CdTe量子點熒光猝滅法檢測甲醛濃度

金 麗，張建坡，曹雪玲，婁大偉

（吉林化工學院 化學與制藥工程學院，吉林 吉林 132022）

熒光分析法由于具有快速、簡便、靈敏度高及重現性好等優點，在室內空氣環境痕量甲醛的分析監測中應用廣泛.趙小青［1］建立了流動注射熒光法測定食品及飲料中痕量甲醛的方法；陳炎等［2］采用乙酰丙酮熒光分光光度法測定空氣中的微量甲醛；段鴻鶯等［3］利用熒光分光光度法測定水溶液中的甲醛.上述熒光法均基于有機熒光材料.半導體納米粒子通常稱為“量子點”（quantum dots，QDs），具有優異的光學性質［4］，廣泛應用于標記生物分子的體內和體外成像［5－6］.文獻［7－11］基于量子點熒光強度的變化，將量子點用于檢測無機分子和小分子及作為pH探針；馬強等［12］采用量子點／聚電解質多層膜檢測甲醛濃度.本文采用半導體納米粒子檢測水質中甲醛濃度，并對甲醛猝滅量子點的機理進行討論.

1 實 驗

1.1 儀器與試劑

氯化鎘、硼氫化鈉、巰基丙酸和Te粉均購于美國Adrich公司；磷酸緩沖溶液、甲醛、乙酰丙酮、硫代硫酸鈉、冰乙酸和氟化銨等均為國產分析純試劑；實驗用水為雙蒸水.

RF－5301PC型熒光分析儀（日本Shimadzu公司），722型可見分光光度計（上海欣茂儀器設備廠）.

1.2 方 法

1.2.1 水溶性CdTe量子點的制備 基于文獻［13］制得巰基丙酸修飾CdTe量子點的方法，先在水溶液中將硼氫化鈉與Te粉反應制得碲氫化鈉，再調節pH＝11.4，在巰基丙酸穩定劑存在的條件下，將新制得的碲氫化鈉加入CdCl2水溶液中，加熱，得到巰基丙酸修飾的CdTe量子點水溶液.在常溫下，以羅丹明6G為對照［14］，測得所合成量子點的量子效率約為25%.本文采用波長為645nm的量子點.1.2.2 熒光法測定甲醛濃度 向比色管中依次加入0.1mL制備的CdTe量子點溶液、0.5mL Tris－HCl緩沖溶液和0.1mL甲醛分析試樣溶液，定容至1mL，對其進行熒光分析測定.同時測定空白試樣，即量子點在緩沖溶液中的熒光強度.

1.2.3 分光光度法測定甲醛濃度 甲醛標準貯備液的標定：取2.8mL體積分數為36%～38%的甲醛溶液，用雙蒸水稀釋定容至1 000mL.用0.100 0mol／L的Na2S2O3標定，甲醛貯備液質量濃度為899.2mg／L.

標準曲線的測定：依次向7支25mL具塞玻璃管中加入0，1，2，3，4，5，6mL甲醛標準液，并分別加入2.5mL乙酰丙酮溶液，加雙蒸水稀釋至25mL，搖勻.在60℃水浴鍋中加熱0.5h后取出，冷卻.用10mm比色皿，在波長414nm處以水為參比測量吸光度，繪制曲線，得出回歸方程.

1.2.4 木屑中甲醛濃度的測定 向1支25mL具塞玻璃管中加入0.1mL分析試樣和2.5mL乙酰丙酮溶液，加雙蒸水稀釋至25mL，搖勻.在60℃水浴鍋中加熱0.5h后取出，冷卻.用10mm比色皿，在波長414nm處以水為參比測量吸光度，通過回歸方程計算甲醛濃度.

2 結果與討論

2.1 CdTe量子點透射電鏡表征

通過透射電子顯微鏡觀察納米粒子，結果如圖1所示.由圖1可見，CdTe量子點分布均勻，外形呈球形，平均粒徑為5nm.

圖1 CdTe量子點的透射電子顯微鏡照片Fig.1 TEM image of CdTe quantum dots

2.2 甲醛猝滅CdTe量子點表征

圖2為加入不同濃度甲醛后，量子點的熒光強度變化曲線.由圖2可見，當量子點的濃度（mol／L）不變時，量子點的熒光強度隨甲醛溶液濃度的增加而逐漸減弱，表明甲醛對量子點有明顯猝滅作用，量子點的發射峰形變化較小，表明量子點猝滅后的尺寸變化較小［15］.

