基于氫化物發生技術的CdSe量子點水相制備新方法研究及其用于銀的高靈敏傳感分析

黃 科， 李 玲， 黃國英， 江 雪， 羅 虹， 熊小莉， 袁 欣

(1. 四川師范大學 化學與材料科學學院， 四川 成都 610068;2. 成都中醫藥大學 藥學院， 四川 成都 611137)

基于氫化物發生技術的CdSe量子點水相制備新方法研究及其用于銀的高靈敏傳感分析

黃 科1， 李 玲1， 黃國英1， 江 雪1， 羅 虹1， 熊小莉1， 袁 欣2*

(1. 四川師范大學 化學與材料科學學院， 四川 成都 610068;2. 成都中醫藥大學 藥學院， 四川 成都 611137)

報道了一種新型的利用氫化物發生技術水相合成高質量硒化鎘量子點(CdSe QDs)的方法。通過將硼氫化鉀與亞硒酸混合產生H2Se氣體，并將其可調控地引入到含鎘溶液中，從而制備出化學性質穩定、熒光性能良好的CdSe量子點。所合成的量子點被成功應用于環境水樣及細胞樣品中痕量銀的分析，分析檢出限為0.005 μg·mL-1，相對標準偏差小于2.7%(n=7)，分析結果令人滿意。該方法具有操作簡單、穩定性好、靈敏度高、綠色環保等優點。

CdSe量子點； 氫化物發生； 銀離子

1 引 言

銀(Ag)是日常生活中的常用元素，由于銀具有良好的抗菌性能，其單質、化合物以及合金被廣泛運用于紡織、珠寶、造紙、食品、玩具等行業[1-2]。然而隨著對含銀材料使用的增多，越來越多的含銀廢水被排放于環境中，造成環境的污染并危害人類健康[3]。研究發現，銀離子可通過食物或皮膚進入人體內并在體內富集，當富集達到一定濃度后將會抑制體內蛋白質的活性，從而嚴重危害人體健康甚至威脅生命安全[4]。因此，對銀離子的準確測定對于公共衛生安全及環境保護均具有重要意義。WHO規定銀對人體的安全值為0.05 μg·mL-1以下，飲用水中銀離子的限量為0.05 μg·mL-1[4]。在眾多對銀離子的分析方法中，基于量子點的熒光傳感法由于其方法簡單、低能耗、高靈敏度、可實現可視化等特點，具有獨特的優勢[5-6]。

大量對于量子點傳感分析的研究表明，量子點制備技術一直是限制其傳感分析的瓶頸問題[7]，因為量子點質量的高低，嚴重影響量子點分析測試的穩定性及分析數據的可重復性[8]。因此發展穩定性高、重復性好以及操作簡單的量子點合成方法具有重要意義[9]。傳統的CdSe量子點合成方法可分為有機相法及水相法[10-12]。有機相合成法通常需要在高溫和氮氣保護下在手套箱中進行操作，合成后的量子點還必須通過有機相與水相相互轉換才能轉變為可用于分析的水溶性量子點[13]。方法操作復雜、設備價格高昂，所需試劑具有較大的毒性。與有機相合成方法相比，水相合成法操作更加簡單、毒性相對較小，是一種更為理想的量子點合成方法。目前常用的水相合成CdSe量子點的方法主要有兩種[14-16]。第一種方法是將亞硒酸鈉和硼氫化鉀加入到含鎘以及有機小分子配體的溶液中，通過加熱回流合成CdSe QDs。該方法主要存在的問題是在加熱回流過程中亞硒酸鈉及硼氫化鉀難以反應完全，造成雜質的引入，影響量子點的光學性能和穩定性。另一種方法是在惰性氣體保護下，向硒粉中加入硼氫化鉀生成NaHSe，再將產生的NaHSe溶液加入到鎘溶液中以合成CdSe量子點。這種方法存在著制備過程復雜耗時、量子點合成過程不可控、難以重復等問題，難以保證所合成量子點的熒光性能。并且在操作過程中由于加入金屬離子源Cd源及非金屬源如Se源濃度相對固定，無法調控。因此，發展一種新型的簡單可控的CdSe量子點合成方法具有重要意義。

