CdSe/ZnS量子点在倏逝波光纤pH传感中的应用
刘婷, 王文琪, 刘志群, 赵艳丽, 易定容
华侨大学机电及自动化学院, 福建 厦门 361021

作者简介: 刘 婷, 1987年生, 华侨大学机电及自动化学院教师 e-mail: liut14@hqu.edu.cn

摘要

将新型量子点荧光传感技术与光纤倏逝波传感技术相结合, 发展了一种基于量子点荧光效应并结合倏逝波传导进行溶液酸碱度检测的新型传感技术, 具有灵敏度高、 检测速度快、 便于微环境检测、 可实现远程探测、 实时监测和原位分析等特点。 详细介绍了用于倏逝波传感的锥柱组合型光纤荧光探头的制备方法, 量子点在光纤探头表面的修饰流程, 光谱与强度两种光纤pH传感平台的建立, 并分别从响应范围、 线性度、 重复性和稳定性等方面对CdSe/ZnS量子点应用于光纤pH传感进行了评价。 结果表明, 在pH值为2~12的范围内, CdSe/ZnS量子点的荧光光谱信号的峰位在强酸和强碱的情况下都会产生红移, 且红移量随pH值的变化呈线性关系, 其量子点荧光强度信号随pH值的减小呈线性降低关系, 通过在强酸和强碱下交替测试的实验表明其具有较好的重复性, 利用荧光强度传感平台进行实时监测的实验表明其具有较好的稳定性。 因此, 将CdSe/ZnS量子点用于倏逝波光纤pH传感具有可行性, 在生物化学、 环境监测、 医学临床、 食品安全等领域的pH值测量方面有着广泛的应用前景。

关键词: CdSe/ZnS量子点; 倏逝波; 光纤pH传感
中图分类号:TP212.1 文献标志码:A
Applications of CdSe/ZnS Quantum Dot in Optical Fiber Evanescent-Wave pH Sensing
LIU Ting, WANG Wen-qi, LIU Zhi-qun, ZHAO Yan-li, YI Ding-rong
College of Mechanical Engineering and Automation, Huaqiao University, Xiamen 361021, China
Abstract

We propose a new pH sensing technology using fluorescence sensing based on quantum dots combined with optical fiber sensing based on evanescent wave, which owns the advantages of high sensitivity, fast testing, suitability for micro-environment measurement, remote detection, real-time monitoring, in situ analysis and so on. In this paper, we detail the preparation method of the combined taper-and-cylinder optical fiber probe for evanescent wave sensing, the modification process of quantum dots onto the surface of the optical fiber probe, the construction of two fiber pH sensing platforms based on spectrum and intensity, and the evaluation of the performance of CdSe/ZnS quantum dots applied for optical fiber pH sensing from the aspects of response range, linearity, repeatability and stability, respectively. The results show that in the pH range of 2 to 12, the fluorescence spectrum peak position of CdSe/ZnS quantum dots will produce a red shift in strong acid and alkaline, and the amount of the red shift has a linear relationship with the pH value. The fluorescence intensity of the CdSe/ZnS quantum dots also reduces linearly with the decreasing of pH value. Moreover, the alternating tests under the strong acid and strong alkali indicate that it is of good repeatability. The real-time monitoring experiment through the intensity sensing platform indicates that it has good stability. Therefore, it is feasible to combine CdSe/ZnS quantum dots and evanescent wave for fiber pH sensing, and this kind of fiber pH sensor would have a promising future for pH detection in the field of biochemistry, environmental monitoring, clinical medicine and food safety.

Keyword: CdSe/ZnS quantum dot; Evanescent wave; Optical fiber pH sensing
引 言

pH值是表征溶液酸碱度的一种参数, pH值的精准测定对生物化学、 环境监测、 临床医学等领域具有重要的意义。 传统检测pH值的方法, 主要依赖于电化学的原理, 利用电极将pH值转化为电信号进行检测。 这种方法灵敏度低、 响应时间长、 不稳定、 不能在强酸强碱环境下使用, 且电极探头易破损、 体积较大, 不适于微区以及有机生物体内的检测[1]。 随着现代科学技术的发展, 尤其在现代生命科学以及环境科学等领域, 传统的测量方法已无法满足这些领域对pH值测量的要求。 因此, 许多新的pH传感技术应运而生, 其中光纤pH传感器由于其具有体积小、 重量轻、 抗电磁干扰和抗化学腐蚀能力强、 可实现远程检测和原位分析等优点而引起了国内外学者的广泛关注。

