農業雙熒光復合材料的制備及對蔬菜Cu*的可視化檢測

姚旭松，龔 力

(四川省科源工程技術測試中心，四川 成都 610031)

Cu2+在人體內金屬離子含量排行第3，是很多生物反應必需的金屬離子[1]。然而，銅離子含量過高或過低都會對生物體造成不利影響[2]。因此，建立一種檢測銅的準確簡便的方法具有重大意義。如今有各種各樣的方法能實現對銅的檢測，例如原子吸收光譜法[3]，毛細管電泳法[4]，伏安法[5]等等。但是不足的是，這些方法需要復雜的操作程序，昂貴的儀器，大量的測試樣品等。因此采用熒光分析和生物分析等相似的方法對銅離子檢測的方式逐漸被發展起來[6- 7]。

與單熒光探針相比，雙熒光比率探針更能被肉眼區別[8]。雙熒光比率熒光探針提供了一種內部校正使其免受外部條件干擾。更重要的是，雙熒光熒光比率探針可以通過2個發射峰的強度比值來消除熒光激發時的熒光峰的波動[9]。

碳量子點(C-dot)因其優異的光學性質、抗光漂白性、穩定性、可調的激發和發射光譜等性質而受到廣泛的關注[10]。作為一種理想的非物質，CdTe量子點(Q-dots)因其獨特的性質受到廣泛重視，包括其狹窄、對稱及尺寸可調的發射光譜，廣闊的激發光譜等等。量子點已被廣泛運用于各種化學物質的分析檢測[11]。在這里，我們通過簡單的化學反應結合藍色熒光的碳量子點和紅色熒光的碲化鎘量子點，從而建立一個銅離子傳感體系。簡單點說，合成出巰基乙酸(TGA)修飾的高熒光的碲化鎘量子點，通過酰胺反應將其共價連接在C-dot@SiO2表面，C-dot處于二氧化硅內部，與銅離子產生隔離，Q-dots處于二氧化硅表面，直接接觸銅離子，當外界銅離子濃度逐漸增加，Q-dots因其表面的羧基基團對銅離子產生吸附作用使其熒光逐漸減弱，而C-dots熒光強度不變。因此建立一個特異性識別銅離子的熒光探針傳感體系。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽 (EDC, C8H17N3·HCl, ≥ 99.0%),N-羥基琥珀酰亞胺(NHS,C4H5NO3,≥99.0%)，嗎啉乙磺酸[2-(Nmorpholino) ethane sulfonic acid,0.1mM,≥99.5%]。環己烷(C6H12,≥99.0%),正己醇(C6H14O,≥99.0%)，一水檸檬酸(C6H8O7·2H2O,≥99.0%),硼氫化鈉(NaBH4,≥97.0%),氯化鎘(CdCl2·5H2O,≥99.8%),氨水(25%)無水乙醇(C2H6O,≥99.7%)。巰基乙酸(TGA,C2H4O2S,≥99.0%),正硅酸乙酯(TEOS,C8H20O4Si,≥99.0%),3-氨基丙基-3-乙氧基硅烷(APTES,C9H23NO3Si,≥98.0%)、碲粉(Te,≥99.5%)。

1.2 Q-dots的合成

Q-dots的合成方法參照Zhang等[12]的工作并做適當改進。0.0638g碲粉及0.12g NaBH4混合分散于10mL超純水中，氬氣保護下冰浴攪拌10h，得到制備的NaHTe溶液。將剛制備的NaHTe溶液加入到pH已調為10的174.5μL TGA和0.2284g CdCl2的混合溶液中，使得Cd2+:TGA：Te2-的摩爾比為1∶2.5∶0.5，最終的混合液在氮氣氛圍下回流15h，得到的Q-dots放置低溫陰暗處備用。

