基于量子点荧光淬灭技术的痕量Cu2+检测传感器研究

自然光），而ｃｄｋ量子点激发的荧光波长在５００ｌ一到８００ｎｍ之间，可以 全部通过。 １．２信号处理模块
Ｊ髓Ｇ、ＬＣＤ、串口、ＮＡＮＤ兀。枷、网卡、ｓＤＲＡＭ等电路组成。微处理器采
用嵌入式ＳＯＣ芯片Ｓ３Ｑ４４０Ａ，Ｓ３∞４４０Ａ的核心处理器（ｃＰＵ）是由
Ａｄｖａｎｏｅｄ ＲＩｓＣ Ｍａ
ｄ１：抵有限公司设计的１６／３２位舡蝴的ＲＩｓＣ处理
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２００４，（３）：４１．
［３］ｚＨＥＮＧＨｕａ—ｊｉ“ｇ，ｚＨＥＮＧ Ｊｉａ—ｇｕｉ，ＦＥＮＧｕａｒｌｇ—ｈｕａｎ［Ｊ］．ｅｔ ａ１．
室温下，向传感器比色皿内加入６２０Ⅲ彬Ｌ的铜离子溶液，每隔５
秒记录一次传感器的输出电压值，结果如图４所示。可以看出反应 刚开始时检测电压变化的速率较快，但２０秒后电压增强的速率变 慢，５０秒后电压变化很小，趋于稳定，说明传感器对ｃＩｌ２＋检测时间 为５０秒，满足现场快速检测要求。 ２．２可重复性 本实验中，采用多次测量的相对标准偏差来反应系统的重复性。
㈩Ｉ ’Ｉ芯器？；’，尚
荧光检测电路主要由前级光电转换放大电路和后级滤波放大电 路组成。前级放大电路采用互阻放大器，实现了微弱光电流到一定电 压的转换。后级滤波放大电路使用的是二阶压控电压源低通滤波。它 是由两节Ｒｃ滤波电路和同相比例放大电路组成。 嵌人式处理显示电路的硬件结构主要微处理器和外围扩展的
激光器（法国０Ⅺｄｕｓ公司，波长４０５一，输出功率２５０ｒ｜ｌＷ，功率稳定性±
Ｏ．５％，光学噪声＜０．５％，光束质量＜１．３５）、分光器、石英比色皿、滤波 片（５００ｌ一高通）、聚光透镜等组成。半导体激光器自带温度补偿电路， 有相对稳定的输出功率与波长；选用的高通滤光片滤除波长小于
５咖ｎ的干扰信号（主要是激光源发出的４∞Ⅲ的紫色光与环境中的
Ｓｃｉ∞ｃｅｓ，Ｈｅｆｅｉ ２３００３ｌ。ｃｉｎａ
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／ 提要：本文设计了一种可用于现场检测的痕量ｃｕ２＋传感器，运用白行研制的光学感知与信号处理模块实现痕量Ｃｕ２＋的快速检测，达到了 检测仪器的低成本、小型化的目的。实验结果表明，在ｃｕ２＋浓度５０—１０００ｎ・ｍｌ／Ｌ范围内传感器检测结果具有较好的线性关系，拟合后的直线 方程为Ｙ＝０．１１８６９＊ｘ＋１４．４７２６８，线性度为Ｏ．９９３５８，标准方差为４．６３０９９，传感器响应时间为５０秒，检测的可重复性较好，该传感器可以满足 痕量Ｃｕ２＋现场检测的需求。
信号处理模块完成微弱信号的转换、放大、比对与显示，主要由荧
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电
１传感器设计
ｃｕ２＋检测传感器主要结构包括激光器对量子点的荧光激发、淬灭 以及对微弱检测信号的分析与处理，试验中用到的量子点溶液是按照 文献【５’的方法制备的。传感器总体结构如图１所示。 １．１光学感知模块 光学感知模块完成激光光源的输出与荧光的激发，它包括半导体
ｄｅｔｅｃ６佣ｆ０Ｉ。ｈａｃｅ ｏｆＣｕ“一ｓｉｔｅｔ荡ｔｉｎｇ． ｎ叫血ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；Ｆ１ｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ｑＬＩｅｎｃｈｉｎｇ；０ｐｔｉｃａｌ ｃｈｅ商ｓｔｒｙ
ｓｅｎｓｏｒ
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铜是人体必需的微量元素，在人体的生理过程中扮演着重要的角 色。但过量的铜长期积累在身体内不可降解，会对人体造成危害…。 随着我国工业快速发展，有些生态系统受到不同程度Ｃｕ２＋污染。因此 痕量ｃｕ２＋的检测在药物、食品、临床和环境方面都是非常重要的。 近年来，基于量子点独特的荧光性能【２］，量子点荧光淬灭法已被用 于广泛应用于重金属离子检测［３］。然而由于其实验条件需要大型荧光 光谱仪，不易于在检测现场使用，所以限制了量子点荧光淬灭法在实际 中的推广与应用。本文在半导体量子点的基础上【４Ｊ，利用自行研制的 光电采集、转换与处理模块完成痕量铜离子的现场检测，设计了一种低 成本、快速、准确检测铜离子浓度的荧光传感器系统，实现了检测仪器 的低成本、快速与现场检测。
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标准偏差与相对标准偏差。