近年来, 在国内外已出现多种基于不同光学原理进行检测的光纤pH传感技术。 Schyrr等[2]研发了一种基于倏逝波吸收的强度调制型光纤pH传感器, 利用光纤活性端的包埋在多孔渗水有机薄膜中的溴酚蓝染料对氢离子浓度敏感实现传感, 可用于在体监测。 Mishra等[3]基于表面等离子体共振技术设计了一款波长调制型光纤pH传感器, 利用光纤活性端的Ag/ITO/Al/水凝胶层在不同pH溶液下的表面等离子体共振波长的位移实现传感。 Yang等[4]利用静态自组装法在纳米光纤上修饰银颗粒制备了表面增强拉曼散射型pH传感器, 通过纳米光纤活性端的p-邻氨基苯硫醇在不同pH溶液下的拉曼光谱特征峰强度变化实现检测。 罗彬彬等[5]提出了一种包覆pH值敏感型水凝胶的光纤光栅pH传感器, 利用该光纤光栅在不同pH溶液下透射光谱的峰位移动实现传感。 此外, 基于荧光的pH传感技术取得了长足的发展, 目前已报道了多种被用作探头的荧光敏感物, 如萘酰亚胺类[6]、 香豆素衍生物[7]、 席夫碱[8, 9]、 含钌荧光物[10]、 甲基红[11]等。 量子点是近年来发展的一种新型半导体荧光纳米材料, 相比于传统的荧光染料, 量子点具有激发光谱宽、 发射光谱窄、 光稳定性好、 量子效率高等优点, 更适合用于物质检测[12]。 Orte等[13]利用荧光寿命成像显微镜对巯基丙酸包覆的量子点的荧光寿命进行探测, 从而实现了体内不同细胞pH值的检测。 Zhao等[14]研究了三种不同发射波长的CdSe/ZnS量子点在不同pH溶液中的光谱, 结果表明该量子点具有用于pH传感的潜力。

本文将CdSe/ZnS量子点引入到倏逝波光纤pH传感中, 系统阐述了用于倏逝波传感的锥柱组合型光纤探头的制备与修饰、 光谱与强度两种光纤pH传感平台的建立, 并分别从响应范围、 线性度、 重复性和稳定性方面对CdSe/ZnS量子点用于光纤pH传感进行了评价。

1 实验部分
1.1 材料

多模光纤(包层直径125 μ m, 纤芯直径105 μ m, 数值孔径0.22)购买于北京首量科技股份有限公司。 3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)、 N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)、 1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)、 牛血清白蛋白(BSA)购买于阿拉丁试剂, 表面修饰有羧基基团的水溶性硒化镉/硫化锌(CdSe/ZnS)量子点(大小~20 nm, 激发光谱位于近紫外至蓝紫光波段, 发射波长为(620± 15) nm, 表面修饰有羧基基团)购买于苏州星烁纳米科技有限公司, 除特殊说明外, 其他所有试剂均购买于国药集团化学试剂有限公司。 所有试剂未经提纯直接使用, 所有的实验用水均为去离子水。

