麥芽糖在CdS量子點表面吸附的熒光光譜

杜保安,王曉薇,王妍,高亞超

(河北大學化學與環境科學學院 藥物化學與分子診斷教育部重點實驗室,河北保定　071002)

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麥芽糖在CdS量子點表面吸附的熒光光譜

杜保安,王曉薇,王妍,高亞超

(河北大學化學與環境科學學院 藥物化學與分子診斷教育部重點實驗室,河北保定071002)

摘要：用巰基丙酸作穩定劑,合成了水溶性好、單分散的CdS量子點,利用麥芽糖對CdS量子點的熒光猝滅效應,研究了麥芽糖在CdS量子點表面的吸附行為.結果表明：量子點的熒光猝滅效應受到pH值和量子點濃度的顯著影響,并且與吸附在量子點表面的麥芽糖分子數有關,麥芽糖分子在CdS量子點表面吸附符合Langmuir等溫吸附方程.c/ΔF與濃度c成很好的直線關系,濃度的變化范圍達到3個數量級.根據Langmuir等溫吸附方程式,在較低的濃度范圍內,ΔF與濃度c也成很好的直線關系,利用這種直線關系可以建立麥芽糖的定量分析方法,檢出限達到nmol級.

關鍵詞：麥芽糖；CdS量子點；熒光光譜；Langmuir等溫吸附

在自然界中,植物葉子通過暗反應使淀粉轉化為蔗糖是生命系統最重要的代謝過程之一,不斷出現的證據表明,葉綠體中的β-淀粉酶參與了淀粉降解的初期過程,而它的主要產物就是麥芽糖[1-2].麥芽糖在生命系統中具有重要的作用,由它水解得到的葡萄糖可為細胞的活動提供能量.例如,人腦就以葡萄糖作為主要能源,對葡萄糖有高度的依賴性[3].此外,麥芽糖具有多種生理功能,廣泛應用于食品和醫藥工業[4].目前,檢測麥芽糖的方法有高效液相色譜-熒光檢測法[5]、液相色譜示差折光法[6]、液相色譜-質譜聯用的方法等[7].這些方法的檢出限低，靈敏度高，準確度好,但是樣品的前處理比較復雜,需要貴重的儀器設備和繁瑣的操作過程,所以,發展簡便、快速、準確、實用的檢測麥芽糖的定量分析方法成為了人們感興趣的課題.近年來,化學和材料科學研究的一個重要領域是對半導體納米材料(量子點)的研究,相對于有機熒光染料,量子點的激發譜帶寬,發射光譜窄而且對稱,通過改變粒徑就可以調控其發射波長,抗光漂白性好,光量子效率高[8].由于量子點具有和體相材料截然不同的物理、化學、光學、電學等性質,對他們的應用研究也越來越廣泛和深入.量子點的應用領域包括分析化學[9-15]、免疫分析和生物醫學成像[16-17]、太陽能電池[18]等.Rosenzweig等首先發現了金屬離子對CdS量子點的熒光有強烈的影響,二價銅離子對量子點的熒光有很強的猝滅效應,猝滅強度與離子濃度的關系很好地符合Stern-Volmer動態猝滅方程,而吸附在量子點表面的鋅離子卻使量子點的熒光強度顯著增加,研究熒光強度的增加與鋅離子濃度的關系發現：鋅離子在量子點表面的吸附符合Langmuir等溫吸附方程[19],根據這些結論,Rosenzweig等用量子點做探針建立了檢測金屬離子的分析方法.Mattoussi等人將麥芽糖識別蛋白修飾到量子點的表面,通過共振光能量轉移建立了檢測麥芽糖的分析方法,得到了很好的結果[20].在前人研究的基礎上,本文用巰基丙酸為穩定劑,制備了光量子效率高、穩定性好的單分散CdS量子點,研究發現麥芽糖對量子點的熒光也有很顯著的猝滅效應,熒光的猝滅強度與吸附在量子點表面的麥芽糖的量有關,研究熒光猝滅強度與麥芽糖濃度的定量關系,結果表明：麥芽糖在CdS量子點表面的吸附也很好地符合Langmuir等溫吸附方程.在此基礎上,探討了量子點作為熒光探針定量檢測麥芽糖的可行性，并對一些常見物質的干擾進行了研究.

