基于CdTe/CdS量子點熒光淬滅方法檢測自來水和果汁中汞離子

崔 璐,姜 莉,田 雨,劉 程,胡亞云

(西北農林科技大學食品科學與工程學院,陜西楊凌 712100)

近年來,隨著農業經濟結構調整和農業標準化體系建設,農產品質量得到了較大提高,但有毒有害物質尤其是重金屬污染對人類的飲食安全構成極大威脅[1]。汞元素是一種可以被人體富集的重金屬元素,短時間內大量攝入汞元素或者長時間持續攝入微量汞都會嚴重損害人體生理機能,使泌尿、呼吸、消化甚至中樞神經系統嚴重受損[2]。汞在自然界中廣泛存在,所以日常居民飲用的自來水中汞含量的檢測需要嚴格把關。我國生活飲用水標準汞限值為0.001 mg/L[3],食品中的總汞限量值為0.003 mg/kg[4]。果汁作為常見的飲料制品,其汞含量也需要嚴格控制。我國作為濃縮蘋果汁出口第一大國,蘋果汁品質保證對我國果汁行業經濟的長遠發展具有重要意義[5],其重金屬汞離子的檢測顯得尤為重要。

目前對重金屬汞的檢測方法有原子吸收法[6-7]、原子熒光光譜法[8-10]、電感耦合等離子質譜法[11]等。原子吸收光譜法檢測速度快、靈敏度高、受干擾程度小[12];原子熒光光譜法能夠同時分析多種元素[13];電感耦合等離子體質譜法操作簡便、準確度高、重復性好[14-16]。此外,臺希等[17]和方紅等[18]用固相萃取富集高效液相色譜法成功對汞元素進行了測定,檢出限為3 μg/L;用酶抑制法也可以測定重金屬離子的含量,對某些特定的有機汞化合物的檢測限甚至達到了0.03 μg/L[19]。這些檢測方法在檢測汞離子時各有優勢,但其不足之處在于樣品的預處理時間長,檢測過程復雜,成本耗費高,因而需要建立一種更為快速、便捷、低成本、高靈敏度的檢測體系。近年來,基于熒光材料的熒光分光光度法是重金屬檢測方法中比較高效的方法之一,逐漸應用于食品安全領域[20-21]。這種方法具有不足之處,往往會造成一定程度檢測誤差[22-24]。

量子點(quantum dots,QDs)作為一種納米級半導體材料,因其優異的光學特性與獨特的光學性質而備受關注[25]。Chen等[26]合成了水溶性發光CdS量子點,并表明CdS量子點對一些金屬離子的發光響應有重要影響。Banerjee等[27]利用量子點選擇性檢測了Cd2+;Wu等[28]建立了一種以熒光猝滅為基礎測定Pb2+的方法;Xia等[29]提出了一種以dBS包覆的CdTe量子點為探針檢測汞(Ⅱ)的熒光方法。而核殼型CdTe/CdS量子點具有更高的穩定性只有研究用來檢測Cd2+[30],卻還未有用于Hg2+的檢測研究。

因此,本文以實驗室建立的核殼型CdTe/CdS量子點制備方法為基礎,以巰基乙酸作為修飾劑,在水相中合成核殼型CdTe/CdS量子點材料,優化建立基于量子點的果汁樣品中Hg2+的檢測方法,為食品中快速方便檢測重金屬污染提供有效的思路和方法。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

碲粉(Te)、氯化鎘(CdCl2)、硼氫化鈉(NaBH4)、氯化鈉(NaCl)、氯金酸(HAuCl4)等常用試劑 上海國藥集團化學試劑有限公司;鋁(Al3+)、鉛(Pb2+)、鎘(Cd2+)、鈣(Ca2+)、砷(As2+)、銀(Ag+)、鋅(Zn2+)、鎂(Mg2+)、鐵(Fe3+)、鎳(Ni2+)、錳(Mn2+)、汞(Hg2+)、鉻(Cr2+)等重金屬標準溶液 均為分析純,上海源葉生物科技有限公司;濃縮蘋果汁樣品 陜西海升果業發展股份有限公司。