本文報道了一種采用氫化物發生技術水相合成巰基丙酸包裹的高質量CdSe量子點新方法。本方法將硼氫化鉀與亞硒酸溶液混合，通過氫化物發生反應產生H2Se氣體并將其通入到含Cd2+的溶液中，以合成CdSe量子點。該方法在合成過程中由蠕動泵精確控制H2Se的進樣量及進樣速度，顯著提高了量子點合成反應的可操控性，從而保證了合成過程中實驗條件的穩定性和多次合成實驗條件的可重復性，確保了CdSe量子點的高質量。該方法以無毒或低毒的試劑作為反應前驅體，僅采用簡單的儀器和操作就能快速、可重復地合成出高質量的水溶性CdSe量子點。本實驗還將合成出的量子點成功用于3種環境水樣以及2種細胞樣品中的銀離子測定。測試結果RSD值小于3%，加標回收結果令人滿意。本方法具有操作簡單、綠色環保、穩定性好、靈敏度高等優點。

2 實 驗

2.1 試劑

本實驗中所采用的試劑均為分析純或以上純度。氯化鎘、硼氫化鉀和檸檬酸三鈉購自科龍試劑公司(中國成都)，亞硒酸購自阿拉丁試劑公司(中國上海)用于合成CdSe納米材料。3-巰基丙酸(MPA)購買自阿拉丁試劑公司(中國上海)用于作為合成過程中的保護劑。高純度的HCl、HNO3、KOH及異丙醇購買自科龍公司(中國成都)。實驗所用到的1 000 mg·L-1的Ag+、Na+、K+、Ba2+、Ca2+、Cr3+、Cu2+、Ni2+、Zn2+及Pb2+標準溶液購買自中國標準試劑公司。實驗所用到的純凈水是由超純水機(中國成都超純水公司)產生的18.2 MΩ·cm的超純水。

2.2 儀器

實驗所用到的儀器有蠕動泵(中國保定啟力儀器有限公司)、氣液分離器(成都國翔玻璃儀器公司)、紫外可見分光光度計(日本Hitachi公司)、pH計(德國梅特勒-托利多公司FE20K型)、分子熒光儀(日本島津公司F-7000型)。加速電壓200 kV電壓下的高分辨投射電鏡(HR-TEM，美國FEI公司)、X射線衍射儀(荷蘭飛利浦，X’Pert Pro MPD型)等。

2.3 量子點合成步驟

圖1所示為合成裝置示意圖。合成過程如下：首先，依次加入0.5 mmol氯化鎘、0.20 g檸檬酸三鈉和50 μL巰基保護劑MPA于裝有50 mL二次水的三頸瓶中，調節溶液pH至10.5并加熱到100 ℃。然后，用蠕動泵以5 mL·min-1的進樣速度連續不斷地將含3%的硼氫化鉀溶液(其中加入0.5%m/v氫氧化鉀以保持溶液穩定)和100 μg·mL-1亞硒酸溶液(10% HCl,體積比)同時泵入氫化物發生系統中，兩種溶液在聚四氟乙烯反應管(0.7 mm內徑)中混合并反應，生成的H2Se氣體在氣液反應器中與廢液分離，隨后由載氣氬氣以40 mL·min-1流速導入三頸瓶中。保持三頸瓶中的溶液在磁力攪拌下加熱回流30 min。在這一過程中，H2Se氣體與溶液中的Cd2+反應生成CdSe量子點，得到橙紅色量子點溶液。最后，對合成的量子點進行純化，向CdSe QDs中加入異丙醇，出現沉淀后在11 000 r/min轉數下離心去掉上層清液，CdSe QDs沉淀用二次水再溶解。通過經驗公式可計算出CdSe QDs的尺寸大小及濃度[17]。測得的紫外可見吸收光譜及分子熒光發射光譜如圖2所示。

圖1 CdSe量子點的合成裝置示意圖 (GLS：氣液分離器)

Fig.1 Schematic diagram for the synthesis of CdSe(GLS: Gas liquid separator)

圖2 CdSe量子點的紫外吸收及熒光發射光譜

Fig.2 UV-Vis absorption spectra and fluorescence emission spectra of CdSe QDs

2.4 分析測試

在石英比色皿中分別加入1 mL CdSe量子點溶液以及1 mL待測銀溶液，搖勻，靜置后放入熒光光譜儀進行分析。激發波長為365 nm，掃描范圍為500～700 nm。

