硫量子点的光稳定性研究

Photostability of Sulfur Quantum Dots

摘要

以聚乙二醇-400为钝化剂，以过氧化氢辅助刻蚀的自上而下法合成了分散性良好、荧光性质稳定的硫量子点（SQDs），采用氙灯照射的方式系统研究了硫量子点在不同光照时间和pH条件下的光稳定性。结果表明：随着光照时间的延长，硫量子点的荧光强度逐渐降低；与pH 7.4及11.0相比，硫量子点在pH 3.0条件下荧光强度下降较缓慢，具有更好的光稳定性。另外，在光照条件下，溶解氧会导致硫量子点的荧光发射峰强度降低且峰位蓝移，表明溶解氧对硫量子点的光稳定性也有非常重要的影响。

Abstract

Sulfur quantum dots (SQDs) with high aqueous dispersion and stable fluorescence is synthesized by an H₂O₂-assisted etching top-down approach using polyethylene glycol-400 as passivation agents. The photostability of SQDs was systematically investigated by under different Xenon lamp irradiation time and pH conditions (pH 3.0, 7.4 and 11.0). The results show that the fluorescence intensity of the SQDs gradually decreases as the irradiation time prolongs. Compared with pH 7.4 and pH 11.0, the fluorescence intensity of the SQDs decreases more slowly under the condition of pH 3.0, indicating that the SQDs has good photostability at pH 3.0. Dissolved oxygen was found resulting in decrease in fluorescence intensity and blue-shifted of fluorescence peak under Xenon lamp irradiation. It shows that dissolve oxygen plays an important role in the photostability of SQDs.

Graphical abstract

关键词

硫量子点 / 光照 / 光稳定性 / 荧光猝灭

Key words

sulfur quantum dots / irradiation / photostability / fluorescence quenching

0　 引 言

硫量子点（sulfur quantum dots，SQDs）是近年来发展起来的一种新型荧光材料^［1］，由于其良好的化学稳定性、水相分散性及生物相容性，在分析化学、生命科学等领域引起了广泛关注^［2］。Zhang等^［3］利用超声波促进刻蚀的方法大大缩短了硫量子点的合成时间，得到的硫量子点不仅光稳定性好、细胞毒性小，而且能够进入细胞内并发出较强的绿色荧光，并以此建立了体外活细胞成像方法；Wang等^［4］研究发现Co²⁺能选择性地猝灭硫量子点的荧光，加入诺氟沙星后硫量子点的荧光强度恢复，而且硫量子点荧光强度的猝灭、恢复与Co²⁺、诺氟沙星的浓度之间存在良好的线性关系，并据此建立了水样品中Co²⁺和诺氟沙星浓度的检测方法。

研究量子点（quantum dots，QDs）的光稳定性，对量子点的进一步应用具有重要意义^［5］。量子点的尺寸、电荷、浓度、修饰剂等因素均对其光稳定性有着重要影响^［6］。本课题组之前的研究发现^［7］，在氙灯照射下，碳量子点的荧光强度会出现先增强后减弱的现象。目前，关于硫量子点光稳定性的研究尚未见文献报道。

本文以聚乙二醇-400为钝化剂，以过氧化氢辅助刻蚀，参考文献报道的方法^［8，9］合成了分散性良好、荧光性质稳定的硫量子点，采用透射电子显微镜、紫外-可见吸收光谱、红外光谱等技术对其进行表征，并系统研究了氙灯照射及pH值等条件对硫量子点荧光性质的影响。另外，对硫量子点荧光猝灭的机制也进行了分析。

1　 实验部分

1.1　材料及仪器

材料：升华硫（99.95%）购于上海Aladdin化学试剂有限公司，氢氧化钠（NaOH）和过氧化氢溶液（AR）购于国药集团化学试剂有限公司，聚乙二醇-400（PEG-400）购于北京沃比森科技有限公司，实验用水为超纯水（18.25 MΩ·cm）。

仪器：CEL-HXF300W型氙灯（北京中教金源科技有限公司），UV-2450型紫外-可见分光光度计（UV-Vis，Shimadzu公司），RF5301PC型荧光分光光度计（Shimadzu公司），Nicolet Avatar-330型Fourier变换红外光谱仪（FI-TR，Thermo Fisher公司），Zetasizer Nano ZS90型激光粒度仪（Malva公司），JEM-2100F型场发射高分辨率透射电子显微镜（HRTEM，JEOL公司）等。

