核壳式CdSe/ZnS量子点对邻苯二甲酸二丁酯的快速高灵敏荧光测定*

耿春辉，郭 峰，孙 琛，崔 婧，韩吉祥，王 哲

(衡水市综合检验检测中心，河北 衡水 053000)

邻苯二甲酸二丁酯(Dibutyl Phthalate，DBP)是一种优良的增塑剂，且是增塑剂中产量和用量最大的一种，其对多种树脂具有良好的溶解能力，具有色泽浅、毒性低、电性能好、挥发性低、气味小和耐低温等特点[1]。然而，邻苯二甲酸二丁酯对皮肤黏膜有刺激作用和轻度致敏作用，接触者可引起多发性神经炎，脊髓神经炎及脑多发神经炎，影响人体生理调节，具有致癌、致畸的作用；邻苯二甲酸二丁酯也会损伤肝脏，引起肝脏组织形态的改变，严重危害人体健康[2]。同时，随着塑料工业的迅速发展和塑料制品的广泛应用，邻苯二甲酸二丁酯已大量进入环境，普遍存在于土壤、底泥、水体、生物、空气及大气降尘物等环境样品中，已成为全球普遍存在的污染物之一[3]。

在食品安全问题越来越受关注、环境污染持续加剧的时代背景下，以邻苯二甲酸二丁酯为代表的塑化剂的危害已日益凸显，开发快速简单、准确灵敏的检测方法尤为重要。现有的方法主要有：紫外分光光度法[4]、气相色谱法[5]、高效液相色谱法[6]、固相萃取-近红外光谱[7]、电化学方法[8]、荧光分析法[9]等，其中部分检测方法存在需昂贵的仪器、操作繁琐、检测周期长等缺点，而荧光分析法是一种较高效便捷的分析方法。

量子点(Quantum Dots)是尺寸大约为 1～10 nm 的纳米材料，由于独特优异的荧光性能而被广泛地用于荧光分析检测中[10]。常见的CdSe 等半导体量子点，因发射谱窄、稳定性高、尺寸可控等优点备受关注。但是由于Cd原子具有一定的生物毒性，并且CdSe等量子点本身表面存在缺陷。ZnS和CdS由于具有很高的能带宽，常被用于量子点的壳层材料。为避免有毒性的Cd的引入，用 ZnS 包覆 CdSe 量子点后形成核壳结构量子点，不仅弥补了CdSe量子点表面的缺陷，降低了Cd原子带来的毒性，并且使其荧光增强，荧光量子产率明显提高[11-12]。CdSe/ZnS 量子点已被广泛应用于有毒有害物质如汞离子[13]、黄曲霉毒素B1[14]、过氧化氢[15]及生物领域[16]的检测，并显示了高的检测灵敏度和便捷性。

基于以上内容，本实验拟采用CdSe/ZnS核壳量子点作为荧光探针，构建一种快速测定邻苯二甲酸二丁酯的分析方法，并与实验室现有的气相色谱/质谱联用(GC-MS)检测方法进行比较。

1 实 验

1.1 仪器与试剂

F-7000荧光光谱仪，日立 ；7000D-8890B气相色谱质谱联用仪，安捷伦；IKA VORTEX 1圆周振荡器，德国IKA；DK-S28恒温水浴锅，上海精宏；PHS-3C酸度计，上海雷磁；200 kV场发射透射电子显微镜(Talos F200X)，赛默飞；Millipore 超纯水仪,德国默克密理博；YQ-120超声波清洗器，上海易清；烘箱，杭州标盾；离心机，上海安亭。

邻苯二甲酸二丁酯DBP(99%，AR)、硫化钠九水合物(99%，AR)、乙酸镉二水合物(99%，AR)、油酸钠，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；乙酸锌(98%，AR)，磷酸二氢钾和磷酸氢二钠(98%，AR)，中国医药集团有限公司。