2.3 熒光猝滅機理

熒光猝滅分為動態猝滅和靜態猝滅：動態猝滅是猝滅劑與熒光物質激發態分子之間的相互作用致使熒光強度降低的過程；靜態猝滅是猝滅劑與熒光物質基態分子形成不發光配合物降低熒光強度的過程［16］.本文分別考察室溫和加熱條件下甲醛對量子點的猝滅作用，并用Stern－Volmer方程［17］

處理實驗數據.其中：I0為未加入甲醛時CdTe量子點的熒光強度；I為加入甲醛后CdTe量子點的熒光強度；KSV為Stern－Volmer動態猝滅常數；c（甲醛）為加入甲醛的濃度；Kq為動態熒光猝滅速率常數；τ0為猝滅劑不存在時熒光分子的平均壽命.

甲醛濃度對量子點的I0／IStern－Volmer曲線如圖3所示.由于KSV為斜率，因此1／KSV在數值上等于猝滅效率為50%時猝滅劑的濃度，由式Kqτ0＝KSV可求得雙分子猝滅過程的速率常數Kq（單位為L／（mol·s））.由圖3可見，24℃的回歸方程為

圖2 不同甲醛加入量對量子點熒光強度的影響Fig.2 Effects of different concentrations of formaldehyde added on the fluorescence intensity of QDs

圖3 甲醛濃度對量子點的I0／I Stern－Volmer曲線Fig.3 Unmodified Stern－Volmer curves of I0／I of quantum dots vs concentration of formaldehyde

已知CdTe量子點的熒光平均壽命約為2×10－9s［18］，可得反應溫度為24℃時的Kq＝4.38×1011，32℃時的Kq＝5.67×1011，該值與最大動態猝滅常數Kq＝2×1010mol／（L·s）接近，因此為動態猝滅過程.當溫度升高時，動態熒光猝滅速率常數Kq增大，這是由于動態猝滅與分子擴散有關，溶液的黏度隨溫度的升高而下降，同時分子運動加速，使得分子的擴散系數增大，進而雙分子猝滅常數增大.圖4為甲醛與量子點作用前后的紫外吸收光譜.由圖4可見，反應前后溶液的紫外吸收光譜峰變化較小，因此，進一步可推斷甲醛與量子點之間為動態熒光猝滅［14］.

2.4 樣品分析

稱取5g木屑（取樣于某木材市場）放入裝有200mL雙蒸水的燒瓶中，加熱回流，每隔30min取樣0.2mL，所取樣品分為兩份，分別用熒光猝滅法和分光光度法［19］檢驗甲醛濃度，結果如圖5所示.

圖4 甲醛與量子點作用前后的紫外吸收光譜Fig.4 UV－Vis absorption spectra of QDs without and with for maldehyde

圖5 木屑析出甲醛對量子點熒光強度的影響Fig.5 Effect of formal dehyde from bits of wood on the fluorescence intersity of QDs

由圖5可見，隨著加熱時間的延長，所取樣品對量子點的猝滅作用增大，即甲醛的溶出量逐漸增大，當加熱時間超過180min后，甲醛溶出量變化很小.計算I0／I，并從圖3曲線b中查出所對應的甲醛濃度，換算為燒瓶中甲醛的濃度，結果列于表1.

對比分析采用分光光度法測定甲醛濃度，測定標準曲線的數據見表1，可知甲醛標準系列回歸方程為y＝7.72x＋0.003 2，相關系數為0.999 2.通過測定分析樣品的吸光度（表2），由回歸方程求出對木屑加熱不同時間甲醛的溶出量，并換算為燒瓶中的甲醛濃度.

表1 熒光猝滅法與分光光度法比較Table 1 Fluorescence quenching method compared with spectrophotometry method

表2 分光光度法標準系列Table 2 Spectrophotometry：standard series

下面將所得數據與熒光猝滅法的數據進行一元線性回歸分析.建立回歸方程，其中橫坐標x軸表示熒光猝滅的測定結果，縱坐標y軸表示乙酰丙酮分光光度法的測定結果.若所有點均分布在通過原點且斜率為1的直線兩側，則兩種方法的檢測效果相同.

經兩種方法對所得數據進行一元線性回歸分析可得方程為

查t表n＝5，P＝0.95時，t＝2.571，計算值遠小于查表值，截距b與1差異較小，可認為直線斜率為1.可見熒光猝滅法和乙酰丙酮分光光度法的檢測效果相同.

綜上所述，本文基于甲醛可使CdTe量子點熒光強度降低，并且甲醛濃度與熒光強度的降低之間具有良好的線性關系，建立了CdTe量子點檢測水質中甲醛濃度的方法，探討了其猝滅機理，并采用一元線性回歸分析熒光猝滅法與乙酰丙酮分光光度法的檢測結果.結果表明，兩種方法檢測水質中甲醛濃度的效果相同.