1實驗部分

1.1儀器和試劑

儀器：F-7000型熒光分光光度計(日本HTACHI公司),FA604A型電子分析天平(上海精天電子，儀器有限公司),PHS-2C酸度計(上海理達儀器廠),DF-1015集熱式恒溫磁力攪拌器(金壇市恒豐儀器廠).

試劑：巰基丙酸(MPA),乙酸鎘(Cd(CH3COO)2·2H2O),硫化鈉(Na2S·9H2O),硼砂(Na2B4O7·10H2O),氫氧化鈉(NaOH),磷酸二氫鉀(KH2PO4),以及各種無機鹽試劑均為分析純,購于國藥集團.本實驗均采用二次去離子水.

1.2CdS量子點的合成

準確稱取0.160 0 g乙酸鎘(0.7 mmol)溶于20 mL二次去離子水中,加入158 μL巰基丙酸(MPA),將混合溶液加到100 mL二頸燒瓶中,在磁力攪拌器下攪拌均勻,將燒瓶放置到50 ℃的恒溫水浴中,在劇烈攪拌下逐滴加入40 mL0.1 mol/L的Na2S(4.0 mmol)水溶液,溶液由無色變為亮黃色,滴加完成后,在恒溫下繼續反應5 h,停止加熱.反應完成后,經過反復的離心分離、洗滌得到量子點的固體粉末,放在干燥器中備用.所合成的量子點用400 nm的波長激發,最大發射波長為522 nm,熒光光譜圖見圖1.

1.3熒光光譜法研究麥芽糖對量子點的熒光猝滅效應

將上述制備的量子點用緩沖溶液配制一定濃度的水溶液.用微量移液器移取一定量的量子點溶液加入到一系列1.5 mL的塑料離心管中,分別加入不同量的麥芽糖水溶液或干擾物質溶液,用緩沖溶液定容到1 mL.在400 nm的激發波長下,測定空白溶液和混合溶液在最大發射波長下的熒光強度,分別記錄為F0和F.

2結果與討論

2.1pH值對CdS量子點熒光強度和猝滅效應的影響

篩選了硼砂-磷酸二氫鉀溶液作為緩沖溶液,如圖2所示,混合溶液的pH值對量子點的發光強度和猝滅值都有很大的影響.從圖中可以看出,當溶液的酸度接近pH=7.0時,量子點的光量子效率最高,當溶液的pH值在7.0～9.0時,麥芽糖對量子點的熒光猝滅效果較好,所以,在中性或弱堿性的溶液中檢測麥芽糖可以得到較高的靈敏度.如果溶液的堿性太強,量子點的發光效率明顯降低.

圖1　不同麥芽糖濃度下CdS量子點的熒光光譜,pH=8.2 圖2　pH對量子點熒光猝滅的影響Fig.1　　　　Fluorescence spectrum of the CdS quantum dots Fig.2　pH effects to the QDs fluorescence quenching　　　with different concentration of maltose,pH=8.2

2.2量子點溶液的相對體積對熒光強度和猝滅效應的影響

當制備量子點的反應結束后,直接從燒瓶中移取不同體積的混合溶液,分別用緩沖溶液進行稀釋,用量子點溶液的體積百分比表示量子點的相對濃度,在最大發射波長下測定發光強度.在與上述條件完全相同的情況下,分別加入一定量的麥芽糖水溶液,測定混合溶液的發光強度,結果如圖3所示.當量子點溶液的體積與總體積之比介于0.1～0.3時,溶液的熒光強度值較高,猝滅效果也很好.如果量子點的濃度過低,發光粒子數少,發光強度較弱.如果量子點的濃度過高,由于自吸收現象,同樣會降低溶液的發光強度,所以量子點的相對濃度過低或過高都不利于最靈敏檢測.

