作者：周華萌 徐淑坤 伊魁宇 張紅艷

【摘要】 本研究在水相中合成了高質量的巰基乙酸包被的CdTe量子點。在pH 5.8～8.0范圍內的PBS緩沖溶液中，CdTe量子點熒光強度與體系酸度存在良好的線性關系。利用NH+4 對量子點熒光的猝滅作用，實現了對水溶液中NH+4 的定量檢測。在最優條件下，CdTe量子點酸度敏感探針熒光的猝滅程度與NH+4濃度呈良好的線性關系，線性范圍為0.05～6.0 mmol/L，檢出限為0.15 μmol/L。對1.0 mmol/L標準溶液平行測定11次，相對標準偏差為3.2%。利用標準加入法對水樣中NH+4含量進行了測定，其結果與蒸餾酸滴定法的結果基本一致。

【關鍵詞】 碲化鎘，量子點，酸度敏感熒光探針，銨根離子

1 引 言

量子點是一種由II～VI族或III～V族元素組成的、穩定的、溶于水的、粒徑介于1～100 nm之間能夠受光激發產生熒光的半導體納米晶粒[1，2]。量子點獨特的性質在于它自身的量子效應。當顆粒尺寸進入納米量級時，尺寸限域將引起尺寸效應、量子限域效應、宏觀量子隧道效應和表面效應。量子點在生命科學、分析科學、材料科學、免疫醫學、檢驗檢疫等研究領域發揮著越來越大的作用[2～4]。

研究表明，量子點的熒光強度通常隨介質pH的改變而變化，這為以量子點作酸度敏感探針提供了理論基礎[5～7]。Susha等[8]發現CdTe量子點的熒光強度在pH 6～12范圍內無明顯變化，在pH值為4～6范圍內隨酸度增強，熒光強度線性猝滅，且最大發射峰位基本不變。據此，他們首先提出水溶性的CdTe量子點將可能成為氫離子探針。以量子點為酸度敏感探針時，硫醇修飾的CdTe量子點比CdSe量子點前景更好，因為前者可以在80～100 ℃下合成，且量子產率較高，粒徑可調，水溶性好，合成過程中很容易被巰基乙酸、L半胱氨酸等生物分子修飾[9，10]而用于生物樣品的測定。更重要的是，巰基乙酸修飾的CdTe量子點不經任何處理就表現出很好的酸度敏感性，而用CdSe量子點制備酸度敏感探針則非常繁瑣[11，12]。本研究使用巰基乙酸修飾的CdTe量子點定量測定了NH+4含量，結果令人滿意。

水中NH+4的來源主要為生活污水中含氮有機物受微生物作用的分解產物和某些工業廢水以及農田排水[13]。在有氧環境中，NH+4含量較高時可轉變為亞硝酸鹽，對魚類有毒害作用，對人體健康也會產生危害。測定水中NH+4含量有助于評價水體被污染和“自凈”狀況。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

LS55熒光分光光度計(美國PE公司);UV2100雙光束紫外可見分光光度計(北京瑞利分析儀器公司); DF101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(鞏義市英峪予華儀器廠); PHS3C數字式pH計(上海理達儀器廠); FA 1004N分析天平，精密度0.0001 g(上海民橋精密科學儀器有限公司); SZ93自動雙重純水蒸餾器(上海亞榮生化儀器廠); CHAS往返氣浴恒溫振蕩器(江蘇金壇大地自動化儀器廠)。

碲粉(Te，上海化學試劑站分裝廠);氯化鎘(CdCl2·2.5H2O，北京化工廠);巰基乙酸(HSCH2COOH，TGA，中國醫藥集團上海化學試劑公司); NaBH4(中國醫藥集團上海化學試劑公司); NaOH(沈陽醫藥股份有限公司化玻公司); NH4Cl(國藥集團化學試劑有限公司);PBS緩沖溶液：分別準確稱取17.91 g Na2HPO4·12H2O和7.80 g NaH2PO4·2H2O溶于水中，均定容至100 mL。調整兩種溶液的混合比，可得到不同pH值的PBS緩沖溶液。所有的試劑均為分析純，實驗用水為二次蒸餾水。

