基于Mn摻雜ZnS量子點的室溫磷光檢測鹽酸異丙嗪

許 梅，栗東霞，閆桂琴

(山西師范大學 生命科學學院，山西 臨汾 041000)

?

基于Mn摻雜ZnS量子點的室溫磷光檢測鹽酸異丙嗪

許 梅，栗東霞，閆桂琴*

(山西師范大學 生命科學學院，山西 臨汾 041000)

以三巰基丙酸(MPA)為表面修飾劑，采用水相合成法制備了穩定且具有良好光學性質的Mn摻雜ZnS量子點。在pH 7.4的磷酸緩沖液中，鹽酸異丙嗪的加入使MPA包裹的Mn摻雜ZnS量子點的室溫磷光發生明顯猝滅，據此建立了一種檢測鹽酸異丙嗪的新方法。磷光猝滅強度(ΔRTP)與鹽酸異丙嗪濃度呈良好線性，其線性范圍為3.2～32 μmol/L 與32～160 μmol/L，相關系數分別為0.998與0.999，檢出限為0.553 μmol/L。將該方法用于人血清與尿液中鹽酸異丙嗪的檢測，加標回收率為96.4%～103.1%，結果滿意。

Mn摻雜ZnS；量子點；室溫磷光(RTP)；鹽酸異丙嗪(PMZ)

鹽酸異丙嗪(Promethazine，PMZ)為吩噻嗪類藥物，是一種抗組織胺藥，具有明顯的中樞安定作用，臨床多用于治療過敏性疾病、暈動癥、嘔吐及失眠等[1]。但使用PMZ會出現煩躁不安、神經錯亂等現象,嚴重過量可致驚厥，繼而抑制中樞，兒童若服用劑量較大，可產生譫妄(癥狀為胡言亂語、精神興奮)[2]。因此，建立一種檢測PMZ的新方法十分必要。目前，檢測PMZ的方法主要有高效液相色譜法[3-4]、分光光度法[5]、流動注射化學發光法[6-7]、共振瑞利散射法[8]、拉曼光譜法[9]、熒光光譜法[10]、伏安法[11]、電化學法[12]等。但這些方法成本高、耗時長、靈敏度低、程序繁瑣，而且大多建立于酸性環境中，因此，基于中性環境建立一種成本低、耗時少、靈敏度高、簡便快速檢測PMZ的新方法具有重要意義。

近年來，量子點作為一種新型的納米材料而廣受關注，其獨特的光學性質，使之被用于各種領域，尤以作為探針居多[13-15]。相對于量子點的熒光而言，磷光具有選擇性好、壽命長、Stokes位移大等優點，且在進行磷光檢測時可避免自體熒光和散射的干擾[16-17]，因此，發展量子點磷光探針是熒光分析的有力補充。此外，相較于普通量子點，摻雜量子點具有優良的穩定性和良好的光學特性[18-19]。

綜上所述，本文首次利用摻雜量子點的室溫磷光建立了快速檢測體液中PMZ的分析方法。該方法于pH 7.4的環境中進行檢測，異于其他已有方法。而且該方法能有效避免體液自體熒光和散射的干擾，同時也避免了金屬離子、生物分子的干擾，因此，利用Mn摻雜ZnS量子點的室溫磷光可以快速、準確、簡便地檢測人血清和尿液中的PMZ。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

采用Brucker D8-Advance X射線粉末衍射儀(德國)對量子點進行表征。熒光光譜和磷光光譜在 Cary Eclipse 熒光分光光度計(美國安里瓦公司)上進行測定，將待測溶液置于四面通石英比色池(1 cm×1 cm)中，激發和發射的狹縫寬度分別為10 nm 和20 nm。 UV-29100 紫外可見分光光度計(日本島津公司),PHS-3C 型 pH 計(上海雷磁公司)，AEU-200 電子天平(日本島津公司)。

實驗所用試劑均為分析純。Zn(Ac)2·2H2O，Mn(Ac)2·4H2O，NaS·9H2O，NaH2PO4，Na2HPO4購自天津科密歐化學試劑有限公司；3-巰基丙酸(MPA)和PMZ購于北京百靈威科技有限公司；高純水(18.2 MΩ·cm) 采用 WaterPro 水純化系統(美國Labconco公司)制備。