2.5 樣品測試

分別收集3個成都市內河流水樣用于本實驗。水樣采集后均通過0.45 μm濾膜過濾備用。草履蟲、巨噬細胞樣品購買自西南交通大學。細胞樣品處理方法與前期工作類似[18]：在草履蟲、巨噬細胞中加入1 μg·mL-1Ag+并在30 ℃條件下孵化4 h，之后用50 μm的尼龍網將細胞、銀離子分離出來。分離出的細胞分別用二次水洗滌3次后使用。將洗滌后的細胞轉移至石英管，超聲30 min使細胞壁破碎釋放出銀離子后定容到1 mL以供分析。

3 結果與討論

3.1 CdSe量子點表征

3.1.1 XRD表征

CdSe量子點的XRD譜圖如圖 3所示，在23°,25°，27°，45°等處有明顯的衍射峰，查閱PDF卡片(JCPDS No.65-3415)可知衍射峰分別對應于立方閃鋅礦結構的CdSe晶體(111)、(200)、(220)和(311)晶面，表明本方法制備的CdSe 量子點為立方閃鋅礦相結構，其結構與前期研究相似[19]。

圖3 CdSe量子點的XRD圖譜

3.1.2 TEM表征

采用透射電子顯微鏡對樣品的形貌進行觀測，結果如圖4所示。從圖中可以看出量子點為球形顆粒，分散性較好。其粒徑分布為2～4 nm，平均粒徑為3.5 nm。

圖4 CdSe量子點的透射電鏡圖

3.1.3 熒光及紫外吸收表征

由圖2可以看出，該量子點激發波長為365 nm，發射波長為550 nm，熒光半峰寬為35 nm。量子點的熒光發射峰的峰形窄而對稱。量子產率按照文獻[20]方法進行計算(以羅丹明6G為對比)，量子產率為31%。

3.2 氫化物發生反應的流速優化

本實驗首次采用氫化物發生反應制備合成量子點所用的H2Se氣體。硼氫化鉀和亞硒酸經蠕動泵混合后即可在室溫條件下產生H2Se氣體。生成的H2Se氣體由載氣Ar帶入到反應瓶中與鎘溶液反應，生成CdSe QDs。H2Se的進樣量及進樣速度可以通過蠕動泵實現精確控制。合成過程具有簡單、可控、易于重復且便于自動化等優點。本實驗考察了反應物流速對合成CdSe量子點熒光強度的影響，實驗結果如圖5所示。在進樣速度從0.6 mL·min-1增加到4.8 mL·min-1的過程中，合成出的CdSe量子點熒光強度隨流速的提高而增大。然而當繼續提高進樣流速，達到7.2 mL·min-1時，亞硒酸和硼氫化鉀間的反應變得十分劇烈且難以控制，導致熒光強度降低且出現較大波動。因此，本實驗選擇4.8 mL·min-1作為最佳進樣速度。

圖5 進樣泵速對氫化物發生反應的影響

3.3 分析傳感優化

3.3.1 量子點濃度優化

實驗考察了不同量子點濃度對熒光信號強度的影響，結果如圖6所示。優化的CdSe量子點濃度范圍為0.05～0.8 μmol·L-1，其中，濃度為0.2 μmol·L-1時的I0/I(其中I0表示CdSe QDs原始的熒光強度，而I表示與Ag+反應后CdSe QDs的熒光強度)比值最大，說明猝滅效果最好。因此，選擇0.2 μmol·L-1為CdSe量子點的最佳濃度。

圖6 CdSe量子點濃度與I0/I的關系

3.3.2 pH對熒光強度的影響

pH也是影響量子點銀離子傳感實驗的重要因素。在本實驗中，考察了溶液pH值3.0～11.0對熒光強度的影響。由圖7可以發現，pH=7的時候I0/I達到最大，恰好等于二次蒸餾水的pH值。

圖7 pH與I0/I的關系

因此選擇pH=7作為最佳反應條件。

3.4 干擾離子考察

本實驗考察了常見干擾離子對銀離子測定結果的影響，結果列于表1。實驗發現由該方法合成的CdSe 量子點在對銀離子的分析傳感中具有良好的抗干擾能力，除銅、鉛離子外，其他5種金屬離子可在濃度大于銀離子濃度1 000倍時對測定不造成明顯干擾，而該方法對銅、鉛離子的抗干擾能力也能達到銀離子濃度的100倍。

表1 其他干擾離子測試

Tab.1 Test for the interference of different ions with 0.1 μg·mL-1Ag(Ⅰ)