2.3麥芽糖在CdS量子點的表面吸附對猝滅效應的影響

如圖4所示,當麥芽糖的濃度較低時,量子點的熒光猝滅強度ΔF隨著濃度的增加呈線性增加.隨著濃度的繼續增加,直線發生彎曲,最后曲線趨于水平.假設量子點的熒光猝滅強度與吸附在量子點表面的麥芽糖的分子個數成正比,上述結果表明：麥芽糖在量子點的表面吸附符合Langmuir等溫吸附方程[19].根據Langmuir假設：1)巰基丙酸修飾的量子點的表面性質是均勻一致的,對麥芽糖的吸附是單分子層吸附,只有表面未被麥芽糖分子覆蓋的部分才能吸附麥芽糖分子.2)被吸附的分子同時可以解吸再返回到水溶液中去,分子的解吸過程不受其他分子的影響.當吸附速率與解吸速率相等時,分子在量子點的表面達到吸附-解吸平衡,上述測定的熒光強度即為吸附-解吸平衡時的熒光強度.量子點的表面覆蓋率用θ表示,表面未被覆蓋的部分則為(1-θ),對應的熒光猝滅值為ΔF.當θ=1時,對應的熒光猝滅強度為圖4中的水平直線部分ΔFm=149,于是有：θ=ΔF/ΔFm.分子的吸附速率ra=kac(1-θ),解吸速率rd=kdθ,其中ka和kd分別表示吸附速率常數和解吸速率常數,達到吸附—解吸平衡時,有ra=rd,得到θ=ΔF/ΔFm=Kc/(1+Kc)(1),其中K=ka/kd,稱為吸附系數.如果將方程變為ΔF=ΔFmKc/(1+Kc)(2),ΔF與濃度c的關系即如圖4所示.

圖3　量子溶液的相對體積對熒光猝滅的影響,pH=8.2 圖4　ΔF和麥芽糖濃度c的關系Fig.3　Effects of the relative rolume of the QDs stutionFig.4　　　　Relationship between the ΔF and the maltose on the fluorescence quenching,pH=8.2　　　concentrations

將方程的形式變換為：c/ΔF=c/ΔFm+1/KΔFm(3),c/ΔF與c成直線關系,直線的斜率為1/ΔFm,截距為1/KΔFm.如圖5所示,當麥芽糖的濃度為10-6～10-3mol/L時,線性相關系數為0.999 2,從直線的斜率=0.006得到ΔFm=167,與實測值149基本符合.由直線的截距=5.144×10-7,得到麥芽糖在量子點表面的吸附系數K為1.17 ×104,表明在弱堿性溶液中吸附速率常數遠遠大于解吸速率常數,有利于麥芽糖分子的吸附.由于麥芽糖是極性很強的分子,而量子點表面覆蓋著一層巰基丙酸分子,所以結合力主要是靜電力,這也是吸附系數較大的原因.上述結果表明：麥芽糖分子在CdS量子點表面的吸附完全符合Langmuir等溫吸附方程.根據靜態猝滅方程：c/ΔF=c/F0+KLB/F0,c/ΔF和c的關系也是直線關系,但是直線的斜率是1/F0,與實驗結果明顯不符合.

a.麥芽糖濃度為10-5～10-3 mol/L;b.麥芽糖濃度為10-6～10-5 mol/L),pH=8.2.圖5　(c/ΔF)與麥芽糖濃度c的關系Fig.5　Relationship between the c/ΔF and the maltose concentrations

