熒光硅量子點在現代分析技術實驗教學中的應用

林碧霞

（華南師范大學化學學院廣州市生物醫藥分析化學重點實驗室，廣州 510006）

0 引言

現代分析技術實驗是一門綜合性、應用性強，且廣泛融合現代科學技術的實驗。在很多高校的化學、環境、材料、能源、生物等專業中均開設現代分析技術實驗，包括光譜分析、色譜分析、質譜分析、能譜分析、電分析、熱分析、顯微分析等分析技術。熒光光譜法是現代光譜分析技術之一。現行的熒光光譜實驗中，主要是通過熒光光譜對維生素B2進行定量分析。該實驗項目為傳統的驗證性項目，主要讓學生掌握基本的熒光光譜原理和熒光光度計的使用方法，實驗內容簡單，需要學生思考和探索的余地較少［1］，更沒有涉及更深一步的熒光傳感機理和目前研究前沿的熒光納米材料。

熒光納米材料由于具有良好的光學性質、水溶性好、生物兼容性好、可功能化等優點，被廣泛應用在傳感檢測、生物成像、醫學診療等方面［2-4］。硅量子點是近些年出現的一種新型熒光納米材料，其合成方法簡單快速，可通過一步水熱法或者微波反應法便可得到水溶性良好的硅量子點，且其熒光量子產率高、抗光漂白性強、穩定性好［5-7］。維生素B12是一種重要的維生素，與人體的多種生命活動息息相關，人體缺乏維生素B12會產生貧血、心血管疾病及神經損傷［8］。人體缺乏維生素B12時多通過服用維生素B12藥片來補充。對于維生素B12的檢測，熒光光譜法已成為主要檢測方法之一［9-10］。

目前，為了培養創新型人才，越來越多的高校將成熟的科研成果引入到實驗教學與人才培養中［11-12］，進行科研與實驗教學相結合［13］。同時，通過采取不同層次并行的策略，在加強學生掌握基礎知識的前提下，對于學有余力的學生力求多拓展學生的視野、加強科研能力的培養，加強創新思維的訓練，從而提高學生的綜合能力。因此，為了達到該教學目的，將科研上的熒光納米材料硅量子點引入到熒光光譜法實驗中，設計了現代分析技術新創實驗“基于硅量子點的熒光光譜法測定維生素B12的含量”。其原理是利用維生素B12對硅量子點具有內濾效應，能夠靈敏猝滅硅量子點的熒光，從而建立猝滅型熒光光譜法對維生素B12進行定量分析。該實驗將科學研究中的熱點材料引入到實驗教學中，不僅可以加深學生對儀器工作原理的理解，提高相關儀器的操作技能和動手能力，同時能夠引導學生了解科學發展動態，培養學生的科研興趣［14-15］。

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

丙三醇、二水檸檬酸三鈉、無水乙醇購于天津市致遠化學試劑有限公司。3-氨丙基三乙氧基硅烷和維生素B12購于阿拉丁試劑公司。實驗所用水均為二次蒸餾水。熒光光譜用F-4600 型熒光光譜儀（日本日立）測定。微波反應采用XO系列超聲波微波組合反應器（南京先歐儀器制造有限公司）。

1.2 硅量子點的合成

取10 mL 丙三醇溶液于三口燒瓶中，通入氮氣5 min，除去溶液中的氧氣。加入0.316 8 g 的二水檸檬酸三鈉，攪拌均勻。再逐滴加入2.0 mL的3-氨丙基三乙氧基硅烷，繼續攪拌得到透明的前驅體溶液。將前驅體溶液轉移至微波反應器中，在微波功率為400 W、微波溫度為180 ℃的條件下反應10 min，得到暗棕色的溶液。往反應后的溶液中按體積比為1∶25 的比例加入無水乙醇，并在6 000 r/min 下離心20 min，保留上清液為硅量子點溶液。