1.2 實驗方法

1.2.1 MPA包裹的ZnS∶Mn量子點的合成 參考相關文獻[20-21]并做適當修改，在250 mL 三口燒瓶中，依次加入50 mL 0.04 mol/L 的MPA，2 mL 0.01 mol/L 的Mn(Ac)2和5 mL 0.1 mol/L 的Zn(Ac)2水溶液，用1 mol/L 的NaOH調節pH值至11.0，在室溫下磁力攪拌，通氬氣飽和30 min，確保穩定劑MPA與Zn2+和Mn2+充分絡合。隨后在隔絕空氣的條件下用注射器快速加入5 mL 0.1 mol/L 的Na2S水溶液，室溫下繼續反應20 min后將得到的MPA包裹的 ZnS∶Mn 量子點溶液在50 ℃下陳化2 h，之后以相同體積的無水乙醇使量子點沉降，高速離心，傾去上層清液，于室溫真空干燥24 h，即得MPA包裹的 ZnS∶Mn 量子點固體粉末。

1.2.2 室溫磷光檢測 以制備濃度為8.0×10-4mol/L 的PMZ溶液為母液，在一系列10 mL比色管中，依次加入50 μL 2 mg/L 的MPA包裹的 ZnS∶Mn 量子點水溶液，500 μL 0.1 mol/L 的磷酸緩沖液(PBS，pH 7.4)，然后加入不同體積的PMZ溶液，用高純水定容至5 mL，搖勻，制備成一系列含有不同濃度PMZ的待測樣品，靜置10 min后進行室溫磷光檢測。熒光分光光度計選取磷光模式，激發波長為295 nm，激發和發射的狹縫寬度分別為10 nm 和20 nm。

1.2.3 樣品預處理 人體血清與尿液均來自健康志愿者，將其用高純水稀釋100倍后用于分析檢測，樣品無需進一步處理。

圖1 MPA包裹的 ZnS∶Mn 量子點的XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of MPA-capped Mn-doped ZnS QDs

圖2 MPA包裹的ZnS∶Mn 量子點的紫外吸收(曲線 1)和磷光光譜圖(曲線 2)Fig.2 Absorption spectrum of MPA-capped Mn-doped ZnS QDs(curve 1) and RTP spectrum(curve 2)

2 結果與討論

2.1 MPA包裹的ZnS∶Mn量子點的表征

圖1為該量子點的XRD圖譜，由圖可知，所合成的MPA包裹的 ZnS∶Mn 量子點3個衍射峰分別對應立方閃鋅礦結構的(111)，(220)，(311)3個晶面[17]。

MPA包裹的 ZnS∶Mn 量子點的紫外吸收和磷光光譜圖見圖2，由圖可知該量子點的最大激發峰位于295 nm 處，最大發射峰位于590 nm處。在圖2插圖中，hυ1顯示了該量子點的表面缺陷，而hυ2顯示了該量子點的磷光性質是由Mn2+的三重態(4T1)到基態(6A1)的躍遷產生，ZnS是一種寬帶隙半導體，其導帶和價帶為雜質離子提供較寬的能級范圍，當激發光被ZnS主體吸收后，電子和空穴發生分離，且空穴被Mn2+捕獲，由此出現電子和空穴在Mn2+上復合，從而導致Mn2+的激發，并以磷光形式釋放能量[22-23]。

圖3 不同濃度PMZ對MPA包裹的 ZnS∶Mn量子點磷光強度的影響Fig.3 RTP emission spectra of MPA-capped Mn-doped ZnS QDs with various concentrations of PMZ

圖4 基于MPA包裹的 ZnS∶Mn量子點檢測PMZ的反應機理圖Fig.4 Schematic illustration of PMZ detection used the MPA-capped Mn-doped ZnS QDs

2.2 選擇MPA包裹的 ZnS∶Mn 量子點作為探針檢測PMZ

隨著PMZ濃度的增加，MPA包裹的 ZnS∶Mn量子點的磷光強度發生非常有規律的猝滅，據此建立了一種基于MPA包裹的 ZnS∶Mn 量子點的室溫磷光檢測PMZ的新方法。從圖3可以看出，當未加入PMZ時，MPA包裹的 ZnS∶Mn 量子點有很高的磷光值，隨著PMZ的加入，該量子點的磷光強度被迅速猝滅，直至PMZ濃度達到160 μmol/L 時，猝滅效果趨于穩定。