白酒试样中DBP特性值4.3 mg/kg，能力评价标准差0.3 mg/kg，特性值3.7～4.9 mg/kg，中国检验检疫科学研究院测试评价中心。

实验所用水均为超纯水(电阻率18.2 MΩ·cm)。

1.2 实验步骤

1.2.1 CdSe/ZnS量子点的制备

首先将1 mM乙酸镉二水合物、1.2 g油酸钠分散于10 mL乙醇，再将2 mL油酸、1 mmol硒粉加入到20 mL水中，将上述乙醇分散液和水分散液混合均匀，氮气氛围下于40 ℃加热2 h后转移至100 mL反应釜中，180 ℃下反应3 h，得到CdSe量子点。向CdSe量子点溶液交替滴加1 mmol乙酸锌和1 mmol硫化钠溶液，同时搅拌，在100 ℃下反应2 h，过滤去除未反应的原料及杂质，将溶液高速离心后于80℃ 真空烘箱中干燥，制得CdSe/ZnS核壳结构量子点。称取一定量的量子点重新分散于水中，得到1.0 μmol/L的量子点溶液，冷藏备用。

1.2.2 CdSe/ZnS量子点的表征

采用场发射透射电子显微镜对所制得的量子点进行尺寸、形貌和元素分析，采用荧光光谱仪分对其进行荧光响应分析。荧光测定条件：激发和发射的狭缝宽度：5 nm，PMT电压：500 V，扫描速率：1200 nm/min，扫描范围：280～800 nm，响应时值：0.002 s。

1.2.3 邻苯二甲酸二丁酯的荧光测定

准确量取一定量的邻苯二甲酸二丁酯标准物质溶于少量乙醇，再用水进行稀释，配置成所需浓度；以CdSe/ZnS量子点为荧光探针，将其与邻苯二甲酸二丁酯溶液进行反应，对反应时间(1～18 min)、溶液pH(5.0～8.0)、探针浓度(0.005、0.01、0.1 μmol/L)进行优化。对系列浓度0, 1.0, 2.0, 5.0, 10.0, 20.0, 50.0, 100.0, 200.0 μg/L的邻苯二甲酸二丁酯溶液进行测定，绘制标准曲线。

1.2.4 气相色谱/质谱联用(GC-MS)检测样品前处理

准确称取试样1.0 g(精确至0.0001 g)于25 mL具塞磨口离心管中，加入2～5 mL蒸馏水，涡旋混匀，再准确加入10 mL正己烷，涡旋1 min，剧烈振摇1 min，超声提取30 min，1000 r/min离心5 min，取上清液，供GC-MS分析。

1.2.5 GC-MS检测条件

检验方法: GB 5009.271-2016 第二法。

色谱条件：进样口温度：250 ℃；升温程序：初试柱温60 ℃，保持1 min，以20 ℃/min升温至220 ℃，保持1 min，再以5 ℃/min升温至280 ℃，保持5 min；载气：氦气，流速1 mL/min，不分流进样；进样量：1 μL。

质谱条件：色谱与质谱接口温度：280 ℃；电子轰击源：选择离子扫描模式，电离能量：70 eV；溶剂延迟：5 min。

2 结果与分析

2.1 CdSe/ZnS量子点的表征

如图1(A)所示，利用高分辨率透射电镜(transmission electron microscope，TEM)和能谱分析对所制备的水溶性CdSe/ZnS量子点进行内部形貌和元素判断，可明显观察到所制备的量子点大小均一, 粒径在10～20 nm之间, 颗粒近似球形，外围略不规则，这是由于ZnS外壳在对CdSe量子点内核进行包覆时难以达到完全一致的厚度。能谱图显示了Cd和Se元素被Zn和S元素包覆，表面了CdSe/ZnS核壳式量子点的成功制备。为分析CdSe/ZnS量子点的荧光响应情况，选定特定浓度(0.1 μmol/L)的量子点溶液进行荧光测定。结果如图1(B)所示，量子点的最大激发波长在270 nm，最大发射波长在540 nm。

图1 CdSe/ZnS量子点的透射电镜图(A)(形貌及元素分析)和荧光响应图(B)(QDs浓度为0.1 μmol/L)

2.2 DBP对CdSe/ZnS量子点荧光响应的影响

为初步测试DBP对CdSe/ZnS量子点荧光响应的影响，制备含有0.1 μmol/L 量子点和相同浓度DBP的混合溶液，取300 μL按照前述仪器参数进行荧光测定，发现荧光信号明显增强。

