基于硅基表面固定CdS纳米晶荧光探针、制备方法及其对Cu2+的检测与流程

本发明涉及半导体纳米材料技术领域。更具体地，涉及基于硅基表面固定cds纳米晶荧光探针、制备方法及其对cu²⁺的检测

背景技术：

铜是许多生物必须的微量元素，在高浓度下也会产生毒性。因此，开发一种选择性好的，灵敏性高的方法来检测水中、环境中的痕量铜离子是至关重要的。许多检测铜离子的分析方法已经被报道出来，例如原子吸收光谱法、电感耦合等离子体质谱法、电化学、荧光法等。其中，荧光法操作简单，实时监测，灵敏度和选择性高，是测定痕量铜离子的首选方法之一。

目前基于有机染料或荧光纳米晶为荧光探针，开发了多种检测痕量铜离子的荧光检测方法。与传统有机染料相比，荧光纳米晶具有荧光量子效率高、激发带宽、发射光谱窄、发射波长可调、光化学稳定性能好等优点而受到人们重视。目前，基于cds、zns、cdte、cdse/cds等半导体纳米晶荧光探针已成功用于测定水溶液中微量铜离子。由于纳米晶具有粒径小、比表面积大、表面能高等性能，半导体纳米晶在实际应用中往往表现出热力学不稳定、易发生团聚、光化学不稳定等缺点。为了克服这一缺点，一些有机试剂，如l-半胱氨酸、硫代乙醇酸(tga)、巯基乙酸等，被用作纳米晶表面稳定剂。虽然使用合适的有机试剂对纳米晶进行表面修饰可以有效改善其热力学稳定性和比表面功能，但是基于有机试剂稳定纳米晶作为荧光探针检测cu²⁺仍然存在几个问题：(1)有机试剂稳定纳米晶光致发光反应具有ph值敏感性，需要分散在特定ph值的缓冲溶液，这就导致了分析过程繁琐；(2)纳米晶荧光探针检测cu²⁺主要基于纳米晶表面官能团与cu²⁺相互作用，但一些与cu²⁺的化学性质或离子半径相似金属离子拥有相似的相互作用，干扰cu²⁺的光致发光，导致选择性差，线性范围窄。由于二氧化硅基具有化学惰性和光学透明性，近来二氧化硅保护壳稳定荧光纳米晶被人们重视，一系列半导体纳米晶，如cds、cdse、cdte，已经成功涂覆了二氧化硅保护壳，然而不同种类纳米晶都有其特殊的表面性质，在纳米晶体表面包覆硅基壳的合成过程复杂、耗时、重复性差，导致分析重现性差。因此研制一种制备简单、抗干扰的痕量铜离子荧光探针是十分必要。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提供一种抗干扰的cds纳米晶荧光探针。

本发明的第二个目的在于提供一种上述荧光探针的简单的制备方法。

本发明的第三个目的还在于提供制备简单、抗干扰的痕量铜离子荧光探针在检测cu²⁺的应用，特别是用于茶叶中痕量铜离子的荧光检测。

一种cds纳米晶荧光探针，硅基表面固定cds纳米晶。

cds纳米晶荧光探针，所述硅基表面固定为用表面离子诱导均匀沉淀技术在羧基化sio2表面选择性沉积cds纳米晶制备硅基表面固定cds纳米晶荧光探针。

制备cds纳米晶荧光探针的方法，方法步骤如下：

1):羧基化二氧化硅(sio2-cooh)的制备

11):将sio2和apts通过超声分散到无水甲苯中；

12)：将混合物在干燥的氮气中回流12小时后，分别用甲苯和四氢呋喃(thf)离心洗涤，分离得到氨基化二氧化硅(sio2-nh2)颗粒；

13):在室温下，将合成的sio2-nh2颗粒超声分散到含有丁二醇酐的thf中，干燥的氮气中将搅拌12h，制备的sio2-cooh颗粒被离心收集，分别用乙醇清洗多次和水洗三次，然后在真空30℃中干燥。