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×１００％＝０．５２６３％
（１）
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Ｃｍ量子点制备
ｄ＝＾／昔＝３．４１６
Ｇ＝＝×１００％＝Ｏ．１３７％
为系统测量范围。
∞
（２）
依照文献１５Ｊ中的量子点制备方法，取０．挖８４９氯化镉（Ｃｄａ２・２．５心Ｏ） 与０．１９２鲰巯基乙胺样品，混合后加入到２妇ｎＬ超纯水（除氧）中，再利用 盐酸将其ＰＨ值调到５，制成含有巯基化合物与镉离子的混合溶液。 然后，将５ｍＬ浓度为Ｏ．５Ｍ的稀硫酸溶液注入该混合溶液中。将Ｈ２Ｔｅ 通人上述镉离子溶液中，匀速搅拌２０分钟后，加热回流，可得到表面 氨基功能化的碲化镉量子点水溶液【５］。
Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ． Ｄ０ｔｓ
Ｈｙｂ蒯，Ｊ．
［５］Ｋｌｌｉ ｚｈａｎｇ，ｚｈｏｎ印ｉ“ｇ功ａｎｇ［Ｊ］．ｅｔ ａｌ，Ｉｎｓｔａｎｔ Ｖｉｓｕａｌ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ＴＩｉＩｌｉｔｒｕｔｏＩｕ即ｅ ＰａＩｔｉｃｕＩａｔｅｓ 叩ＶａＩｉｏｕｓ ＳｕＪ｛ａｃｅｓ ｂｖ Ｒａｔｉｏｍｅｔｒｉｃ
ｎｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ｏｆ Ｄｕａｌ—ＥＩＩｌｉｓｓｉｏｎ Ｑｕ锄ｔｕｒｎ Ｄｏｔｓ Ｈｙｂｒｉｄ，Ｊ．Ａｍ． Ｃ｝ｌｅｍ．Ｓｏｃ，２０１１，１３３（２２）：８４２４～８４２７．
（３）
其中：吼为单次测量值；ｎｏ为标准浓度６００ＩｌＩｒ彬Ｌ；Ｒ＝９５０ｎＨｌ０Ｌ／Ｌ
２检测试验
２．１
∞
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一毫一錾查。＾
∞
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Ｏ
１０
２０：砷 Ｔｌｍｅ（Ｓ）
４ｎ
５０
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图４传感器响应时间 表２重复性测量结果
铡量显示值 （％） 次数
１
平均值
百（％）
标准相：时标准 偏差５
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关键词：甜ｒｅ量子点；重金属检测；荧光淬灭；光化学传感器
中图分类号：Ｔ№船．１
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文献标识码：Ａ
文章编号：吆５３—２７４３（加１３）０１一帅３９一舵
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室温下，依次向传感器比色皿内加入６０ＤｎｍＬ／Ｌ的铜离子溶液，完成
１０次测量，结果见表２。最后，根据检测结果，计算测量的系统误差、
万方数据
基于量子点荧光淬灭技术的痕量Cu2+检测传感器研究
作者： 作者单位： 郑守国， 李淼， 张健， 胡泽林， ZHENG Sou-guo， LI Miao， ZHANG Jian， HU Ze-lin 郑守国,ZHENG Sou-guo(中科院安徽光学与精密机械研究所,合肥231500;中科院合肥智能机械研究所,合肥 331500)， 李淼,张健,胡泽林,LI Miao,ZHANG Jian,HU Ze-lin(中科院合肥智能机械研究所,合肥 ,331500) 激光杂志 Laser Journal 2013,34(1)
２３００３１。ｃ｝ｌｉ聃；、
Ｍｉａｏ＇。Ｚｍ州Ｇ Ｊｉａｎ２，ＨＵ ｚｅ—ｌｉｎ２
Ａｃａｄｅｍｙ ０ｆ ｓｃｉｅｎｃｅｓ。Ｈｅｆｅｉ
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ｐｒｏｃｅｓｓｈｌｇ ｐｍｐｏｓｅｄ
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２．１ｎｓｌｉｔｕｔｅ ０ｆ ＩｎｔｅｕｉｇｅｒＩｔ Ｍａｃｈｉｎｅｓ．Ｃ｝ｌｉｎｅｓｅ ｕｓｅｄｆｏｒ ０ｎ—ｓｉｔｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ
离子浓度的转化显示。ｃｕ２＋浓度显示应用程序基于嵌入式Ｌｉｎｕｘ操 作系统，Ｉ血ｕ）【内核是Ｌｊｎｕ）【操作系统的核心，它包括系统通用接口、 进程管理模块、存储管理模块、虚拟文件系统、网络协议协议栈和设
