半胱氨酸表面修饰的CdTe或CdTe/CdS量子点的制备及用其检测砷的方法

摘要

本发明公开了一种半胱氨酸表面修饰的CdTe/CdS量子点的制备方法，包括以下步骤：室温条件下，将含镉化合物粉末与半胱氨酸混合，充分搅拌调pH值后得到Cd前体溶液；然后在Te粉中加入NaBH4，再注入酸液，在氮气流的作用下将酸化产生的H2Te气体带出通入到Cd前体溶液中，加热反应回流，得到CdTe量子点溶液，再向溶液中加入Na2S溶液，静置后即可得到半胱氨酸表面修饰的CdTe/CdS核壳量子点。将本发明的量子点加入含砷离子的溶液中，用荧光分光光度计对其进行荧光定量表征，得到荧光响应曲线，据此可实现对待测溶液中三价砷离子浓度的定性或定量检测。本发明具有操作简单、灵敏度较高、选择性较好等优点。

权利要求

1.一种半胱氨酸表面修饰的CdTe/CdS核壳量子点的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在室温条件下，向半胱氨酸表面修饰的CdTe量子点溶液中加入0.01mol/L～

1.0mol/L的Na2S溶液，所述Te与所述Na2S的摩尔比控制在1∶（0.2～5），静置后即可制备得到不同荧光发射波长的半胱氨酸表面修饰的CdTe/CdS核壳量子点；所述半胱氨酸表面修饰的CdTe量子点的制备方法，包括以下步骤：（1）制备Cd前体溶液：室温条件下，将含镉化合物粉末与半胱氨酸按照1∶（0.5～

8.0）的摩尔比混合，充分搅拌使混合物溶解于水中，将pH值调节至9.0～11.2，得到Cd前体溶液；

（2）生成H2Te：氮气保护下，在Te粉中加入NaBH4水溶液，震荡使之混合均匀，反应至Te粉全部溶解，再注入酸液进行酸化，在氮气流的作用下，将酸化产生的H2Te气体带出；

（3）将步骤（2）中生成的H2Te气体通入到步骤（1）中制得的Cd前体溶液中；控制溶液中Cd、Te、半胱氨酸的摩尔比为1∶（0.1～4）∶（0.5～8），加热到80℃～110℃，反应回流，反应完成后停止加热，得到半胱氨酸表面修饰的CdTe量子点溶液。

2.根据权利要求1所述的半胱氨酸表面修饰的CdTe/CdS核壳量子点的制备方法，其特征在于：所述含镉化合物粉末为Cd(ClO4)2、CdCl2或CdAc2粉末。

3.根据权利要求1或2所述的半胱氨酸表面修饰的CdTe/CdS核壳量子点的制备方法，其特征在于：所述酸液为0.5mol/L～5.0mol/L的硫酸或者磷酸溶液。

4.根据权利要求1或2所述的半胱氨酸表面修饰的CdTe/CdS核壳量子点的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，用1.0mol/L～4.0mol/L 的NaOH溶液进行pH值调节。

5.根据权利要求1所述的半胱氨酸表面修饰的CdTe/CdS核壳量子点的制备方法，其特征在于：所述半胱氨酸表面修饰的CdTe量子点为荧光发射波长在500nm～550nm的绿色荧光CdTe量子点。

说明书

半胱氨酸表面修饰的CdTe或CdTe/CdS量子点的制备及用

其检测砷的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种纳米材料的制备及其在砷离子检测中的应用，尤其涉及一种半胱氨酸表面修饰的量子点的制备方法及在砷检测中的应用。

背景技术

[0002] 砷属于非金属元素，是某些动物必须的微量元素之一，但体内砷过量富集将会引起中毒，严重者甚至致命。地表水及饮用水中砷污染已成为严重威胁全球人类健康的祸首之一。相关资料显示，目前全球范围内多达1.4亿人接触到了超出世界卫生组织标准（10 ppb）的含砷饮用水。因此，对自然界水体中砷含量的监测越来越受到人们的关注。

