摘要：作为一类理想的磷光探针，量子点近年来在环境污染物定性定量分析方面应用广泛。量子点是半径小于或接近于激子玻尔半径的一类半导体纳米晶。以巯基丙酸（MPA）为表面修饰剂制备了稳定的水溶性掺杂型ZnS∶Mn2+量子点并应用于金属Cd2+的检测。在pH 7.0的PBS缓冲介质中，Cd2+可使ZnS∶Mn2+体系磷光猝灭，强度变化与Cd2+浓度呈良好线性关系，其线性范围为8×10-8～8×10-6 mol/L，方法检测下限为3.86×10-8 mol/L；利用荧光光谱、紫外可见吸收光谱研究了ZnS：Mn2+纳米晶结构及其光谱特性，探讨了识别Cd2+的可能机理。该方法应用于汾河水中Cd2+的检测，回收率为93.2%～97.1%。
关键词：量子点；室温磷光检测（RTP）；镉离子
中图分类号：O657.3 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）16-4033-05
DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.16.052
Phosphorescence Analysis of Cd2+ with ZnS∶Mn2+ Quantum Dots at Room-Temperature
ZHAO Lei， MIAO Yan-ming， LI Yu-ting， LIAN Lin-wang， YAN Gui-qin
（College of Life Science Shanxi Normal University， Linfen 041004， Shanxi， China）
Abstract： Quantum dots （QDs） as a type of ideal phosphorescence probes have been extensively studied in qualitative and quantitative analysis of environmental pollutants. QDs are a type of semiconductor nanocrystals with radius smaller than or close to Bohr-exciton radius. In this paper， the stable water soluble QDs were prepared with mercaptopropionic acid （MPA） as a surface modifier， the prepared ZnS∶Mn2+ nanocrystal was used to detect Cd2+. In pH 7.0 PBS， Cd2+ could quench the phosphorescence intensity of the ZnS∶Mn2+ system significantly. The linear relationship between Cd2+ and phosphorescence intensity was found， and the linear range was 8×10-8～8×10-6 mol/L with detection limit of 3.86×10-8 mol/L. Then its nano-crystalline structure and the spectral properties were analyzed by fluorescence and UV-Vis spectroscopy， and the possible mechanism of Cd2+ was discussed. The recoveries of 93.2%～97.1% Cd2+ in the water sample from Fenhe were found.
Key words： quantum dots； room-temperature phosphorescence （RTP）；Cd2+
量子点（Quantum dots，QDs） 即半径小于或接近于激子玻尔半径的半导体纳米晶粒，是一种零维的纳米材料，尺寸在纳米级的金属或半导体材料的细小颗粒，尺寸范围为1～100 nm。量子点具有许多块体材料和分子级别材料所不具备的性质，如：量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应和介电限域效应等，并由此派生出量子点独特的发光特性。与传统的有机染料相比，量子点具有宽而连续的激发光谱、窄而对称的发射光谱、可精确调谐的发射波长（通过控制粒径来调整发射波长）、可忽略的光漂白等优良特性，使得其作为一种理想的磷光探针，在生物标记、成像及检测中应用广泛[1-8]，目前将量子点用于检测离子[9-11]，生物大分子[12-15]与小分子[16-18]正成为研究热点。室温磷光法较之荧光分析法，磷光寿命比荧光长，可避免自体荧光和散射光的干扰，且磷光的选择性优于荧光[19-25]。因此，可采用量子点的磷光特性开展检测技术研究[26]。
镉是一种广泛分布于环境中的重金属元素[27]，采矿、冶炼、化石燃料等都会导致环境中的镉积累，并进入人类食物链[28]，导致肾功能不全，钙代谢异常以及引发癌症[29]。而加强检测环境样品，工业废物排放和组织样本中的镉含量，将有利于控制人类镉的暴露水平。目前检测Cd2+的主要方法有原子光谱法[30]、电化学方法[31]、毛细管电泳法[32]、电感耦合等离子体质谱法[33]、分光光度法和荧光光谱法[34]等。本试验通过制备水溶性掺杂型ZnS∶Mn2+量子点，初步分析了对Cd2+的检测参数，以期为开发相关快速检测方法提供参考。
1 材料与方法
1.1 材料和试剂
