CdTe和CdTe/CdS量子點(diǎn)與葉酸分子熒光相互作用

李光旻，劉淏洋，楊 洋，劉洪飛*，費(fèi)學(xué)寧，劉 偉

(1．天津城建大學(xué) 理學(xué)院，天津 300384； 2．中企眾鑫(天津)工業(yè)設(shè)計(jì)有限公司，天津 300384)

1 引 言

Ⅱ-Ⅳ主族核殼結(jié)構(gòu)無(wú)機(jī)量子點(diǎn)(QDs)由于其高量子產(chǎn)率、優(yōu)異的光穩(wěn)定性等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于生物標(biāo)志物、熒光成像等領(lǐng)域[1]。Finn等發(fā)現(xiàn)CdSe量子點(diǎn)通過(guò)包覆CdS殼層結(jié)構(gòu)可以有效地提高發(fā)光強(qiáng)度，同時(shí)量子點(diǎn)的光致發(fā)光量子產(chǎn)率隨CdS殼層厚度的增加而增大[2]。Cheng等[3]通過(guò)ZnS殼層的覆蓋，提高了CuInS2量子點(diǎn)的發(fā)光效率。Zhang等發(fā)現(xiàn)水溶性CdTe/CdSe/ZnS量子點(diǎn)的光致發(fā)光量子產(chǎn)率高達(dá)84%，是制備的發(fā)光半導(dǎo)體納米晶的最佳結(jié)果之一[4]。Fadi等發(fā)現(xiàn)具有核/殼/殼結(jié)構(gòu)的CdTe/CdS/ZnO的光致發(fā)光產(chǎn)率是ZnO量子點(diǎn)的3倍[5]。

葉酸是一種水溶性B族維生素，是機(jī)體細(xì)胞生長(zhǎng)和繁殖所必需的物質(zhì)。最近研究表明葉酸可以作為一種熒光猝滅劑，應(yīng)用在生物傳感、生物識(shí)別等方面，具有巨大的潛力和前景。Li等研究了葉酸對(duì)摻雜Mn2+的ZnS量子點(diǎn)磁性納米復(fù)合材料的猝滅效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)納米復(fù)合材料與葉酸之間的電子轉(zhuǎn)移可能是導(dǎo)致這種猝滅的原因[6]。Chakravarty等[7]觀察到葉酸與PVA色氨酸CdTe量子點(diǎn)(PTQ)之間通過(guò)電子或能量轉(zhuǎn)移發(fā)生熒光猝滅。用FA-NHS進(jìn)一步處理GSH修飾的ITO，其熒光強(qiáng)度明顯降低，這與葉酸的猝滅作用相對(duì)應(yīng)，Jiang等在溶液中觀察到葉酸對(duì)CdTe納米粒子的熒光猝滅作用[8]。

很多研究主要集中在量子點(diǎn)與葉酸分子發(fā)生耦合作用引起熒光猝滅方面，而不同量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)對(duì)葉酸熒光猝滅的影響研究較少。本文討論了CdTe和CdTe/CdS核殼結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)與葉酸分子的熒光相互作用，重點(diǎn)分析了葉酸分子對(duì)CdTe和CdTe/CdS核殼量子點(diǎn)的熒光猝滅作用及其機(jī)理。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 樣品制備

2.1.1 CdTe QDs制備

在氮?dú)猸h(huán)境下，向三頸燒瓶中加入0.06 g碲粉(Te)和0.06 g硼氫化鈉(NaBH4)。然后，在室溫下加熱溶液并在40 ℃下水浴加熱并用磁力攪拌30 min以形成紫色NaHTe前體溶液。然后加入0.2 g氯化鎘(CdCl2)和0.3 g半胱氨酸(Cysteine,C3H7NO2S)，在磁力攪拌過(guò)程中溶解于45 mL去離子水中，之后滴加NaOH調(diào)節(jié)pH值至10，再加熱回流至100 ℃，將溶液和NaHTe前體注入三頸燒瓶中2 h后得到酒紅色Cys-CdTe QDs溶液。