1.3 維生素B12的檢測條件優化

取7 個干凈的5 mL容量瓶，分別加入0.50 mL 硅量子點溶液，2.00 mL pH 為5.0、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0、9.0 的緩沖溶液（10 mmol），2.00 mL 濃度為50 μmol的維生素B12標準溶液，搖勻，并用二次水定容至5.00 mL后，在室溫下反應3 min。隨后在激發和發射狹縫為10 nm、激發波長為360 nm的條件下測定各溶液在發射波長為460 nm的熒光強度。

在5 mL的容量瓶中，加入0.50 mL 硅量子點溶液，2.00 mL 磷酸緩沖溶液（10 mmol，pH 7.5）和2.00 mL濃度為50 μmol 的維生素B12標準溶液，搖勻，并用二次水定容至5.00 mL。每隔3 min 測定一次460 nm的熒光強度。

1.4 維生素B12的標準曲線

取7 個干凈的5 mL容量瓶，分別加入0.50 mL 硅量子點溶液，2.00 mL 磷酸緩沖溶液（10 mmol，pH 7.5），0、0.05、0.10、0.50、1.00、1.50、2.00 mL濃度為50 μmol的維生素B12標準溶液，搖勻，并用二次水定容至5.00 mL后，在室溫下反應3 min。隨后在激發和發射狹縫為10 nm，激發波長為360 nm的條件下測定系列溶液在發射波長為460 nm的熒光強度。以維生素B12的濃度為橫坐標、熒光強度為縱坐標，繪制檢測維生素B12的標準曲線。

1.5 維生素B12藥片的檢測

取市售維生素B12藥片，用研缽研成粉末，加水溶解后過0.22 μm的濾膜，濾液轉移到10 mL的容量瓶并用二次水定容至刻度，得到維生素B12藥片的樣品溶液。取另一個干凈的5 mL 容量瓶依次加入0.50 mL硅量子點溶液，2.00 mL 磷酸緩沖溶液（10 mmol，pH 7.5），1.00 mL的維生素B12樣品溶液，用二次水定容至5.00 mL后，室溫下反應3 min。隨后測定460 nm的熒光強度，并通過標準曲線計算樣品中維生素B12的含量，用μg/片表示。

2 結果與分析

2.1 硅量子點熒光光譜曲線的測定

首先對合成的硅量子點進行光譜分析，尋找最佳的激發和發射波長。如圖1 所示，固定發射波長為460 nm，掃描325～400 nm范圍內的激發強度，得到硅量子點的最佳激發波長為360 nm。反過來，固定用360 nm波長的光激發硅量子點，掃描400～550 nm范圍內的發射強度，得到硅量子點的最佳發射波長在460 nm。合成的硅量子點具有較強的熒光強度，與維生素B12的紫外吸收（362 nm）有重疊，適合后續利用內濾效應的熒光猝滅機理定量檢測維生素B12。

圖1 硅量子點的熒光光譜曲線

2.2 維生素B12的檢測條件探究

為了獲得硅量子點對維生素B12的最佳響應效果，需要對硅量子點檢測維生素B12的實驗條件進行探究。首先對硅量子點測定維生素B12時的pH值進行探究。如圖2 所示，隨著pH 從5 逐漸增加到9，測得的熒光強度基本變化不大。當pH 為7.5 時，測得的熒光強度最小，此時維生素B12對硅量子點熒光的猝滅最大，因此選擇pH 為7.5 作為測定硅量子點檢測維生素B12的最佳pH。

圖2 pH值對熒光強度的影響

反應時間也會影響檢測的效果，于是對硅量子點檢測維生素B12時的反應時間進行探究。如圖3 所示，當體系中加入維生素B12反應3 min時，硅量子點的熒光強度已明顯下降。3 min 后熒光強度基本不變。因此選擇3 min作為硅量子點檢測維生素B12的最佳反應時間。

