氧化錫量子點的合成及對抗壞血酸的靈敏傳感研究

曾慧慧，肖梅珍，晏根平，劉 芳，黃 檢，陳 林，施衛國

(1. 萍鄉學院 江西省工業陶瓷重點實驗室，江西 萍鄉 337055; 2. 萍鄉學院 材料與化學工程學院，江西 萍鄉 337055)

1 引 言

SnO2材料是一種典型的n型半導體，其禁帶寬度為3.6 eV，屬于四方晶系金紅石結構。由于具有耐腐蝕性強、穩定性好、工作溫度低等特性以及優良的光電性能，SnO2在催化、光電器件、電池材料、氣體傳感器等領域得到了廣泛的應用[1-3]。到目前為止，已有很多關于SnO2納米材料的報道。例如，Chiu等用水熱法合成了高比表面積(約130 m2/g)的SnO2納米材料，并將其應用于乙醇的檢測[4]；Song等報道了多孔SnO2中空納米球對丙酮和2-氯乙醇良好的氣敏特性[5];Kumar等發現SnO2/Au復合結構納米材料可顯著提高甲烷的檢測靈敏度[6]。當SnO2納米材料的粒徑減小到1～10 nm之后，得到的氧化錫量子點由于體積小，比表面積大，在光、電、磁等領域表現出一些獨特的理化性質，因而受到眾多學者的青睞[7-8]。目前，報道最多的是利用氧化錫量子點的光電性能對氣體進行檢測，以及SnO2量子點在太陽能電池中的應用研究。例如，Chen等[9]利用放電等離子體燒結技術合成SnO2量子點玻璃。Song等[10]通過溶劑熱法旋涂成膜并與無機配體結合制備了量子點氣敏薄膜。Zhang等[11]通過把SnO2量子點作為陽極材料應用于量子點敏化光伏電池。總之，SnO2量子點由于其優異的光電性質，具有廣闊的應用前景，其在生物探針技術中的潛力也被廣泛認可。

抗壞血酸(AA)是人體必需的維生素，對維持人體正常生理機能起著至關重要的作用，是生命體中重要的抗氧化劑、輔酶因子及神經傳遞素相關酶的組成成分[12-13]。因此，建立方便、快速、準確的抗壞血酸含量檢測的方法具有積極的意義。目前抗壞血酸的常用檢測方法有電化學方法[14]、高效液相色譜法[15]和熒光分析法[16-17]等。與其他方法相比，熒光光譜法由于方便、快捷、操作簡單、對樣品沒有破壞性而受到研究者們的青睞。到目前為止，一系列熒光探針已被開發作為抗壞血酸檢測的傳感平臺。Yan等[18]報道了碲化鎘量子點熒光探針，用于檢測抗壞血酸的含量。Tang等[19]利用羥基氧化鈷修飾的上轉換納米顆粒用于細胞內和活體中抗壞血酸檢測和成像。Mao等[20]以MnO2為猝滅劑，猝滅7-羥基香豆素的熒光，再利用抗壞血酸將MnO2還原，使7-羥基香豆素的熒光恢復，構建一種“off-on”型熒光探針，用于抗壞血酸的定量檢測。Yao等[21]以海藻酸鈉和色氨酸為原料制備了一種含氮碳量子點(N-CNPs)，利用抗壞血酸和N-CNPs表面官能團之間的空間效應和氫鍵作用，實現了AA的靈敏檢測。然而，以上報道的納米材料往往存在含毒重金屬元素、或光漂白現象嚴重、或量子產率較低等不足。同時，材料的生物兼容性也限制其進一步用于臨床檢測。因此，尋找新的性能優異的熒光探針具有重要意義。

本文使用水熱法合成了一種性能優異的SnO2量子點，在“正三”價Fe3+存在時，SnO2量子點的熒光被猝滅，利用抗壞血酸的還原性，Fe3+還原成Fe2+，材料熒光恢復，當AA濃度為500 μmol·L-1時，SnO2量子點熒光恢復率達到95.88%?；诖?，我們構建了一種氧化錫量子點熒光探針來檢測抗壞血酸，并將其應用于實際血清樣中AA的檢測。

2 實 驗

2.1 藥品和儀器

L-賴氨酸(Lys)、L-纈氨酸(Val)、L-精氨酸(Arg)、L-半胱氨酸(Lys)等試劑購自天津市光復精細化工研究所，其他藥品有：多巴胺(DA)、尿酸(UA)、谷胱甘肽(GSH)、硝酸鐵(分析純)、Tris-HCl(國藥集團化學有限公司)、抗壞血酸(AA)(天津市光復科技發展有限公司)、氫氧化鉀(中國醫藥集團上海化學試劑公司)，所有藥品直接使用。實驗主要使用的儀器設備有：布魯克TENSOR27，紫外可見分光光度計，FL-4600熒光分光光度計，超聲儀，Malvern Zetasizer Nano ZS90。

