基于Mn摻雜ZnS量子點室溫磷光法測定水樣中百草枯

李 艷，苗艷明，楊茂青，武宇霞，閆桂琴

(山西師范大學生命科學學院，山西臨汾 041000)

隨著對量子點(Quantum Dots,QDs)研究的不斷深入，量子點的室溫磷光(Room Temperature Phosphorscence,RTP)性質及其應用已成為一大熱點[1 - 4]。室溫磷光檢測法無需添加任何除氧劑和誘導劑等復雜的前處理過程[1]。相對于熒光檢測選擇性更強[5]，可以有效避免生物體液的背景熒光和散射光干擾[6,7]，同時室溫磷光可以避免激發光譜和發射光譜重疊[7]。因此，室溫磷光檢測法具有廣闊的應用前景。

百草枯(1，1-二甲基-4，4-聯吡啶二氯化物)(Paraquat，PQ)作為一種非選擇性除草劑，可以通過植物進入食品、飲用水、農田等領域[8]，其毒性很強，極少的量就可以將人、動物致死[9]。因此，構建一種簡單、快速檢測百草枯含量的方法顯得尤為重要。目前，已經有許多方法用于測定百草枯，包括熒光光譜法[10]、分光光度法[11]、拉曼光譜法[12]、氣相色譜-質譜法[13]、高效液相色譜法[14]、電化學法[15]、毛細管電泳法[16]等。而磷光光譜測定法是一種簡單、靈敏的分析方法，已廣泛應用于各個領域[17，18]。迄今為止，基于量子點磷光性質檢測百草枯含量的方法鮮有報道。本文通過具有磷光性質的3-巰基丙酸(3-Mercaptopropionic Acid,MPA)包裹的Mn摻雜ZnS QDs對水樣中百草枯進行分析檢測。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

通過Cary Eclipse熒光分光光度計(美國,瓦里安)對磷光進行測定。通過pH酸度計(上海雷磁)對pH值進行測定。通過Cary Eclipse熒光分光光度計(美國,瓦里安)對共振光散射(Resonanee Light Seattering，RLS)信號進行測定(△λ=0；掃描波長200～700 nm)。

制備量子點的MPA購于北京J &K科技公司。Zn(Ac)2·2H2O、Mn(Ac)2·4H2O和Na2S·9H2O均購于天津Kermel化學試劑公司。PQ購于北京百靈威科技公司。高純水(18.2 MΩ·cm)采用WaterPro水純化系統(美國，Labconco公司)制備。

水樣取自臨汾市的自來水、礦泉水。將水樣通過0.45 μm濾膜過濾，且不做其它任何處理。

1.2 Mn摻雜的ZnS QDs的合成

Mn摻雜ZnS QDs的合成參照文獻方法[19]。首先，在三頸瓶中加入5 mL 0.1 mol/L的Zn(Ac)2，2 mL 0.01 mol/L的Mn(Ac)2和50 mL 0.04 mol/L的MPA，用1 mol/L NaOH溶液調節pH至11，室溫下通入氬氣磁力攪拌30 min，保證MPA與Zn2+和Mn2+充分絡合。然后，在隔絕氧氣的條件下用注射器注入5 mL 0.1 mol/L Na2S，攪拌20 min后，在50 ℃的空氣環境下陳化2 h，用等體積的無水乙醇洗滌，沉淀、離心后，放入真空干燥箱內干燥24 h，所得粉末即為合成的量子點。

1.3 實驗測定

將一定量MPA包裹的Mn摻雜ZnS QDs溶于水中，制得2.0 mg/mL的溶液，再將一定量PQ溶于水中，制得250 μg/L的溶液，然后在一系列的比色管中依次加入500 μL 20 mmol/L磷酸鹽緩沖液(PBS，pH=7.4)，100 μL的量子點溶液，以及不同濃度的PQ溶液，用水定容到5 mL，靜止5 min后，在激發波長為295 nm的條件下測定磷光。

1.4 樣品檢測

首先在10 mL的比色管中依次加入500 μL 0.2 mol/L的PBS，100 μL 2 mg/mL的Mn摻雜ZnS QDs溶液，然后用采集的水樣將該混合溶液稀釋至刻度，并靜置5 min，最后在激發波長為295 nm的條件下進行磷光測定，將上述步驟重復3次。在水樣中加入不同量的PQ，通過加標回收試驗驗證該方法的可行性。

2 結果與討論

2.1 MPA包裹的Mn摻雜ZnS QDs的合成

通過熒光分光光度計測定該量子點的最大激發波長與發射波長分別為295 nm和590 nm(圖1)。hυ1表示由ZnS QDs表面缺陷產生熒光，hυ2則表示Mn2+由4T1-6A1躍遷產生磷光性質。Mn摻雜ZnS QDs在590 nm處有很強的磷光發射峰，是因為激發光被ZnS主體吸收，其電子受到激發，空穴被Mn2+俘獲，電子和空穴各自在Mn2+上復合導致Mn2+的激發，然后以磷光形式釋放能量。在這一過程中Mn2+發生了從三重態(4T1)到基態(6A1)的躍遷，并在590 nm處發出橙紅色的磷光[20]。

