基于聯(lián)吡啶釕在CdTe量子點(diǎn)/氮摻雜石墨烯修飾電極上的電致化學(xué)發(fā)光法測定三丙胺

吳芳輝， 董天涯， 劉 惠， 張 奎， 儲(chǔ)心萍， 陳 晨

(安徽工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，安徽馬鞍山 243002)

聯(lián)吡啶釕化合物具有較好的熱力學(xué)穩(wěn)定性，可電化學(xué)再生，激發(fā)態(tài)壽命長，發(fā)光效率較高，是電致化學(xué)發(fā)光(ECL)法檢測生物物質(zhì)中最常用的發(fā)光試劑之一[1 - 4]。但是聯(lián)吡啶釕配合物在裸電極上ECL信號(hào)很弱，導(dǎo)致反應(yīng)體系中需要消耗大量的聯(lián)吡啶釕化合物，或者需要外加共存試劑來增強(qiáng)其ECL信號(hào)，從而限制了聯(lián)吡啶釕化合物的進(jìn)一步應(yīng)用。因此，基于導(dǎo)帶和價(jià)帶之間帶隙小，量子產(chǎn)率高，發(fā)射波長與粒徑大小息息相關(guān)，以及寬激發(fā)窄發(fā)射等優(yōu)勢的半導(dǎo)體量子點(diǎn)(QDs)被修飾至基底電極上，利用共振能量轉(zhuǎn)移等過程來增強(qiáng)液相中聯(lián)吡啶釕化合物的陽極發(fā)光效率[5 - 6]，然而要實(shí)現(xiàn)QDs作為耦合敏化ECL材料，拓展其在ECL傳感中的應(yīng)用范圍，需要解決QDs因懸浮于體相中損失過大，并且表面能高易團(tuán)聚無法穩(wěn)定共存的缺陷，因此，近年來具有信號(hào)放大功能的納米材料不斷地與不同的QDs復(fù)合，制備出了一系列具有ECL應(yīng)用潛力的復(fù)合材料[7 - 9]。在這些納米材料中，石墨烯特別是摻雜了氮原子的石墨烯(NG)作為一種重要的碳納米材料不僅具有超強(qiáng)的導(dǎo)電性、較大的比表面積和低毒性，而且生物相容性和水溶性突出，還易于被各種功能基團(tuán)所修飾[10 - 11]，所以在NG上負(fù)載QDs有望使制備的復(fù)合材料獲得更多的選擇性響應(yīng)位點(diǎn)和更高的響應(yīng)活性[12]。

本文采用簡單的方法制備了CdTe QDs@NG復(fù)合材料并進(jìn)行了必要的表征，根據(jù)中性環(huán)境中三丙胺(TPA)存在下，聯(lián)吡啶釕化合物在CdTe QDs@NG復(fù)合材料修飾電極上表現(xiàn)出較強(qiáng)的ECL信號(hào)，建立了測定TPA的新體系。到目前為止，尚未見有關(guān)利用聯(lián)吡啶釕化合物在CdTe QDs@NG復(fù)合材料修飾電極上的ECL行為測定TPA的文獻(xiàn)報(bào)道。優(yōu)化了各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)條件，結(jié)果表明，聯(lián)吡啶釕ECL強(qiáng)度差值ΔIECL與TPA的濃度在一定范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，而且方法的靈敏度高、選擇性強(qiáng)、再現(xiàn)性好，最后該方法被成功用于測定水樣中的TPA含量。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Nicolet 6700 FT-IR型紅外光譜儀(KBr壓片)(美國，尼高力)；F-4800型透射電鏡(日本，日立公司)；MPI-B型電致化學(xué)發(fā)光分析系統(tǒng)(西安瑞邁分析儀器有限責(zé)任公司)；CHI650D型電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)，實(shí)驗(yàn)中采用三電極系統(tǒng)：玻碳電極(GCE)或CdTe QDs@NG/GCE修飾電極為工作電極，Ag/AgCl電極為參比電極，鉑絲電極為對電極，實(shí)驗(yàn)在通氮除氧條件下于室溫中進(jìn)行；KH2200B型超聲波清洗器(昆山禾創(chuàng)超聲有限公司)。