[0003] 砷在自然界中以亚砷酸盐[As(III)]、砷酸盐[As(V)]以及各种有机砷（如，甲基胂酸盐及二甲基胂酸盐）等形式存在。与五价砷相比，三价砷更容易进入细胞，故毒性也比五价砷大。因此，发展一种简单、快速、灵敏的三价砷[As(III)]检测技术已成为现实中的迫切需要。

[0004] 量子点（Quantum Dots，QDs）是一种由II-VI族或III-V族元素组成的、尺寸在1 nm～20 nm之间的纳米晶体。量子点的体积大小和组成严格控制着它的吸收和发射光谱特征，因此可以通过改变尺寸及其组成而得到从紫外到近红外范围内任意发射波长的量子点。量子点还具有颗粒尺寸小、比表面积大等结构特性，这些结构特性导致了量子尺寸效应和介电限域效应的产生，并由此派生出独特的光电性质。因此，量子点在生物标记、化学生物检测以及信息存储等应用领域都具有潜在的优势。

[0005] 半胱氨酸（Cys）-CdTe/CdS核壳量子点与半胱氨酸-CdTe量子点相比，具有更高的荧光量子点产率和光学稳定性。同时，半胱氨酸-CdTe/CdS核壳量子点的制备一般采取水热法（Zhang H Y, Sun P, Liu C, et al. L-Cysteine capped CdTe-CdS core-shell quantum dots: preparation, characterization and immuno-labeling of HeLa cells. Luminescence, 2011, 26(2): 86-92）对水溶性半胱氨酸-CdTe量子点进行包壳处理，但这种包壳方法存在步骤繁琐、耗时长、容易造成试剂浪费等缺陷，并且其采用的方法是将NaBH4还原的Te溶液直接注射入Cd前体溶液中，这样还可能引入含硼化合物等杂质。

[0006] 另外，目前基于荧光量子点进行砷离子检测的方法，尚未见有相关报道。

发明内容

[0007] 本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种产品杂质含量少、反应条件温和、工艺时间短、工艺条件可控、操作简便易行的半胱氨酸表面修饰的CdTe量子点的制备方法以及半胱氨酸表面修饰的CdTe/CdS核壳量子点的制备方法，还相应提供一种操作简单、灵敏度较高、选择性较好的CdTe/CdS核壳量子点在砷离子检测中的应用。

[0008] 为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种半胱氨酸表面修饰的CdTe量子点的制备方法，包括以下步骤：

[0009] （1）制备Cd前体溶液：室温条件下，将含镉化合物粉末与半胱氨酸按照1︰（0.5～8.0）的摩尔比混合，磁力搅拌使混合物溶解于水中，将pH值调节至9.0～11.2（优选用1.0 mol/L～4.0 mol/L 的NaOH溶液进行调节），得到Cd前体溶液；

[0010] （2）生成H2Te：氮气保护下，在Te粉中加入NaBH4水溶液，震荡使之混合均匀，反应至Te粉全部溶解，再注入酸液进行酸化，在氮气流的作用下，将酸化产生的H2Te气体带出；

[0011] （3）将步骤（2）中生成的H2Te气体通入到步骤（1）中制得的Cd前体溶液中；控制溶液中Cd、Te、半胱氨酸的摩尔比为1︰（0.1～4）︰（0.5～8），加热到80℃～110℃，反应回流（回流时间优选为20～40 min），反应完成后停止加热，得到半胱氨酸表面修饰的CdTe量子点溶液，再冷却至室温备用。

[0012] 上述的半胱氨酸表面修饰的CdTe量子点的制备方法，所述含镉化合物粉末优选为Cd(ClO4)2、CdCl2或CdAc2粉末。

[0013] 上述的半胱氨酸表面修饰的CdTe量子点的制备方法，所述酸液优选为0.5 mol/L～5.0 mol/L的硫酸或者磷酸溶液。

[0014] 作为一个总的技术构思，本发明还提供一种半胱氨酸表面修饰的CdTe/CdS核壳量子点的制备方法，包括以下步骤：在室温条件下，向上述制备方法得到的半胱氨酸表面修饰的CdTe量子点溶液中加入0.01 mol/L～1.0 mol/L的Na2S溶液，所述Te元素与所述Na2S的摩尔比控制在1∶（0.2～5），静置后即可制备得到不同荧光发射波长（530nm～620 nm）的半胱氨酸表面修饰的CdTe/CdS核壳量子点。

