基于ZnO量子点检测镉离子的试剂及方法
【专利摘要】本发明公开了基于ZnO量子点检测镉离子的试剂及方法。发明人研究发现，APDC修饰可以使ZnO量子点的荧光淬灭，该淬灭反应是可逆的。APDC修饰后的ZnO量子点在Cd2＋存在的情况下，其荧光可以恢复，荧光的恢复程度与Cd2＋的量正相关且不易被其他离子所干扰，具有很好地特异性。基于此，开发了一种新型的Cd2＋快速定量试剂和方法。本发明的检测试剂，易于制备，无毒，使用方便。本发明方法特异性高，灵敏度高，无毒，对设备要求简单，特别适用于Cd2＋浓度的检测。
【专利说明】基于ZnO量子点检测镉离子的试剂及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种重金属离子的检测试剂及方法，特别涉及基于ZnO量子点检测Cd2+的试剂及方法。
【背景技术】
[0002]镉离子具有生物毒性、生物富集作用，半衰期长(长达二三十年)，难生物降解。通过生物链在人体内富集引起慢性中毒，导致肾机能衰退、骨质疏松等，通过长期摄入含镉食品或呼吸含镉污染大气，会引起肺部炎症、支气管炎甚至癌症，还能引起糖尿病，高血压等疾病。联合国环境规划署(UNEP)和国际劳动卫生重金属委员会(ICOHHM)早在1974年就将其定为重点污染物，并被称为“五毒之首”。1987年镉被国际抗癌联盟(IARC)定为II A级(共VI级)致癌物质病。
[0003]迄今，镉离子含量通过传统检测和免疫学或生物传感器检测来实现。传统的镉离子检测方法主要有原子吸收光谱法、紫外分光光度法、阳极溶出伏安法、示波极谱法、电感耦合等离子体一质谱法、电感耦合等离子体一原子发射光谱分析、氢化物发生-原子吸收法等。传统分析方法能够对环境中的镉离子进行有效分析，而且测量精度可达到mg / kg,或更高至yg/kg。但因大多需要大型仪器而成本高，步骤繁琐。通常不太适合现场、在线分析检测。另一方面，可实现在线检测的免疫学方法、生物传感器及试纸法可实现检测更低含量Cd2+，但因对检测者要求高的生物技术掌握水平以及专用高成本生物试剂等致使推广应用受到诸多限制。
[0004]最近，基于强发光的纳米结构即核壳型量子点CdTe/CdS用于Cd2+检测引起关注(Rijun Gui et al Talanta 2012，Vol.94，257)，其原理为 “off — on” 模式，即先通过生成 CdSOCdS — APDC (APDC,Ammonium pyrrolidine dithiocarbamate)后，纳米结构的突光淬灭(off)，遇不同含量的Cd2+再释放出配体APDC，纳米结构CdSOCdS的荧光恢复(on)，根据荧光恢复程度测定出镉离子含量。由于相比传统检测法或免疫学方法或生物传感器法，这种荧光检测所需设备相对简单，操作简单，其他金属离子干扰性低，故该法有望成为未来快速检测Cd2+的优选。不足之处是该荧光探针依赖制备工艺复杂且毒性大的含镉量子点。
[0005]开发出一种无害、快速的Cd2+检测方法具有非常实际的意义。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种基于ZnO量子点检测镉离子的试剂及方法。
[0007]本发明所采取的技术方案是:
基于ZnO量子点的镉离子检测试剂，所述检测试剂为荧光检测试剂，发光材料为吡咯烷二硫代氨基甲酸铵修饰的ZnO量子点。
[0008]吡咯烷二硫代氨基甲酸铵修饰ZnO量子点的方法为将吡咯烷二硫代氨基甲酸铵与ZnO量子点分散液混合反应。
[0009]特别的，混合反应时，吡咯烷二硫代氨基甲酸铵的添加量可以使ZnO量子点荧光完全淬灭。
[0010]基于ZnO量子点的镉离子检测方法，包括如下步骤:
1)将ZnO量子点分散液与吡咯烷二硫代氨基甲酸铵混合，使ZnO量子点的荧光至少部分淬灭，得到检测液；
2)将检测液与待测样品混合，记录荧光值；
3)根据荧光值计算得到待测样品中的镉离子含量。
[0011]特别的，吡咯烷二硫代氨基甲酸铵与ZnO量子点以恰能将所有的ZnO量子点荧光淬灭的比例混合。
[0012]本发明的有益效果是:
本发明的检测试剂，易于制备，无毒，使用方便。