2.1.2 CdTe/CdS QDs制備

CdTe回流2 h后，將溶液冷卻至60 ℃。同時(shí)，分別稱(chēng)量0.24 g的硫化鈉(Na2S)和0.22 g的氯化鎘(CdCl2)，超聲溶解于5 mL去離子水中，將制備好的Na2S和CdCl2溶液緩慢加入CdTe溶液中，80 ℃加熱回流 1 h，得到Cys-CdTe/CdS-QDs溶液。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

取數(shù)支試管，將配置好的濃度為0.05 mol/L的Cys-CdTe量子點(diǎn)溶液在298，304，311 K的溫度下保溫，并在溶液中滴加濃度為0.98×10-5～6.89×10-5mol/L 的葉酸分子溶液,搖勻混合。所有實(shí)驗(yàn)均采用對(duì)照實(shí)驗(yàn)。

2.3 樣品表征

采用RF-5301PC熒光分光光度計(jì)對(duì)材料進(jìn)行熒光光譜分析(SHIMADZU,Japan)，采用Nicolet iS5光譜儀(Thermo Electron Corporation)進(jìn)行FT-IR光譜分析，采用HITACHI U-3010分光光度計(jì)進(jìn)行紫外-可見(jiàn)吸收光譜測(cè)試。材料晶面結(jié)構(gòu)采用BDX330X射線衍射儀測(cè)量，表面結(jié)構(gòu)利用日立H-600透射電子顯微鏡進(jìn)行成像。

3 結(jié)果與討論

3.1 Cys-CdTe和 Cys-CdTe/CdS 量子點(diǎn)材料表征

Cys-CdTe/CdS量子點(diǎn)的XRD如圖1(a)所示。立方結(jié)構(gòu)Cys-CdTe量子點(diǎn)的XRD圖譜(JCPDS 15-0770)中(111)、(220)和(311)3個(gè)主峰位置，在圖中用紅線表示，分別位于23.8°、39.6°和 46.8°。由圖中可知，CdTe/CdS的XRD圖示中3個(gè)主峰位置相對(duì)于CdTe量子點(diǎn)均向高角發(fā)生了移動(dòng)，表明形成了CdTe/CdS核殼結(jié)構(gòu)[5]。圖1(b)比較了半胱氨酸分子和Cys-CdTe/CdS量子點(diǎn)的傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)。當(dāng)半胱氨酸分子與CdTe/CdS量子點(diǎn)表面結(jié)合時(shí)，在2 500 cm-1(wvS-H)的信號(hào)消失，表明半胱氨酸分子的巰基與鎘離子發(fā)生了鍵合。Cys-CdTe/CdS量子點(diǎn)3 400 cm-1處的寬吸收主要來(lái)自于CdTe/CdS量子點(diǎn)表面半胱氨酸羧基與氨基之間的氫鍵[9]。Cys-CdTe/CdS量子點(diǎn)的TEM圖像如圖1(c)所示。Cys-CdTe/CdS量子點(diǎn)晶格緊密堆積，其平均尺寸為3.9 nm；相鄰晶面間的平面間距分別為0.37 nm和0.33 nm，與CdTe和CdS的d(111)值相匹配。Cys-CdTe/CdS量子點(diǎn)的吸收光譜如圖1(d)所示，可以觀察到以600 nm為中心的激子吸收峰對(duì)應(yīng)于1.65 eV的禁帶寬度。圖1(d)中嵌入了CdTe量子點(diǎn)的紫外-可見(jiàn)吸收光譜。由圖中可見(jiàn)，CdTe量子點(diǎn)的紫外吸收位置在590 nm附近，相比CdTe量子點(diǎn)，CdTe/CdS量子點(diǎn)的紫外吸收位置發(fā)生了一定程度的紅移，也可以作為形成CdTe/CdS的證據(jù)。合成的Cys-CdTe/CdS量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖1 Cys-CdTe/CdS量子點(diǎn)的X射線衍射圖(a)、傅里葉變換紅外光譜(b)、TEM圖像(c)、紫外-可見(jiàn)光譜(d)。Fig.1 (a)X-ray diffraction pattern.(b)Fourier transform infrared spectra.(c)TEM image.(d)UV-Vis spectrum of Cys-CdTe/CdS QDs.