1.3 氨基修飾的C-dots的合成

合成方法在Zhu等[13]研究的基礎上進行改進。0.5g檸檬酸溶解于12.5mL去離子水中，置于30mL的聚四氟乙烯不銹鋼反應釜中，在200℃下反應5h，自然冷卻至室溫，將得到的粗產品離心出去未反應的沉淀雜質，得到表面富含羧基基團的碳量子點，將離心得到的澄清液體繼續倒入反應釜中，加入600μL氨水，繼續在200℃下恒溫反應5h，再經過離心得到黃棕色澄清的氨基修飾的碳量子點。對碳量子點的氨基修飾的目的是為C-dot@SiO2的合成做準備。

1.4 表面功能化C-dot@SiO2的合成

C-dot@SiO2的合成方法參照于Jing等[14]的方法。7.5mL環己烷，1.77mL Triton X-100，1.8mL正己醇混合攪拌10分鐘，隨后，50mL碳量子點水溶液，10μL 0.5%(W/V)殼聚糖溶液加入到體系，攪拌30min，50μL氨水和60μL TEOS加入到體系，室溫下攪拌12h。為了在二氧化硅表面修飾上氨基，30μL APTES加入到上述混合液中，再攪拌12h。在得到的混合澄清液中加入適量丙酮破乳，離心分離得到氨基修飾的C-dot@SiO2復合材料，乙醇和水分別洗滌5次，最后真空干燥得到C-dot@SiO2復合材料粉末備用。

1.5 雙熒光復合材料的合成

1mL Q-dots溶液和20mg藍色熒光的C-dot@SiO2復合材料分散于20mL MES緩沖液中(pH6.1)中，然后加入1mL EDC/NHS(mg·mL-1)，常溫避光反應2h，加入EDC和NHS的目的是在碲化鎘的羧基和C-dot@SiO2表面的氨基之間形成酰胺鍵。反應完成后，離心分離，得到的沉淀用去離子水洗滌3遍，然后分散于10mL去離子水中備用。

1.6 Cu2+的測定

1mL的C-dot@SiO2@Q-dots分散液加入到石英皿中，隨即1.5mL的已知濃度銅離子的磷酸緩沖液加入到上述混合液中，最終的C-dot@SiO2@Q-dots探針濃度為1mg·mL-1,整個過程中激發狹縫為5nm，發射狹縫為10nm，在365的激發波長下測定。

2 結果與討論

2.1 C-dot@SiO2@Q-dots的表征

TEM表征如圖1(a-d)，從圖中可以看出，C-dot@SiO2和C-dot@SiO2@Q-dots的微粒尺寸在39～60nm之間，從其中50個顆粒計算出平均尺寸為51.05±4.80nm。從圖2的a、b中可以看出，C-dot@SiO2具有光滑的表面，c、d圖中可以明顯看到表面的顆粒，Q-dots已經連接在了C-dot@SiO2表面。兩者沒有明顯的尺寸改變。

圖1 (a)C-dot@SiO2的TEM圖(bar:100nm)，(b)C-dot@SiO2的TEM圖(bar:50nm)(c)，C-dot@SiO2@Q-dots的TEM圖(bar:100nm)，(d)C-dot@SiO2@Q-dots的TEM圖(bar:50nm)，

此外，在紅外光譜圖即圖2中，在波數1654cm-1和1550cm-1左右的位置，可以從C-dot@SiO2@Q-dots的FTIR圖看到C=ONR的伸縮振動，但在C-dot@SiO2的FTIR圖中無明顯C=ONR的伸縮振動，圖中波數在1100cm-1附近的吸收峰屬于Si-O-Si和Si-O-CH的伸縮振動，波數在1680cm-1附近的吸收峰屬于C=O的伸縮振動，在3390、1620和1410cm-1的吸收峰屬于C-dot@SiO2@Q-dots表面氨基基團的振動，3425cm-1的吸收峰屬于-OH的伸縮振動，這些數據表明C-dot@SiO2表面有氨基基團及羧基基團存在，即存在形成酰胺鍵的前提，并結合1654cm-1和1550cm-1的吸收峰，證明成功形成了酰胺鍵。