1.2　硫量子点的制备与表征

1.2.1　硫量子点的合成与纯化

以PEG-400为钝化剂，以过氧化氢辅助刻蚀的自上而下法合成硫量子点^［8，9］。具体过程如下：在带有回流冷凝管的三口圆底烧瓶中依次加入1.4 g升华硫粉、4.0 g NaOH、3.0 mL PEG-400和50 mL超纯水，然后于70 ℃下搅拌反应72 h，反应物颜色由棕红色逐渐变成橙黄色。待溶液温度降至室温，逐滴加入70 mL 6.75%（质量分数）H₂O₂溶液继续搅拌，溶液由橙黄色逐渐变成黄色，最终变成浅黄色，同时溶液温度快速上升，产生大量气泡和絮状沉淀。待温度下降至室温，得到的液体于10 000 r/min转速下离心10 min，除去大颗粒不溶性沉淀，上清液转移至截留相对分子质量为500 u的透析袋中，透析6 h以除去小分子杂质，其间每隔2 h换一次水，最后收集透析袋内溶液置于4 ℃保存。

1.2.2　硫量子点的表征

采用透射电子显微镜和激光粒度仪对硫量子点的粒径、形貌以及表面电荷进行表征，用Fourier变换红外光谱仪对硫量子点表面的官能团进行表征。采用紫外-可见分光光度计（扫描范围200~600 nm）和荧光分光光度计（激发光谱和发射光谱的扫描范围分别为220~410 nm和390~600 nm，激发和发射狭缝宽度均为3 nm）对硫量子点的光学性质进行表征。

硫量子点的相对荧光量子产率通过参比法^［10］测定。选择的参比标准物是硫酸奎宁（用0.1 mol/L H₂SO₄溶解），其荧光量子产率为54%。分别测定硫量子点溶液和硫酸奎宁溶液在350 nm 处的吸光度，通过稀释使其吸光度值均小于0.05，然后测定它们在350 nm激发波长下的荧光发射光谱，再根据如下公式^［10］计算硫量子点的荧光量子产率：

{\Phi }_x={\Phi }_{\mathrm{s}}\times \frac{I_x}{I_{\mathrm{s}}}\times \frac{A_{\mathrm{s}}}{A_x}\times \frac{n_x^{\mathrm{2}}}{n_{\mathrm{s}}^{\mathrm{2}}}

其中，Φ表示荧光量子产率，I表示荧光峰面积，A表示吸光度，n表示溶剂的折射率，下标x、s分别表示待测未知物和参比标准物。

1.3　硫量子点的光稳定性检测

1.3.1　光照时间对硫量子点光稳定性的影响

将40.0 mL 1.0 mg/mL 硫量子点溶液加入到通有冷凝水的光反应器中，置于磁力搅拌器上，调节至合适转速。随后，打开氙灯光源（电流15 A，光源距离液面的高度为6.5 cm，光照强度1.4 W/cm²）对样品进行照射。根据本课题组之前报道的方法^［7］分别在光照不同时间点取样，测定各时间点样品的紫外-可见吸收光谱和360 nm激发波长下的荧光发射光谱，以考察光照时间对硫量子点光稳定性的影响。

1.3.2　pH值对硫量子点光稳定性的影响

分别用pH值为3.0、7.4、11.0的0.1 mol/L磷酸盐缓冲溶液将硫量子点溶液稀释至相同浓度（1.0 mg/mL）。取40.0 mL上述溶液，按照1.3.1方法测定硫量子点在不同pH值和光照时间的紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱。

1.3.3　溶解氧对硫量子点光稳定性的影响

分别用pH值为3.0、7.4、11.0的磷酸盐缓冲溶液将硫量子点溶液稀释至相同浓度（1.0 mg/mL）。取40.0 mL上述溶液，先通氮气30 min除去水中溶解氧，然后继续在通氮气条件下，按照1.3.1方法测定硫量子点在不同pH值和光照时间的紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱。