InterferenceC/(μg·mL-1)C/CAgRecovery(%)forAg(Ⅰ)Pb(Ⅱ)10100114Na(Ⅰ)1001000102Ca(Ⅱ)100100118K(Ⅰ)1001000101Ba(Ⅱ)100100096Cr(Ⅲ)100100091Cu(Ⅱ)1010091Ni(Ⅱ)100100099Zn(Ⅱ)100100096

3.5 線性分析

在Ag+的存在下，CdSe QDs熒光猝滅遵循Stern-Volmer公式：

(1)

其中I0表示CdSe QDs原始的熒光強度，I表示與Ag+反應后CdSe QDs的熒光強度，C表示Ag+的濃度，KSV為公式的系數。通過對線性范圍0.02～2 μg·mL-1內Ag+溶液的測定，我們可以得到線性系數方程I0/I= 11.291C+ 3.3111，檢出限(3倍的標準偏差除以斜率)為0.005 μg·mL-1，相對標準偏差(n=7)為2.7%。

3.6 環境樣品分析

為了驗證本方法的準確性，我們分別對成都市內環境水樣和細胞樣品中的銀離子進行了檢測，分析結果列于表2。在水樣中沒有檢測到銀離子，這可能是由于上述水體未被污染，銀濃度過低所造成的。通過加標回收實驗均獲得了較好的回收率(94%～108%)，說明該方法能夠準確分析天然水樣中的銀。在對細胞的分析中，草履蟲細胞及巨噬細胞均培養于1 μg·mL-1銀離子環境下，結果發現兩種細胞內均有銀離子存在，加標的回收率為92%～99%(經過t檢驗，置信度為95%)，說明該方法具有較高的準確度。

表2 自然水體及細胞樣品中的銀離子分析

Tab.2 Analytical results for the Ag+in water samples and cell sample

SampleAddedAg+/(μg·mL-1)FoundAg+/(μg·mL-1)Recovery/%FunanRiver0--0.500.49±0.04981.01.08±0.02108ShaRiver0--0.500.51±0.021021.001.04±0.03104JiananRiver0--0.500.47±0.01941.00.97±0.0397Paramecium00.12±0.011.01.04±0.0592Macrophage00.23±0.021.01.22±0.0199

4 結 論

利用氫化物發生法合成CdSe量子點，合成過程簡單、可控，有效控制了雜質的引入。合成得到的量子點粒徑較為均一，具有較高的熒光效率。利用本方法合成的量子點還被用于環境水樣及細胞樣品中痕量銀離子的高靈敏分析，方法檢出限為0.005 μg·mL-1，相對標準偏差小于2.7%，樣品分析回收率為92%～108%，結果令人滿意。綜上所述，該氫化物發生量子點合成方法將有望推廣于更多種類的量子點合成及其傳感分析。

[1] WANG L, LIANG A N, CHEN H Q,etal.. Ultrasensitive determination of silver ion based on synchronous fluorescence spectroscopy with nanoparticles [J].Anal.Chim.Acta, 2008, 616(2):170-176.

[2] HAJ-HUSSEIN A T. Indirect ultraviolet determination of silver with nickelocyanide ion by flow injection analysis [J].Talanta, 1995, 42(12):2053-2057.

[3] COX A, VENKATACHALAM P, SAHI S,etal.. Silver and titanium dioxide nanoparticle toxicity in plants: a review of current research [J].PlantPhysiol.Biochem., 2016, 107:147-163.

[4] DADFARNIA S, HAJI SHABANI A M, GOHARI M. Trace enrichment and determination of silver by immobilized DDTC microcolumn and flow injection atomic absorption spectrometry [J].Talanta, 2004, 64(3):682-687.

[5] ZHENG A F, CHEN J L, LI H J,etal.. Highly sensitive fluorescence determination of silver ions based on functionalized cadmium telluride nanorods [J].Microchim.Acta, 2009, 165(1-2):187-194.

[6] 孫琳, 張秋艷, 李珍珍， 等. CdTe量子點功能化玻片的制備及其對Pb2+濃度的檢測 [J]. 發光學報, 2015, 36(3): 339-347. SUN L， ZHANG Q Y， LI Z Z，etal.. Preparation of CdTe quantum dots modified wafer and its application in Pb2+detection [J].Chin.J.Lumin., 2015, 36(3):339-347. (in Chinese)

[7] PALCHIK O, KERNER R, GEDANKEN A,etal.. Microwave-assisted polyol method for the preparation of CdSe “nanoballs” [J].J.Mater.Chem., 2001, 11(3):874-878.

