趙亞菲， 黃正喜， 李春涯， 張慧娟

(中南民族大學化學與材料化學學院，湖北武漢 430074)

環(huán)境中的汞對生態(tài)系統(tǒng)和人體健康危害極大，即使在低濃度時其對微生物和人類也會產(chǎn)生極大的傷害[1]。相較于經(jīng)典的汞分析方法對儀器需求較高，或者需要繁瑣的衍生前處理等缺點[2 - 4]，基于量子點(QDs)技術(shù)而建立的熒光光度法測定Hg2+以其高靈敏度、操作簡便等優(yōu)點受到廣泛關(guān)注[5 - 8]。而水溶性量子點具有制備過程簡便、重復性好、表面性質(zhì)易于修飾等優(yōu)點，已經(jīng)成為當前研究的熱點[9]。制備水溶性量子點一般采用巰基乙酸、巰基丙酸及巰基乙胺等水溶性巰基化試劑作為穩(wěn)定劑，通過包覆量子點增強其光學穩(wěn)定性，但是這類巰基化穩(wěn)定劑都具有較大毒性不利于在生命醫(yī)學領(lǐng)域應用，因此發(fā)展低毒性穩(wěn)定劑制備水溶性量子點尤為重要[10]。殼聚糖(CTS)及其衍生物一直以生物相容性好、生物可降解性好、安全性高等獨特性能，在生物材料、藥物緩釋和環(huán)境治理等領(lǐng)域的應用中取得了重要進展[11,12]。

目前用殼聚糖及其衍生物直接一步法制備水溶性量子點的報道很少，大多采用的是對已合成好的水溶性量子點進行殼聚糖修飾，對于降低量子點的毒性有限[13]。Mansur等人報道了殼聚糖及殼聚糖季銨鹽衍生物一步法合成了殼聚糖包覆CdS QDs，但未應用于分析測定[14]。殼聚糖上的氨基和羥基對于很多金屬離子都具有配位能力，可能導致制備的水溶性量子點容易受到其他離子干擾，選擇性不強，而巰基對于某些金屬離子特別是汞具有較強的親和能力可提高水溶性量子點的選擇性和抗干擾性[15，16]。本文采用3-巰基丙酸對殼聚糖進行巰基化改性，將殼聚糖與巰基化穩(wěn)定劑的優(yōu)點相結(jié)合，制備出殼聚糖巰基化穩(wěn)定劑，進而采用一步法合成出低毒性具有選擇性的巰基化殼聚糖包覆水溶性CdS QDs，并考察所制備量子點的光學性質(zhì)，建立了熒光猝滅法測定環(huán)境水樣中的Hg2+。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

NEXUS 470 型智能傅立葉紅外光譜儀(美國，Nicolet 公司)；VERTEX 70拉曼光譜儀，Bruker D8 X 射線衍射儀(德國，布魯克公司)；FEI Tecnai G20透射電子顯微鏡(美國，F(xiàn)EI公司)；INESA 970CRT熒光分光光度計(上海儀電分析儀器有限公司)。

3-巰基丙酸(99%，J&K CHEMICAL);殼聚糖(脫乙酰度，80%～95%)，N，N′-二環(huán)己基碳二亞胺(DCC，98%)，4-二甲氨基吡啶(DMAP，98%)，CdCl2·2.5H2O(> 99%)，Na2S·9H2O(> 98%)，均購自國藥集團化學試劑公司。實驗用水為二次蒸餾水。

1.2 實驗方法

1.2.1巰基化殼聚糖的合成巰基化殼聚糖的制備過程參照文獻報道的方法[17]并做改進。將殼聚糖和3-巰基丙酸混合于二氯甲烷中。隨后依次加入DCC和DMAP，攪拌均勻，室溫反應24 h。反應結(jié)束后，將反應溶液過濾并用少量的DCM和DMF分別洗滌3次后得到白色固體，然后將白色固體溶解在1%乙酸水溶液中，離心后取上清液用丙酮沉淀，得到淺黃色絮狀產(chǎn)物，產(chǎn)物在真空干燥箱中60 ℃下干燥5 h。