圖2 Cys-CdTe/CdS量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖(其中綠色為S元素，褐色為C元素，白色為H元素，藍(lán)色為N元素，紅色為 O元素)Fig.2 Structure diagram of Cys-CdTe/CdS QDs(in which green is element S,brown is element C,white is element H,blue is element N and red is element O)

3.2 熒光猝滅特性

不同濃度葉酸分子滴定CdTe量子點(diǎn)的熒光光譜如圖3所示，上述測(cè)量在298 K下進(jìn)行，激發(fā)波長(zhǎng)為358 nm。由圖3(a)所示，CdTe量子點(diǎn)熒光發(fā)射光譜峰位在620 nm，隨著葉酸分子的滴定，CdTe量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度降低。當(dāng)葉酸分子的濃度達(dá)到6.89×10-5mol/L 時(shí),熒光強(qiáng)度降低到了初始值的24%，表明葉酸分子對(duì)CdTe量子點(diǎn)有明顯的熒光猝滅作用。此外，葉酸分子滴定會(huì)導(dǎo)致CdTe量子點(diǎn)熒光發(fā)射峰位發(fā)生約35 nm的藍(lán)移(見(jiàn)圖3(b))。這主要是由于猝滅劑與量子點(diǎn)之間形成的絡(luò)合結(jié)構(gòu)降低了局域環(huán)境的極性所致[10-12]，具體機(jī)理解釋見(jiàn)文章后續(xù)分析。

圖3 不同濃度葉酸分子滴定CdTe量子點(diǎn)。(a)熒光光譜；(b)發(fā)射峰位置。Fig.3 Titration CdTe QDs with different concentrations of folate molecules.(a)Fluorescence spectra.(b)Emission peak position.

圖4(a)為CdTe/CdS核殼結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)在滴定相同濃度葉酸分子時(shí)的熒光光譜。如圖所示，CdTe/CdS核殼結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)熒光光譜發(fā)射主峰位于652 nm，相比CdTe量子點(diǎn)熒光光譜主峰紅移了32 nm，這主要是由于CdS包殼結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的量子點(diǎn)尺寸效應(yīng)，同時(shí)也是CdTe/CdS核殼結(jié)構(gòu)形成的另一個(gè)證明。如圖4(b)所示，隨著葉酸分子的濃度增加，CdTe/CdS量子點(diǎn)熒光發(fā)射峰的位置略有波動(dòng)。以上結(jié)果表明，葉酸分子不會(huì)帶來(lái)CdTe/CdS核殼結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)顯著的熒光猝滅作用，同時(shí)也不會(huì)導(dǎo)致熒光光譜藍(lán)移。

圖4 不同濃度葉酸分子滴定CdTe/CdS量子點(diǎn)。(a)熒光光譜；(b)發(fā)射峰位置。Fig.4 Titration CdTe/CdS QDs with different concentrations of folate molecules.(a)Fluorescence spectra.(b)Emission peak position.

3.3 Stern-Volmer方程

為了進(jìn)一步研究葉酸分子滴加引起不同結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)熒光猝滅特性的差異，我們采用Stern-Volmer方程進(jìn)行計(jì)算,其形式如下[13]:

(1)

其中，F(xiàn)和F0分別是量子點(diǎn)在具有給定葉酸分子滴定濃度的溶液和沒(méi)有葉酸滴定條件下溶液中的發(fā)光強(qiáng)度，KSV是動(dòng)態(tài)猝滅常數(shù)，Kq是動(dòng)態(tài)猝滅速率常數(shù)。動(dòng)態(tài)猝滅的最大值約為2×1010L/(mol·s)。[C]為葉酸分子濃度;τ0是熒光的平均壽命,大約為1.9×10-9s。不同溫度下葉酸分子對(duì)CdTe熒光猝滅的Stern-Volmer曲線如圖5所示。結(jié)果表明，3種溫度下的Stern-Volmer曲線均與葉酸分子滴定濃度和F0/F呈線性關(guān)系，且擬合直線的斜率隨溫度升高而減小，這正是靜態(tài)熒光猝滅的特征。相關(guān)計(jì)算信息及參數(shù)見(jiàn)表1。

圖5 不同溫度下葉酸分子滴定CdTe量子點(diǎn)的Stern-Volmer曲線。(a)298 K；(b)304K；(c)311 K。Fig.5 Stern-Volmer curve of folate molecular titration CdTe QDs at different temperatures.(a)298 K.(b)304 K.(c)311 K.