［1］趙小青.流動注射熒光法測定食品和飲料中的甲醛 ［J］.化學研究，2007，18（3）：80－82.（ZHAO Xiaoqing.Fluorimetric Determination of Formaldehyde in Food and Beverage by Flow Injection Analysis［J］.Chemical Research，2007，18（3）：80－82.）

［2］陳炎，孫東紅，李舒，等.乙酰丙酮熒光分光光度法測定環境空氣中的微量甲醛 ［J］.中國環境監測，2000，16（4）：30－32.（CHEN Yan，SUN Donghong，LI Shu，et al.Determining the Trace Formaldehyde in Air by Acetylaceptone Fluorephotometry［J］.Environmental Monitoring in China，2000，16（4）：30－32.）

［3］段鴻鶯，王建林，向國強，等.熒光光度法快速測定水溶液中甲醛的研究 ［J］.華中師范大學學報：自然科學版，2001，35（2）：185－188.（DUAN Hongying，WANG Jianlin，XIANG Guoqiang，et al.Studies on Determination of Formaldehyde by Fluorescence Spectrometry［J］.Journal of Central China Normal University：Nat Sci，2001，35（2）：185－188.）

［4］Murray C B，Kagan C R，Bawendi M G.Synthesis and Characterization of Monodisperse Nanocrystals and Close－Packed Nanocrystal Assemblies［J］.Annu Rev Mater Sci，2000，30：545－610.

［5］Pathak S，Choi S K，Arnheim N，et al.Hydroxylated Quantum Dots as Luminescent Probes forinsituHybridization［J］.J Am Chem Soc，2001，123（17）：4103－4104.

［6］HAN Mingyong，GAO Xiaohui，Su J Z，et al.Quantum－Dot－Tagged Microbeads for Multiplexed Optical Coding of Biomolecules［J］.Nat Biotechnol，2001，19（7）：31－35.

［7］Michalet X，Pinaud F F，Bentolila L A，et al.Quantum Dots for Live Cells，invivoImaging，and Diagnostics［J］.Science，2005，307：538－544.

［8］Mednitz I L，Uyeda H T，Goldman E R，et al.Quantum Dot Bioconjugates for Imaging，Labelling and Sensing［J］.Nat Mater，2005，4：435－446.

［9］Chen C Y，Cheng C T，Lai C W，et al.Potassiumion Recognition by 15－Crown－5Functionalized CdSe／ZnS Quantumdots in H2O［J］.Chem Commun，2006，45：263－265.

［10］Cordes D B，Gamsey S，Singaram B.Fluorescent Quantum Dots with Boronic Acid Substituted Viologens to Sense Glucose in Aqueous Solution［J］.Angew Chem Int Ed，2006，45（23）：3829－3832.

［11］CHEN Yongfen，Rosenzweig Z.Luminescent CdS Quantum Dots as Selective Ion Probes［J］.Anal Chem，2002，74（19）：5132－5138.

［12］MA Qiang，CUI Honglei，SU Xingguang.Highly Sensitive Gaseous Formaldehyde Sensor with CdTe Quantum Dots Multilayer Films［J］.Biosensors and Bioelectronics，2009，25（4）：839－844.

［13］ZHANG Hao，ZHOU Zhen，YANG Bai，et al.The Influence of Carboxyl Groups on the Photoluminescence of Mercaptocarboxylic Acid－Stabilized Nanoparticles［J］.J Phys Chem B，2003，107（1）：8－13.

［14］Georaes J，Arnaud N，Prarise L.Limitations Arising from Optical Saturation in Fluorescence and Thermal Lens Spectrometries Using Pulsed Laser Excitation：Application to the Determination of the Fluorescence Quantum Yield of Rhodamine 6G ［J］.Appl Spectrose，1996，50（12）：1505－1511.

［15］LIANG Jiangong，HUANG Shan，ZENG Danyun，et al.CdSe Quantum Dots as Luminescent Probes for Spironolactone Determination［J］.Talanta，2006，69（1）：126－130.

［16］許金鉤，王尊本.熒光分析法 ［M］.3版.北京：科學出版社，2006：69.（XU Jingou，WANG Zunben.Fluorescence Analysis［M］.3rd ed.Beijing：Science Press，2006：69.）

［17］陳國珍.熒光分析法 ［M］.北京：科學出版社，1990：122.（CHEN Guozhen.Fluoresence Analysis［M］.Beijing：Science Press，1990：122.）

［18］DIAO Xuelian，XIA Yunsheng，ZHANG Tianlong，et al.Fluorescence－Detecting Cationic Surfactants Using Luminescent CdTe Quantum Dots as Probes［J］.Anal Bioanal Chem，2007，388（5／6）：1191－1197.

［19］中國國家標準化委員會.GB／T15516－1995 空氣質量甲醛的測定乙酰丙酮分光光度法 ［S］.北京：中國標準出版社，1986.（Standardization Administration of the People’s Republic of China.GB／T15516－1995 Air Quality－Determination of Formaldehyde－Acetylacetone Spectrophotometric Mehtod ［S］.Beijing：Standards Press of China，1986.）