UV-8000型紫外-可見分光光度計 上海精密儀器儀表有限公司;PHS-3C pH計 上海雷磁儀器廠;LS-55型熒光分光光度計 美國PE公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 量子點制備及光譜表征 以實驗室建立的方法制備獲得CdTe/CdS量子點材料,具體操作為:稱取114.2 mg(0.5 mmol)的CdCl2·2.5H2O和242 μL(3.5 mmol)的巰基乙酸(TGA)混合于90 mL超純水中,在磁力攪拌的同時滴加1 mol/L NaOH溶液,直至使溶液的pH調至10。將此溶液轉移至三頸燒瓶中,80 ℃下密閉通N2回流,30 min后將5 mL NaHTe溶液快速注入上述準備好的混合溶液中,在80 ℃下密閉通N2回流40 min(成核回流時間)得到水溶性CdTe核量子點。將228.3 mg(3.0 mmol)硫脲溶解于20 mL超純水中,加入到CdTe量子點溶液中,在80 ℃下密閉通N2回流40 min(包殼回流時間)得到水溶性CdTe/CdS量子點。將得到的量子點材料樣品裝在石英比色皿中,分別利用熒光光譜儀和紫外-可見吸收光譜儀進行熒光和紫外測試,其中熒光光譜激發波長為380 nm。

1.2.2 量子點穩定性評價

1.2.2.1 量子點溶液與緩沖液體積比對量子點熒光強度的影響 將1.2.1中制備好的量子點溶液和濃度為0.05 mol/L的Tris-HCl緩沖溶液(pH8.0),分別以體積比1∶0.1、1∶0.5、1∶1、1∶2、1∶3的比例混合,于室溫在最大發射波長(530 nm)下測定混合溶液的熒光強度,確定量子點溶液與Tris-HCl緩沖溶液體積比對熒光強度的影響。

1.2.2.2 pH對量子點熒光強度的影響 配制pH為6.0、7.0、8.0、9.0和10.0且濃度為0.05 mol/L的Tris-HCl緩沖體系,將量子點與不同pH的Tris-HCl緩沖溶液等體積混合,于室溫在最大發射波長(530 nm)下測定混合溶液的熒光強度,確定最佳反應pH。

1.2.3 汞離子檢測條件優化

1.2.3.1 緩沖液pH對汞離子檢測的影響 分別配制pH為6.0、7.0、8.0、9.0和10.0,濃度為0.05 mol/L的Tris-HCl緩沖溶液。以不同pH的Tris-HCl緩沖體系配制濃度為4×10-5mol/L的Hg2+溶液,并將其與量子點溶液等體積混合反應15 min,在室溫下測定熒光強度,確定最佳的緩沖液pH。

1.2.3.2 反應時間對汞離子檢測的影響 將量子點溶液與Tris-HCl緩沖體系(pH8.0)配制濃度4×10-5mol/L的Hg2+溶液等體積混合,分別設置反應時間為3、6、9、12、15、18、21、30、50、60 min,在室溫下測定熒光強度,確定最佳反應時間。

1.2.3.3 不同濃度Hg2+對量子點熒光強度的影響 用濃度為0.05 mol/L的Tris-HCl緩沖液(pH8.0)配制濃度為10-8、10-7、10-6、2×10-6、6×10-6、8×10-6、2×10-5、4×10-5、6×10-5、8×10-5、×10-4mol/L的Hg2+溶液。將量子點與不同濃度的Hg2+溶液等體積混合反應15 min,空白試劑加入等體積的Tris-HCl緩沖液。在室溫下測定其熒光強度,評價不同濃度Hg2+對量子點猝滅效果。

1.2.3.4 其他金屬離子對汞離子檢測的干擾 以Ca2+、Al3+、Ni2+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、Cr2+、Mg2+、Zn2+、Cd2+、Na+、As3+和Ag+為材料,用濃度為0.05 mol/L的Tris-HCl緩沖液(pH8.0)配制濃度為10-4mol/L的各金屬離子溶液,同時配制濃度為4×10-5mol/L的Hg2+溶液。將配制好的Hg2+溶液、不同金屬離子溶液和量子點溶液以體積比1∶1∶2混合反應15 min,在常溫下測定其熒光強度變化。空白試劑加入與Hg2+溶液等體積濃度為0.05 mol/L的Tris-HCl緩沖液(pH8.0)。

計算公式如下:

式中:W表示金屬離子對量子點檢測Hg2+的干擾程度,%;F表示測定的樣品熒光強度,Fblank表示空白試劑的熒光強度。對照試劑記為F0。

1.2.4 自來水和果汁樣品中Hg2+的加標實驗 以建立的方法進行自來水(簡單體系)和商業蘋果汁稀釋樣品(復雜體系)中Hg2+的檢測。以自來水或者濃縮果汁稀釋之后的樣品(12 °Brix)為基礎,調整pH在7.0～8.0之間。采用加標法,選擇濃度分別為2×10-5、4×10-5和6×10-5mol/L的Hg2+標準溶液,將Hg2+標準溶液、自來水或者果汁樣品(Hg2+本底值為0)、量子點溶液以體積比為1∶1∶2的比例混合,設置激發波長450 nm,入射狹縫10 nm,出射狹縫10 nm,在室溫下測定樣品的熒光強度,分析測試結果。另外,空白試劑、對照試劑分別加入與Hg2+標準溶液和自來水等體積濃度為0.05 mol/L的Tris-HCl緩沖液(pH8.0),在室溫下測定熒光強度。通過測定其Hg2+含量,以對應相對標準偏差(RSD)和回收率驗證方法的準確度和穩定性。