由表1可知，當(dāng)測(cè)試溫度升高至311 K時(shí)，KSV從58 904 L/mol 減小至39 505 L/mol，這表明猝滅過(guò)程是以靜態(tài)猝滅為主。更重要的是,在3種不同溫度下Kq處在1012L/(mol·s)數(shù)量級(jí),遠(yuǎn)大于動(dòng)態(tài)猝滅常數(shù)的最大值2×1010L/(mol·s),進(jìn)一步表明葉酸分子對(duì)CdTe量子點(diǎn)的熒光猝滅作用并非動(dòng)態(tài)猝滅，而是靜態(tài)猝滅。為了進(jìn)一步驗(yàn)證葉酸分子對(duì)CdTe量子點(diǎn)帶來(lái)的靜態(tài)熒光猝滅作用，我們對(duì)加入葉酸分子前后的CdTe量子點(diǎn)溶液進(jìn)行了熒光壽命測(cè)試。

表1 不同溫度下葉酸分子滴定CdTe量子點(diǎn)的Stern-Volmer方程及相關(guān)參數(shù)Tab.1 Stern-Volmer equation and related parameters of folate molecular titration of CdTe quantum dots at different temperatures

圖6為CdTe量子點(diǎn)溶液加入葉酸分子前后的熒光壽命譜，熒光壽命測(cè)試采用375 nm激發(fā)光。如圖所示，加入葉酸分子前后的CdTe量子點(diǎn)熒光壽命幾乎保持不變，這再次表明葉酸分子對(duì)量子點(diǎn)的熒光猝滅屬于靜態(tài)猝滅[14-15]。為了研究靜態(tài)猝滅下材料的耦合狀態(tài)，我們對(duì)葉酸與Cys-CdTe量子點(diǎn)的結(jié)合常數(shù)和結(jié)合位點(diǎn)數(shù)目進(jìn)行了分析，其中結(jié)合常數(shù)和結(jié)合位點(diǎn)數(shù)由雙對(duì)數(shù)方程確定:

圖6 加入葉酸分子前后Cys-CdTe量子點(diǎn)溶液的熒光壽命譜Fig.6 Fluorescence life of Cys-CdTe QDs and Cys-CdTe QDs with folate

(2)

其中Kb表示結(jié)合常數(shù)，n表示結(jié)合位點(diǎn)數(shù)，在298 K條件下的擬合曲線如圖7所示。

由圖7可知，在298 K下，lg[(F0-F)/F]與lg[C]成線性關(guān)系，結(jié)合Stern-Volmer方程，葉酸分子滴定CdTe量子點(diǎn)只會(huì)帶來(lái)靜態(tài)熒光猝滅，而并非靜態(tài)猝滅和動(dòng)態(tài)猝滅混合。根據(jù)葉酸-CdTe量子點(diǎn)體系在298 K時(shí)的雙對(duì)數(shù)方程可知，結(jié)合位點(diǎn)數(shù)(n)約等于1.65，這表明葉酸分子與CdTe量子點(diǎn)的結(jié)合比率為1.65∶1，進(jìn)一步驗(yàn)證了兩者之間發(fā)生了強(qiáng)烈的耦合作用，進(jìn)而產(chǎn)生了絡(luò)合結(jié)構(gòu)。為了驗(yàn)證絡(luò)合結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，我們對(duì)CdTe量子點(diǎn)加入葉酸之后的紫外-可見(jiàn)光譜進(jìn)行了研究。

圖7 lg[(F0-F)/F]-lg[C] FA-CdTe體系在298 K時(shí)的曲線Fig.7 Curve of lg[(F0-F)/F]-lg[C] of folate-CdTe system at 298 K

如圖8所示，與CdTe量子點(diǎn)和葉酸分子紫外-可見(jiàn)光吸收光譜的數(shù)學(xué)疊加相比，CdTe量子點(diǎn)在加入葉酸分子之后，吸收光譜發(fā)生了變化，在232 nm附近紫外吸收增加，這表明在CdTe量子點(diǎn)和葉酸分子之間形成了非熒光絡(luò)合結(jié)構(gòu)[11]。

圖8 Cys-CdTe量子點(diǎn)、葉酸、量子點(diǎn)加入葉酸后的紫外-可見(jiàn)光譜。Fig.8 UV-Vis spectra of Cys-CdTe QDs,folate,and Cys-CdTe QDs with folate.

