基于EDTA蝕刻的CdTe/CdS量子點熒光探針檢測水環境中痕量鎘離子*

王心怡,甘 穎,孫嘉弟,梁 韜,屠佳偉,周書祺,孔留兵,萬 浩,王 平

(浙江大學生物傳感器國家專業實驗室,生物醫學工程教育部重點實驗室,生儀學院,杭州 310027)

鎘是一種毒性極強的重金屬,具有較長的生物半衰期(10～20年),易于在生物體內積累,難以降解[1]。國際癌癥研究機構(IARC)已將鎘定義為人類致癌物[2]。鎘也在國內被列為實施排放總量控制的重點監控指標之一。并且過度攝入鎘會導致其在腎臟內蓄積影響酶的功能性活動,導致腎功能障礙。除了血壓升高外,軟骨病,肝臟受損甚至癌癥都是鎘帶來的疾病[3]。我國《生活飲用水衛生標準》中對鎘的濃度做了限制,規定鎘在飲用水中的濃度低于 5 μg/L。對于非職業暴露人群,最常見的接觸源是吸煙和飲食(例如污染的食物和不達標的飲用水)。因此,鑒于其對環境和人類健康的毒性影響,通過對最廣泛使用的資源,特別是水環境中的Cd2+的監測是至關重要的。而現有的檢測方法如:原子吸收光譜法,電感耦合等離子體質譜法,電化學方法等具有儀器體積大,費用高,操作復雜,不能用于現場快速檢測的特征。這些特點使得現場快速,可靠,便攜,痕量檢測鎘離子受到限制。

量子點(QDs)是近些年開發的一類無機熒光團,具有獨特的光學性質和電學性能,如較寬并且尺寸可調的激發光譜,較窄且對稱的發射光譜,光化學穩定性強,斯托克斯位移大,熒光效率高,合成簡單等[4]。由于這些特性,過去十多年量子點被廣泛用作熒光納米傳感器,用于檢測生物分子、金屬離子(如 Cd2+,Cu2+,Pb2+,Ni2+,Hg2+和Ag+等)[5-11]。目前技術比較成熟的是基于Cd2+的量子點,在過去幾年中,CdTe量子點在生化熒光傳感中很受歡迎。此類量子點在擁有顯著優點的同時也有較大的毒性[12]。由于其具有小的尺寸和大的表面積,使得熒光性質極易受周圍環境的影響。針對此類問題,采用核殼量子點如CdTe/CdS QDs不僅可以降低量子點的毒性,同時通過包覆有機或者無機殼層也可以大大提高量子點的熒光性能和穩定性[7,13-14]。

在熒光傳感器中,熒光“關-開”模式具有降低誤判的可能性,比熒光關閉模式更精確[15]。到目前為止,只有少數基于QDs“關-開”模式的熒光傳感器用于檢測Cd2+被報道,其原理大致分為三種,即“表面鈍化”,“化學反應”和“化學蝕刻”。然而,這些傳感器對Cd2+的檢測限僅達到了11 μg/L～62 μg/L(0.1 μmol/L～0.55 μmol/L)[1,16-19]。根據EPA的標準,需要進一步降低檢測限以用于飲用水中Cd2+的定量測定。并且其大多使用單晶體型量子點如CdTe,CdSe,Ag2S QDs等,與核殼型量子點相比具有毒性高,污染環境,熒光性能不穩定等劣勢。本文研究了一種極其簡便的熒光“關-開”模式的傳感器,選擇量子產率高,熒光性能強,毒性小的核殼型CdTe/CdS QDs(Em=560 nm),用于高靈敏,高選擇性,快速且廣泛的檢測 Cd2+。其基于EDTA對量子點表面的化學刻蝕,產生特定的Cd2+識別位點,導致熒光猝滅。然后通過引入Cd2+可以識別這些位點并恢復EDTA-QDs體系的熒光。這種熒光“關-開”模式的反應機理如圖1所示。

圖1 基于EDTA蝕刻的CdTe/CdS量子點檢測鎘離子的原理圖

1 實驗部分

1.1 材料和試劑

巰基丙酸(MPA)封端的CdTe/CdS核殼量子點購自星紫(上海)新材料技術開發有限公司;乙二胺四乙酸二鈉(EDTA-2Na),氯化鈣.無水(CaCl2),氯化鈉(NaCl)購自國藥集團化學試劑有限公司;三(羥甲基)氨基甲烷(Tris)和其他金屬離子標準溶液(如Cd2+、Al3+、Mg2+、Fe2+、Cr3+、Ag+、Cu2+、Hg2+、Pb2+、Zn2+、Mn2+、)均購自Aladdin(阿拉丁);所用試劑均為分析純,實驗用水為二次蒸餾水,由Milli-Q純水機產生,阻抗≥18.4 MΩ.cm(25 ℃)。