2):在sio2-cooh表面沉积cds纳米晶(sio2/cdsncs)

sio2-cooh颗粒分散在含有cdcl2和taa的的水溶液中，放在的颈烧瓶中；混合后，调整ph值通过使用1m氢氧化钠，均匀降水进行了在110℃油浴12h磁搅拌350rpm转速；合成sio2/cdsncs被离心收集，先后用丙醇清洗、乙醇洗，然后30℃真空下干燥24h。

所述步骤11)中的sio2与apts、无水甲苯质量体积比为：0.2-1g：2ml：20-40ml。

所述步骤2)中ph值为8-10.5。

本发明cds纳米晶荧光探针在检测痕量铜离子的应用。

本发明cds纳米晶荧光探针在茶叶中痕量铜离子的荧光检测的应用。

本发明cu²⁺对sio2/cdsncs的荧光猝灭，方法步骤如下：

1)将sio2/cdsncs悬浮液(1.0m)加入石英试管中，将已知浓度的cu²⁺水溶液注入所述sio2/cdsncs悬浮液中；

2)将混合物在室温下摇匀，调整荧光光谱采集范围，确认激发波长；

3)同时，用相同的方法测定了所得cdsncs(1.0m)对cu²⁺的荧光响应。

荧光光谱采集范围为350～700nm，激发波长为300nm。

本发明中：

本发明采用表面离子诱导沉淀技术在羧基化sio2表面沉积cds纳米晶，通过将cds纳米晶分散固定在sio2表面，sio2介质可以很好防止cds纳米晶的聚集。与cds纳米晶相比，硅基表面固定cds纳米晶具有较强荧光发射和较好的光稳定性，在此基础上，一种基于硅基表面固定cds纳米晶作为选择性荧光探针，用于茶叶中痕量铜离子的荧光检测。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1(a)表面离子导向策略在sio2表面原位沉积cds纳米晶示意图；

(b)sio2(a)、sio2-nh2(b)和sio2-cooh(c)的ft-ir光谱。

图2(a)制备sio2/cdsncs的sem(插图是sio2粒子sem)；(b)制备sio2/cdsncs的tem(插图是高倍数的sio2/cdsncs的tem图像)；(c)cds纳米晶(a)和sio2/cdsncs(b)的xrd图；(d)制备sio2/cdsnc粒子的hrtem(插图是sio2/cdsncs的saed图)。

图3(a)cds(a)和sio2/cdsncs(b)的荧光发射光谱(插图为sio2/cdsncs在阳光照射下(a)及265nm紫外线照射下(b)照片)；(b)cds(a)和sio2/cdsncs(b)在水溶液中的光稳定性。(sio2/cdsncs和cdsncs悬浮液的浓度为1.0μm，通过测量300nm处的吸光度计算)

图4(a)sio2/cdsncs荧光探针的选择性；(b)cu²⁺猝灭sio2/cdsncs荧光探针荧光机理。

图5(a)不同浓度cu²⁺淬灭sio2/cdsncs荧光光谱曲线(插图响应含不同浓度cu²⁺的sio2/cdsncs在265nm紫外灯照射下的荧光发射照片)；(b)f0/f与cu²⁺浓度的stern–volmer图。

具体实施方式

试剂

硅酸四乙酯(teos)，3-氨基丙基三乙氧基硅烷(apts)，丁二醇酐(bda)，硫代酰胺(taa)，氯化镉(cdcl2﹒h2o)，氯化铜(cucl2﹒2h2o)，所有试剂均为分析纯，无需进一步纯化。所有水溶液均采用双蒸馏水制备。

仪器设备

荧光发射光谱有rf-5301pc荧光光谱仪记录。红外光谱用is5ft-ir光谱仪记录。利用d-8advancex射线衍射仪测量x射线衍射图谱。采用su-8000场发射扫描电镜(sem)和jeoljem-2100plus高分辨率透射电镜(hrtem)对合成的颗粒进行形貌和结构观察。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1：