2.2 實驗方法

2.2.1 量子點的制備

2.2.2 量子點熒光強度與體系酸度關系的考察 取適量量子點用二次蒸餾水稀釋50倍，置陰暗處備用。在4 mL樣品管中依次加入100 μL稀釋后的量子點及1900 μL不同酸度值的PBS緩沖溶液，混合均勻，放置30 min后，用熒光分光光度計測定其熒光強度值。

2.2.3 NH+4含量的測定 在5 mL可密閉樣品管中依次加入100 μL一定濃度的CdTe量子點、400 μL 0.05 mol/LPBS緩沖溶液、二次蒸餾水及不同體積NH+4，通過調整H2O的加入體積，使體系總積為4 mL。將樣品管置于空氣浴搖床中，常溫下低速振蕩15 min使其充分反應。反應結束放置5 min待溶液穩定后于熒光分光光度計測定各組溶液的熒光強度I。計算試劑空白熒光強度與不同濃度NH+4 的熒光強度比值的對數值ln(I0/I)，并考察ln(I0/I)與對應濃度之間的關系。

3 結果與討論

3.1 巰基乙酸包被CdTe量子點的光學性質

按實驗方法合成出了光學性質穩定、發射峰峰位分布范圍寬的水溶性量子點。如圖1所示，實驗中所用量子點紫外吸收光譜寬而且連續，同時還具有很寬的熒光激發波長范圍，其熒光發射峰峰形對稱，半峰寬窄(30～50 nm)，熒光強度高。 圖1 CdTe量子點的紫外可見吸收光譜(a)，熒光激發光譜(b)和熒光發射光譜(c)

3.2 體系酸度對量子點熒光強度的影響

按實驗方法考察了3種緩沖溶液(PBS， BR， TrisHCl)對量子點熒光強度的影響，發現量子點在等濃度、相同體積的3種緩沖溶液中熒光強度依次降低。由于CdTe量子點熒光強度線性變化的酸度范圍大致在pH 5.5～8.0內，與PBS緩沖溶液(pKa=6.80)的緩沖范圍相當，因此在后續實驗中選擇PBS緩沖溶液來維持體系酸度的穩定性。實驗結果表明，在pH 5.8～8.0范圍內隨著酸度的增強，量子點熒光強度被顯著猝滅，并且熒光強度與酸度之間呈良好的線性關系，r= 0.9990(如圖2)。

3.3 NH+4對量子點熒光強度的影響

NH+4在水中可水解生成H+， NH+4濃度越大，體系酸度隨之增強。考察了在相同濃度的量子點溶液(1.25×10-5 mol/L)中加入不同濃度的NH+4后，量子點酸度敏感熒光探針熒光強度的變化。結果表明，在0～5.0 μmol/L范圍內，NH+4能夠使量子點熒光強度增強(圖3b)，而在5.0×10-3～3.0 mmol/L范圍內，隨著NH+4加入量的增大，量子點熒光逐漸被猝滅(圖3a)。

用量子點熒光探針檢測NH+4時，低濃度的NH+4能夠使量子點熒光強度增強。對于1.25×10-5 mol/L的量子點，當NH+4濃度達到5.0 μmol/L后，隨著NH+4的增多，量子點熒光強度則逐漸降低。這種現象既不同于量子點與生物大分子偶聯時所表現出的單一熒光增強作用，也不同于重金屬離子與量子點作用時表現出的單一熒光猝滅作用。所以有必要對NH+4與量子點作用機理進行討論。

本研究所用量子點酸度敏感熒光探針表面修飾有巰基乙酸(HSCH2COOH)，在pH=7.0時其表面帶負電荷，而NH+4帶正電，二者容易受靜電引力作用發生偶聯。NH+4被量子點吸附在其表面之后，將對量子點表面未吸附其它陽離子的缺陷部分進行修飾，從而使量子點的熒光強度增強。當NH+4濃度增加到一定程度時，量子點表面能夠容納NH+4的量達到飽和。此后若繼續增加NH+4濃度，由NH+4水解造成的酸度增強將使量子點表面配體缺失，這時酸效應所產生的熒光猝滅作用使量子點熒光強度顯著降低。