2　 结果与讨论

2.1　硫量子点的表征

图1A为所合成硫量子点的透射电子显微镜图（TEM）及硫量子点的粒径分布直方图（插图），可以看出硫量子点的分散性良好，平均粒径为6.8±1.5 nm。图1B为硫量子点的高分辨率透射电子显微镜图（HRTEM），可以观察到硫量子点的晶格条纹，晶格间距为0.23 nm，对应于（3 3 7）晶面^［11］。硫量子点的Zeta电势为-21.7 mV，说明硫量子点表面存在大量带负电荷的基团。图1C为硫量子点的FT-IR谱图，可以观察到3 410 cm^-1和1 649 cm^-1两处的吸收峰，分别对应于H₂O中O—H的伸缩振动和H—O—H的弯曲振动^［11］。硫量子点上PEG-400的特征峰有5个：2 890 cm^-1处吸收峰是由C—H的伸缩振动引起的；1 462 cm^-1和1 354 cm^-1两处吸收峰是由C—H的弯曲振动引起的；1 103 cm^-1处吸收峰是由C—O—H的伸缩振动引起的；而945 cm^-1处的吸收峰是O—H的伸缩振动引起的^［1，12］。另外，613 cm^-1处吸收峰应该对应于S—O的弯曲振动。上述结果表明，硫量子点是以PEG-400作为覆盖剂和稳定剂形成的^［11］。

图2A为硫量子点在不同激发波长下的荧光发射光谱，可以看出硫量子点的荧光光谱具有激发依赖性，当激发波长从340 nm增加到400 nm时，发射波长逐渐红移（440→450 nm）。这可能是因为硫量子点的尺寸分布不均匀所导致^［13］，与TEM图的分析结果一致。根据图2B中硫量子点的荧光激发光谱（Ex）和荧光发射光谱（Em）可知，硫量子点的最大激发波长为364 nm，最大发射波长为443 nm。而从图2B中硫量子点的紫外-可见吸收光谱（Abs）观察到硫量子点在260 nm波长处有一较强的吸收峰，可能是由于S的非键电子n→σ^*跃迁所导致^［1］。用硫酸奎宁作为标准参比物计算得到硫量子点的荧光量子产率为20.0%，在紫外灯照射下发出明亮的蓝色荧光。

2.2　硫量子点的光稳定性分析

图3所示为溶液pH值为7.4时，硫量子点在氙灯照射不同时间后的荧光发射光谱（激发波长λ_ex=360 nm）和紫外-可见吸收光谱。从图3A可以看出，随着光照时间的延长，硫量子点溶液的荧光强度逐渐降低，且下降速度越来越慢；在光照10 min内，硫量子点的荧光强度降幅近90%，光照60 min内荧光几乎完全猝灭；在整个光照过程中，硫量子点的荧光峰位置发生轻微蓝移（439→434 nm），推测归因于其表面的光氧化过程^［2］。从图3B可以看出，氙灯照射对硫量子点的紫外-可见吸收光谱没有明显影响，在整个光照过程中几乎未发生变化。这说明硫量子点的内在结构及其浓度均未发生改变^［14］。

图4所示为硫量子点在不同pH值条件下荧光发射光谱随光照时间的变化。比较图4A、B和图3A可以看出，在不同pH值条件下，硫量子点在氙灯照射下均发生荧光猝灭现象，荧光强度随光照时间增加而逐渐降低。当溶液酸性较强（pH 3.0）时，硫量子点的荧光猝灭速率较小，而当溶液碱性较强（pH 11.0）时，硫量子点的荧光猝灭速率增大（图4C），表明硫量子点在酸性溶液中光稳定性更强。当溶液酸性较强（pH 3.0）时，整个光照过程中硫量子点的荧光峰发生蓝移（466→446 nm），同时伴随发射光谱峰变宽，这可能是由于粒径减小和尺寸分布不均匀所导致^［6］；而当溶液pH值为7.4和11.0时，荧光峰蓝移程度较小（438→431 nm），发射光谱峰宽度几乎没有变化。另外，溶液的pH值也会影响硫量子点的荧光强度。在硫量子点浓度（1.0 mg/mL）相同时，溶液的pH值越大，硫量子点的荧光强度也越大，说明硫量子点不耐受pH值的变化（图4D），这可能与不同pH值缓冲溶液中硫量子点的表面结构不同有关。