1.2 儀器

卡盒式SpectraMax Paradigm多功能酶標儀(美谷分子儀器(上海)有限公司);PHSJ-4F實驗室pH計(上海雷磁儀器廠);超聲波清洗機(深圳市潔盟清洗設備有限公司);本研究的所有實驗均在室溫常壓下進行。

1.3 CdTe/CdS量子點表面化學蝕刻實驗

為了評估EDTA蝕刻對CdTe/CdS核殼量子點熒光強度的影響,將1 mL 10 mmol/L Tris-HCl緩沖溶液(pH=8.5),200 μL 4 μmol/L的MPA封端的CdTe/CdS量子點和不同量的100 μmol/L EDTA依次加入到2 mL試管,并用Tris-HCl緩沖溶液進一步稀釋至體積總體積。

將溶液充分混合后,再放置在黑色避光處反應10 min以測量熒光強度。其中10 mmol/L Tris-HCl(三羥甲基氨基甲烷-鹽酸鹽)緩沖液的配置方法為稱取0.605 7 g的Tris粉末溶解于一定體積的去離子水中,用HCl調節至所需的pH,并將溶液定容至500 mL,得到10 mmol/L的Tris-HCl緩沖液。

1.4 Cd2+檢測實驗

為了研究Cd2+對EDTA-CdTe/CdS核殼量子點熒光強度的影響,將500 μL 10 mmol/L Tris-HCl緩沖溶液(pH=8.5),100 μL 4 μmol/L的MPA封端的CdTe/CdS量子點和110 μL的100 μmol/L EDTA依次添加到2 mL試管中。

用Tris-HCl緩沖溶液將混合物稀釋至試管總體積的二分之一,并放置在黑色避光處反應10 min。然后,加入不同體積的Cd2+標準溶液,用Tris-HCl緩沖溶液將混合物進一步稀釋至試管總體積。將溶液充分混合,并放置在黑色避光處反應10 min以測量熒光強度。

2 結果和討論

2.1 基于EDTA-CdTe/CdS量子點的熒光傳感器檢測Cd2+的機理表征

Cd2+的引入明顯增強了EDTA-CdTe/CdS QDs的熒光強度,這可能是由于在QDs表面上形成Cd-硫醇鈍化層。為了進一步證明這一假設,測量了CdTe/CdS QDs與不存在和存在Cd2+的情況下的EDTA-CdTe/CdS QDs的紫外-可見吸收光譜。如圖2所示,由于添加了EDTA,CdTe/CdS QDs的特征吸收峰藍移至更短的波長。在EDTA誘導CdTe/CdS QDs猝滅的熒光發射光譜中發現了類似的藍移現象(圖3)。這些結果表明,EDTA誘導的量子點熒光猝滅是由于量子點周圍缺乏Cd-硫醇復合物,這表明量子點與EDTA之間發生了化學蝕刻。

圖2 QDs,EDTA-CdTe/CdS QDs,EDTA-CdTe/CdSQDs+Cd2+三種體系的紫外-可見吸收光譜圖

圖3 EDTA對量子點熒光強度的猝滅效應

此外,在添加Cd2+時,在其吸收光譜(圖2)和熒光發射光譜(圖7)中均觀察到EDTA-CdTe/CdS QDs的輕微紅移行為。該現象證實Cd2+的引入重新促使量子點表面的鈍化層的形成,使得熒光恢復。

2.2 EDTA誘導的CdTe/CdS量子點的熒光猝滅

圖3顯示了EDTA對CdTe/CdS QDs 具有明顯的熒光猝滅現象。圖3(a)為CdTe/CdS量子點在不同濃度EDTA(0 μmol/L,3 μmol/L,6 μmol/L,8 μmol/L,9 μmol/L,10 μmol/L,11 μmol/L,12 μmol/L,14 μmol/L,16 μmol/L,18 μmol/L,20 μmol/L)的存在下的熒光猝滅發射光譜。量子點的濃度選擇為0.4 μmol/L,因為過高或過低的量子點濃度會導致靈敏度降低[20]。隨著 EDTA 濃度逐漸增大,CdTe/CdS QDs 的熒光發射光譜峰值逐漸減小,當EDTA 濃度增加至14 μmol/L時,QDs的熒光發射強度幾乎消失,發射光譜峰值接近0并且保持穩定。同時EDTA濃度的增加也會使得發射光譜伴隨有一定程度的藍移,最佳發射波長從560 nm移動至550 nm。這是由于對于初始的MPA封端的CdTe/CdS QDs來說,有Cd-硫醇配合物作為鈍化層消除了量子點表面缺陷,有效的保護了熒光發射。然而,作為廣泛使用的金屬螯合劑,EDTA能夠破壞鈍化層并對CdTe/CdS QDs表面進行了化學蝕刻,發生如下的反應方程式:CdTe/CdS @CdMPA+HEDTA3-— CdTe/CdS+MPA+Cd(HEDTA)-+Te2-Cd-MPA 復合物被破壞形成 Cd(HEDTA)-結構,因此QDs的穩定性被破壞,使得CdTe/CdS QDs表面的Cd2+流失而和 EDTA 絡合,在QDs表面上形成部分Cd2+空腔。這些空腔被認為是新的表面缺陷,從而導致熒光猝滅。與此同時QDs尺寸減小,導致發射光譜的藍移。