2.4用CdS量子點作熒光探針定量檢測麥芽糖

如圖4所示,當麥芽糖的量在很低的濃度范圍內時,Kc?1,方程(2)可以近似為：ΔF=kc(k=ΔFmK),當濃度c<10-5mol/L時,量子點的熒光猝滅強度與濃度成直線關系,線性相關系數為0.980 6,根據Langmuir等溫吸附方程和實驗數據還可以證實：濃度越低線性關系較好.這樣的直線可以作為工作曲線檢測溶液中微量的麥芽糖含量.如圖1所示,當麥芽糖的濃度低至10-9mol/L時,對量子點的熒光仍然有明顯的猝滅效應,所以用CdS量子點作熒光探針定量檢測麥芽糖,檢出限可以達到nmol級甚至更低.

2.5干擾物質的研究

如圖6所示,研究了一些常見物質對CdS量子點的熒光猝滅效應,干擾物質的濃度均為10-3mol/L,溶液的pH值為8.2,由圖可知,Co2+,Cu2+,Pb2+等二價重金屬離子對量子點的熒光有很強的猝滅效應,這與文獻的研究結果一致.Ce3+,Ca2+,K+,Na+,抗壞血酸,鹽酸羥胺等的猝滅效應較弱,如何有效消除這些干擾物質的影響還有待深入研究.

圖6　常見的干擾物質對量子點的熒光猝滅效應,pH=8.2Fig.6　Quenching effects of the interference substances,pH=8.2

3結論

用巰基丙酸作穩定劑,在水相中合成了單分散的CdS量子點,利用麥芽糖對CdS量子點的熒光猝滅效應,研究了麥芽糖在CdS量子點表面的吸附行為.結果表明,麥芽糖在CdS量子點表面吸附符合Langmuir等溫吸附方程.濃度在10-6～10-3mol/L時,c/ΔF與濃度c成很好的直線關系,根據Langmuir等溫方程式,在低濃度范圍內,ΔF與濃度c也成很好的直線關系,利用這種線性關系可以建立麥芽糖的定量分析方法,檢出限可以達到nmol的數量級.

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(責任編輯：梁俊紅)

Adsorption of maltose on the CdS QDs surface by the fluorescence spectrum

DU Baoan,WANG Xiaowei,WANG Yan,GAO Yachao

(key Laboratory of Medicinal Chemistry and Molecular Diagnosis of Mimistry of Education， College of Chemistry and Environment Science,Hebei University,Baoding 071002,China)

Abstract:Mercaptopropionic acid(MPA) was used as the stabilizer,the mono-dispersed CdS quantum dots(QDs)were synthesized in water.The fluorescence of the CdS QDs could be effectively quenched by the maltose molecules,and the quenching effect was used to study the absorption behavior of the maltose on the QDs’ surface.The result showed that the quenching effect was strongly influenced by the pH value and the QDs concentration,and involved the number of the maltose molecules absorbed on the QDs’ surface.The absorption behavior of the maltose molecules was consistent with the Langmuir isotherm equation,the relationship between the c/ΔF and c was linearity,the concentration of the maltose was ranged between 10-6and 10-3mol/L.According to the Langmuir isotherm equation,the relationship of the ΔF and c was also linearity at the low maltose concentration,and it was possible to determining the maltose concentration by using the line as the standard line,the detect limit was as low as nmol.The interference of some compounds was also studied.

Key words:maltose;CdS quantum dots;fluorescence;Langmuir isotherm equation

DOI：10.3969/j.issn.1000-1565.2016.01.009

收稿日期：2015-08-20

基金項目：國家自然科學基金資助項目(21075027)；教育部科學技術研究重點項目(211014)；國家自然科學青年基金資助項目(21405032)

中圖分類號：O65

文獻標志碼：A

文章編號：1000-1565(2016)01-0052-06

第一作者：杜保安(1963—),男,河北安國人，河北大學教授，主要從事量子點合成與應用研究.

E-mail：baoandu@sina.com