1.2 光纤pH传感平台的构建

光纤荧光传感器的整体设计方案如图1所示, 主要由光学系统、 信号采集系统和光纤探头三部分组成。 在光学系统中, 以波长为405 nm、 输出功率为3 mW的带尾纤的半导体激光器(上海熙隆光电科技有限公司)作为光源, 由激光器发出的光经2× 1光纤耦合器传输至光纤探头端, 激光在探头表面附近区域产生倏逝波, 激发探头表面的量子点发出荧光。 一部分荧光被光纤探头收集, 并经光纤耦合器反向传输至光纤准直器。 经光纤准直器内的500 nm长通滤光片对返回的激发光进行滤波处理及透镜进行准直聚焦后, 到达信号采集系统。 在信号采集系统中, 一种方案是直接利用小型化光纤光谱仪实现荧光光谱的检测, 由于光谱仪是全波段检测, 因此可直接将光纤耦合器的探测端口连接至HR4000光纤光谱仪(Ocean Optics, 美国), 在PC机上显示结果, 如图1(a)所示。 另一种方案是利用光电信号的转换实现荧光强度信号的检测, 即首先利用雪崩光电二极管(APD130A2, thorlabs, 美国)进行光电信号的转换, 输出模拟电压信号, 然后通过STM32控制的高精度24位A/D转换器ADS1255将模拟信号转换为数字信号, 最后通过串口发送到PC机的LabVIEW软件上实现结果的可视化输出, 如图1(b)所示。 两种方案各有优劣, 前者可以得到荧光光谱信号, 后者可以更直观得到荧光强度信号, 且更易实现仪器的小型化。 在两种光纤pH传感平台中, 由于激发光的传输与荧光信号的收集与传输均通过光纤来实现, 且所有的器件之间均可以通过光纤法兰盘连接, 从而实现了光路的全光纤化, 极大地简化了系统的光学结构, 且不需要严格的光学定位, 使得系统更为紧凑且稳定, 适用于恶劣环境探测。

图1 (a)基于光谱的光纤pH传感平台示意图; (b)基于强度的光纤pH传感平台示意图; (c)管腐蚀法制备的锥柱组合型光纤探头Fig.1 (a) Schematic diagram of optical fiber pH sensing platform based on spectrum; (b) Schematic diagram of optical fiber pH sensing platform based on intensity; (c) Combined taper-and-cylinder optical fiber probe prepared by tube etching

1.3 光纤探头的制备与修饰

实现倏逝波传感的光纤探头为锥柱组合型结构。 用光纤剥线钳剥去3.5 cm的涂覆层, 将其浸入40%的氢氟酸溶液中27 min, 利用管腐蚀法即可制备出锥柱组合型探头结构, 如图1(c)所示。 锥形区长度为0.03 cm, 柱形区长度为3.5 cm, 柱形区直径为40 μ m, 满足模式匹配条件, 可以减少传感区和非传感区因模式容量不匹配造成的损失[15]

为将量子点与光纤探头结合, 需对探头表面进行如图2所示的修饰: 先配制食人鱼(Piranha)溶液(98%的浓硫酸与30%的过氧化氢溶液以2∶ 1体积比混合), 将探头浸入其中30 min进行清洗和羟基化的修饰, 取出后用去离子水清洗, 吹干; 然后配制10%的APTES溶液, 将探头浸入其中2 h进行氨基化的修饰, 取出清洗后置于60 ℃恒温鼓风干燥箱中2 h进行氨基固化; 之后, 配制量子点、 NHS和EDC的混合溶液, 即依次取1 nmol的CdSe/ZnS量子点、 1 mg的NHS和0.1 mg的EDC放入30 mL的磷酸盐缓冲溶液(0.09 mol· L-1, pH 7)中, 将探头浸入该混合溶液中4 h进行量子点的修饰; 最后, 将探头放入2 mg· mL-1的BSA溶液中1 h以封闭非特异性吸附位点。 将制备好的探头置于4 ℃冰箱中保存备用。

图2 光纤探头的修饰流程Fig.2 Modification process of optical fiber probe

1.4 pH溶液的检测

pH值为2~12的系列标准溶液是通过在磷酸盐缓冲溶液中加入盐酸和氢氧化钠调配所得, 溶液的pH值由商用pH计(PB-10, Sartorius, 德国)最终测量得到。 本研究直接将修饰有量子点的光纤探头浸入到不同pH溶液中进行检测, 所有的结果均在室温下测得, 所有的数据点和误差棒均是取三根不同的光纤探头进行测量后计算平均值和标准偏差所得。

2 结果与讨论
2.1 光谱信号分析

利用集成有光纤光谱仪的传感平台可以得到修饰有CdSe/ZnS量子点的光纤探头在不同pH溶液中的光谱信号, 其结果如图3所示。 从图中可以看出, 修饰后量子点的峰值波长仍在620 nm左右, 与修饰前变化不大, 该量子点在pH值为2~12的范围内均有响应, 且光谱信号的强度随着pH值的减小而降低, 光谱信号的峰位随着pH值的变化而产生了微小位移。

图3 光纤探头在不同pH溶液下的光谱信号Fig.3 Spectral signals of optical fiber probes in different pH solutions