羧基化二氧化硅(sio2-cooh)的制备

首先，粒径为350nm二氧化硅通过氨水水解teos合成，进一步通过两步化学修饰技术，将合成的二氧化硅颗粒进行化学修饰，形成sio2-cooh。具体步骤为，0.2g的sio2和2ml的apts通过超声分散到30ml的无水甲苯中，将混合物在干燥的氮气中回流12小时后，分别用甲苯和四氢呋喃(thf)离心洗涤，分离得到氨基化二氧化硅(sio2-nh2)颗粒。然后，在室温下，将合成的sio2-nh2颗粒超声分散到含有丁二醇酐(0.15g)的30mlthf中，干燥的氮气中将搅拌12h，制备的sio2-cooh颗粒被离心收集，分别用乙醇清洗多次和水洗三次，然后在真空30℃中干燥。

在sio2-cooh表面沉积cds纳米晶(sio2/cdsncs)

20mg的sio2-cooh颗粒分散在含有cdcl2(0.10g)和taa(40mg)的50ml的水溶液中，放在100ml的三颈烧瓶中。混合后，调整ph值10.0通过使用1m氢氧化钠，均匀降水进行了在110℃油浴12h磁搅拌350rpm转速。合成sio2/cdsncs被离心收集，用丙醇清洗多次和乙醇洗三次，然后30℃真空下干燥一晚。相比之下，cdsncs的制备相同，没有sio2-cooh颗粒。sio2/cdsncs和cdsncs悬浮液准备由超声分散在水中，其浓度计算的基础上估计摩尔吸光系数为2.0×10⁴m^-1cm^-1。

cu²⁺对sio2/cdsncs的荧光猝灭

对于cu²⁺荧光猝灭检测，将所得的sio2/cdsncs悬浮液(1.0m)加入石英试管中，将已知浓度的cu²⁺水溶液注入上述sio2/cdsncs悬浮液中。在荧光测试之前，将混合物在室温下摇匀。荧光光谱采集范围为350nm，激发波长为300nm。同时，用相同的方法测定了所得cdsncs(1.0m)对cu²⁺的荧光响应。

下述分析均基于实例1的数据给予展开的。

参阅附图1-5：

如图1a表示表面离子导向策略在sio2表面均匀沉积cds纳米晶示意图，主要包括三步骤：(ⅰ)二氧化硅粒子两步化学修饰制备sio2-cooh粒子；(ii)cd²⁺通过静电吸附在羧基化sio2粒子表面；(iii)均相沉淀cds纳米晶在sio2表面。通过sio2颗粒两步化学修饰法将制得的功能化成sio2-cooh颗粒，首先利用apts对sio2颗粒进行化学改性，得到sio2-nh2，然后合成的sio2-nh2与丁二烯酸酐(bad)进一步反应，形成sio2-cooh。两步化学修饰用红外光谱加以证实，图1b为纯sio2(a)、sio2-nh2(b)、sio2-cooh(c)的ft-ir光谱。与纯sio2的红外数据相比(图1b，曲线a)，sio2-nh2清楚地显示了氨基基团在～3420时的n-h拉伸振动和～1620cm^-1时的弯曲振动(图1b，曲线b)，而sio2-cooh在1650㎝^-1处具有较强的共轭羰基带，在3460㎝^-1处具有较强的羟基带(图1b,曲线c)，如箭头所示。这些吸收峰表明，丁二烯酸酐分子通过两步化学修饰策略成功嫁接到sio2表面，形成sio2-cooh。

