铜是一种常见的重金属，也是人体中不可缺少的一种微量元素。目前为止，检测铜离子的方法有很多，如原子吸收光谱法[1]，分光光度法[2]，脉冲极谱法[3]，及荧光法[4]等。传统的荧光法多疑有机染料为荧光物质，由于染料的荧光强度弱而且光学稳定性差等缘故，致使其在测定过程中无论是检出限还是灵敏度均受到一定的限制。
    量子点（quantum dots）又称半导体纳米晶（semiconductor nanocrystals）是一种高效的光致发光的纳米晶体。近年来，量子点以其独特的光电特性（强抗光漂白性，优良的化学稳定性，发光的连续可调性等）尤其是其良好的光化学稳定性，已经发展成为可以代替有机荧光染料被应用于很多领域的新型荧光探针[5]。许多科研人员正致力于合成高质量（高的发光量子效率，窄的粒径分布以及良好的光学稳定性等）的量子点以及特定的物质或离子对其荧光发射的影响。Henglein等提出在碱性条件下加入Cd2+，由于在CdS量子点的表面形成了一层Cd(OH)2外壳，能有效钝化量子点的表面，消除非辐射复合而使其荧光发射量子效率达到50%以上[6]，Isarov等发现当加入铜离子后，在CdS量子点表面会形成一层CuxS(x=1,2)或者单纯的Cu+将导致量子点的荧光发生淬灭[7-8]。这些研究都表明了量子点的荧光性质与其表面状态紧密相关，这是由于量子点中的15%以上的原子都处于表面（对于粒径小于1nm的的量子点，其中原子100%位于表面）所致[9]。Rosenzweig等首次提出了CdS量子点作为荧光探针在选择性检测Cu2+的一种新方法[10]，王伦[11]，王柯敏[12]等先后采用CdS和CdTe量子点分别在碱性和中性偏酸的条件下实现了对Cu2+的检测。但是上述方法所用的量子点就其量子效率不高，半峰宽较宽，表明这些量子点存在着很多表面缺陷，因而影响了其在检测铜离子过程中的灵敏度。本文在水相中以谷胱甘肽和半胱氨酸同时作为稳定剂一步合成出了高质量的CdTe量子点（其量子效率是CdS的20-30倍，而半峰宽却只有CdS的1/3），并在系统考察了影响其发光强度的各种因素基础上，发展了一种CdTe 量子点检测铜离子的方法，拓宽了检测的线性区间，提高了检测灵敏度。在pH值为6. 2的接近中性条件下的磷酸盐缓冲溶液中，实现了对铜离子试样的测定，该方法检测范围宽，在优化实验条件下，检测的线性区间为3-220μg/L，检出限达到了0.25μg/L。
1 实验部分
1.1 试剂与仪器
CdCl2?5/2H2O，Te粉，KBH4，谷胱甘肽（PIERCE）,半胱氨酸，CuSO4?5H2O,实验用水均为超纯水（18.2MΩ/cm）
荧光光谱仪（SHIMADZU RF5301PC），紫外可见分光光度计（SHIMADZU UV2550）。
1.2 实验方法
1.2.1 CdTe量子点的制备
以改进的胶体化学法在水相中直接合成CdTe量子点。简言之，分别把0.0462g (2.02×10-4mol)CdCl2?5/2H2O、0.0186g（6.07×10-5mol）1.36×10-4g（1.82×10-4mol）半胱氨酸盐酸盐溶解、转入250ml三口烧瓶中，加超纯水200ml，搅拌，用1mol/L的NaOH调解pH值至9，通入高纯氩气除去体系中的空气，氩气保护下待用；称取0.0128gTe粉和0.12g KBH4加入到小瓶中，加1ml超纯水，冰浴下反应至溶液澄清（约10h），然后把该澄清液迅速倒入氩气保护下的三口烧瓶中，此时溶液呈现鲜艳的红色，加热至100℃恒温反应。在反应后不同时间内分别取出一部分，分别放入透析袋中，置于盛有聚乙二醇20000的烧杯内，除去其它小分子（过量的稳定剂及其他离子等），然后用超纯水把纯净的CdTe冲洗下来，真空干燥，用pH值为6.2的磷酸二氢钾-磷酸氢二钠的缓冲溶液溶解，定容配成浓度为1.013×10-3mol/L 的CdTe量子点溶液，待用。
1.2.2 Cu2+离子的测定
取1ml上述量子点溶液加入到10ml的容量瓶中，然后加入一定量的硫酸铜晶体，定容后放置10min，用荧光光谱仪测定其荧光强度（F）。以同样的方法配制不加铜离子的空白溶液，测其荧光强度（记为F0）。
2 结果与讨论
2.1 CdTe量子点的荧光光谱
图1为本实验制备的CdTe量子点在不同回流时间的荧光光谱图。由图可知:(1)随着回流时间的延长，量子点的荧光发射峰位逐渐红移，说明量子点逐渐长大，表现出很强的量子尺寸效应;(2)随着回流时间的延长，由于胶体化学法制备的量子点是按着Ostwald熟化机制（大粒径的纳米晶体的成长是以小粒径的纳米晶溶解提供单体为前提的）成长的，因而CdTe荧光发射峰的半峰宽（FWHM）变宽，为了保证量子点的粒径分布范围窄（即半峰宽窄）且发光效率高而又不需进行选择性沉淀等步骤，本文选用发射峰位在605nm的CdTe量子点溶液来进行后续的选择性测定Cu2+的实验。