2.3 MPA包裹的 ZnS∶Mn 量子點與PMZ之間的反應機理

穩定劑MPA的加入不僅使 ZnS∶Mn 量子點的水溶性增強，也賦予該量子點表面大量的羧基，使其呈明顯的負電性；而PMZ為吩噻嗪衍生物，其分子中的N原子和S原子上有孤對電子，故在水溶液中極易發生質子化后以陽離子形式存在，使其呈明顯的正電性[24]，因此二者可通過靜電作用發生復合。除此之外，PMZ分子中的N原子和S原子上的孤對電子易通過獲得電子而被氧化，因此，PMZ還可作為一種良好的電子受體；而MPA包裹的 ZnS∶Mn 量子點受到激發后，電子和空穴發生分離，空穴會被Mn2+俘獲，之后電子和空穴各自在Mn2+上復合導致Mn2+激發，并以磷光形式釋放能量[25]，而一些小分子與量子點表面結合后會影響量子點中電子和空穴的復合過程，進而使量子點的發光強度發生改變。因此，當體系中加入PMZ后，PMZ作為一種陽離子電子受體，可能通過靜電作用與MPA包裹的 ZnS∶Mn 量子點形成復合物，進而從量子點捕獲電子并阻止量子點內電子與空穴的正常復合，導致MPA包裹的 ZnS∶Mn 量子點的室溫磷光發生猝滅。圖4為MPA包裹的 ZnS∶Mn 量子點與PMZ的反應機理圖。

圖5 PMZ與MPA包裹的 ZnS∶Mn量子點的共振散射圖譜Fig.5 RLS spectra of PMZ and MPA-capped Mn-doped ZnS QDsa.48 μmol/L PMZ;b.QDs;c.curve a+curve b;d.QDs+48 μmol/L PMZ;e.QDs + 144 μmol/L PMZ

圖5為PMZ與MPA包裹的 ZnS∶Mn 量子點的共振散射光譜圖(RLS)，由圖5可見，單純的PMZ和MPA包裹的 ZnS∶Mn 量子點的RLS強度較弱，而加入PMZ后，體系的RLS強度明顯增強，且增強效應并非PMZ與量子點二者各自的RLS強度的簡單疊加所致(曲線c)。此外，隨著PMZ濃度的增加，RLS強度不斷增強，說明MPA包裹的 ZnS∶Mn 量子點與PMZ之間可能通過靜電作用結合形成了更大的散射粒子。

2.4 影響因素考察

利用MPA包裹的 ZnS∶Mn 量子點的室溫磷光檢測PMZ的影響因素主要有溶液的反應時間、pH值、鹽(NaCl)濃度。經考察，反應時間對檢測PMZ幾乎無影響，因此該實驗均在反應10 min后進行測定，在60 min內完成檢測。在pH 5.7～7.4范圍內，該體系的磷光強度明顯增強；在pH 7.4～9.0范圍內，該體系的磷光強度明顯減弱，因此，該實驗均在pH 7.4的PBS緩沖溶液中進行。鹽(NaCl)濃度在0～0.25 mol/L范圍時，該體系的磷光強度幾乎保持不變，而人體液中的鹽濃度為0.15 mol/L，因此，利用MPA包裹的 ZnS∶Mn 量子點的室溫磷光可以檢測人血清與尿液中的PMZ。

2.5 工作曲線

在最佳實驗條件下，研究了MPA包裹的ZnS∶Mn量子點的室溫磷光猝滅量(ΔRTP)與PMZ濃度之間的關系。結果顯示，當PMZ濃度為3.2～160 μmol/L 時，該量子點的ΔRTP與PMZ濃度之間呈線性關系：當PMZ濃度為3.2～32 μmol/L 時，線性方程為ΔRTP=6.001cPMZ+6.657，相關系數為0.998；當PMZ濃度為32～160 μmol/L 時，線性方程為ΔRTP=1.489cPMZ+147.2，相關系數為0.999。檢出限(3σ)為0.553 μmol/L。與已有方法相比(表1)，本方法建立在pH 7.4的中性環境中，靈敏度較高、簡便快速、成本低。

