ZnS∶Cu-羅丹明B的熒光共振能量轉移性質

翟英歌， 楚學影， 徐銘澤*， 李金華， 金芳軍， 王曉華

(1. 長春理工大學 理學院， 吉林 長春 130022； 2. 長春理工大學 國際教育與交流學院， 吉林 長春 130022)

ZnS∶Cu-羅丹明B的熒光共振能量轉移性質

翟英歌1， 楚學影1， 徐銘澤1*， 李金華1， 金芳軍1， 王曉華2

(1. 長春理工大學 理學院， 吉林 長春 130022； 2. 長春理工大學 國際教育與交流學院， 吉林 長春 130022)

為了解決現有的基于量子點熒光共振能量轉移體系的生物毒性問題，選用無毒的ZnS∶Cu量子點與羅丹明B構建新型熒光共振能量轉移體系。通過共沉淀法成功制備了形貌均一的ZnS∶Cu納米晶量子點。在此基礎上，測試了不同摻雜濃度的ZnS∶Cu量子點及羅丹明B的熒光光譜。然后，通過對ZnS∶Cu量子點的表面修飾構建了以ZnS∶Cu量子點為供體、羅丹明B為受體的熒光共振能量轉移體系。實驗結果表明：ZnS∶2%Cu量子點的發光光譜與羅丹明B的吸收光譜在481 nm處有較大重合，說明構建熒光共振能量轉移的最佳銅摻雜摩爾分數為2%。通過計算發現以ZnS∶2%Cu量子點為供體、羅丹明B為受體的熒光共振能量轉移體系的能量轉移效率為25.8%。進一步實驗結果表明，羅丹明B濃度也能夠影響能量轉移。

ZnS∶Cu； 羅丹明B； 熒光共振能量轉移

1 引 言

熒光共振能量轉移(FRET)現象是發生在兩個不同發光基團所構成的體系內部的一種非輻射能量轉移。當供體分子的熒光光譜與受體分子的激發光譜相重疊時，供體熒光分子的激發能誘發受體分子發出熒光，同時供體熒光分子自身的熒光強度衰減的現象即為熒光共振能量轉移[1]。熒光共振能量轉移技術是一種高效的光學分子尺，在免疫分析、核酸檢測、生物大分子檢測等方面都有著廣泛的應用[2-5]。傳統的熒光共振能量轉移體系多是基于熒光染料分子的發光，它會受到染料分子的吸收光譜窄、發射光譜寬、光漂白現象嚴重等問題的制約，因此在實際應用中受到了一定程度的限制[6]。所以尋找新型的能夠構建熒光共振能量轉移體系的能量供體及受體是一種新的研究思路。近年來人們廣泛研究的量子點[7]比傳統的有機染料更加具有優勢，由于量子點的發射光譜較窄、紅色光譜較多且具有一定的對稱性，使得量子點能夠作為供體更好地滿足熒光共振能量轉移條件。所以，量子點在日后探究熒光共振能量轉移方面有著廣闊的應用前景[8-10]。目前，已有文章報道了一些基于量子點的熒光共振能量轉移體系能夠在免疫測定、生物醫學傳感器等方面應用[11-14]。但在量子點的選擇方面多數采用CdTe、CdSe或稀土摻雜的NaYF4作為能量供體[15-16]，然而Cd2+、Se2-和Te2-等重金屬離子具有生物毒性，對肺和腎臟都有嚴重的危害[17]，所以隨著量子點在生物學研究中的廣泛應用，與此密切相關的藥物毒性問題以及對人類環境可能產生的污染問題都日漸引起研究者的高度重視。