万方数据
《激，蓄！毳§翥髫ｌ君；萨ｉ宴蘩学籍灭技术的蠢蠡若岳０；ｉ毅矮零ｉ登ｌ撬．。．加。。）
备驱动等。设备驱动又是Ｌｉｎｕｘ内核的重要组成部分，荧光系统检测 到的电压值是通过ＡＤ转换驱动传递给应用程序实现显示、通信功能。 荧光传感器检测系统包括ＩＪｃＤ触摸屏、ＤＭ９０００网卡、串口和ＡＤ转换 等设备驱动，它们是嵌入式硬件系统与“ｒｍｘ操作系统间的软件接口。
器。ＡＩ瑚蚴０１ｒ实现了肼ｕ，Ａ＾Ⅱ认ＢＵＳ和Ｈａｒｖ“高速缓冲体系结构。
ｃｕ２＋浓度是根据ＡＤ转换的电压变化值和铜离子标准曲线获得， 这条标准曲线通过标准溶液实验得到，通过应用程序实现电压到铜
收稿日期：２０１２一１２一０４ 基金项目：国家科技支撑项目（２０１２ＢＡＪ２４８０２）。 作者简介：郑守国（１９８５一），安徽省庐江县人，博士研究生，主要从 事农业环境污染检测技术研究。
郑守国等：基于量子点荧光淬灭技术的痕量ｃｆ＋检测传感器研究 ＩＡＳＥＲ ＪＯｕＲＮＡＬ（Ｖ０１．３４．Ｎｏ．１．２０１３） 《激光杂志》２０１３年第３４卷第１期
３９
基于量子点荧光淬灭技术的痕量Ｃｕ２＋检测传感器研究
郑守国１，一，李淼２，张健２，胡泽林２
／１．中科院安徽光学与精密机械研究所，合肥２３１５００；＼ ＼２．中科院合肥智能机械研究所，合肥３３１５００
２．２检测时间
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２００８，（７ Ｌ）：１２２４一１２２７．
［３］
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图３标准曲线
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参考文献
ｗ卸ｇ玎，Ｆａｌｌ）【Ｊ，“明，ｅｔ
ｎａｌ【ｅｄ—ｅｙｅ
由图可见，在Ｃｕ２＋浓度为Ｏ至３０００ｍｏＬ／Ｌ范围内，检测结果的线 性关系不是很理想。通过嘶甭ｎ软件进行线性拟合分析，发现检测结
果在ｃｕ２＋浓度５０至１０００ｈｌｒ肿】／Ｌ范围内具有较好的线性关系，拟合后 的直线方程为Ｙ＝０．１１８６９＊ｘ＋１４．４７２６８，线性度为Ｏ．９９３５８，标准方 差为４．６３０９９。传感器检测系统可以通过电压变化的线性回归方程 计算出Ｃｕ：＋浓度，标准曲线如图４所示。
图２加入不同浓度Ｃｕ２＋的检测结果
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２
３
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６０ｌ
４ ５ ６
７Hale Waihona Puke Baidu
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６００
选取浓度范围在０至３０００ｎ—叫／Ｌ的ｃｕ２＋溶液，利用本文设计的 传感器进行检测，以输出的电压差值作为坐标Ｙ轴，ｃｕ２＋浓度值作为 ｘ轴，结果如图２所示。
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６０４ 国７ ∞３
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３．４１６
Ｏ．００５６９６
８ ９ ∞ ∞ １０
ｓｐｅｃｔｒｏｓｃ叩ｙ∞ｄ Ｓｐｅｃｔｒａｌ ＡＩＩａｌｙｓｉｓ，２００５，２５（７）：１０ｒ７１． ［４］ｌ“压ａ１１９，Ｈａｉｂ０办ｏｕ，Ｑｉｎ铲０ｎｇ Ｍｅｉ［Ｊ］．ｅｔ ａ１．ＩｎｓＩ蚰ｔ Ｖｉｓｕａｌ 珧ｔｅ【：ｔｉ叽ｏｆ’ｍｎｉｔｍｔ０１ｕｅｎｅ Ｐａｎｉｃｕｌａｔｅｓ ｏｎ Ｖａｒｉ０Ｌｌｓ Ｓｕｄ砬ｅｓ ｂｙ Ｉｈｉｏｍｅ砸ｃ几ｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ０ｆ Ｄｌｌａｌ一Ｅ商商０ｎ Ｑｕ跚ａⅡｎ
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３
结论
本文在研究ｃｄＴｅ量子点荧光淬灭技术的基础上，设计了一种现
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场快速检测铜离子的传感器。实验表明，该传感器在５０至１０００ｎｎｄ／ Ｌ范围内能够有效的检测ｃｕ２＋浓度，线性度达到０．９９３５８，检测时间 约为５０秒。本文的设计为测定痕量ｃｕ２＋提供了一种低成本、快速的 现场检测传感器。