表1 測定PMZ方法的比較

2.6 共存物質的干擾

在優化實驗條件下，考察了人體液中常見共存物質對PMZ檢測體系的干擾。結果顯示，當PMZ的濃度為48 μmol/L 時，100倍的Cl-和Na+，50倍的K+，Ca2+，葡萄糖、蔗糖，20倍的L-谷氨酸、L-賴氨酸、L-脯氨酸、L-丙氨酸、甘氨酸、酪氨酸對PMZ檢測體系的磷光強度幾乎無干擾(誤差均不超過±5.0%)。這表明利用MPA包裹的 ZnS∶Mn 量子點的室溫磷光檢測PMZ具有很高的選擇性。

圖6 人尿液( 1，3)、血清(2,4)的磷光和熒光光譜圖Fig.6 RTP and FL spectra of human urine( 1，3) and serum(2,4)1,2：RTP spectra；3,4：FL spectra

2.7 實際樣品的測定

為考察利用MPA包裹的 ZnS∶Mn 量子點的室溫磷光檢測PMZ的可行性，本實驗采用加標回收法檢測健康人血清和尿液中的PMZ。圖6顯示，人血清和尿液有很強的背景熒光，卻無背景磷光。因此，利用MPA包裹的 ZnS∶Mn 量子點的室溫磷光檢測PMZ能有效避免人血清和尿液自體熒光的干擾。該方法只需將待測液稀釋，無需其他預處理。將人血清和尿液用高純水稀釋100倍后，進行3個濃度(8,48,144 μmol/L)水平的加標回收實驗，測得加標回收率為96.4%～103.1%,相對標準偏差為0.6%～3.9%。方法的準確度可滿足實際樣品的檢測需要。

3 結 論

本文以三巰基丙酸(MPA)為表面修飾劑，采用水相合成法制備了穩定且具有良好光學性質的 ZnS∶Mn 量子點，建立了一種檢測PMZ的新方法。該方法與速差動力學、曙紅Y、熒光等分光光度法相比，檢測范圍寬、靈敏度高，并且避免了自身熒光的干擾；與HPLC法相比，成本低、簡便快速。此外，其他方法大都在酸性環境中進行檢測，而該方法在pH 7.4的中性環境中進行。因此，MPA包裹的Mn摻雜ZnS量子點的室溫磷光能有效應用于人體液中PMZ的檢測。

[1] Lynch K L,Shapiro B J,Coffa D,Novak S P,Kral A H.DrugAlcoholDepend.,2015,150:92-97.

[2] Zhang S R,Yang J D.J.Instrum.Anal.(張書然,楊季冬.分析測試學報),2009,28(12):1362-1367.

[3] Pei Y M.Chin.Tradit.HerbalDrugs.(裴月梅.中草藥),2014,45(23):3414-3417.

[4] Huang M,Gao J Y,Zhai Z G,Liang Q L,Wang Y M,Bai Y Q,Luo G A.J.Pharm.Biomed.Anal.,2012,62(2):119-128.

[5] Pan Z H,Chen L H,Han Y J.Chin.J.Anal.Lab.(潘自紅,陳麗華,韓永軍.分析試驗室),2010,29(2):115-117.

[6] Zhao Z R,Kong D,Liu Y M.Chem.Res.(趙崢嶸,孔丹,劉彥明.化學研究),2015,26(2):175-178.

[7] Chen P L,Liu S P,Liu Z F,Hu X L.Chin.J.Anal.Chem.(陳佩麗,劉紹璞,劉忠芳,胡小莉.分析化學),2010,38(7):1007-1010.

[8] Chen Y H,Hao E J,Ye C L,Feng S L,Cui F L.Chin.J.Anal.Lab.(陳粵華,郝二軍,葉存玲,馮素玲,崔鳳靈.分析試驗室),2012,31(4):1-3.

[9] Lai Y F,Hu J,Lin L L,Zhang Q G.Chin.Hosp.Pharm.J.(賴源發,胡佳,林麗麗,張啟國.中國醫院藥學雜志),2015,35(7):612-615.

[10] He L L,Wang X,Liu B,Wang J,Sun Y G,Gao E J,Xu S K.J.Lumin.,2011,131(2):285-290.

[11] Marco J P,Borges K B,Tarley C R T,Ribeiro E S,Pereira A C.Sens.ActuatorsB,2013,177(1):251-259.

[12] Pereira P F,Marra M C,Cunha R R,Silva W P D,Munoz R A A,Richter E M.J.Electroanal.Chem.,2014,713(3):32-38.