[0013]本发明方法特异性高，灵敏度高，无毒，对设备要求简单，特别适用于Cd2+浓度的检测。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是ZnO量子点粉末样品的XRD图(A)和HRTEM图(B)；
图2是不同量APDC与ZnO量子点混合的荧光图；
图3是荧光强度和APDC含量的线性关系图；
图4是往ZnO QDs-APDC溶液中加入O?10 μ M镉离子溶液的荧光图；
图5是相对荧光强度和镉离子含量的线性关系图；
图6是ZnO QDs-APDC溶液对不同金属离子的特异性实验结果。
【具体实施方式】
[0015]发明人研究发现，吡咯烷二硫代氨基甲酸铵(APDC)修饰可以使ZnO量子点的荧光淬灭，该淬灭反应是可逆的。吡咯烷二硫代氨基甲酸铵修饰后的ZnO量子点在Cd2 +存在的情况下，其荧光可以恢复，荧光的恢复程度与Cd2 +的量正相关且不易被其他离子所干扰，具有很好地特异性。基于此，开发了一种新型的Cd2+快速定量试剂和方法。
[0016]基于ZnO量子点的镉离子检测试剂，所述检测试剂为荧光检测试剂，发光材料为吡咯烷二硫代氨基甲酸铵修饰的ZnO量子点。
[0017]吡咯烷二硫代氨基甲酸铵修饰ZnO量子点的方法为将吡咯烷二硫代氨基甲酸铵与ZnO量子点分散液混合反应。
[0018]特别的，混合反应时，吡咯烷二硫代氨基甲酸铵的添加量可以使ZnO量子点荧光完全淬灭。通过控制APDC的量，使ZnO量子点荧光恰好可以完全淬灭，可以获得更高的荧光值差值，有助于获得更为准确的检测结果。
[0019]基于ZnO量子点的镉离子检测方法，包括如下步骤:
1)将ZnO量子点分散液与吡咯烷二硫代氨基甲酸铵混合，使ZnO量子点的荧光至少部分淬灭，得到检测液；
2)将检测液与待测样品混合，记录荧光值；
3)根据荧光值计算得到待测样品中的镉离子含量。
[0020]特别的，吡咯烷二硫代氨基甲酸铵与ZnO量子点以恰能将所有的ZnO量子点荧光淬灭的比例混合。
[0021 ] 下面结合实验，进一步说明本发明的技术方案。
[0022]ZnO量子点可以按公知的方法制备得到或直接购买商品化的产品；
APDC修饰的ZnO量子点简称为ZnOQDs — APDC ；
1)方便比较起见，以下实施例中所使用的ZnO量子点按如下方法制备得到:
2)室温下向IOOml的锥形瓶中加入25ml无水乙醇、0.5gPVP和0.0738g 二水醋酸锌，搅拌均匀，形成ZnO前驱体溶液；
3)向一烧杯中加入0.0270g氢氧化锂和25ml无水乙醇，超声震荡至溶解，得到LiOH乙醇溶液；
4)将LiOH乙醇溶液和ZnO前驱体溶液(摩尔比LiOH=ZnO =1.5:1)混合，磁力搅拌90min，得到ZnO量子点分散液。
[0023]制备得到的ZnO量子点粉末样品的XRD (A),HRTEM (B)图如图1如示。该量子点呈现典型六方纤锌矿结构，用谢乐公式计算得平均粒径约6nm。
[0024]APDC淬灭ZnO量子点荧光
取上述方法制备得到的ZnO量子点分散液100μ L，加入到9.9ml乙醇，搅拌的情况下加入一定量的APDC乙醇溶液，使其在混合体系中的浓度为O?18 μ M，缓慢搅拌溶液lOmin，得到不同浓度的ZnOQDs—APDC溶液(APDC — ZnO QDs荧光探针)。通过荧光光谱测试(激发波长λ ex=310nm)考察APDC诱导的量子点的突光淬灭程度。
[0025]图2为加入不同浓度APDC后ZnO量子点溶液的荧光图，可以看出，随着溶液中APDC浓度的增加，ZnO量子点荧光的淬灭程度逐渐增大。这里，ZnO量子点溶液发生荧光淬灭的主要原因是:随着APDC浓度的增加，与原键合的醋酸根配离子相比，ZnO量子点表面锌离子更容易与APDC形成ZnO QDs-APDC复合物(通过形成表面Zn-S配键)，使得ZnO量子点表面性质改变，量子点缺陷性能(主要是氧缺陷)发生改变，致使ZnO量子点发生荧光淬灭。而图3表明，APDC的浓度Capdc与量子点溶液的荧光强度F几乎呈现线性的关系:F=2595.7-83.03CAPD。，且有较好的线性相关系数(R=0.991)(激发波长λ ex=310nm)。说明可以用ZnO QDs检测微量APDC。