巯基丙酸（SPA）（北京百灵威科技有限公司），Zn（CH3COO）2・2H2O，Mn（CH3COO）2・4H2O，Cd（NO3）2，Na2S・9H2O（天津市科密欧化学试剂有限公司）均为分析纯，去离子水。 1.2 主要仪器
JSM-7500F透射电镜（JEOL，日本），UV-29100型分光光度计（日立，日本）紫外-可见分光光度计，Cary Eclipse荧光分光光度计（瓦里安， 美国），pH计（金鹏分析仪器有限公司）。
1.3 方法
1.3.1 Mn掺杂ZnS量子点的合成 取100 mL三口烧瓶，依次加入50 mL 0.04 mol/L巯基丙酸，5 mL 0.1 mol/L的Zn（CH3COO）2和2 mL 0.01 mol/L的Mn（CH3COO）2，混合后在室温下通氩气，用1 mol/L的NaOH调节pH至11后，搅拌30 min，然后快速注射0.1 mol/L的Na2S 5 mL，迅速搅拌20 min后，于50 ℃陈化2 h形成巯基丙酸包裹的Mn，最后通过与相同体积的乙醇沉淀进行离心纯化，在室温真空下干燥，得到高水溶性的量子点粉末[35]，待用。
1.3.2 测量 在295 nm激发波长的磷光模式下，激发和发射狭缝宽度分别为10 nm和20 nm，在一系列10 mL比色管中，依次加入500 μL 0.02 mol/L的PBS缓冲液（pH=7.0），50 μL 2 mg/mL的上述量子点溶液，然后加入相同浓度不同体积的Cd2+水溶液，并以去离子水定容至5 mL，静置5 min后测定3次。
2 结果与分析
2.1 量子点性质分析
制备的水溶性量子点结构式见图1（a），其透射电镜图（b）表明Mn掺杂ZnS量子点具有球形形状，直径约为3.5 nm。其磷光激发和发射峰位于590 nm处。ZnS量子点只有缺陷态发光，而Mn掺杂ZnS量子点会发射磷光，起源于Mn2+的4T1-6A1跃迁[21]。
2.2 Mn掺杂ZnS量子点的RTP分析
Cd2+对Mn掺杂ZnS量子点磷光的影响见图2，结果表明Cd2+对Mn掺杂ZnS量子点的磷光具有猝灭效应。随着Cd2+浓度增加，量子点的RTP强度呈下降趋势，表明该量子点可用于镉离子的RTP探针。在最佳条件下，磷光猝灭强度与镉离子浓度的标准曲线见图3。由图3计算其线性回归方程为ΔP=0.000 4 C+1.010 2，相关系数为0.993 5，连续测定11次不含镉离子和含有0.2 μmol/L镉离子磷光差值的相对标准偏差为1.8%。计算该方法的Cd2+检出限为3.86×10-8 mol/L。
2.3 RTP探针的性质探讨
为鉴定Cd2+在该分析体系中的特异性，分析了体系中的探针磷光特性，结果见图4。由图4可知，Mn掺杂ZnS量子点的磷光发射峰激发于595 nm，在Mn掺杂ZnS量子点体系中添加Cd2+，可显著降低体系磷光强度，且随着Cd2+浓度增加，其荧光强度有规律地降低，即Mn掺杂ZnS量子点可与Cd2+发生相互作用。
紫外-可见光谱分析结果见图5。由图5可知，Mn掺杂ZnS量子点的光强度较低，但加入镉离子后，在量子点表面形成了S-Cd键，增大了整个体系的发光强度[36]。
磷光猝灭过程通常分为动态碎灭（遵从Stem-Voliner方程Eq.1）和静态碎灭（遵从Lineweaver- Burk方程Eq.2）两类[37，38]：
P0/P=1+Ksvcq （1）
1/（P0-P）=1/P0+KLB/（P0cq） （2）
其中，P0代表磷光体磷光强度，P代表加入磷光碎灭剂后体系的磷光强度，cq为碎灭剂Cd2+浓度，Ksv是动态猝灭常数，KLB是静态猝灭常数[39-41]。P0/P和cq的关系不遵循Stern-Volmer方程，而（P0-P）-1与cq的关系符合Lineweaver-Burk方程，说明Cd2+猝灭Mn掺杂ZnS量子点是一个静态猝灭过程（图6），即二者相互作用后产生了非磷光物质。
2.4 检测体系的优化
为优化检测体系，试验研究了pH、反应时间以及NaCl浓度对40 mg/L Mn掺杂ZnS量子点RTP强度的影响。由图7可知，当pH为4.5～9.5时，随着pH增加，量子点RTP强度呈先增后减，并在pH 6～8.5时趋于稳定，考虑普通环境水样pH在7左右，故选择反应体系pH为7。由图8和图9可知量子点在60 min内和高NaCl浓度下，RTP强度基本稳定。
2.5 样品分析
取一定量汾河水，过滤后，采用加标回收法分析，结果见表1。由表1可知，样品回收率达到93%以上，检测相对标准偏差小于6%，初步符合检测分析要求。
3 结论
采用MPA包裹的Mn掺杂ZnS量子点可为快速检测镉离子提供新思路，该法不需复杂的样品预处理，操作简单，且采用的磷光检测体系，可有效避免生物体液的自体荧光和散射光干扰，勿需除氧剂和诱导剂，成本低，是一种简单、快速、经济、灵敏和高选择性的检测水样中镉离子的方法。
参考文献：
[1] GRECCO H E，LIDKE K A，HEINTZMANN R，et al. Ensemble and single particle photophysical properties （two-photon excitation， anisotropy， FRET， lifetime， spectral conversion） of commercial quantum dots in solution and in live cells[J]. Microscopy Research and Technique，2004，65（4-5）：169-179.
[2] WANG L Y，KAN X W，ZHANG M C，et al. Fluorescence for the determination of protein with functionalized nano-ZnS[J]. Analyst，2002，127（11）：1531-1534.