[13] Yuan X Y,Wang T L,Guan T T,Wang J L,Huang H W,Yi S J,Tang C R,Zeng Y L.J.Instrum.Anal.(元曉云,王天倫,關婷婷,王金龍,黃昊文,易守軍,唐春然,曾云龍.分析測試學報),2015,34(4):463-467.

[14] Mao Y Q,Li Z R,Wang J R,Ge F,Tian J X,Li N.J.Instrum.Anal.(毛永強,李卓然,王繼仁,葛飛,田金星,李娜.分析測試學報),2015,34(1):96-100.

[15] Zhao Y C,Wei S Z,Tian J N,Zhao S L.J.Instrum.Anal.(趙彥春,韋盛志,田建裊,趙書林.分析測試學報),2009,28(6):655-660.

[16] Wang H F,He Y,Ji T R,Yan X P.Anal.Chem.,2009,81(81):1615-1621.

[17] Wei X,Zhou Z P,Dai J D,Hao T F,Li H J,Xu Y P,Gao L,Pan J M,Li C X,Yan Y S.J.Lumin.,2014,155(6):298-304.

[18] Pradhan N,Goorskey D,Thessing J,Peng X G.J.Am.Chem.Soc.，2005,127(50):17586-17587.

[19] Zhang X S,Li L,Huang Q S,Zhang G F,Xu J P,Xuan R W,Wei F W.J.Optoelectronics:Laser(張曉松,李嵐,黃青松,張高峰,徐建萍,宣榮衛,魏鳳巍.電子：激光),2011,22(1):1-4.

[20] Zhuang J Q,Zhang X D,Wang G,Li D M,Yang W S,Li T J.J.Mater.Chem.,2003,13(7):1853-1857.

[21] Wu P,He Y,Wang H F,Yan X P.Anal.Chem.,2010,82(4):1427-1433.

[22] He Y,Wang H F,Yan X P.Chemistry,2009,15(22):5436-5440.

[23] Chung J H,Ah C S,Jang D J.J.Phys.Chem.B,2001,105(19):4128-4132.

[24] Qin Z H,Liu S P,Kong L,Jiang H.Chin.J.Anal.Chem.(秦宗會,劉紹璞,孔玲,江虹.分析化學),2003,31(6):702-705.

[25] Yu Z S,Ma X Y,Zhang Q,Yu B.J.Instrum.Anal.(俞樟森,馬錫英,張琪,余斌.分析測試學報),2011,30(7):789-794.

[26] Ni Y N,Qi Z B.Spectrosc.SpectralAnal.(倪永年,齊正保.光譜學與光譜分析),2006,26(7):1364-1367.

[27] Gao P F,Zeng G M,Niu C G.Chem.Sens.(高攀峰,曾光明,牛承崗.化學傳感器),2006,26(1):49-53.

Detection of Promethazine Based on the Room Temperature Phosphorescence of MPA-capped Mn-doped ZnS Quantum Dots

XU Mei,LI Dong-xia,YAN Gui-qin*

(College of Life Science，Shanxi Normal University，Linfen 041000，China)

Using 3-mercaptopropionic acid(MPA) as surface modifiers,Mn doped ZnS quantum dots with stable and good optical properties were synthesized via water phase method.In phosphate-buffered saline solution,the addition of promethazine could obviously quench the room temperature phosphorescence of MPA-capped Mn-doped ZnS quantum dots.Thus,a new method for the detection of promethazine was established.The quenched phosphorescence intensity(ΔRTP) was linearly proportional to concentration of promethazine.The linear ranges of promethazine were 3.2-32 μmol/L and 32-160 μmol/L,with correlation coefficients of 0.998 and 0.999,respectively.The limit of detection for the method was 0.553 μmol/L.This method was used to detect promethazine in human serum and urine samples with satisfactory results,and the recoveries ranged from 96.4%to 103.1%.

MPA-capped Mn-doped ZnS;quantum dots(QDs);room temperature phosphorescence(RTP);promethazine(PMZ)

2016-04-07；

2016-05-01

國家教育部博士點聯合基金項目(20111404110002)；國家自然科學基金項目(31272258)；山西省重點化學優勢學科建設項目(912019)

10.3969/j.issn.1004-4957.2016.10.014

O657.3;TQ460.72

A

1004-4957(2016)10-1301-05

*通訊作者：閆桂琴，教授，研究方向：植物分子生物學及生物分子化學，Tel：0357-2051867，E-mail:gqyan2013@163.com