圖3(b)為熒光強度比值I/I0(I和I0指EDTA存在與不存在時CdTe/CdS QDs的熒光強度)與EDTA濃度的關系。隨著EDTA濃度逐漸增大,I/I0從1最終下降到0.03左右。圖3(b)插圖顯示當EDTA濃度在6 μmol/L～13 μmol/L范圍內時,熒光猝滅效率(1-I/I0)從14%上升至91%,并且熒光強度比值I/I0與EDTA濃度呈現線性相關,相關系數R2=0.987,線性方程為:I/I0=-0.109 6CEDTA+1.539 3。

2.3 實驗條件優化

2.3.1 時間的影響

為了得到更好的實驗結果,我們探究每一步驟的反應時間。如圖4(a)所示CdTe/CdS QDs的熒光強度比I/I0(I和I0分別是t和t0時刻CdTe/CdS QDs的熒光強度)隨時間的變化不明顯,說明該量子點的穩定性較好,熒光壽命長,受時間影響較小。圖4(b)顯示了 EDTA(12 μmol/L)蝕刻的CdTe/CdS QDs熒光強度比I/I0(I和I0分別是存在和不存在EDTA時QDs的熒光強度)隨蝕刻時間的變化?？梢园l現 EDTA使得CdTe/CdS QDs的熒光猝滅反應迅速,基本上在最初的1 min內已經完成,在之后的時間內熒光強度比幾乎保持不變。因此,選擇10 min的總蝕刻時間來制備EDTA-CdTe/CdS QDs熒光探針用于進一步實驗是合理的。圖4(c)顯示了往EDTA(12 μmol/L)蝕刻的CdTe/CdS QDs溶液中加入適量濃度Cd2+(60 μg/L),發生的熒光恢復現象。觀察到Cd2+使EDTA-CdTe/CdS QDs體系的熒光恢復效應迅速,基本上在前1 min內發生顯著恢復。因此,選擇10 min作為Cd2+對 EDTA-CdTe QDs體系的熒光恢復時間,用于進一步的實驗是合理的。

圖4 反應時間對該實驗的影響

2.3.2 pH的影響

pH是影響Cd2+誘導EDTA-CdTe/CdS QDs體系的熒光恢復靈敏度(熒光特性)的另一個重要因素。本文分別研究了pH值對CdTe/CdS QDs本身和EDTA-CdTe/CdS QDs、EDTA-CdTe/CdS QDs+Cd2+三種體系的影響。用硫醇穩定劑水溶液合成CdTe/CdS量子點得到的信息表明,堿性介質對Cd-MPA復合物的形成是有利的。因此研究7～10.5的pH范圍內的熒光強度變化符合Cd2+熒光修復的最佳pH范圍。為了保證靈敏度,使用10 mmol/L的Tris-HCl溶液作為緩沖液。

如圖5(a)所示,CdTe/CdS QDs在pH值較低的情況下熒光強度較弱,特別是當pH值為7時。這是由于體系的pH值較低時,QDs表面的硫醇基團喪失了作為QDs表面上的鈍化層的關鍵功能,因此QDs具有不穩定性不能保持強熒光[16]。然而當體系的pH值過高時也不利于QDs的熒光強度。因此,CdTe/CdS QDs在pH的值為10時熒光強度最強。

圖5(b)說明pH值對EDTA蝕刻的CdTe/CdS QDs的熒光猝滅過程具有強烈影響。這里通過1-I/I0表示猝滅效率,其中I和I0分別是存在和不存在EDTA時CdTe/CdS QD的熒光強度。如圖所示,隨著pH值的上升,猝滅效率逐漸從77%降至36%,同時QD的熒光強度顯示出相反的趨勢,逐漸從944,302 a.u.升到5 605,300 a.u.。該結果是由于CdTe/CdS QDs表面的硫醇基團在低pH值(如7或8)下不穩定,即Cd-硫醇絡合物易分解[21]。這恰好為EDTA與Cd2+的螯合創造了機會。因此,EDTA-CdTe/CdS QDs體系在pH的值較低的情況下熒光猝滅情況最好。