2.2 SnO2的合成

SnO2的合成采用參照文獻并加以改進的方法[7]。具體的合成過程如下：往燒杯中加入35 mL的去離子水，在快速攪拌的條件下加入0.15 g SnCl2·2H2O，待形成均勻的混合物后，加入70 μL 30%的H2O2，反應一段時間后，緩慢加入2.5 mL的10 mol·L-1KOH溶液，溶液繼續攪拌30 min后，放入容量為50 mL的不銹鋼反應釜中，180 ℃加熱12 h。

2.3 Fe3+的熒光猝滅

將20 μL SnO2量子點原材料、10 μL Tris-HCl(50 mmol·L-1,pH=7.4)緩沖液，10 μL Fe3+(10 mmol·L-1)加入到超純水中，保持總體積為400 μL，放置20 min，檢測熒光。

2.4 抗壞血酸的檢測

將20 μL氧化錫量子點原材料、10 μL Tris-HCl(50 mmol·L-1,pH=7.4)緩沖液、10 μL Fe3+(10 mmol·L-1)和不同濃度的抗壞血酸加入到超純水中，保持測試體積400 μL，放置20 min，檢測熒光。

2.5 人血清中抗壞血酸的檢測

將20 μL氧化錫量子點原材料、10 μL Tris-HCl(50 mmol·L-1,pH=7.4)緩沖液、10 μL Fe3+(10 mmol·L-1)、10 μL 1%人血清溶液和不同濃度的抗壞血酸加入到超純水中，保持測試體積400 μL，放置20 min，檢測熒光。

3 結果與討論

3.1 物相結構

如圖1(a)所示，合成的SnO2量子點為典型的四方金紅石結構，其3個主要衍射峰(110)、(101)、(211)均與JCPDS卡片No.14-1445基本一致，且3個衍射峰峰值較高，說明SnO2的結晶性良好[22]。另外，在XRD譜中沒有觀察到Sn及其氧化物的雜峰，說明合成的SnO2量子點純度較高。根據謝樂公式[23]D=Kλ/βcosθ，其中K為謝樂常數，λ為入射X射線波長，β為衍射峰半高寬，θ為衍射角，可以計算出SnO2量子點的平均粒徑大概為4.25 nm左右，這一結果與粒徑測試結果保持一致(圖1(b))。如圖1(b)所示，合成的SnO2量子點粒徑分布呈現良好的正態分布，其粒徑主要集中在5 nm左右。內插圖為SnO2量子點的透射電子顯微鏡掃描圖(TEM)，從圖中可以看出，SnO2量子點粒徑分布均勻且尺寸大小為4～5 nm左右。以上表征結果證明了SnO2量子點已成功合成。

圖1 SnO2量子點的XRD圖(a)和粒徑分布圖(b)(內插圖為SnO2TEM圖)

3.2 光學性能

由圖2(a)可知，在310 nm波長光激發下，SnO2量子點的最強發射波長位于15 nm左右(紅線)，這主要是由材料中氧空缺作為發光過程的激發中心而引起[24]。以415 nm光為監測波長，材料的最大激發峰在310 nm處，內插圖顯示合成的量子點水溶液在日光燈下為一種透明的液體(左)，用365 nm紫外燈照射，樣品呈現藍綠光發射(右)。此外，我們對量子點的合成條件進行了優化，從圖2(b)中可以看出，隨著堿濃度的升高，合成的SnO2量子點熒光強度逐漸增大，當KOH的濃度達到25 mmol時，熒光強度最大。對于水熱反應來說，反應溫度也是一個影響材料光學性能的重要因素，從圖2(c)中可以看出，水熱溫度為180 ℃時，合成的量子點的熒光最強。反應時間的優化結果顯示(圖2(d))，反應12 h可以獲得最優的熒光性能。

對材料的穩定性考查結果如圖3所示。SnO2量子點在不同NaCl鹽濃度溶液中的熒光數據表明材料對高鹽濃度有較強的穩定性，而pH測試實驗結果證明這種量子點在強堿溶液中，熒光會有一定程度的降低，這主要是跟SnO2兩性偏酸氧化物性質有關；而在中性或弱堿性環境中，量子點的熒光強度減弱小于10%，因此，量子點在弱堿性條件下的應用幾乎不會受到影響。

圖2 (a)SnO2量子點的熒光光譜，λex=310 nm，插圖為量子點水溶液在日光燈(左)與365 nm紫外燈(右)照射下的照片；KOH濃度(b)、溫度(c)與反應時間(d)對合成SnO2量子點在415 nm的熒光強度的優化結果。

Fig.2 (a) Fluorescence spectra of SnO2quantum dots,λex=310 nm. Inset shows the photograph of SnO2under daylight(left) and a 365 nm UV lamp(right), respectively. The optimization of the concentration of KOH(b), temperature(c) and time(d) to synthesize SnO2with the fluorescence intensity of SnO2quantum dots at 415 nm as signal.