光谱信号的峰位随pH值的定量变化曲线如图4所示, 由图可知, 光谱信号的峰位在强酸和强碱的情况下都会产生红移, 且红移量随pH值的变化呈线性关系。 此红移主要是由于强酸和强碱都会导致探头表面的电离度增加, 使得量子点的表面电荷密度增加, 从而影响了量子点的能量带隙。

图4 光谱信号的峰位随pH值的变化关系Fig.4 The relationship between the spectrum peak position and the pH value

2.2 强度信号分析

利用集成有光电探测器和数据采集卡的传感平台可以得到修饰有CdSe/ZnS量子点的光纤探头在不同pH溶液中的荧光强度信号, 且可实现信号的实时监测。 由光谱信号可知, 在酸性环境下, 量子点的荧光会发生猝灭, 为减小淬灭造成的信号差异, 在测量时, 将光纤探头依次置于pH值下降的被测溶液中, 每种pH溶液均实时监测10 s, 其结果如图5所示。 从图中可以看出, 该量子点在pH值为2~12的范围内均有响应, 且荧光强度信号随着pH值的下降而下降。 量子点的荧光强度对溶液pH值的依赖性可以通过量子点与羧基表面基团之间的电子转移来解释, 在碱性环境下, 由吸附阴离子引起的去质子化使得量子点的羧基配体带负电荷, 这加剧了从带负电荷的配体向量子点转移电子的趋势, 从而增加了量子点的荧光强度。 而在酸性条件下, 由于静电吸附导致的质子化使得羧基配体带正电荷, 这加剧了电子从量子点转移到带正电荷的配体的趋势, 从而猝灭了量子点的荧光, 最终导致荧光强度下降[14]

图5 探头在不同pH溶液下的强度信号Fig.5 Intensity signals of optical fiber probes in different pH solutions

图6给出了荧光强度信号随pH值的定量变化曲线, 该曲线表明荧光强度随pH的增加而呈线性增加关系, 线性方程为I=25.17× pH-30.87(r=0.995)。 利用该线性变化关系, 可以实现响应范围为2~12的溶液pH值的检测。

图6 光强信号随pH值的变化关系Fig.6 The relationship between the fluorescence intensity and the pH value

2.3 重复性实验

光纤探头的重复使用性是检测其pH传感性能的重要指标。 为了考察基于CdSe/ZnS量子点的光纤pH探头的循环使用情况, 我们作了如下测试, 选取pH值分别为4和10的强酸和强碱溶液, 将光纤探头交替浸入两种溶液中检测其荧光强度信号, 每次信号采集完成后均用去离子水冲洗, 结果如图7所示。 由图可知, 虽然每循环检测一个周期, 光纤探头的整体荧光强度都会降低, 但是在多次循环使用下, 探头在pH值为4和10的溶液中的荧光信号强度的梯度仍旧明显, 因此, 表明基于CdSe/ZnS量子点的光纤pH探头具有重复使用的能力。

图7 重复性实验Fig.7 Repetitive experiment

2.4 稳定性实验

信号稳定性是光纤pH传感器实用性的另一个指标, 为了评价基于CdSe/ZnS量子点的光纤pH探头的信号稳定性, 将光纤探头置于pH值为10的溶液中, 利用光电传感平台实时监测信号10 min, 结果如图8所示。 由图可知, 光纤探头在溶液中的荧光信号强度基本无衰减, 变异系数CV值为0.013, 由此可见, 基于CdSe/ZnS量子点的光纤pH传感器具有较好的稳定性。

图8 稳定性实验Fig.8 Stability experiment

3 结 论

将量子点荧光应用于光纤倏逝波pH传感中, 系统阐述了产生倏逝波的锥柱组合型光纤探头的制备与修饰, 光谱与强度两种光纤pH传感平台的建立, 分别从响应范围、 线性度、 重复性和稳定性方面对CdSe/ZnS量子点用于光纤pH传感进行了评价。 结果表明, 在pH值为2~12的范围内, CdSe/ZnS量子点的荧光光谱与强度均与溶液的pH值呈一定的线性关系, 具有较好的重复性和稳定性。 此外, 该传感技术响应速度快, 可实现远程探测、 实时监测和原位分析, 在生物化学、 环境监测、 临床医学等领域具有巨大的应用潜力。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
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