2.3　光照影响硫量子点光稳定性的机理分析

量子点的荧光量子产率很大程度上取决于其表面状态，表面缺陷会导致非辐射弛豫，大大降低荧光量子产率，而适当地进行表面钝化可提高荧光量子产率^［6］。因此，量子点的表面状态可能是影响其光稳定性的根本原因。本课题组之前的研究发现，体系中的溶解氧对量子点的光稳定性有着重要影响^［15］。吸收光产生的电荷载流子会被捕获到量子点表面形成激子，激子再与环境中存在的氧发生反应产生活性氧，而活性氧会进一步与量子点表面的物质发生反应。这种光氧化作用会逐渐腐蚀量子点的表面状态，从而导致量子点荧光猝灭和尺寸减小。另外，不同强度的激发光对量子点的影响也不相同。当激发光的强度低于饱和值时，量子点在光照射下会稳定地发光；但是当所用激发光强度很大时，量子点会发生光漂白。这是因为当所用激发光强度很大时，会加速量子点表面的氧化过程，增加表面缺陷，从而导致量子点光化学不稳定和荧光猝灭^［6］。在氙灯照射过程中通入氮气除去溶液中的溶解氧，考察活性氧是否为导致硫量子点荧光猝灭的因素。图5A结果表明，通入氮气后硫量子点的荧光强度下降速率趋缓，硫量子点的光稳定性提高，表明活性氧对硫量子点的光稳定性有着非常重要的影响。根据文献研究^{［16，17］}，在氙灯的强辐射下，硫量子点可以与溶液中的溶解氧相互作用产生活性氧自由基，活性氧自由基进一步与硫量子点表面的多硫化物和修饰剂作用，从而改变硫量子点表面的电荷状态和基团种类，形成表面缺陷态，进而导致荧光猝灭。在不同pH条件下，光照使硫量子点产生的活性氧自由基不同，其表面电荷和基团状态也不相同，所以在pH 11.0缓冲溶液中荧光猝灭速度会比在pH 3.0和pH 7.4缓冲溶液中更快，并且荧光峰发生蓝移。为了排除溶解氧的影响，进一步研究了不同pH条件下通氮气后硫量子点的荧光强度随时间的变化。图5B结果表明，pH 3.0缓冲溶液中硫量子点的荧光稳定性更好，这与未除氧时的实验结果（图4）相一致。

3　 结 语

本文系统研究了PEG-400为钝化剂，采用过氧化氢辅助刻蚀的自上而下法合成了分散性良好、荧光性质稳定的硫量子点。光稳定性实验结果表明，在氙灯照射下，合成的硫量子点荧光强度随光照时间延长而逐渐降低，而且下降的速度也逐渐减小；溶液pH值对硫量子点光稳定性也有影响，硫量子点在pH 3.0的溶液中的光稳定性比在pH 7.4和pH 11.0的溶液中更强；溶解氧也是影响硫量子点光稳定性的重要因素。相关研究可望对硫量子点在生物成像领域的应用提供一定的依据。

参考文献

[1] HU Z， DAI H Q， WEI X， et al. 49.25% efficient cyan emissive sulfur dots via a microwave-assisted route ［J］. RSC Advances， 2020， 10（29）： 17266-17269. DOI：10.1039/d0ra02778b .

[2] CHOUDHURY S R， GOSWAMI A. Supramolecular reactive sulphur nanoparticles： A novel and efficient antimicrobial agent ［J］. Journal of Applied Microbiology， 2013， 114（1）： 1-10. DOI：10.1111/j.1365-2672.2012.05422.x .

[3] ZHANG C C， ZHANG P， JI X J， et al. Ultrasonication-promoted synthesis of luminescent sulfur nano-dots for cellular imaging applications ［J］. Chemical Communications， 2019， 55（86）： 13004-13007. DOI：10.1039/c9cc06586e .

[4] WANG S， BAO X， GAO B， et al. A novel sulfur quantum dot for the detection of cobalt ions and norfloxacin as a fluorescent “switch” ［J］. Dalton Transactions， 2019， 48（23）： 8288-8296. DOI：10.1039/c9dt01186b .