圖5 pH對該實驗的影響

基于上述的綜合分析,可以發現當pH值等于8.5時,巰基丙酸封端的CdTe/CdS核殼量子點具有更好的穩定性及較高的原始熒光強度,并且EDTA誘導的CdTe/CdS量子點的熒光猝滅效率較高。所有這些因素對于提高Cd2+誘導的EDTA-CdTe/CdS量子點的熒光增強效率是有意義的。因此,在所有后續檢測中使用pH為8.5的Tris-HCl緩沖液。

2.3.3 EDTA濃度的影響

一般而言,Cd2+在使得量子點熒光恢復過程中的作用不可避免地基于QDs本身熒光性質和EDTA對QDs的蝕刻程度,本研究選擇了高量子產率(≥60%),高光學穩定性的核殼型CdTe/CdS QDs。因此研究EDTA對Cd2+誘導的EDTA-CdTe/CdS QDs體系熒光恢復的影響是必要的。EDTA濃度對EDTA-CdTe/CdS QDs體系的熒光背景和對Cd2+響應的敏感性有顯著影響。如圖6(a)、6(b)所示,在沒有EDTA蝕刻的情況下,CdTe/CdS QDs與不同濃度的Cd2+(10 μg/L～1 000 μg/L)相互作用時,QDs的熒光強度沒有顯著的變化。這是因為未被蝕刻的CdTe/CdS QDs表面與Cd2+的結合位點比較少,非常容易達到飽和。從圖6(c)中可以看出,在各種濃度的EDTA(分別為10 μmol/L,10.5 μmol/L,11 μmol/L,11.5 μmol/L,13 μmol/L,14 μmol/L)存在下,添加的Cd2+可以使EDTA-CdTe/CdS QDs體系產生明顯不同的熒光恢復。通過I/I0-1(I和I0分別是存在和不存在Cd2+時QDs的熒光強度)表示熒光恢復效率,較低或較高濃度的EDTA均顯示出較低的EDTA-CdTe/CdS QDs熒光恢復效率。例如,當Cd2+濃度固定在200 μg/L時,隨著EDTA濃度從10增加到11 μmol/L,恢復效率從1.04增加到2.15。這是因為當EDTA的濃度較低時,不能在QD表面上產生足夠的Cd2+空腔。隨著EDTA濃度的逐漸增加,量子點表面的Cd2+識別位點的數量也隨之增加,進而增加熒光恢復效率。然而,當EDTA濃度從11 μmol/L增加到14 μmol/L,恢復效率從2.15降至0.22。這是因為當EDTA的濃度太高時,過量的EDTA可能在競爭機制中與后添加的Cd2+螯合,這阻礙了添加的Cd2+與QD表面上的Cd2+空腔的重組。并且增加EDTA的濃度也會加速Te2-的氧化。導致QD結構的嚴重破壞,影響光學性質,降低熒光恢復效率。因此預期使Cd2+識別位點達到最大化的EDTA的臨界濃度為11 μmol/L。此時EDTA誘導的量子點熒光猝滅效率為62%。

上述結果一方面表明EDTA濃度對該實驗的影響,另一方面以未被EDTA蝕刻過的CdTe/CdS QDs作為對照組說明EDTA-CdTe/CdS QDs熒光探針檢測Cd2+的可行性。

圖6 EDTA濃度對該實驗的影響

2.4 Cd2+誘導的EDTA-CdTe/CdS量子點的熒光增強

Cd2+本身不會影響寬濃度范圍的MPA封端的CdTe/CdS QDs的熒光強度(圖6)。然而,EDTA-CdTe/CdS QDs的熒光強度隨著添加的Cd2+濃度的增加而不斷恢復,這是因為EDTA誘導的CdTe/CdS QDs的熒光猝滅歸因于作為量子點表面鈍化層的Cd-硫醇絡合物的部分損失。因此,通過添加Cd2+誘導再次形成Cd-硫醇復合物,恢復這些EDTA蝕刻的CdTe/CdS QDs的熒光強度是有意義的。但是由于EDTA對量子點的化學蝕刻效應是以Te2-的氧化為代價[22]。因此由于氧化導致的部分Te2-的損失使得量子點的完全重建是不可能的,如圖2(a)中未蝕刻的CdTe/CdS QDs的熒光強度高于圖7(a)插圖中恢復后的量子點熒光強度。表明添加Cd2+并不能使量子點的熒光強度完全恢復至初始強度。