尋找沒有生物毒性且光學性質較好的量子點來構建熒光共振能量轉移體系成為近年來人們的研究熱點。在眾多可選擇的材料中，寬帶隙直接帶隙半導體ZnS基量子點備受關注[18-19]。由于它無生物毒性、晶體結構可調、發光波長可調和熒光壽命相對較長等特點，使其能夠成為構建熒光共振能量轉移體系的能量供體。本文選擇安全性較佳且發光性能較好的ZnS基納米材料(ZnS∶Cu)及羅丹明B來構建熒光共振能量轉移體系，能夠進一步拓展熒光共振能量轉移體系的應用領域與限度。

2 實 驗

2.1 藥劑和儀器

二水合乙酸鋅產自天津市科密歐化學試劑研究所，九水合硫化鈉、醋酸銅購于汕頭市西隴化工股份有限公司，氫氧化鈉購于國藥集團化學試劑有限公司，3-巰基丙酸(MPA) 購于ALDRICH 化學試劑公司，實驗用水為自制的高純去離子水。

樣品的晶體結構由X射線衍射儀(Rigaku D/max2500型)測得，微觀形貌由透射電子顯微鏡(JEM-2010型)測得，紫外吸收光譜和熒光光譜利用SHIMADZU公司的光譜儀測得(紫外光譜：UV-2450、熒光光譜：RF-5301pc)。

2.2 實驗過程

ZnS∶Cu納米微粒通過 Zn2+、Cu2+離子和 S2-離子共沉淀反應得到。首先，將5 mL 0.1 mol/L 乙酸鋅溶液和20 mL 0.1 mol/L MPA溶液相混合，加水稀釋到 44 mL，通氮除氧 15 min。然后，添加不同體積的0.01 mol/L 的醋酸銅溶液(如2%Cu摻雜需1 mL)，充分攪拌后，用 2 mol/L 的氫氧化鈉溶液調節溶液pH值為10，繼續通氮氣除氧20 min。充分攪拌下，用注射針管迅速向反應溶液中添加5 mL 0.1 mol/L的硫化鈉溶液，在通氮氣條件下反應 15 min，隨后所得溶液放入溫度為50 ℃的搖床中陳化2 h，即可得到 ZnS∶Cu 納米晶的水溶膠。將2 mL ZnS∶Cu量子點水溶液放在反應瓶內，添加CTAB緩沖液，再加入2 mL羅丹明B水溶液，把反應瓶置于恒溫振蕩器內振蕩，充分反應后再進行光學性質測試。

3 結果與討論

3.1 ZnS∶Cu的晶體結構和形貌

為了研究所制備樣品的基本結構及形貌，對樣品進行了X射線衍射(XRD)測試及透射電子顯微鏡(TEM)測試，如圖1所示。將ZnS∶Cu納米晶的XRD圖譜與PDF標準卡(No. 050566)對比發現，圖1中28.5°、47.9°、56.5°的衍射峰分別對應于閃鋅礦ZnS的 (111)、(220)、(311)晶面，說明所得到的樣品是立方閃鋅礦結構的ZnS納米晶，沒有明顯的雜質。因為Cu2+離子半徑(0.073 nm)與Zn2+離子半徑(0.074 nm)相差無幾，在銅離子少量摻雜時，不會引起ZnS的晶格畸變，所以在XRD圖譜中衍射峰并沒有明顯的移動。從圖1中的插圖所顯示的TEM圖片可以看出，ZnS∶Cu納米晶的尺寸很小，平均尺寸為3 nm左右，說明我們成功制備了ZnS∶Cu量子點。

圖1 ZnS∶Cu納米晶的XRD圖譜及其TEM圖片

3.2 熒光共振能量轉移的構建

熒光共振能量轉移的構建需要供體和受體的熒光光譜滿足以下條件：(1)能量供體和受體的激發光譜要足夠分得開；(2)能量供體的發光光譜和能量受體的激發光譜要重疊；(3)能量供、受體的發射光譜不能互相干擾。所以，為了構建熒光共振轉移體系，我們需要對所選擇的供體(ZnS∶Cu)和受體(羅丹明B)進行熒光光譜測試。