圖3 反應時間對熒光強度的影響

2.3 維生素B12的標準曲線

通過上述探究，得到硅量子點檢測維生素B12最佳的pH是7.5，最佳反應時間是3 min。在該測定條件下，測定硅量子點中加入濃度分別為0、0.5、1、5、10、15、20 μmol時，維生素B12的熒光強度分別為1 457、1 384、1 373、1 238、1 049、801、599。

利用該數據繪制標準曲線，如圖4 所示，隨著維生素B12濃度逐漸增大，硅量子點的熒光強度逐漸減弱，這是因為維生素B12對硅量子點具有內濾效應，能夠靈敏猝滅硅量子點的熒光。當維生素B12濃度在0.5～20 μmol范圍內時，硅量子點的熒光強度與維生素B12的濃度呈良好的線性關系，線性回歸方程F=-41.32C+1 433（C：μmol），相關系數為R2=0.995 4。

圖4 硅量子點測定維生素B12的標準曲線

2.4 維生素B12藥片的檢測

按照前述的實驗操作步驟制備維生素B12藥片的樣品溶液并進行熒光光譜測定，測得的熒光強度代入上述檢測維生素B12的標準曲線中，計算得到維生素B12藥片中維生素B12的含量為978 μg/片，與標示的含量（1 000 μg/片）接近，說明該方法準確可靠，可用于實際樣品的檢測。

3 結語

該實驗選擇了與人們健康息息相關的維生素B12作為檢測對象，并選擇了典型的熒光納米材料硅量子點作為檢測手段，檢測原理簡單易懂又具有代表性，實驗結果重復性好，適用于實驗教學中。此外，將該實驗作為現代分析技術實驗的一個新創實驗，通過該實驗能訓練學生的科研思路和創新意識［16-17］。在進行該實驗教學時要注意以下幾個問題：

（1）本實驗包括了熒光納米材料硅量子點的合成和熒光光譜法檢測維生素B12兩部分，共需4 學時。學生通過動手操作合成熒光硅量子點，可以了解熒光納米材料的基本合成方法，并重點掌握其微波合成方法。同時通過對熒光材料進行熒光光譜表征，加深學生對熒光產生機理的理解。學生利用合成的硅量子點檢測維生素B12，可以了解常見的熒光檢測機理和熒光光譜法的基本操作。本實驗教學設計緊扣實驗具體內容和具體環節，從合成到性質表征再到應用，環環相扣，逐步深入，可以使學生更加深入地理解熒光的產生機理，表現和影響因素［18］。實驗過程可以采取學生單獨完成，也可以采取小組合作的形式。

（2）由于大多本科生沒有接觸熒光納米材料，對熒光檢測機理也缺乏相關理論知識。為了幫助學生更好地理解實驗內容，實驗前教師可以先提供一些有關熒光納米材料、熒光檢測機理研究的資料，讓學生閱讀資料，進行預習，儲備相關知識，才能更規范地進行實驗操作。其中熒光納米材料的相關資料可以包括半導體量子點、熒光碳基納米材料、金屬納米簇、上轉換納米粒子等。熒光檢測機理可以包括內濾效應、熒光能量轉移、光誘導電子轉移等。

（3）可以將硅量子點檢測維生素B12的條件設計成探究性環節，教師不要將摸索好的檢測條件提供給學生，而是讓學生自己設計方案探討最佳的熒光檢測條件，多給學生思考和解決問題的機會。

（4）由于維生素B12在362 nm 處具有較強的吸收，可以利用紫外分光光度法測定維生素B12的含量。但和熒光光譜法相比，熒光光譜法的靈敏度更高，受干擾更小。因此，在實驗設計上，可以將該實驗進一步擴展為綜合性、設計性實驗“兩種方法（紫外分光光度法和熒光光譜法）測定維生素B12藥片的含量”，然后對比兩種方法對實際樣品的檢測結果，加深對兩種方法靈敏度的理解。