圖2 C-dot@SiO2,C-dot@SiO2@Q-dots的FTIR光譜圖

圖3為C-dot、Q-dots、C-dot@SiO2及C-dot@SiO2@Q-dots的UV-Vis光譜圖，從線a中可以看到第1次激發吸收峰位于345nm，但是在線c的345nm位置沒有看到明顯的激發吸收峰，表明C-dot已成功被包被在SiO2內部，其發射信號被SiO2殼掩蓋，所以沒有出現吸收峰，線b表明Q-dots的吸收峰位于638nm，同理，在線d中，在345nm位置沒有明顯的吸收峰，但在638nm出現了Q-dots的吸收峰。

圖3 C-dots,Q-dots,C-dot@SiO2,復合顆粒的UV-Vis光譜圖

將復合顆粒、C-dot@SiO2和Q-dots在日光燈下和紫外燈下(λ=365nm)作對照，Q-dots熒光呈橘紅色，C-dot@SiO2為藍色，而復合顆粒呈紅色。C-dot和Q-dots的吸收峰分別在441和605nm處，值得注意的是復合顆粒具有2個吸收峰，且吸收峰位置在443和606處，與C-dot和Q-dots的吸收峰相符，結合FTIR圖及UV-Vis光譜圖說明了C-dot和Q-dots已經通過成鍵結合在一起。綜合所有的數據推測并證明C-dot@SiO2@Q-dots復合顆粒成功被合成出來。

2.2 雙熒光C-dot@SiO2@Q-dots對銅離子的檢測

圖4中，紅色熒光的Q-dots共價連接在包被了藍色熒光的C-dots的二氧化硅球表面，其中，C-dots被包被于二氧化硅內的主要作用是消除外部條件干擾，被作于內置校正因子，而外部的Q-dots作為熒光探針與銅離子接觸，銅離子會使Q-dots熒光減弱乃至淬滅。基于此條件，我們了解Q-dots在堿性條件下易發生水解導致不穩定，熒光容易淬滅，因此，可以明顯的看到605nm處的熒光強度對銅離子的濃度有密不可分的關系，但是隨著銅離子濃度的改變，在441nm出的熒光強度沒有明顯的變化，在整個實驗過程中，由于少量的C-dots處于二氧化硅殼表面，隨著銅離子濃度改變，其熒光會隨著發生輕微的改變但不明顯。

圖4 雙熒光C-dot@SiO2@Q-dots作為Cu2+離子探針示意圖

2.3 對蔬菜中銅離子的檢測結果

實驗表面C-dots@SiO2@Q-dots具有優異的選擇性和抗干擾能力，為了進一步測試C-dots@SiO2@Q-dots在實際生活中的應用，我們將C-dots@SiO2@Q-dots運用于黃果柑和萵苣的銅離子含量的檢測，如表1所示，分析結果采用標準加入法進一步證實，2種黃果柑和萵苣的回收率分別為96.7%、96.9%和100.8%，實驗結果表明，C-dots@SiO2@Q-dots在對實際生活中的檢測也具有很大潛力，值得的一提的是，可以通過對Q-dots表面基團修飾達到更廣泛的應用的目的。

3 結論

制備了農業上對銅離子具有高度選擇性的C-dot@SiO2@Q-dots復合粒子，設計了一種穩定的高選擇的雙熒光銅離子探針，并成功應用于蔬菜水果中銅離子的檢測，其結果具有良好的選擇性及低的檢測限。從理論上來說，該復合納米粒子也可以運用于水中銅離子的檢測，但可能不適于含有復雜成分的物質的運用，但值得一提的是，可以通過對Q-dots表面基團的修飾來消除各種不利因素，激發其運用潛力，例如運用于各種無機鹽及有機分子中的檢測應用。

表1 對蔬菜中銅離子的檢測結果