[0026]Cd2+ 对 ZnOQDs—APDC 荧光的恢复:
取上一实验中12 μ M APDC修饰的ZnOQDs—APDC溶液10ml，加入浓度O?10 μ M Cd2+溶液，超声IOmin后，测试荧光光谱，观察其荧光的恢复程度。
[0027]图4为往ZnO QDs-APDC溶液中加入(TlO μ M镉离子溶液的荧光变化图(激发波长λ ex=310nm),随着溶液中Cd2+浓度增加，APDC修饰ZnO量子点溶液的荧光强度逐渐增强。这主要是因为在同等的条件下Cd2+与APDC的螯合能力强于Zn2+，将ZnO量子点表面修饰的APDC分子夺走，致使ZnO量子点表面复原，其溶液的荧光强度恢复。为了更好的评估镉离子荧光增强效率，引入了相对荧光强度的概念，即Cd2+加入后(F)与加入前(Ftl)ZnO QDs-APDC溶液的荧光强度的比值(F/FJ ;或者是Cd2+加入后(F)与加入前(Ftl)ZnO QDs-APDC溶液的荧光强度的差值(AF = F — F。)。
[0028]图5(a，b)为该相对荧光强度(F/F。)(图5a)或(F — F0)(图5b)与镉离子含量的线性关系图，从图5中可以发现Cd2+浓度与F/Fo或(F-Ftl)几乎呈现出线性的关系F/Fo=0.0592Ccd2++0.9633，或F-Fq=92.136CCd2+_57.045，且二者均具有较好的线性相关系数(R=0.9950或0.9901)。这说明APDC修饰的ZnO的量子点对Cd2+离子有较好的响应能力，可很好地检测溶液中的镉离子。
[0029]APDC - ZnO QDs荧光探针的特异性实验:
为考察APDC修饰的ZnO量子点荧光探针对镉离子的选择性，进行了一系列干扰性试验来考察其在各种金属离子溶液中对Cd2+选择性荧光反应。往IOml 12 μ M APDC修饰的ZnOQDs—APDC溶液中，加入各种干扰离子，其中溶液中干扰离子的浓度均为10 μ Μ，超声IOmin后测试荧光，并计算加入其他金属离子前后观察对APDC修饰的ZnO QDs体系的相对荧光强度值，用矩形图汇于图6中。在左侧组(矩左)中，由于各种离子的加入，未经过修饰APDC的量子点的荧光强度均发生并不显著的改变。而在右侧组(矩右)中，多数金属离子的加入，使APDC修饰的量子点的荧光发生改变微弱，只有Cd2+的加入能引起显著的荧光增强。此外Zn2+的加入也使ZnO量子点溶液的荧光强度稍增大，但增强的幅度远比Cd2+小，这是因为Zn2+跟Cd2+化学性质有些相似，都容易与APDC形成配合物，但Zn2+与APDC的配位能力明显弱于Cd2+，所以荧光恢复程度远不如Cd2+。
[0030]使用APDC对市购的ZnO量子点进行修饰，发现修饰后的ZnO量子点的荧光会淬灭，在Cd2 +存在的情况下，其荧光可以恢复。
[0031]综上可得，APDC修饰的ZnO量子点可以发展成为一种对Cd2+有高选择性的荧光探针，应用于众多领域。
【权利要求】
1.基于ZnO量子点的镉离子检测试剂，所述检测试剂为荧光检测试剂，发光材料为吡咯烷二硫代氨基甲酸铵修饰的ZnO量子点。
2.根据权利要求1所述的镉离子检测试剂，其特征在于:吡咯烷二硫代氨基甲酸铵修饰ZnO量子点的方法为将吡咯烷二硫代氨基甲酸铵与ZnO量子点分散液混合反应。
3.根据权利要求2所述的镉离子检测试剂，其特征在于:混合反应时，吡咯烷二硫代氨基甲酸铵的添加量可以使ZnO量子点荧光完全淬灭。
4.基于ZnO量子点的镉离子检测方法，包括如下步骤: 1)将ZnO量子点分散液与吡咯烷二硫代氨基甲酸铵混合，使ZnO量子点的荧光至少部分淬灭，得到检测液； 2)将检测液与待测样品混合，记录荧光值； 3)根据荧光值计算得到待测样品中的镉离子含量。
5.根据权利要求2所述的基于ZnO量子点的镉离子检测方法，其特征在于:吡咯烷二硫代氨基甲酸铵与Zn O量子点以恰能将所有的ZnO量子点荧光淬灭的比例混合。
【文档编号】G01N21/64GK103901006SQ201410118068
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月26日 优先权日:2014年3月26日
【发明者】铁绍龙, 杨晓庆, 兰胜, 戴峭峰 申请人:华南师范大学