，結(jié)果如表1所示。

2.5 標(biāo)準(zhǔn)曲線及檢出限和精密度

在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，CQDs/Ag體系的熒光強(qiáng)度F與溴氰菊酯在4.8～16.8 μg/mL范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系，其線性回歸方程為：F=99.50c+273.12，相關(guān)系數(shù)r=0.9941。平行測(cè)定10組4.8 μg/mL溴氰菊酯標(biāo)準(zhǔn)溶液，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為1.0%。根據(jù)IUPIC的推薦標(biāo)準(zhǔn)(3S/k),方法檢出限為0.44 μg/mL。

表1 干擾物質(zhì)的影響Table 1 Effects of interfering substances

2.6 樣品測(cè)定

稱取市售的油菜、黃瓜、油麥菜各10 g，分別切成碎段，放入小燒杯中，加入50 mL丙酮浸泡12 h后，過濾，取濾液定容到50 mL容量瓶中。在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，測(cè)定了油菜、黃瓜、油麥菜中溴氰菊酯的殘留量。每個(gè)樣品平行測(cè)定5次，同時(shí)進(jìn)行4.8、7.2、9.6 μg/mL 3個(gè)添加水平的加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表2。不同樣品測(cè)定平均回收率在95.8%～109.7%之間。

表2 樣品及回收率測(cè)定(n=5)Table 2 Determination of samples and recoveries(n=5)

3 結(jié)論

CQDs/Ag是一種新型復(fù)合熒光納米粒子，本文根據(jù)溴氰菊酯對(duì)CQDs/Ag的熒光增強(qiáng)作用，建立了簡(jiǎn)單、快速的定量檢測(cè)溴氰菊酯的熒光分析新方法，可用于蔬菜樣品中溴氰菊酯殘留的測(cè)定。