圖7 Cd2+對EDTA蝕刻的CdTe/CdS QDs的熒光增強效應

2.5 基于EDTA-CdTe/CdS量子點的熒光傳感器選擇性探究

為了研究這種基于EDTA-CdTe/CdS QDs的熒光傳感器的選擇性,進行了一系列干擾實驗以評估在各種陽離子(如Cd2+、Al3+、Mg2+、Fe2+、Cr3+、Ag+、Cu2+、Hg2+、Pb2+、Zn2+、Mn2+)存在時該傳感器對Cd2+的選擇性響應。其中Na+、K+、Al3+、Ca2+、Mg2+、Cr3+、Mn2+的濃度為15 μmol/L,Ag+、Fe2+、Cu2+、Hg2+的濃度為6 μmol/L,Zn2+、Pb2+、Cd2+具有相同的濃度為1 μmol/L。從圖8中可以看出,即使干擾離子如Na+、K+、Al3+、Ca2+、Mg2+、Cr3+、Mn2+、Fe2+的濃度遠高于Cd2+,但其對EDTA-CdTe/CdS QDs體系的熒光強度的影響也可忽略不計。Ag+、Cu2+、Hg2+的添加濃度是Cd2+的6倍,顯示出明顯的猝滅效應。這是由于配體的競爭在猝滅效應中起主要作用,因為它們對硫醇的S的親和力比對Cd2的親和力更強[23]。此外,由于CuTe,Ag(Te)2和HgTe的溶解度低于CdTe,當添加Ag+、Cu2+、Hg2+后很容易在量子點表面形成CuTe,Ag(Te)2和HgTe。這也可能是熒光淬火現象的原因[21],[24]。只有Zn2+和Cd2+導致QDs的熒光恢復效應明顯。這歸因于類似的機制,即在QDs周圍形成表面鈍化層Zn-硫醇或Cd-硫醇,導致熒光增強[16]。雖然Zn2+對該體系呈現熒光增強的效應,但對于同等濃度的Zn2+和Cd2+,Zn2+使得該體系的熒光恢復效率為1.52,其恢復程度遠弱于Cd2+,即2.54?；谏鲜鼋Y果,本工作提出的熒光探針基本上可以作為高選擇性檢測Cd2+的熒光傳感器。

圖8 各種干擾離子對EDTA-CdTe/CdS QDs熒光傳感器選擇性的影響

2.6 基于EDTA-CdTe/CdS QDs的熒光傳感器在實際水樣中檢測Cd2+

為了評估本文基于EDTA-CdTe/CdS QDs的熒光傳感器檢測Cd2+的方法的實用性。在自來水中實施一系列實際樣品的檢測實驗。通過有意引入不同濃度水平的Cd2+制備所有樣品,獲取摻加三種濃度水平(300 μg/L,500 μg/L和700 μg/L)的Cd2+的自來水樣品。如表1所示,該傳感器測量每個樣品的回收率較高并且相對標準偏差(RSD)不超過5%。

表1 自來水中Cd2+的測定結果

通常,許多常見的金屬陽離子,如Ca2+,Mg2+,Mn2+和Cu2+,可存在于自來水中。通過傳感器確定的水樣結果充分證明這些陽離子幾乎不會干擾Cd2+的檢測。有效地證明了所提出的用于檢測Cd2+的熒光傳感器是可靠和實用的。

3 結論

本文研究了一種基于EDTA蝕刻的CdTe/CdS量子點的熒光傳感器,用于簡便,迅速檢測水環境中的痕量鎘離子。該傳感器基于熒光“關-開”模式。隨著EDTA的引入,QDs的熒光強度被淬滅。Cd2+的存在使EDTA-CdTe/CdS QDs的熒光強度逐漸恢復。通過優化反應時間、pH值和EDTA濃度等條件,制備的EDTA-CdTe/CdS QDs系統可以作為水樣中Cd2+檢測的熒光傳感器,并且具有兩個連續線性響應范圍10 μg/L～300 μg/L和300 μg/L～1 000 μg/L,可以滿足Cd2+的較大濃度范圍的測定。檢出限為0.22 μg/L,達到了國家二類水質標準(GB/T 14848-93)對Cd2+的檢出限要求。此外,該熒光傳感器對其他干擾離子的選擇性優于1%,并具有毒性低,響應靈敏,檢測線性范圍寬(10 μg/L～1 000 μg/L)的特點,在實際樣品檢測中具有良好的應用前景。