該量子點是以有機金屬為前體，具有疏水性。在Mn摻雜ZnS QDs表面包裹MPA，MPA帶具有雙親性配位基的-SH，使得-SH與量子點表面結合，量子點由油溶轉為水溶。如圖2所示，量子點表面帶有氨基配體溶于油相，包裹MPA后，量子點的金屬離子與-SH之間通過強配位作用，使得量子點表面帶-COOH官能團，從而溶于水相。此外，由于粒子間的氫鍵作用，將量子點水溶液調至堿性，使其表面帶負電荷，并穩定存在于水相中。對合成的量子點進行電勢檢測，電勢值為-27.5 mV(圖3)，這是-COOH存在使得Mn摻雜ZnS QDs帶負電荷的結果。進一步說明MPA包裹到了Mn摻雜ZnS QDs表面。

2.2 PQ檢測條件優化

2.2.1pH對體系RTP的影響pH值對量子點表面的電子態以及量子點中Mn2+的躍遷有重要的影響[21]。本實驗用PBS配制不同pH值的量子點溶液，結果表明，Mn摻雜的ZnS QDs的磷光強度隨著pH值的增加而增加，與文獻結果一致[22]。加入PQ，pH值對體系RTP強度影響較大，pH=4.5～6.5時體系RTP逐漸增強，pH=6.5～7.5時體系RTP趨于平穩，pH=7.5～9.0時體系RTP逐漸下降(圖4)。鑒于人體生理體系將7.4選為最佳pH值。

2.2.2時間對體系RTP的影響未加百草枯之前，Mn摻雜ZnS QDs的RTP幾乎不受時間的影響；加入百草枯后，Mn摻雜ZnS QDs/PQ體系在30 min內RTP趨于穩定(圖4)。PQ對Mn摻雜ZnS QDs的磷光強度有很強的猝滅效應，隨著溶液中PQ濃度的不斷增加，磷光強度逐漸減弱，且猝滅明顯(圖5a)，因此可以通過磷光猝滅效應靈敏地檢測水溶液中的PQ。

2.3 Mn摻雜ZnS QDs對PQ的RTP響應

在最佳條件下，磷光猝滅強度(P0/P)與PQ濃度之間呈良好的線性關系(圖5a插圖)，其線性關系為:P0/P=0.066cPQ+0.866(R=0.994)。該方法的線性范圍為2.5～50 μg/L，檢出限(3σ)為0.769 μg/L。圖5b表示Mn摻雜ZnS QDs與PQ的共振光散射光譜，Mn摻雜ZnS QDs濃度一定的情況下，隨著PQ濃度的增加，共振光散射強度逐漸增強。未加PQ時RLS較弱，隨著PQ濃度的不斷增加，由于陰離子與PQ陽離子的靜電引力作用形成疏水性較強的化合物，在疏水作用與分子間作用力下，量子點與PQ聚集形成納米復合物，使得體系RLS急劇增強。

2.4 PQ與Mn摻雜ZnS QDs的作用機理研究

隨著PQ濃度的不斷增加，磷光強度明顯被猝滅，表明Mn摻雜ZnS QDs與PQ之間發生了相互作用。磷光猝滅過程通常分為動態猝滅和靜態猝滅兩類，動態猝滅過程遵從Stem-Volmer方程(方程1)。靜態猝滅過程遵從Lineweaver-Burk雙倒數函數曲線(方程2)[23]

P0/P=1+KSVcq

(1)

1/(P0-P)=1/P0+KLB/(P0cq)

(2)

其中，P0代表磷光體的磷光強度，P代表加入磷光猝滅劑后體系的磷光強度，cq為猝滅劑濃度。KSV為Stem-Volmer常數，KLB是靜態猝滅結合常數。圖6為實驗數據擬合出來的曲線，結果表明P0/P與PQ的濃度關系符合Stem-Volmer方程，由此推測Mn摻雜ZnS QDs與PQ之間符合動態猝滅。

由于MPA包裹的Mn摻雜ZnS QDs帶有負電荷，PQ分子帶有兩個正電荷，通過靜電作用可以使Mn摻雜ZnS QDs與PQ分子相互結合，推測其可能的機理如下：

2.5 共存物質的干擾

在PQ為5 μg/L下，考察了一些共存物質的影響。由表1可知，大多數共存物質的相對誤差在5%以下；只有草甘膦、敵敵畏的相對誤差分別為7.3%、5.9%。表明該方法對PQ具有很好的選擇性。

表1 共存物質的影響(含百草枯5 μg/L)

2.6 樣品分析

用Mn摻雜ZnS QDs檢測水樣中PQ的濃度，水樣不需要任何復雜的預處理，加標水樣測定的回收率為87%～98%，結果見表2。

表2 基于Mn摻雜ZnS量子點在水樣中對PQ的應用檢測

3 結論

構建了一種基于MPA包裹的Mn摻雜ZnS QDs室溫磷光猝滅法檢測水樣中PQ濃度的分析方法，該方法檢測范圍寬，檢出限低，適用于不同水體中痕量PQ的檢測。