图2a为制备的sio2/cdsncs粒子的sem图，与粒径～350nm均匀光滑sio2粒子(图2a中sem的插图)相比，合成的sio2/cdsncs具有高度单分散性和相对均匀的粗糙球形结构，平均尺寸约为360nm。显然，从图2a的sem中，既不能观察到纯cds纳米晶粒子，也不能观察到光滑的sio2颗粒。这表明在制备sio2/cdsncs的过程中，几乎所有的cds纳米晶都是选择性沉积在sio2表面，导致cds纳米晶分散固定在sio2表面。sio2/cdsncs的tem可以清楚地看到cds纳米晶颗粒分散在sio2表面上(如图2b中箭头所示)，此外，高放大倍数的sio2/cdsncs的tem可以分辨出嵌入到硅基表面的cds纳米晶直径在5～10nm左右(图2b的tem插图)。这些观察结果进一步证实了cds纳米晶选择性沉积到sio2颗粒表面，导致形成了sio2/cdsncs粒子。cds纳米晶选择性沉积可能是有由于本发明中使用表面离子导向均匀沉积策略，在cds纳米晶均相析出之前，沉淀前驱液ph调整为10.0，此时溶液中sio2-cooh离解成为sio2-coo^-，cd²⁺通过静电作用自发组富集到负电性的sio2表面(sio2-coo^-)，导致微量的cds晶核在sio2表面优先形成。随后，在110℃油浴12h后cds晶核逐渐长大，在二氧化硅表面选择性沉积形成cds纳米晶。通过粉末的x射线衍射(xrd)进一步表征了制备的sio2/cdsncs的结构性能，如图2c中的曲线a所示。在cdsncs(图2c曲线a)的强烈的衍射峰展示出2θ的24.9,26.5,28.3,36.6,43.9,47.8,51.0,51.9,52.9,54.6,58.3,67.1,69.4,71.1,72.6和75.7°,分别对应cds六方晶系(jcpdsno-411049)中(100),(002),(101),(102),(110),(103),(200),(112),(201),(004),(202),(203),(210),(211),(114)和(105)晶面。对于sio2/cdsncs(图2c曲线b)，除了在～23.6°出现无定形二氧化硅宽峰，主要衍射峰与纯cds纳米晶完全相同，说明sio2表面并没有完全被cds纳米晶覆盖，cds纳米晶被分散在硅基介质中。图2d为对应的sio2/cdsncs的hrtem图像，其平面间距为0.33nm,对应于cdsncs的(100)平面。此外，saed图(图2d插图所示)显示了局部多晶结构的细节，同心环分别对应cds六方晶系的(100),(002),(101),(102),(110),(103)和(200)平面进行衍射，与xrd结果一致。

图3a是cds和sio2/cdsncs在波长300nm激发下的荧光光谱曲线，cds纳米晶在～528nm处呈现特征发射带(图3a，曲线a)，这是由于cds纳米晶的量子约束效应导致的带间电子空穴复合。然而，当cds纳米晶沉积在sio2粒子表面后，在荧光光谱中观察到在～516nm处有一个非常强且清晰可见的荧光发射峰(图3a,曲线b)。由于sio2粒子在此条件下没有荧光发射活性，sio2/cdsncs的强荧光发射是由于cds纳米晶嵌入sio2表面所致。结果表明，sio2/cdsncs中的cds纳米晶仍然保持了量子点的性质。与cds纳米晶的荧光谱图比较(图3a，曲线a)，可以看出，sio2/cdsncs的荧光峰约为12nm蓝移，并且半峰宽度由78nm变窄至54nm。结果表明，sio2/cdsncs中sio2对cds纳米晶的荧光性能有一定影响，这可以通过比较合成的sio2/cdsncs和cds纳米晶过程得以解释。在这项工作中，没有稳定剂的cds纳米晶由于粒径小而热力学不稳定，比表面积大，表面能高，导致cds纳米晶聚集。然而，通过将cds纳米晶固定在sio2表面，由于sio2介质可以很好的分散cds纳米晶，因此可以有效的避免cds纳米晶在sio2/cdsncs中聚集，说明sio2是cds纳米晶非常有效稳定剂。因此，sio2可以有效地避免cds纳米晶聚集，使在sio2/cdsncs中的cds纳米晶的尺寸分布小于sio2/cdsncs。这导致sio2/cdsncs的荧光峰为蓝移，半峰宽变窄。此外，sio2/cdsncs的荧光强度是cds纳米晶的2.1倍左右。在cds纳米晶的荧光发射过程中，cds首先被紫外光激发形成激发态(cds*)。因为cds*被大量的cds包围在溶液中，从cds*到周围基态(cds)会发生一些非辐射跃迁，导致自猝灭，引起荧光强度降低。而对于sio2/cdsncs，cds纳米晶被固定在sio2表面，sio2介质可以很好地将其分离。因此cds粒子之间的非辐射跃迁可以显著降低，从而导致荧光强度的增强。此外，为了评估sio2/cdsncs的光稳定性，在90分钟内每10分钟记录在516nm范围内的sio2/cdsncs荧光强度。用(1-f/f0)计算荧光衰减率，其中f0和f分别为516nm处sio2/cdsncs的荧光强度。如图3b曲线a所示，荧光强度无明显变化，其中荧光衰减率(1-f/f0)小于0.07，说明sio2/cdsncs具有优异的光稳定性。然而，cds纳米晶溶液的荧光强度明显衰减，荧光衰减率(1-f/f0)高达0.38，如图3b曲线b，这可以归因于cds纳米晶在溶液中的聚集。因此，与cds纳米晶相比，sio2/cdsncs具有较强的荧光发射和较好的光稳定性。