3.4 機(jī)理分析

以上結(jié)果表明，葉酸分子給CdTe量子點(diǎn)帶來(lái)的熒光猝滅是一種典型的靜態(tài)熒光猝滅行為，而在CdTe/CdS核殼體系中，我們沒(méi)有觀察到葉酸分子對(duì)量子點(diǎn)引起的熒光猝滅現(xiàn)象。研究表明CdTe量子點(diǎn)中暴露在空氣中的不飽和Te原子易被氧化[16]，從而形成空穴陷阱。而在CdTe量子點(diǎn)表面包覆CdS殼層可以鈍化CdTe量子點(diǎn)的表面缺陷，消除量子點(diǎn)表面的陰離子和陰離子懸掛鍵，抑制CdTe量子點(diǎn)的氧化[17]，進(jìn)而減弱葉酸分子與CdTe量子點(diǎn)表面的靜電相互作用，抑制了熒光猝滅效應(yīng)。葉酸分子滴定會(huì)導(dǎo)致CdTe量子點(diǎn)熒光光譜有明顯的藍(lán)移，說(shuō)明熒光分子與猝滅劑之間存在靜電相互作用，熒光分子與猝滅劑之間可能形成非發(fā)光基態(tài)絡(luò)合結(jié)構(gòu)。這種復(fù)合物導(dǎo)致局部環(huán)境的極性降低，通過(guò)減少非輻射躍遷縮短Stokes位移。為了驗(yàn)證我們的推測(cè)，進(jìn)行了熱力學(xué)計(jì)算:

(3)

ΔG=ΔH-TΔS，

(4)

其中，K是猝滅常數(shù)，H是焓變，S是熵變，R是普適氣體常數(shù)，T是溫度，G是吉布斯自由能變化。我們擬合了lnK與1/T的關(guān)系。最后計(jì)算了熵變(ΔH)和焓變(ΔS)分別為-27.75×103J·mol-1·K-1和11×103J·mol-1，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)吉布斯自由能變化(ΔG)為-27.1×103J·mol-1。ΔG<0說(shuō)明葉酸分子帶來(lái)CdTe量子點(diǎn)的熒光猝滅是自發(fā)的。同時(shí)，焓變(ΔH)<0，熵變(ΔS)>0，說(shuō)明葉酸分子與CdTe量子點(diǎn)的相互作用主要是靜電作用[18]。葉酸分子含有兩個(gè)羧基和一個(gè)氨基，因此葉酸分子與半胱氨酸誘導(dǎo)劑可能通過(guò)端層羧基與氨基間的靜電作用進(jìn)行偶聯(lián)進(jìn)而形成了絡(luò)合結(jié)構(gòu)，引起熒光光譜的藍(lán)移。

4 結(jié) 論

本文在水相條件下合成了Cys-CdTe量子點(diǎn)和CdTe/CdS核殼量子點(diǎn)。葉酸分子會(huì)引起CdTe量子點(diǎn)熒光猝滅現(xiàn)象，經(jīng)Stern-Volmer方程計(jì)算表明該猝滅作用是靜態(tài)猝滅效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)研究表明CdTe量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度與葉酸分子的濃度有良好的線性關(guān)系，可用于制備葉酸濃度快速測(cè)定的熒光探針。CdS殼層結(jié)構(gòu)可以有效削弱葉酸分子與CdTe量子點(diǎn)之間的靜電相互作用，進(jìn)而抑制熒光猝滅效應(yīng)。研究也表明葉酸分子與CdTe量子點(diǎn)作用會(huì)帶來(lái)熒光光譜峰位的藍(lán)移，熱力學(xué)計(jì)算表明葉酸分子與CdTe量子點(diǎn)之間通過(guò)靜電作用形成了絡(luò)合結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致基團(tuán)的局部極性降低。本研究為進(jìn)一步研究生物分子與量子點(diǎn)的相互作用提供了一定的幫助和啟示。