[8] TALAPIN D V, LEE J S, KOVALENKO M V,etal.. Prospects of colloidal nanocrystals for electronic and optoelectronic applications [J].Chem.Rev., 2009, 110(1):389-458.

[9] RONG X L, ZHAO Q, TAO G H. Aqueous synthesis of CdSe and CdSe/CdS quantum dots with controllable introduction of Se and S sources [J].Chin.Chem.Lett., 2012, 23(8):961-964.

[10] FARKHANI S M, VALIZADEH A. Review: three synthesis methods of CdX(X=Se, S or Te) quantum dots [J].Iet.Nanobiotechnol., 2014, 8(2):59-76.

[11] LIN Y W, HSIEH M M, LIU C P,etal.. Photoassisted synthesis of CdSe and core-shell CdSe/CdS quantum dots [J].Langmuir, 2005, 21(2):728-734.

[12] KONGKANAND A, TVRDY K, TAKECHI K,etal.. Quantum dot solar cells. Tuning photoresponse through size and shape control of CdSe-TiO2architecture [J].J.Am.Chem.Soc., 2008, 130(12):4007-4015.

[13] LO S S, KHAN Y, JONES M,etal.. Temperature and solvent dependence of CdSe/CdTe heterostructure nanorod spectra [J].J.Chem.Phys. B, 2009, 131(8):084714

[14] 石星波， 溫超， 符招弟， 等. 單個量子點的光學性質與應用 [J]. 化學進展， 2014, 26(11):1781-1792. SHIX B, WEN C, FU Z D,etal.. Photo properties and applications of single quantum dots [J].Prog.Chem., 2014, 26(11):1781-1792. (in Chinese)

[15] TANIGUCHI S, GREEN M, RIZVI S B,etal.. The one-pot synthesis of core/shell/shell CdTe/CdSe/ZnSe quantum dots in aqueous media forinvivodeep tissue imaging [J].J.Mater.Chem., 2011, 21(9):2877-2882.

[16] KIM S, FISHER B, EISLER H J,etal.. Type-Ⅱ quantum dots: CdTe/CdSe(core/shell) and CdSe/ZinTe(core/shell) heterostructures [J].J.Am.Chem.Soc., 2003, 125(38):11466-11467.

[17] YU W W, QU L H, PENG X G,etal.. Experimental determination of the extinction coefficient of CdTe, CdSe, and CdS nanocrystals [J].Chem.Mater., 2003, 15(14):2854-2860.

[18] HUANG K, HOU X D, ZHENG C B,etal.. Room temperature cation exchange reaction in nanocrystals for ultrasensitive speciation analysis of silver ions and silver nanoparticles [J].Anal.Chem., 2015, 87(13):6584-6591.

[19] HUANG K, HOU X D, ZHENG C B,etal.. Hydride generation for headspace solid-phase extraction with CdTe quantum dots immobilized on paper for sensitive visual detection of selenium [J].Anal.Chem., 2016, 88(1):789-795.

[20] QU L, PENG X G. Control of photoluminescence properties of CdSe nanocrystals in growth [J].J.Am.Chem.Soc., 2002, 124(9):2049-2055.

黃科(1987-)，男，四川成都人，博士，實驗師，2015年于四川大學獲得博士學位，主要從事光譜分析方面的研究。

E-mail: huangke1987@126.com袁欣(1988-)，女，四川成都人，博士，講師，2015年于四川大學獲得博士學位，主要從事光譜分析方面的研究。

E-mail: yuanxin0330@163.com

Aqueous Synthesis of CdSe Quantum Dots by Hydride Generation and Its Applications in Sensitive Analysis of Silver

HUANG Ke1, LI Ling1, HUANG Guo-ying1, JIANG Xue1, LUO Hong1, XIONG Xiao-li1, YUAN Xin2*

(1.CollegeofChemistryandMaterialsScience,SichuanNormalUniversity,Chengdu610068，China;2.CollegeofPharmacy,ChengduUniversityofTraditionalChineseMedicine,Chengdu611137,China)

CdSe QDs； hydride generation； Ag+

1000-7032(2017)05-0574-06

2016-10-19；

2017-03-12

國家自然科學基金(21605108,81603291)； 四川師范大學科研啟動基金(341434001)資助項目 Supported by National Natural Science Foundation of China(21605108,81603291); Scientific Research Staring Foundation of Sichuan Normal University(341434001)

O613.5

A

10.3788/fgxb20173805.0574

*CorrespondingAuthor,E-mail:yuanxin0330@163.com