[0015] 上述的半胱氨酸表面修饰的CdTe/CdS核壳量子点的制备方法，所述半胱氨酸表面修饰的CdTe量子点优选为荧光发射波长在500nm～550nm的绿色荧光CdTe量子点。

[0016] 上述制备方法主要是基于通气法将NaBH4还原的Te粉在酸化条件下引出并通入Cd前体溶液中制备半胱氨酸表面修饰的CdTe量子点，然后在室温条件下，进一步在半胱氨酸表面修饰的CdTe量子点表面进行CdS包壳。上述本发明采用的通气法避免了含硼化合物等的引入，且包壳方法简单、温和、成本低，整个制备过程中的反应可控，重复性好，安全可靠。

[0017] 作为一个总的技术构思，本发明还提供一种基于半胱氨酸表面修饰的CdTe/CdS核壳量子点检测砷离子的方法，包括以下步骤：将半胱氨酸表面修饰的CdTe/CdS核壳量子点（特别优选是上述本发明制备方法制得的CdTe/CdS核壳量子点）稀释，以磷酸缓冲液作为缓冲体系加入含不同浓度三价As(III)离子的溶液，混合均匀后室温下静置（约10 min即可），然后用荧光分光光度计对混合体系进行荧光定量表征，得到所述半胱氨酸表面修饰的CdTe/CdS核壳量子点对于砷离子浓度变化的荧光响应曲线，根据荧光响应曲线即可实现对待测溶液中三价砷离子浓度的定性检测，基于砷离子对于CdTe/CdS核壳量子点的荧光淬灭效应，还可实现砷离子的定量检测。该砷离子的检测方法不仅操作简单，灵敏度较高，而且选择性较好。

[0018] 上述的检测砷离子的方法中，优选的，所述荧光响应曲线在待测溶液中三价砷离子浓度为14 ng/L～70 ng/L时呈线性变化，所述定量检测的检测下限为10 ng/L。

[0019] 上述的检测砷离子的方法中，所述待测溶液中优选加入有乙二胺四乙酸钠盐（简称EDTA，浓度为0.01 mol/L～0.5 mol/L）作为掩蔽剂。待测溶液中加入EDTA作为掩蔽剂，对于As(III)、Pb(II)、Sr(II)、Na(I)、Cu(II)、Al(III)、Li(I)、Fe(III)、Zn(II)、Mg(II)、Mn(II)、Ag(I)、K(I)离子具有很好的抗干扰性（EDTA对三价砷没有干扰）。

[0020] 在对待测溶液中三价砷离子浓度进行定性或定量检测前，优选先将待测溶液用0.10μm～0.22μm的聚碳酸酯膜过滤。

[0021] 与现有技术相比，本发明的优点在于：

[0022] 1.在量子点制备方面，基于通气法将NaBH4还原的Te粉在酸化条件下引出通入Cd前体溶液中制备CdTe量子点，避免了硼化合物等的引入，便于条件控制；

[0023] 2.在室温下进行CdS的包壳，条件非常温和，包壳时间短，包壳操作简单迅速，只需1 min就能完成；

[0024] 3.只需通过控制半胱氨酸表面修饰的CdTe量子点与Na2S的摩尔比例即可得到不同发射波长的半胱氨酸表面修饰的CdTe/CdS核壳量子点；

[0025] 4.本发明制备的量子点大小均一，单分散性好，量子点纳米颗粒光谱可控，具有极其优良的光谱性能，激发光谱宽且连续，荧光光谱窄而对称，光化学稳定性强，为进一步的应用研究奠定了基础；