2.3 实验条件优化

基于上述初步测试，为进一步考察DBP对量子点的荧光响应影响及不同条件的影响，对不同浓度的量子点进一步测试其荧光强度，发现0.01 μmol/L的量子点可产生荧光强度较为合适，便于分析。因此选定0.01 μmol/L作为CdSe/ZnS量子点的工作浓度。

为考察pH对QDs-DBP体系荧光信号的影响，配置不同pH值(5.0，5.5，6.0，6.5，7.0，7.5，8.0)的PBS溶液(0.1 mol/L)作为溶剂，测定荧光信号。结果显示pH在7.0时响应最大最稳定。为测试离子对量子点荧光响应的影响，采用水、0.1 mol/L PBS(pH 7.0)作为溶剂进行荧光测定，结果显示荧光强度无明显差异。因此本实验中选用中性的水作为溶剂。

为考察DBP在量子点溶液中的反应时间对荧光响应的影响，选定DBP浓度为0.1 mg/L 作为反应浓度，在室温下反应时间具体为1 min，4 min，7 min，10 min，13 min，15 min，16 min，17 min，18 min。结果如图2所示，QDs-DBP体系保持15 min之后，荧光信号基本维持不变。因此，实验选定15 min 作为DBP增强QDs荧光信号的最佳反应时间即等待测试时间。

图2 QDs-DBP 体系反应时间对荧光强度的影响

2.4 工作曲线

在最佳实验条件下，利用CdSe/ZnS量子点作为荧光标记对DBP系列浓度进行检测，结果显示，在低浓度的1.0～20.0 μg/L范围内荧光强度与浓度的对数呈线性关系，线性方程为I=229.6 lg CDBP+718.0，相关系数R2=0.99，检出限为0.21 μg/L(S/N=3)。然而，当浓度高于20.0 μg/L时，荧光强度略有下降。因此该方法比较适合低浓度的DBP检测。

图3 CdSe/ZnS对DBP荧光检测的工作曲线(内插图：荧光强度-DBP浓度的对数线性关系图)

关于DBP的加入使CdSe/ZnS量子点的荧光信号增强的机理，可能为DBP分子内的刚性共轭结构使量子点之间保持一定的距离，无法团聚，同时共轭电子与量子点制备过程中表面存留的酸根离子之间形成电子云，减少了酸根离子的外挂，进而覆盖了量子点表面的空间缺陷，从而使荧光增强[17-18]。

2.5 实际样品检测

为进一步验证所构建的检测方法的适用性，将该方法用于购买的白酒试样中DBP的测定，在前述检测条件下，分别取10 μL白酒试样进行稀释并与CdSe/ZnS 量子点混合配置成待测溶液，使其浓度为4.0～5.5 μg/L，20.0～22.0 μg/L，并进行荧光检测，所得到的结果分别为5.2 μg/L，16.1 μg/L，相对标准偏差RSD分别为4.0%，23.0%，由此可见，该方法在低浓度检测时较准确，而高浓度检测偏差较大。

2.6 GC-MS检测

GC-MS是常规的DBP检测手段之一，本实验中选取4个DBP浓度(50.0，100.0，200.0，500.0 μg/L)的白酒试样作为检测对象，对其进行GC-MS检测和准确性评估，图谱如图4 所示(以DBP浓度为50.0 μg/L的试样为例，保留时间为9.87 min)，详细结果如表1所示。该方法的标准曲线为I=128514.3C-2184.2，相关系数为R2=0.99，定量限为0.33 μg/L，远高于所构建的荧光检测方法的检出限，在较高浓度时的检测具有高的准确性。

图4 GC-MS测定白酒试样中的DBP

表1 CdSe/ZnS QDs 荧光法和GC-MS法测定白酒试样中的DBP

3 结 论

本实验中首先制备一种核壳式CdSe/ZnS量子点，并通过透射电镜进行了形貌表征和结构确认。将制备的量子点用于DBP的测定，结果显示DBP可使量子点的荧光信号增强。在最优条件下(中性水溶液，反应时间15 min)，量子点荧光信号在DBP浓度为1.0～20 μg/L时呈上升趋势，与DBP浓度的对数值呈线性关系。该方法的准确性可与传统的GC-MS方法媲美，并具有更低的检测限，实验中还对白酒试样中的DBP进行了测定，并展示了令人满意的结果。