[5] CHASHCHIKHIN O V， BUDYKA M F. Photoactivation， photobleaching and photoetching of CdS quantum dots-Role of oxygen and solvent ［J］. Journal of Photochemistry and Photobiology A： Chemistry， 2017， 343： 72-76. DOI：10.1016/j.jphotochem.2017.04.028 .

[6] CARRILLO-CARRIÓN C， CÁRDENAS S， SIMONET B M， et al. Quantum dots luminescence enhancement due to illumination with UV/Vis light ［J］. Chemical Communications， 2009（35）： 5214-5226. DOI：10.1039/b904381k .

[7] HU H W， TIAN X M， GONG Y X， et al. N-doped carbon dots under Xenon lamp irradiation： Fluorescence red-shift and its potential mechanism ［J］. Spectrochimica Acta Part A： Molecular and Biomolecular Spectroscopy， 2019， 216： 91-97. DOI：10.1016/j.saa.2019.03.020 .

[8] SHEN L H， WANG H N， LIU S N， et al. Assembling of sulfur quantum dots in fission of sublimed sulfur ［J］. Journal of the American Chemical Society， 2018， 140（25）： 7878-7884. DOI：10.1021/jacs.8b02792 .

[9] WANG H G， WANG Z G， XIONG Y， et al. Hydrogen peroxide assisted synthesis of highly luminescent sulfur quantum dots ［J］. Angewandte Chemie International Edition， 2019， 58（21）： 7040-7044. DOI：10.1002/anie.201902344 .

[10] LIU H B， BAI Y L， ZHOU Y R， et al. Blue and cyan fluorescent carbon dots： One-pot synthesis， selective cell imaging and their antiviral activity ［J］. RSC Advances， 2017， 7（45）： 28016-28023. DOI：10.1039/c7ra03167j .

[11] QIAO G X， LIU L， HAO X X， et al. Signal transduction from small particles： Sulfur nanodots featuring mercury sensing， cell entry mechanism and in vitro tracking performance ［J］. Chemical Engineering Journal， 2020， 382： 122907. DOI：10.1016/j.cej.2019.122907 .

[12] WANG Z G， ZHANG C C， WANG H G， et al. Two-step oxidation synthesis of sulfur with a red aggregation-induced emission ［J］. Angewandte Chemie International Edition， 2020， 59（25）： 9997-10002. DOI：10.1002/anie.201915511 .

[13] SUN Y P， ZHOU B， LIN Y， et al. Quantum-sized carbon dots for bright and colorful photoluminescence ［J］. Journal of the American Chemical Society， 2006， 128（24）： 7756-7757. DOI：10.1021/ja062677d .

[14] AN R， ZHANG F Y， ZOU X S， et al. Photostability and photodegradation processes in colloidal CsPbI₃ perovskite quantum dots ［J］. ACS Applied Materials & Interfaces， 2018， 10（45）： 39222-39227. DOI：10.1021/acsami.8b14480 .

[15] 周优，谭洪鹏，唐爽，等.组氨酸、谷胱甘肽混合修饰金纳米团簇的光稳定性研究 ［J］.光谱学与光谱分析， 2018， 38（10）： 3177-3181. DOI：10.3964/j.issn.1000-0593（2018）10-3177-05 .

[16] ZHOU Y， TAN H P， TANG S， et al. Study on the photostability of histidine and glutathione modified gold nanoclusters ［J］. Spectroscopy and Spectral Analysis， 2018， 38（10）： 3177-3181. DOI：10.3964/j.issn.1000-0593（2018）10-3177-05 （Ch ）.

[17] TIAN X， SUN Y R， FAN S H， et al. Photogenerated charge carriers in molybdenum disulfide quantum dots with enhanced antibacterial activity ［J］. ACS Applied Materials & Interfaces， 2019， 11（5）： 4858-4866. DOI：10.1021/acsami.8b19958 .

[18] RIBEIRO D S M， CASTRO R C， SOARES J X， et al. Photocatalytic activity of AgInS₂ quantum dots upon visible light irradiation for melatonin determination through its reactive oxygen species scavenging effect ［J］. Microchemical Journal， 2020， 155：104728. DOI：10.1016/j.microc.2020.104728 .

基金资助

国家自然科学基金(31772785)