1.3 數據統計分析

所有樣品檢測平行三次,利用OriginLab 8.0、Excel 2010等軟件對檢測結果進行處理分析。

2 結果與討論

2.1 光譜表征

CdTe/CdS量子點的熒光光譜如圖1所示。

圖1 CdTe/CdS量子點的熒光發射光譜Fig.1 Fluorescence emission spectra of CdTe/CdS QDs

由圖1可知,制備的CdTe/CdS量子點熒光發射光譜吸收峰為530 nm,半峰寬為61 nm,熒光譜帶較為光滑,熒光強度高且較為穩定;熒光譜圖中單一的發射峰表明CdS納米晶沒有單獨成核。后續檢測中,以530 nm對應的熒光發射光譜強度進行目標物的檢測。

2.2 量子點穩定性評價

2.2.1 CdTe/CdS量子點溶液與緩沖液體積比對熒光強度的影響 從圖2可以看出,緩沖溶液與量子點溶液以1∶1混合后得到的溶液熒光強度最大,而量子點體積比較大或者較小都會影響其熒光強度,尤其是量子點溶液與緩沖溶液以1∶0.1混合反應后,溶液熒光強度明顯降低,這是因為量子點在體系中占比較大,導致濃度過高,自身發生了猝滅,從而影響結果,不利于熒光強度的檢測。因此,選擇量子點溶液和Tris-HCl緩沖溶液等體積(1∶1)混合進行后續試驗。

圖2 濃度變化對CdTe/CdS量子點溶液熒光強度的影響Fig.2 Effect of concentration on fluorescence intensity of CdTe/CdS QDs solution

2.2.2 緩沖溶液pH對熒光強度的影響 從圖3可知:在酸性條件下,量子點溶液的熒光強度較低。推斷原因可能是在酸性環境中,H+大量游離,這些游離的H+會和CdTe/CdS量子點表面的巰基乙酸結合,導致已經固著在量子點表面的巰基乙酸脫落,最終降低熒光強度。當pH逐漸增加,量子點的熒光強度會逐漸增強,并在pH為8時,量子點熒光強度為805.69,這種變化主要是因為在中性環境中,量子點表面的無輻射結合和表面缺陷減少,故熒光強度增加。而當pH超過8,在堿性環境中,量子點的熒光強度又降低,由于堿性環境中較多的羥基會附著在量子點表面,阻礙發光基團作用,從而降低熒光強度[31]。因此為了避免溶液環境酸堿度對Hg2+檢測產生的誤差,選擇pH8.0的溶液環境進行后續試驗。

圖3 pH對CdTe/CdS量子點溶液熒光強度的影響Fig.3 Effect of pH on fluorescence intensity of CdTe/CdS QDs solution

2.3 Hg2+檢測方法的構建

2.3.1 緩沖液pH對Hg2+檢測的影響 從圖4可以看出,隨著pH的變化,熒光強度也呈現出先增大后減小的趨勢。結合圖3緩沖溶液pH對量子點熒光強度的影響,可以看出圖3和圖4中pH變化對量子點熒光強度影響趨勢相同,但由于Hg2+的猝滅效果,圖4所示pH為8時的熒光強度遠小于同等條件下圖3所示的熒光強度。同時,由于金屬離子在堿性環境下容易形成沉淀會對檢測結果有一定的影響,因此選擇在pH8.0的環境下進行Hg2+的檢測。

圖4 pH對Hg2+檢測的影響Fig.4 The effect of pH on the detection of Hg2+

2.3.2 反應時間對Hg2+檢測的影響 從圖5可以看出,量子點熒光強度在加入Hg2+溶液后的10 min內迅速降低,即迅速發生熒光猝滅。并在15 min后其熒光強度趨于穩定,也就是Hg2+與量子點基本反應完全,故選擇反應時間為15 min進行后續檢測。