圖3 不同濃度NaCl溶液(a)和pH溶液(b)中SnO2量子點的熒光強度

Fig.3 Studies on effect of salt concentration(a) and pH(b) upon SnO2quantum dots with the fluorescence intensity of SnO2quantum dots at 415 nm as signal

3.3 SnO2量子點對AA的檢測原理及實驗條件優化

如圖4(a)所示，在Fe3+存在時，SnO2量子點的熒光被猝滅，加入AA后，材料的熒光峰強度可恢復，且AA濃度越高，熒光恢復越明顯，當抗壞血酸濃度為500 μmol·L-1，材料的熒光恢復率可達95.88%(圖4(a)紅線)。圖4(b)顯示了不同Fe3+濃度時，SnO2量子點的熒光光譜，材料的熒光隨著Fe3+濃度增大而逐漸減小，當Fe3+濃度為250 μmol·L-1時(圖4(b))，材料的熒光猝滅率達到50%，繼續增大Fe3+濃度，材料的熒光保持不變。在50 nmol·L-1～250 μmol·L-1濃度范圍內，Fe3+濃度和材料的熒光強度猝滅率呈線性關系(圖4(b)內插圖)，通過計算，其最低檢測限為32 nmol·L-1。Fe3+猝滅材料熒光的機理通常被認為是材料受到激發后，電子從基態躍遷到激發態，當體系中存在過渡金屬離子時，由于過渡金屬離子具有空d軌道，材料激發態的電子進入了金屬離子的空d軌道，從而使材料的熒光猝滅，這就是電子轉移猝滅機理[25-26]。另外，我們對不同濃度Fe3+存在時SnO2量子點的光散射進行了分析，如圖4(c)所示，隨著Fe3+濃度的增大，材料的光散射強度逐漸減小，也就是說材料的尺寸在減小，這可能是由于原來分散的SnO2量子點在Fe3+的作用下發生了團聚，導致相互之間的距離減小[27]。為了證實這種推測，我們對SnO2量子點在加入Fe3+前后的Zeta電位進行了測試，實驗結果發現，在加入Fe3+之后，材料的Zeta電位有少量的降低，結合光散射實驗結果，我們認為，Fe3+引起的材料輕微團聚導致了Zeta電位的降低(圖4(d))。而Fe3+猝滅SnO2量子點熒光，可能是由Fe3+誘導的材料團聚引起，這種由于材料團聚而導致的熒光猝滅現象通常被稱為聚集誘導猝滅[28]。材料聚集誘導熒光猝滅現象已經被很多課題組發現并報道，例如，Chen等報道了一種石墨烯量子點的合成并用于Fe3+的檢測研究，文章指出Fe3+引起了石墨烯量子點的團聚，并使其熒光發生猝滅[28]；本課題組也報道了一種稀土銪摻雜納米材料Y(V0.2P0.8O4)∶Eu3+，在Cr3+存在時，Y(V0.2P0.8O4)∶Eu3+發生顯著的團聚，其熒光發生猝滅[27]。Zhang等則認為Fe3+猝滅石墨烯的熒光是通過電子轉移機制實現的，但是包括Fe2+在內的其他金屬離子，由于弱的吸電子能力并不能猝滅其熒光[29]。眾所周知，Fe3+的外層電子結構為4s23d5，而Fe2+的外層電子結構為4s23d6，Fe2+的外圍d軌道3個全滿，因此，三價鐵離子比二價鐵離子具有更高的標準還原電勢，也更容易捕獲電子，從而更容易發生電子轉移，猝滅熒光。因此，我們推斷，在本實驗中，Fe3+和Fe2+對SnO2量子點熒光的猝滅差異可能是由于它們不同的吸電子能力引起。基于這種差異，利用AA的還原性，將Fe3+還原成Fe2+，我們構建一個SnO2基“off-on”熒光探針用于AA的靈敏檢測。

圖4 (a)Fe3+和AA存在時，SnO2熒光光譜；(b)不同Fe3+濃度下SnO2熒光光譜；(c)不同Fe3+濃度下SnO2動態光散射圖；(d)加入Fe3+前后SnO2Zeta電位。

Fig.4 (a) FL spectra of SnO2in the presence of Fe3+and Fe3+/AA. (b) FL spectra of SnO2in the presence of varying concentrations of Fe3+from 0 to 250 μmol·L-1. Inset shows the plot of (F0-F)/F0against the concentrations of Fe3+ranging from 0 to 10 μmol·L-1(whereF0andFare the FL intensities of SnO2at 415 nm before and after added Fe3+,respectively). (c) LS spectra of SnO2in the presence of Fe3+with different concentration. (d) ζ-potentials of SnO2before and after added Fe3+.