进一步通过比较荧光猝灭率(1-f/f0)来评估sio2/cdsncs荧光探针对cu²⁺选择性，其中f0为1.0μm的sio2/cdsncs在516nm处荧光强度，而f为在1.0μm的sio2/cdsncs悬浊液中分别加入0.2和1μm金属离子(包括ca²⁺,pb²⁺,hg²⁺,cu²⁺,mg²⁺,zn²⁺,fe²⁺)后，516nm处荧光强度。由图4可知，在1.0μm的sio2/cdsncs悬浊液中加入0.2和1μm的金属离子，cu²⁺对sio2/cdsncs荧光探针的荧光猝灭率分别为27％和64％左右。而其他金属离子，如ca²⁺,pb²⁺,hg²⁺,mg²⁺,zn²⁺和fe²⁺的荧光猝灭率均小于7％，未见明显的猝灭效果。这结果表明cu²⁺对sio2/cdsncs具有较强的荧光猝灭作用，因此sio2/cdsncs对cu²⁺的荧光选择性高于其他金属离子。cu²⁺选择性荧光猝灭机理如图4b所示，在紫外光激发下(300nm)，电子从cds纳米晶价带(vb)被激发到导带(cb)，在sio2/cdsncs中形成光电子和空穴对。光电子与空穴对重新组合后，电子的能量以辐射的形式释放出来，发出516nm绿光而产生荧光发射光谱。随着cu²⁺加入到sio2/cdsncs溶液中，sio2(sio2-o^-)的羟基与cu²⁺之间的静电作用，cu²⁺离子可以吸附到sio2/cdsncs表面，因为溶度积(ksp＝6.0×10^-36)cus低于cds(ksp＝8.0×10^-27)，吸附cu²⁺离子可以扩散到周围的cds晶格和取代cd²⁺离子形成cus/cds异质结，cus/cds异质结在sio2/cdsqds探针荧光猝灭过程中起关键作用。当sio2/cdsncs荧光探针在紫外光激发下，cds纳米晶价带电子激发到导带形成光电子，cus/cds异质结中cus接受光电子而被还原，转化为cuxs/cds异质结。因为cds的cb(～-0.52ev)和vb(～1.88ev)是低于cu2s的cb(～-0.06ev)和vb(～1.04ev)，cuxs/cds异质结的形成将进一步促进光生电子和空穴从cds向cuxs的转移，减少的带间的电子-空穴对复合，导致荧光的猝灭。显然，根据上述荧光猝灭机理，金属离子猝灭sio2/cdsqds探针荧光必须能吸附到探针表面，并扩散到cds晶格中，置换cd²⁺离子，形成金属硫化物/cds异质结。然而对于ca²⁺,pb²⁺,hg²⁺,mg²⁺,zn²⁺和fe²⁺，尽管只有hgs的ksp(ksp＝2.0×10^-52)和pbs的ksp(ksp＝8.0×10^-28)低于cds(ksp＝8.0×10^-27)，大半径的hg²⁺(110pm)和pb²⁺(119pm)很难扩散到cds晶格中，取代小的cd²⁺(95pm)形成hgs/cds或pbs/cds异质结，这些金属离子对sio2/cdsncs探针的荧光强度影响不大。因此，sio2/cdsqds探针对cu²⁺的荧光选择性高于其他金属离子，可作为一种选择性荧光探针用于痕量cu²⁺离检测。