[0026] 5.本发明制备的CdTe/CdS核壳量子点用于砷离子的检测，操作简单，灵敏度较高，选择性较好。

附图说明

[0027] 图1为本发明实施例中制备水溶性半胱氨酸-CdTe量子点的简易装置结构示意图。

[0028] 图2为本发明实施例中水溶性半胱氨酸-CdTe量子点紫外可见吸收光谱及其对应的荧光发射光谱。

[0029] 图3为本发明实施例中制备的不同发射波长的半胱氨酸-CdTe/CdS核壳量子点的荧光发射光谱。

[0030] 图4 为本发明实施例中制备的不同发射波长的半胱氨酸-CdTe/CdS核壳量子点在365 nm紫光照射下的拍照荧光图。

[0031] 图5为本发明实施例中半胱氨酸-CdTe/CdS核壳量子点荧光强度对于砷离子浓度的响应曲线图。

具体实施方式

[0032] 以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

[0033] 实施例：

[0034] 1.半胱氨酸-CdTe量子点的制备。

[0035] 一种本发明的半胱氨酸表面修饰的CdTe量子点的制备方法，包括以下步骤：

[0036] （1）制备Cd前体溶液：采用图1所示的简易装置进行制备，首先室温条件下，在100mL烧杯中依次加入0.263g Cd(ClO4)2·6H2O（CdCl2或CdAc2粉末亦可）和0.186 g半
2+
胱氨酸（Cd 与半胱氨酸的摩尔比为1︰2.4），再加入20 mL水溶解，在不断的磁力搅拌下使混合物溶解于水中，得到Cd前体溶液；用1 mol/L的NaOH溶液将Cd前体溶液的pH值调至9.0（9.0～11.2均可），定容至40 mL后转入图1中所示简易装置左边的三颈烧瓶中；

[0037] （2）生成H2Te：在图1中右边的三颈烧瓶中加入0.03gTe粉、0.067g NaBH4和3 mL超纯水，在磁力搅拌作用下，通N2除氧30 min，Te逐渐溶解，溶液慢慢变红，反应至Te粉全部溶解，最终变成粉红色；在氮气保护下，用注射器向Te粉溶解后的溶液中逐滴滴加10 mL4 mol/L的H2SO4溶液进行酸化，继续通氮气，在氮气流的作用下，使酸化生成的H2Te气体随氮气流缓慢进入到左边三颈烧瓶的Cd前体溶液中；

[0038] （3）将上述步骤（2）中生成的H2Te气体通入到步骤（1）中制得的Cd前体溶液中；2+ 2+
控制反应溶液中Cd 、Te 、半胱氨酸的摩尔比为1︰0.5︰2.4，加热到80℃，反应回流约
40min，当反应后的混合溶液在紫外灯照射下发射绿色荧光时，即可停止回流和加热，得到绿色荧光的半胱氨酸表面修饰的CdTe量子点溶液（荧光发射波长大约在500～550 nm）。

[0039] 采用紫外可见分光光度计对上述制备的半胱氨酸表面修饰的CdTe量子点溶液进行吸收光谱测定。同时，采用荧光分光光度计对半胱氨酸表面修饰的CdTe量子点溶液进行荧光发射光谱测定，光电倍增管电压设置为700 V，激发波长为370 nm，激发和发射狭缝宽度均为5nm，检测结果如图2所示。荧光发射峰位波长为544nm，在505nm处出现第一吸收峰。

[0040] 半胱氨酸-CdTe/CdS核壳量子点的制备。

[0041] 一种本发明的半胱氨酸表面修饰的CdTe/CdS核壳量子点的制备方法，包括以下步骤：

[0042] 将上述步骤1中制备的半胱氨酸表面修饰的CdTe量子点溶液冷却至室温，且未参加反应的不溶物完全沉于瓶底后，取上层液；在室温条件下，向上述制备方法得到的半胱氨酸表面修饰的CdTe量子点母液中加入不同体积0.02 mol/L Na2S溶液，不断搅拌条件下使半胱氨酸表面修饰的CdTe量子点溶液和硫化钠溶液在常温下以不同的摩尔比充分混合，并使Te与Na2S的摩尔比分别控制在1∶0、1∶0.768、1∶1.150、1:1.536、1:1.920、1:2.304、1:2.688、1:3.072，静置1 min后即可制备得到荧光发射波长分别为544 nm、550 nm、570 nm、578 nm、599 nm、609 nm、614 nm、615 nm的半胱氨酸表面修饰的CdTe/CdS核壳量子点，离心后得到纯化的半胱氨酸表面修饰的CdTe/CdS核壳量子点，并放入4℃冰箱中保存。