為了更好地實現AA靈敏傳感，我們對反應時間和SnO2量子點濃度進行了優化。如圖5所示，我們考查了不同濃度AA存在時反應所需的時間，從圖中可以看出，隨著時間的變化，SnO2量子點在415 nm處的熒光峰強度逐漸增大，反應時間為20 min左右，熒光強度基本不變，即使是AA濃度低至5 μmol·L-1，反應20 min后，材料熒光強度也可達到最大(圖5(a))。對SnO2量子點濃度的優化結果如圖5(b)所示，Fe3+濃度一定時(250 μmol·L-1)，材料濃度減小，其熒光強度比值F/F0逐漸增大(F0為空白樣熒光強度)，當濃度為1 mmol·L-1時，F/F0不再變化，所以本實驗中，我們將反應時間確定為20 min，SnO2量子點濃度確定為1 mmol·L-1。

圖5 (a)時間優化圖;(b)SnO2量子點濃度優化圖。

Fig.5 Reaction time study(a) and optimal SnO2concentration for AA detection(b) with the fluorescence intensity of SnO2quantum dots at 415 nm

在最優的實驗條件下，我們對AA進行了線性檢測(圖6)。在SnO2/Fe3+體系中加入不同濃度AA(從下到上AA濃度依次為：0,0.05,0.1,0.5,1,10,50,100,200,500 μmol·L-1)，隨著AA濃度增大，SnO2在415 nm處的熒光峰強度逐漸恢復，且在0.05～500 μmol·L-1濃度范圍內，AA濃度與SnO2熒光峰強度呈現一個良好的線性關系(圖6內插圖)。根據線性方程，我們可以計算出AA的最低檢測限為0.27 μmol·L-1。我們將本方法與其他檢測AA的方法做了對比(表1)，從表中可以看出，該方法與其他方法相比具有較高的靈敏度。

圖6 (a)不同濃度AA時，SnO2熒光光譜，內插圖為AA濃度與SnO2熒光恢復率的線性關系；(b)SnO2對AA檢測的選擇性，各種干擾物的濃度保持為250 μmol·L-1。

Fig.6 (a) FL spectra of SnO2in the presence varying concentrations of AA from 0 to 500 μmol·L-1. Inset shows the plot of (F-F0)/(F′-F0) against the concentrations of Fe3+ranging from 0 to 10 μmol·L-1(whereF,F0andF′are the FL intensities of SnO2,SnO2/Fe3+and SnO2/Fe3+/AA at 415 nm, respectively). (d) Fluorescence intensity of SnO2at 415 nm in the presence of different biomolecules. The concentration of all biomolecules is 250 μmol·L-1.

此外，為了考查SnO2熒光探針對AA檢測的實用性，我們對人血清樣中的AA進行了檢測，實驗結果如表2所示。在不同血清樣品中加入不同濃度AA，根據所得線性方程可以計算得到AA濃度，實驗結果發現AA回收率在96.0%以上，這證明SnO2熒光探針可以很好地應用于實際血清樣中AA的檢測。為了驗證SnO2量子點檢測AA的準確性，我們用2,4-硝基苯丙胺方法對實驗中4個血清樣品中的抗壞血酸含量進行了檢測[35]。

表1 檢測AA的方法對比

表2 實際血清樣品中AA檢測結果

人血清稀釋100倍。

實驗結果如表2中所示，用2,4-硝基苯丙胺方法檢測得到的血清樣中AA的濃度與使用SnO2量子點作為熒光探針檢測的AA濃度結果基本一致，這進一步證明了SnO2熒光探針的實用性。

4 結 論

本文合成了一種氧化錫量子點，在310 nm波長光激發下，其最強發射峰位于415 nm，且表現出良好的光學穩定性。Fe3+可有效猝滅SnO2量子點的熒光，利用抗壞血酸的還原性，Fe3+還原成Fe2+，猝滅的SnO2量子點熒光，在AA濃度范圍為0.05～ 700 μmol·L-1時，AA濃度與SnO2熒光峰強度呈現一個良好的線性關系，其最低檢測限為0.27 μmol·L-1。基于此，本文構建了一種‘off-on’熒光探針用于抗壞血酸靈敏檢測。此外，我們對這種SnO2量子點熒光探針在實際血清樣品中的抗壞血酸進行了加標回收實驗，結果顯示，SnO2材料有望成為一種實用型的AA傳感器。