sio2/cdsncs荧光探针测定cu²⁺

图5a为不同浓度cu²⁺淬灭sio2/cdsncs的荧光光谱，随着cu²⁺浓度增加，sio2/cdsncs荧光强度逐渐降低，说明cu²⁺对sio2/cdsncs具有较强的荧光猝灭作用。如图5a的插图所示，当溶液在265nm处被紫外灯激发时，随着cu²⁺的增加，溶液的荧光颜色由绿色变为无色。cu²⁺淬灭sio2/cdsncs的荧光很好满足stern–volmer方程，如图5b所示，线性方程f0/f＝1.01+1.52c(μm)，相关系数为0.9982，荧光探针检测铜离子的线性范围为0.01～2μm，检测限为6.3nm。因此，sio2/cdsncs荧光探针检测铜离子具有较宽的线性范围和较低的检出限，能用于检测实际样品中痕量的铜离子。

制得sio2/cdsncs荧光探针用于茶水中痕量铜离子的测定，具体茶水样品制备过程为：1g市售茶叶置于含100ml沸水的烧杯中，浸泡10min后，第一道茶水(ⅰ)被倒出，100ml沸水在加到烧杯中，浸泡10min后，第二道茶水(ⅱ)被倒出，同样，第三道茶水(ⅲ)、第四道茶水(ⅳ)被制得。荧光淬灭法可以直接测定每道茶水中痕量的铜离子，测定结果与原子吸收法(gb/t5009.13-2003)测量值一致，此外，在每道茶水中加入标准铜离子，其测定铜离子回收率92～104％。因此，表明本发明制得sio2/cdsncs荧光探针，无需任何样品前处理或分离处理，能用于实际茶水中痕量铜离子的测定。

实施例2

方法步骤同实施例1，不同工艺参数在于：

所述步骤11)中的sio2与apts、无水甲苯质量体积比为：0.2-1g：2ml：20-40ml。

所述步骤2)中ph值为8-10.5。

cds纳米晶荧光探针在检测痕量铜离子的应用。

cds纳米晶荧光探针在茶叶中痕量铜离子的荧光检测的应用。

cu²⁺对sio2/cdsncs的荧光猝灭，方法步骤如下：

1)将sio2/cdsncs悬浮液(1.0m)加入石英试管中，将已知浓度的cu2+水溶液注入所述sio2/cdsncs悬浮液中；

2)将混合物在室温下摇匀，调整荧光光谱采集范围，确认激发波长；

3)同时，用相同的方法测定了所得cdsncs(1.0m)对cu2+的荧光响应。

荧光光谱采集范围为350～700nm，激发波长为300nm。

实施例3

方法步骤同实施例1，不同工艺参数在于：

所述步骤11)中的sio2与apts、无水甲苯质量体积比为：1g：2ml：40ml。

所述步骤2)中ph值为10.5。

cds纳米晶荧光探针在检测痕量铜离子的应用。

cds纳米晶荧光探针在茶叶中痕量铜离子的荧光检测的应用。

荧光光谱采集范围为700nm，激发波长为300nm。

实施例4

方法步骤同实施例1，不同工艺参数在于：

所述步骤11)中的sio2与apts、无水甲苯质量体积比为：0.5g：2ml：25ml。

所述步骤2)中ph值为9。

荧光光谱采集范围为400nm，激发波长为300nm。

实施例5

方法步骤同实施例1，不同工艺参数在于：

所述步骤11)中的sio2与apts、无水甲苯质量体积比为：0.85g：2ml：38ml。

所述步骤2)中ph值为9.8。

cds纳米晶荧光探针在检测痕量铜离子的应用。

cds纳米晶荧光探针在茶叶中痕量铜离子的荧光检测的应用。

荧光光谱采集范围为650nm，激发波长为300nm。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。