Fig. 1 The fluorescence spectra of as-prepared CdTe quantum dots.
2.2 实验条件的优化
2.2.1 pH值的选择
量子点的发光强度强烈依赖其表面性质，而对于水相合成的CdTe，其表面随pH值的变化而变化，因而水相合成的量子点的荧光效率也与pH值紧密相关。图2是本文合成的CdTe的荧光发射强度随pH值的变化关系图，由图可见，随着pH值的逐渐降低，CdTe量子点的发射强度逐渐增强，当pH值为6.2时，发射强度达到最大值，随着pH值的进一步降低，量子点的发射峰强逐渐减弱。这是因为当pH值从碱性减至6.2的过程中，在量子点的表面形成了一层Cd-SR的复合物，这一复合物包覆在量子点的表面使其进一步钝化，因而量子效率有所增加，当pH值进一步降低时，由于巯基试剂的质子化，破坏了上述Cd-SR这种复合物的平衡关系，因而量子点的量子效率开始下降[13]。为确保实验灵敏度，本文在后续实验中均在此pH值为6.2下进行。

Fig. 2 Effect of pH value on the fluorescence intensity of as-prepared CdTe QDs.
2.2.2 缓冲溶液的选择
为了得到最佳的检测效果，本实验分别考察了发射峰位在605nm的CdTe量子点在同一pH值（即pH=6.2）的不同缓冲体系下的发光强度。如图3所示，CdTe量子点在A（磷酸盐）缓冲溶液中发射最强，在柠檬酸缓冲溶液中次之，在醋酸盐缓冲溶液中最弱。因而后续实验均以磷酸盐缓冲溶液中进行。

Fig. 3 Fluorescence intensity of as-prepared CdTe QDs in different buffers at the same pH value of 6.2: A (KH2PO4-Na2HPO4), B (Citric acid- Na2HPO4), C (HAc-NaAc).
2.2.3 量子点的浓度的选择
对于本实验中量子点浓度，过高和过低均达不到最佳检测效果。如果量子点浓度过高，由于被铜离子淬灭的量子点只占总数中的少数，因而会降低的检测灵敏度；如果浓度过低，就会导致有限的量子点不足以与铜离子配位，无法准确的检测体系中铜离子。鉴于此，本文选用1.013×10-4mol/L（以Cd2+记）的量子点为检测体系。
2.2.4 反应时间及试剂加入顺序
根据荧光光谱数据，铜离子使量子点荧光淬灭的时间一般在5min内完成，在以后放置过程中，荧光强度几乎不变。为确保反应充分进行，本测定实验以10min为准。
经考查几种加入顺序发现，当把量子点和磷酸盐缓冲溶液先混合后再加铜离子，检测效果较好。
2.3 Cu2+对CdTe量子点荧光性质的影响
如图4所示，Cu2+离子对CdTe的荧光除了有很强的淬灭作用外，随着Cu2+离子浓度的增大，CdTe量子点的发射峰位同时发生红移(20nm)。当这种变化是有一定范围的，当Cu2+离子浓度达到一定程度后，量子点的荧光性质开始保持不变。其可能的原因是，在CdTe量子点的表面存在着有限的结合位点供Cu2+配位，当这种配位未达到平衡之前，量子点的荧光强度随Cu2+浓度影响很大而减弱，而当Cu2+与量子点配位达到平衡后，量子点的荧光性质基本上不再受Cu2+的影响[14]。至于量子点发射峰位红移，可能原因是在量子点与Cu2+之间发生了有效电子转移，因为本文所合成的CdTe量子点表面有很多羧基和氨基，这些基团完全可以与Cu2+发生配位从而导致量子点发射峰位红移[15]。也正是这种量子点的表面含有丰富的可以与Cu2+发生配位的基团，因而此量子点检测Cu2+才会更灵敏。

Fig. 4 Fluorescence emission spectra of as-prepared QDs-Cu2+ systems with the same QDs concentration of 1.013×10-4mol/L and different Cu2+ ions concentration: a, 0.0μg/L; b, 32μg/L; c, 96μg/L; d, 128μg/L; e, 160μg/L; f,192μg/L；g, 224μg/L.
2.4 共存离子的干扰作用
本实验考查了几种常见离子对检测Cu2+的干扰作用，结果如表1所示。由表1可见，Hg2+,和Ag+外的其它离子几乎对测定实验没有影响，