1.2.2巰基化殼聚糖包覆CdS量子點的合成將制備的巰基化殼聚糖與CdCl2加入圓底燒瓶中，用一定量的水溶解。用冰乙酸將反應溶液的pH調(diào)節(jié)為3.0，然后將Na2S溶液迅速加入燒瓶中，氮氣保護下50 ℃攪拌反應2 h。反應結(jié)束后將反應液用無水乙醇沉淀得到CdS QDs。產(chǎn)物用無水乙醇洗滌三次后在真空干燥箱中60 ℃下干燥2 h。

1.2.3測定方法在10 mL容量瓶中依次加入pH值2.0的0.2 mol/L磷酸鹽緩沖溶液， 一定量的Hg2+標準溶液和CdS QDs儲備液，用水定容，搖勻，在室溫下放置20 min，在熒光分光光度計上,在激發(fā)/發(fā)射波長為350/470 nm處，測量溶液的熒光強度。狹縫寬度為10 nm。

2 結(jié)果與討論

2.1 巰基化殼聚糖及其包覆CdS QDs的表征

圖1和圖2分別為殼聚糖和巰基化殼聚糖的紅外光譜圖和拉曼光譜圖。由圖1可見，與殼聚糖的紅外光譜圖相比，巰基化殼聚糖1 596 cm-1處的-NH2彎曲振動吸收峰消失，巰基化殼聚糖的紅外光譜圖中1 634 cm-1、1 530 cm-1都出現(xiàn)一吸收峰，應為酰胺Ⅰ帶和酰胺Ⅱ帶，可判斷巰基化殼聚糖中生成了酰胺鍵。由圖2可看出，與殼聚糖的拉曼光譜相比，巰基化殼聚糖的拉曼光譜中-NH2的伸縮振動峰3 300 cm-1和彎曲振動峰1 592 cm-1消失，在2 600 cm-1出現(xiàn)了-SH的伸縮振動峰，這是因為巰基丙酸的羧基與殼聚糖的氨基發(fā)生了酰胺化反應，說明該方法實現(xiàn)了對殼聚糖的巰基化修飾。

圖1 殼聚糖(a)和巰基化殼聚糖(b)的紅外光譜圖

圖2 殼聚糖(a)和巰基化殼聚糖(b)的拉曼光譜圖

圖3 巰基化殼聚糖包覆CdS QDs的透射電鏡(TEM)圖(A)和X射線衍射(XRD)圖(B)

圖4 巰基化殼聚糖包覆CdS 量子點的熒光光譜圖

利用透射電子顯微鏡(TEM)對制備的量子點形貌進行了表征,見圖3A。TEM圖像顯示，量子點粒徑分布較均勻，大小在3～5 nm之間。巰基化殼聚糖包覆CdS QDs的X射線衍射圖如圖3B所示。圖中出現(xiàn)了三個明顯的峰，分別是 26.7°、44.1°and 51.7°，與CdS XRD標準JCPDS卡對比發(fā)現(xiàn)這三個峰與CdS 晶體的晶面111、220 和 311的峰位置基本重合，晶體粒徑由 Debye-Scherrer’s公式:D=0.89λ/βcosθ(其中D是納米顆粒的直徑，λ是X射線的波長，β是半高寬，θ是衍射角)計算得出。經(jīng)計算得出CdS QDs 的粒徑為3 nm，與TEM表征結(jié)果相吻合。

2.2 巰基化殼聚糖包覆CdS量子點光學性質(zhì)的考察

巰基化殼聚糖包覆CdS QDs在200～400 nm激發(fā)波長下，都能被激發(fā)，如圖4所示。發(fā)射的熒光波長都在470 nm處，且當激發(fā)波長為350 nm時熒光強度最大，峰形最對稱。由此說明制備的巰基化殼聚糖包覆CdS QDs的熒光激發(fā)波長范圍寬而且連續(xù)，其熒光發(fā)射峰峰形對稱，半峰寬較窄，熒光強度高。后續(xù)實驗都在激發(fā)波長為350 nm和發(fā)射波長在470 nm的條件下進行。

2.3 熒光反應條件的選擇

考察了pH對巰基化殼聚糖包覆CdS QDs熒光強度的影響。由圖5A可見，在pH=1～6的范圍內(nèi)，熒光強度的變化不大，比較穩(wěn)定，但是當pH>6后，熒光強度降低，量子點開始發(fā)生沉降。由圖5B中可以看出，當pH值為1～2時，Hg2+對巰基化殼聚糖包覆CdS QDs的熒光猝滅幅度最大且穩(wěn)定，故后續(xù)定量檢測Hg2+時選擇溶液pH值為2.0。