圖2為ZnS∶Cu及羅丹明B的激發光譜，可以看到ZnS∶Cu量子點與羅丹明B熒光強度激發波長各自位于351 nm、481 nm位置處。該現象充分說明能量供、受體間的激發光譜之間的距離足夠大，這是成功構建熒光共振能量轉移體系必須滿足的條件之一。由于羅丹明B的激發光譜約位于481 nm處，要構建熒光共振能量轉移體系，需要供體ZnS∶Cu的發光光譜與其有較大的重合。Cu的摻雜濃度會對ZnS∶Cu的發光產生較大影響。圖3是用351 nm的激發波長對濃度不同的ZnS∶Cu進行激發并得到的熒光光譜，可以看出，不同銅摻雜濃度的樣品的發射波長就會存在差異。根據熒光共振能量轉移所需滿足的條件，我們發現摻雜摩爾分數為2%的ZnS∶Cu的發射光譜位于480 nm處，與羅丹明B的激發光譜重合最大。所以我們選用ZnS∶2%Cu作為供體。將供體與受體的熒光激發光譜及發射光譜對比(圖4)可以發現，供體受體二者的發射光譜分別位于480 nm及590 nm處，也沒有相互干擾。綜上所述，ZnS∶2%Cu與羅丹明B的熒光光譜能夠滿足上述的3個條件，具備了構建熒光共振能量轉移的基本條件。

圖2 ZnS∶Cu與羅丹明B的激發光譜

圖3 不同摻雜濃度的ZnS∶Cu量子點的發射光譜

Fig.3 Emission spectra of ZnS∶Cu QDs with different Cu concentration

圖4 ZnS∶Cu與羅丹明B的激發光譜及發射光譜

Fig.4 Excitation and emission spectra of ZnS∶Cu and Rhodamine B

對于構建熒光共振能量轉移體系來說，擇優選擇能量給予者與能量接受者的材料是首要條件，但供體及受體之間的距離也能夠對熒光共振能量轉移體系的構建產生極大的影響。雖然ZnS∶Cu量子點的發光光譜與羅丹明B的激發光譜能夠大面積重合，但是量子點熒光強度較低，需要二者距離較近時才能發生熒光共振能量轉移。我們利用3-巰基丙酸對ZnS∶Cu 量子點表面進行修飾而使其帶負電，陽離子CTAB作為表面活性劑時帶正電，利用靜電作用結合，從而產生CTAB修飾的ZnS∶Cu量子點。利用分子作用力將CTAB分子中的烴基與羅丹明B分子結合在一起，減小兩者之間的分子距離，使二者之間能夠發生共振能量轉移。

圖5 ZnS∶Cu-RhB的FRET體系的發射光譜

為了分析熒光共振能量轉移現象，我們測試了ZnS∶Cu量子點、羅丹明B等體積混合溶液(即ZnS∶Cu-RhB體系)的熒光光譜，并將其與ZnS∶Cu量子點及羅丹明B溶液在325 nm紫外激發下的發射光譜進行了對比。由制備過程可知QDs-RhB體系中對應的ZnS∶Cu量子點及羅丹明B的濃度是原濃度的1/2。而二者的熒光光譜也在各自初始溶液濃度的1/2處得到。從圖5所示的三者的熒光光譜圖中可以看出，混合液同時擁有ZnS∶Cu量子點及羅丹明B的發光，但其強度不同于同濃度的單獨量子點或羅丹明B的發光強度。量子點的發光變弱，但羅丹明B的發光變強，說明二者之間發生了能量轉移。熒光共振能量轉移的效率可以用如下公式計算：

(1)

其中，E代表熒光共振能量轉移效率，FDA和FD分別代表無供體存在時受體的熒光強度及供體存在時受體的熒光強度。通過公式計算得到，由ZnS∶Cu量子點與羅丹明B構建的熒光共振能量轉移體系的能量轉移效率是25.8%，有望應用于大分子細胞的檢測。