圖5 反應時間對Hg2+檢測的影響Fig.5 The effect of reaction time on the detection of Hg2+

2.3.3 不同濃度Hg2+對量子點熒光強度的影響 研究結果表明,隨著Hg2+溶液濃度的增加,體系對量子點的熒光猝滅效果逐漸增強。在Hg2+溶液濃度為2×10-5mol/L時,量子點體系熒光強度降低到原量子點溶液熒光強度的1/10,達到96.69,熒光發射峰趨于不對稱,此后溶液濃度再增加,熒光強度繼續降低且無熒光發射峰。計算F0/F,并得到F0/F與Hg2+溶液濃度的線性關系(如圖7),結果表明Hg2+溶液濃度在10-6～10-4mol/L范圍內與F0/F呈良好的線性關系,R2=0.99588,定量限為1×10-6mol/L,理論檢測限為2.667×10-9mol/L,即2.667 nmol/L。

圖6 不同濃度的Hg2+對量子點的熒光猝滅效果Fig.6 Fluorescence quenching of QDs with different concentrations of Hg2+

圖7 量子點熒光強度之比與溶液濃度的線性關系Fig.7 The linear relationship between the ratio of the fluorescence intensity of the QDs and the concentration of Hg2+

2.3.4 其他金屬離子的干擾實驗 在最大激發波長下,測試各待測溶液的熒光強度,并由F/F0得到不同重金屬離子對量子點的熒光猝滅效果,如圖8所示。

圖8 CdTe/CdS量子點對不同重金屬離子的響應Fig.8 Response of CdTe/CdS QDs to metal ions

從選擇性實驗結果(如圖8)可以得到:在常見的14種金屬離子中,只有Hg2+對CdTe/CdS量子點有明顯的熒光猝滅效果,猝滅率達到了98%,其他金屬離子則無明顯的猝滅效果,這為本研究中基于量子點檢測Hg2+奠定了理論基礎,可實現該量子點對Hg2+的靈敏性檢測。圖9結果表明,大部分的金屬離子在一定范圍內對Hg2+的檢測基本無干擾,故該量子點檢測Hg2+效果良好。

圖9 不同重金屬離子對量子點檢測Hg2+的干擾測試Fig.9 Interference test of common metal ions on detection of Hg2+ by CdTe/CdS QDs

2.4 樣品體系中Hg2+的分析

在自來水和果汁樣品中加入不同濃度的Hg2+,每個濃度梯度平行六個樣品,測定其含量,對應相對標準偏差(RSD)和回收率如表1所示。表1測定結果表明,未加標自來水中并未發現Hg2+存在,而采用加標法進行檢測時,不同濃度的回收率為97.18%～100.39%,水樣中的成分對檢測沒有干擾;同時,未加標果汁樣品中沒有發現Hg2+的存在,不同濃度的回收率為81.55%～102.50%;且隨著加標濃度增加,回收率呈現增大趨勢。加標回收率和RSD表明建立的方法可以用于果汁樣品中Hg2+的檢測,加入濃度為2.0×10-5mol/L的Hg2+標準溶液時,檢測濃度與理論濃度接近,且相對標準偏差(RSD)達到了1.72%,說明檢測結果較為理想。在一定的線性范圍內,該方法的檢測限可以達到2.0×10-5mol/L。

表1 不同樣品中Hg2+的檢測Table 1 The detection of Hg2+ in different samples

3 結論與討論

本研究基于巰基乙酸修飾的核殼型CdTe/CdS量子點實現了重金屬Hg2+的檢測。在Tris-HCl緩沖溶液濃度為0.05 mol/L,pH為8.0,室溫反應15 min的條件下,不同濃度Hg2+(10-6～10-4mol/L)對量子點具有較好的熒光猝滅效果,且熒光猝滅程度與Hg2+的濃度存在良好的線性關系,這種檢測方法對Hg2+的理論檢出限為2.667 nmol/L,低于自來水檢測標準(0.001 mg/L),可以滿足其檢測需求。本研究中果汁樣品加標試驗結果表明，建立的方法可以用于稀釋果汁樣品中Hg2+的檢測,這種檢測方法對應的最低檢測濃度為2.0×10-5mol/L。另外,對Hg2+熒光猝滅CdTe/CdS半導體量子點反應機理進行討論,根據現有文獻報道,量子點熒光猝滅主要有3種發生方式,分別是能量轉移、電荷傳遞、表面吸附[32]。本研究中電子轉移起著重要的作用:以巰基乙酸修飾合成的CdTe/CdS量子點表面帶有羧基特征基團(-COOH),在pH7～8的中性或弱堿性環境中,羧基上的H+逐步解離使其表面帶上負電荷(-COO-)[33],而帶正電荷的Hg2+不僅會發生電子轉移,而且會與羧基基團發生離子鍵合作用,從而被束縛在量子點表面,使量子點表面性質改變導致熒光量子產率降低,即發生熒光猝滅,從而實現了Hg2+的檢測。