圖5 pH對巰基化殼聚糖包覆CdS QDs的熒光強度(A)及Hg2+熒光猝滅效應(B)的影響

同時考察了CdS QDs濃度對熒光反應的影響。在一定濃度范圍內(nèi)，熒光強度隨著量子點濃度的增加而增大，但量子點濃度過大時，由于熒光的自猝滅現(xiàn)象，會導致熒光強度降低。經(jīng)過考察發(fā)現(xiàn)，制備的量子點濃度為0.24 g/L時，Hg2+對量子點的熒光猝滅程度最大。所以在定量檢測Hg2+時，巰基化殼聚糖包覆CdS量子點的濃度選為0.24 g/L。

2.4 共存離子的影響

將5.0×10-7mol/L Hg2+和共存離子按表1所示濃度混合均勻后，加入巰基化殼聚糖包覆CdS QDs溶液中，共存離子存在下巰基化殼聚糖包覆CdS QDs的熒光強度變化如表1所示。對加入5.0×10-7mol/L Hg2+的巰基化殼聚糖包覆CdS QDs溶液(0.24 g/L)9次重復測定得到的相對標準偏差為3.4%，所以共存離子引起的誤差不超過3.4%，對本實驗不產(chǎn)生干擾。

表1 共存離子對Hg2+測定的影響

(續(xù)表1)

3 方法評價及應用

圖6 Hg2+濃度變化對巰基化殼聚糖包覆CdS QDs的熒光影響

巰基化殼聚糖包覆CdS QDs熒光強度的減弱程度與Hg2+濃度的關(guān)系如圖6所示,符合Stern-Volmer方程，即F0/F=9.9×104[S]+1.2，其中F0和F是未加入Hg2+和加入Hg2+時的量子點熒光強度，[S]是Hg2+濃度。在最佳條件下，線性范圍為3.0×10-7～5.0×10-5mol/L，線性相關(guān)系數(shù)R=0.996。在信噪比為3的條件下檢出限為5.3×10-8mol/L。由于量子點與Hg2+發(fā)生熒光猝滅過程中熒光發(fā)射波長沒有發(fā)生明顯的移動，而隨著Hg2+濃度的增加熒光發(fā)射波長均在 470 nm處，因此該體系的熒光猝滅現(xiàn)象可能是量子點和Hg2+發(fā)生了有效電子轉(zhuǎn)移，Hg2+的存在促進了導帶中激態(tài)電子與價帶中空穴的非輻射重組，從而導致量子點的熒光猝滅[18]。

方法的日內(nèi)及日間精密度在5.0×10-7和5.0×10-5mol/L兩個濃度下進行了考察，計算結(jié)果表明在兩個濃度下平行測定結(jié)果的相對標準偏差(RSD)都在5.8%之內(nèi)(n=6)，說明方法的精密度良好。

分別取自來水和湖水作為實際樣品進行檢測，自來水未作任何預處理，湖水僅進行了過濾去除懸浮物。將水樣的pH調(diào)至2.0，按照1.2.3測定方法，在最佳條件下進行回收率測定，實驗結(jié)果如表2所示。雖然在樣品中未檢出Hg2+，但是加標回收率在86.4%～104.6%之間，說明該方法可用于水樣中 Hg2+的測定。

表2 實際水樣品的加標回收率

此外，將所建立的方法與文獻已報道的量子點熒光光度法測定Hg2+的方法進行了比較，見表3。

表3 與文獻已報道的量子點法測定Hg2+的結(jié)果比較

4 結(jié)論

制備了巰基化殼聚糖，并采用一步法合成了巰基化殼聚糖包覆CdS QDs，制備的量子點粒徑分布均勻，光穩(wěn)定性好且?guī)€基化殼聚糖的包覆降低了量子點的毒性?；贖g2+對量子點的熒光猝滅作用建立了熒光猝滅法測定水樣中Hg2+的分析方法。方法的日內(nèi)及日間精密度良好且抗干擾性好，所建立的分析方法將有望用于生物體系中Hg2+的檢測。