允许共存的最高浓度
（μg/L） 共存离子
960
576
192
96 K+，Na+,Ba2+,Ca2+,Zn2+
Fe2+,Mn2+,Fe3+,Cd2+,Al3+,Ni2+
Hg2+
Ag+
Table 1. The tolerance concentration of foreign ions on the determination of copper (II) ions with the same Cu2+ concentration of 9.6μg/L.
2.5 检测的线性范围和检测下限
在上述优化的实验条件下，绘制了标准曲线，如图5所示，在2-260μg/L Cu2+浓度范围内，CdTe量子点的荧光淬灭程度与铜离子浓度存在很好的线性关系，其线性相关系数为0.9982，回归方程为F0/F=1.014+8.652×10-3C(C为Cu2+浓度，单位为μg/L)。根据公式：LOD=3S0/K(其中LOD即limit of detection,检测下限；S0为空白对照的相对标准偏差；K为标准曲线的斜率。)可以求算出此方法检测铜离子的下限浓度为0.15μg/L。

Fig.5 Stern–Volmer relationship between NCs and Cu(II) ions. (NCs: 1.013×10-4 mol/L)
2.6 实际样品的测定
配制三种不同浓度的混合溶液，使每种干扰离子的浓度均为Cu2+的50倍。取各混合待测液分别作4次平行实验，用标准曲线法计算结果，检测结果如表2所示。由此可见，该方法所得测定值与实际值基本吻合，结果令人满意。
实际加入Cu2+的浓度
（μg/L） 共存离子 测定值 相对标准偏差
%
6.4
12.8
19.2 Fe2+，Al3+，Ca2+
Na+，K+，Ba2+
Pb2+，Mn2+ 6.9
13.4
18.8 2.8
1.9
1.1
Table 2．Results of determination of synthetic samples (n=4).
2.7淬灭机理的讨论
目前，关于量子点的荧光淬灭机理大致有：能量转移，电子转移及吸附其它物质致使量子点表面能态改变从而使量子点荧光淬灭[12]。研究表明[10]，Cu2+能结合在CdS量子点的表面，被还原为Cu+，或形成CdS+-Cu+复合物（1,2），Isarov等进一步证明了CdS+-Cu+复合物比纯CdS量子点的能级低，正是由于这种新能态的形成，导致了量子点发射峰位的红移。并且，Cu+的生成，使导带中的激发态电子和价带中的空穴之间的非辐射复合更加便利，从而使其量子点荧光淬灭。


Scheme 1 The photoluminescence quenching mechanism of CdTe nanocrystals
对于本实验过程中，量子点的淬灭也同样可以用这种电子转移的机理来解释(如上图Sheme1所示)。首先是在CdTe量子点的表面有丰富的羧基，氨基等基团通过配位作用使Cu2+结合到量子点表面，进而使其还原为Cu+,导致CdTe量子点的荧光淬灭。也正是因为在量子点表面氨基的引入，才使得本实验得到更好的灵敏度和更宽的线性区间。为了验证量子点表面氨基比羧基更容易与Cu2+配位，对以巯基丙酸(MPA)为稳定剂的CdTe量子点在相同条件下检测Cu2+。结果发现，即使两种量子点浓度相同，但是二者对Cu2+的响应时间有很大差别，表面带有氨基的量子点通常在5分钟内其荧光强度不在变化；而单纯带羧基的量子点，其荧光性质一般需要15-20分钟才能稳定。此外，如图6所示，以巯基丙酸为稳定剂制备的量子点在检测铜离子过程中，其峰位红移不是很多(6nm)，说明这种量子点表面可供Cu2+配位的点很有限，也说明了氨基的引入增加了Cu2+与量子点的结合位点，因而检测更灵敏。

Fig. 6 Fluorescence emission spectra of MPA-stabilized CdTe QDs-Cu2+ systems with the same QDs concentration of 1.013×10-4mol/L and different Cu2+ ions concentration: a, 0.0μg/L; b, 32μg/L; c, 96μg/L; d, 128μg/L; e, 160μg/L; f,192μg/L；g, 224μg/L; h, 256μg/L; 288μg/L .

3 结论
改进了传统的水相合成CdTe的路线，制备了高质量的量子点，并且基于荧光淬灭原理，实现了对Cu2+的选择性检测。本方法的突出优点表现在，量子点的合成成本低而且容易操作，检测方法简单，迅速。实验证明，这种高质量的量子点在测定铜离子的实验中，较之其它量子点，灵敏度更高，线性范围更宽，有望开拓出更加灵敏的荧光传感器。
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