受體濃度也會影響熒光共振能量轉移的程度。這里，我們將ZnS∶Cu的濃度固定，改變羅丹明B的濃度，使ZnS∶Cu與其濃度比分別為4∶1、2∶1及1∶1。研究了受體濃度對熒光共振能量轉移體系的影響。從圖6可以看到，羅丹明B濃度逐漸增大時，供體ZnS∶Cu的熒光強度逐漸下降，受體羅丹明B的熒光強度逐漸升高，也就是說羅丹明B的濃度能夠促進熒光共振能量轉移的發生。所以在實際應用中，選擇適當的供體受體濃度也極為重要。

圖6 不同濃度羅丹明B構建的FRET體系發光光譜

Fig.6 Emission spectra of FRET system based on different concentrations of RhB

4 結 論

通過不同摻雜濃度的ZnS∶Cu納米晶量子點的制備及其熒光特性分析，發現了銅摻雜摩爾分數為2%的ZnS∶Cu納米晶的發射峰與羅丹明B的吸收峰在481 nm處有著最大重疊。以ZnS∶Cu量子點為供體及羅丹明B為受體成功構建了能量轉化效率為25.8%的熒光共振能量轉移體系。該體系有望應用于生物分子的檢測。

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翟英歌(1989-)，女，吉林長春人，碩士，2016年于長春理工大學獲得碩士學位，主要從事納米材料制備及光學性質的研究。

E-mail: 187149072@qq.com 徐銘澤(1988-)，女，吉林長春人，博士，講師，2014年于吉林大學獲得博士學位，主要從事納米材料的研究。

E-mail: llmingze@foxmail.com

Properties of Fluorescence Resonance Energy Transfer of ZnS∶Cu-Rhodamine

BZHAI Ying-ge1， CHU Xue-ying1， XU Ming-ze1*， LI Jin-hua1， JIN Fang-jun1， WANG Xiao-hua2

(1.SchoolofScience,ChangchunUniversityofScienceandTechnology,Changchun130022,China; 2.InternationalEducationandExchangeCollege,ChangchunUniversityofScienceandTechnology,Changchun130022,China)
*CorrespondingAuthor,E-mail:llmingze@foxmail.com

In order to solve the biological toxicity of fluorescence resonance energy transfer (FRET) system based on quantum dots, non-toxic ZnS∶Cu quantum dots and Rhodamine B were chosen to construct FRET system. ZnS∶Cu nanocrystalline quantum dots with good morphology were successfully prepared by precipitation method. On this basis, the fluorescence spectra of ZnS∶Cu quantum dots with different concentration of copper and fluorescence spectra of Rhodamine B were tested. Then, FRET system with ZnS∶Cu quantum dots as donor and Rhodamine B as acceptor was successfully constructed by the surface modification. Experimental results indicate that the emission spectrum of ZnS∶2%Cu matches the excitation spectrum of Rhodamine B most in 481 nm. So the optimum copper doping mole fraction for the construction of FRET system is 2%. The energy transfer efficiency of ZnS∶Cu quantum dots as donor and Rhodamine B as acceptor is 25.8%. Further experimental results indicate that the concentration of Rhodamine B also can affect the energy transfer.

ZnS∶Cu; Rhodamine B; fluorescence resonance energy transfer

1000-7032(2017)08-1028-05

2017-01-23；

2017-02-22

國家自然科學基金(61205193)； 吉林省科技發展計劃(20140520107JH,20140204025GX)； 長春理工大學青年科學基金(XQNJJ-2015-03)資助項目 Supported by National Natural Science Foundation of China (61205193); Project of Science and Technology of Jilin Province(20140520107JH,20140204025GX); Science Foundation for Young Scientists of Changchun University of Science and Technology(XQNJJ-2015-03)

O482.31

A

10.3788/fgxb20173808.1028