為考察量子點熒光強度增強的機理，分別采用半胱氨酸和半胱胺包被的CdTe量子點與NH+4作用，考察低濃度的NH+4能否對上述兩種量子點產生熒光增敏作用。實驗結果表明， 在0.25～2.0 mmol/L范圍內，半胱氨酸包被的CdTe量子點熒光強度隨NH+4濃度增加而增強; 而半胱胺包被的CdTe量子點在此濃度范圍內未觀察到熒光強度增強，且更低的NH+4濃度也未對半胱胺包被的量子點表現出熒光增強作用。在pH 7.0時，半胱氨酸包被的CdTe量子點同巰基乙酸包被的CdTe量子點一樣，表面帶負電，而半胱胺包被的CdTe量子點帶正電。上述實驗結果表明，NH+4是通過靜電引力作用對表面帶負電荷的量子點表面進行修飾而使其熒光強度增強。

3.4 量子點濃度的選擇、反應時間和反應溫度的影響

等量的NH+4對不同濃度量子點的熒光強度的影響不同。當量子點濃度過高時，NH+4對量子點熒光猝滅作用不明顯，且量子點本身發生自體猝滅作用，不利于熒光強度的檢測且浪費實驗原料;若量子點濃度過低，NH+4對量子點熒光強度猝滅程度過大，導致方法線性范圍過窄，不利于定量檢測。經過實驗優化，選擇稀釋800倍(6.25 μmol/L)的量子點為酸度敏感熒光探針定量檢測痕量NH+4。

量子點熒光強度15 min后趨于穩定，延長反應時間至50 min，熒光強度基本不變。本方法在加入NH+4 20 min后測定。由于反應體系的溫度對體系熒光強度的影響不大，本方法選擇在室溫下進行測定。

3.5 標準曲線及檢出限

實驗結果表明，在0.05～ 6.0 mmol/L范圍內，CdTe量子點的熒光猝滅程度ln(I0/I)與NH+4 濃度存在良好的線性關系，其線性方程為ln(I0/I)=0.05479C + 0.00503(I0為熒光強度最大值，I為不同濃度NH+4 對應的熒光強度值，C為NH+4濃度，單位mmol/L)，線性相關系數為0.9997; 檢出限(3σ)為1.5×10-5 mol/L。對濃度為1.0 mmol/L的標準溶液平行測定11次，得到的相對標準偏差為3.2%。

3.6 共存物質的影響

在NH+4濃度為5.0×10-5 mol/L時，考察了常見共存離子對體系熒光強度的影響。實驗結果表明，50倍的K+， Na+， Mg2+， Ca2+， Fe3+等陽離子; 100倍的Cl-， NO-3， I-等陰離子均不干擾測定。Cu2+， Fe2+， Cd2+， CO2-3等離子對測定有較大干擾，但在所測樣品中通常含量不高，所以可以用本方法測定基體不很復雜的樣品中NH+4含量。

3.7 水樣中NH+4含量測定

用標準曲線法測定實際樣品的回收率較差，這說明存在基體干擾。在實驗中為了消除共存物質的干擾，采用標準加入法對水樣中NH+4進行測定。實驗證明，采用標準加入法對水樣中NH+4進行測定可以得到滿意的結果。向5個盛有1 mL水樣的樣品管中依次加入等量的CdTe量子點(酸度敏感探針)、PBS緩沖溶液及不同濃度的NH4Cl標準溶液，加入不同體積的純水使體系總體積為2 mL。使用熒光分光光度計測定加入不同量NH+4后體系熒光強度I，計算試劑空白熒光強度與其熒光強度比值的對數值ln(I0/I)，并繪制ln(I0/I)與對應濃度之間的校正曲線。對樣品平行測定9次，測得各樣品加標后的熒光強度值，并用外推法算得所測水樣中NH+4含量為(77.2±8.3) μmol/L，即(1.39±0.15) mg/L，與蒸餾酸滴定法所測結果((1.20±0.20) mg/L，n=9)基本一致。