[0043] 基于半胱氨酸-CdTe/CdS核壳量子点在实际样品水样中进行砷检测应用。

[0044] 将上述步骤2中制备的半胱氨酸表面修饰的CdTe/CdS核壳量子点用水稀释后，采用紫外可见分光光度计对所制备的半胱氨酸表面修饰的CdTe/CdS核壳量子点进行吸收光谱测定。同时，采用荧光分光光度计对半胱氨酸表面修饰的CdTe/CdS核壳量子点进行荧光发射光谱测定，光电倍增管电压设置为700 V，激发波长为370 nm，激发和发射狭缝宽度均为5 nm。

[0045] 图3为上述不同摩尔比例的水溶性半胱氨酸-CdTe量子点和Na2S混合后所制备的半胱氨酸表面修饰的CdTe/CdS核壳量子点的荧光发射光谱。由图3所示的光谱数据可见，所得量子点吸收光谱较宽且连续，发射波长窄而对称，具有非常优良的光谱性能。

[0046] 图4为上述不同摩尔比例的水溶性半胱氨酸-CdTe量子点和Na2S混合后所制备的半胱氨酸表面修饰的CdTe/CdS核壳量子点在365 nm紫光照射下的拍照荧光图，其中从左至右，CdTe/CdS核壳量子点的颜色依次呈现深绿、绿色、浅绿、橙色、浅红、红色、深红的变化。

[0047] 一种本发明的基于半胱氨酸表面修饰的CdTe/CdS核壳量子点检测砷离子的方法，包括以下步骤：将上述制备的荧光发射峰位波长为578 nm的半胱氨酸表面修饰的CdTe/CdS核壳量子点稀释后，以磷酸缓冲液作为缓冲体系加入含不同浓度三价As(III)离子的溶液，混合均匀后室温下静置10 min，然后用荧光分光光度计对混合体系进行荧光定量表征，得到半胱氨酸表面修饰的CdTe/CdS核壳量子点对于砷离子浓度变化的荧光响应曲线（参见图5），根据荧光响应曲线即可实现对待测溶液中三价砷离子浓度的定性或定量检测。

[0048] 另采用湖南湘江水为实际水样进行检测，采用标准加入法进行测定（参见表1）。首先利用孔径大小为0.22μm的聚碳酸酯膜过滤除去实际水样中不溶性物质。对样品进行荧光检测作为荧光背景。然后在所稀释的实际水样中加入0.05 mol/L EDTA进行离子掩蔽，同时分别加入14 ng/L、28 ng/L、42 ng/L、70 ng/L的三价砷离子。将荧光发射峰位波长为578 nm的半胱氨酸表面修饰的CdTe/CdS核壳量子点稀释后，以磷酸缓冲液作为缓冲体系加入含不同浓度三价As(III)离子的溶液，混合均匀后室温下静置10 min，然后用荧光分光光度计对混合体系进行荧光测定，平行样品测定三次。根据图5所示的荧光响应标准曲线即可得到三价砷离子浓度的测定结果，进一步可以得到回收率（参见下表1）。

[0049] 表 1：本实施例中半胱氨酸-CdTe/CdS核壳量子点检测As(III)的回收率测定结果。

[0050]加入值(ng/L) 实测值(ng/L) 回收率(%)
14.0 13.5±0.2 96.5±1.5
28.0 29.4±0.3 105.0±1.3
42.0 43.3±0.2 103.2±0.5
70.0 70.7±0.1 101.1±0.2

[0051] 由上表1可见，三价砷离子浓度的检测效果较好。