1.2 CdTe QDs的合成

CdTe QDs參照文獻(xiàn)方法[13]并加以改進(jìn)制備:準(zhǔn)確稱取0.1981 g CdCl2·2.5 H2O于燒瓶中，加入50 mL水，在氮?dú)獗Ｗo(hù)的條件下加入160 μL巰基丙酸，用0.1 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值到11，此時(shí)可以觀察到溶液由渾濁逐漸變?yōu)槌吻?，繼續(xù)通氮?dú)?0 min，即制得CdTe前驅(qū)體；在另一個(gè)通氮除氧30 min的兩口燒瓶中加入10 mL水，然后迅速加入0.1190 g NaBH4和0.0492 g Te粉，氮?dú)獗Ｗo(hù)條件下室溫?cái)嚢? h，觀察到體系最終轉(zhuǎn)變?yōu)樽仙吻迦芤?。將上述制備的NaHTe溶液迅速加入到無色透明的CdTe前驅(qū)體溶液中，觀察到溶液變成黃色，接著迅速升溫至100 ℃，加熱回流攪拌1 h，能夠觀察到溶液顏色由黃色向紅色轉(zhuǎn)變，最終得到橙黃色溶液，冷卻至室溫，濃縮溶液體積至20 mL，然后加入異丙醇使之產(chǎn)生大量沉淀，離心分離后使用丙酮洗滌沉淀3次，最后于30 ℃真空干燥10 h后，備用。

1.3 CdTe QDs@NG復(fù)合材料的合成

準(zhǔn)確稱取10 mg NG于10 mL水中，超聲分散4 h，制得1.0 mg/mL的NG溶膠，接著加入等體積的1.0 mg/mL CdTe QDs溶液，超聲1 h，即得到CdTe QDs@NG復(fù)合材料。

1.4 修飾電極的制備

將直徑3 mm的玻碳電極(GCE)在麂皮上用0.05 μm Al2O3拋光處理至鏡面，再依次用HNO3、丙酮、乙醇和水分別超聲3 min。洗凈干燥后，將GCE放入0.5 mol/L H2SO4中，于-1.5～1.5 V下進(jìn)行循環(huán)伏安掃描至循環(huán)伏安圖穩(wěn)定為止。用微量進(jìn)樣器先吸取20 μL CdTe QDs@NG復(fù)合材料溶液滴涂在GCE的表面，再吸取10 μL 0.5%的Nafion乙醇溶液(將5%的Nafion溶液用乙醇稀釋)，于室溫下在氮?dú)夥罩凶匀粨]發(fā)至干，最終得到固載效果好的CdTe QDs@NG/GCE修飾電極。

1.5 測量方法

采用三電極體系在ECL分析儀上進(jìn)行測量。電解質(zhì)溶液為pH為7.0的0.1 mol/L磷酸鹽緩沖溶液(PBS)，循環(huán)伏安掃描的范圍為0～1.5 V，掃描速度為100 mV/s，光電倍增管高壓設(shè)定為800 V。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合材料的表征

使用透射電鏡(TEM)分別對CdTe QDs、NG以及CdTe QDs@NG復(fù)合材料進(jìn)行表征。如圖1A所示，可以看到本文方法制備的CdTe QDs分布相對均勻，粒徑大小較為統(tǒng)一，尺寸約在5 nm左右；圖1B為NG的皺褶狀結(jié)構(gòu)；圖1C是CdTe QDs@NG復(fù)合材料的TEM圖，從圖中能夠清楚的觀察到片狀二維平面結(jié)構(gòu)NG的表面均勻分布有很多CdTe QDs，表明CdTe QDs已經(jīng)成功地與NG復(fù)合。

圖1 CdTe QDs(A)、NG(B)和CdTe QDs@NG(C)的透射電鏡(TEM)圖Fig.1 TEM images of CdTe QDs(A)，NG(B) and CdTe QDs/NG(C)

本文還采用傅里葉變換紅外(FI-IR)光譜對產(chǎn)物進(jìn)行了表征。結(jié)果如圖2所示，圖中曲線a為NG的紅外光譜圖，在1 556 cm-1和3 455 cm-1有兩個(gè)非常明顯的峰，分別對應(yīng)的是N-H彎曲振動(dòng)和伸縮振動(dòng)吸收峰；圖中曲線b為CdTe QDs的紅外光譜圖，3 345 cm-1處的吸收峰由O-H和C-O伸縮振動(dòng)產(chǎn)生，1 384 cm-1和1 584 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰分別為QDs中殘余的巰基丙酸中-COOH的對稱伸縮振動(dòng)和不對稱伸縮振動(dòng)所產(chǎn)生[14]；圖中曲線c為CdTe QDs@NG的紅外光譜圖，在3 000～3 500 cm-1有一個(gè)強(qiáng)寬峰，有可能是殘余巰基丙酸中O-H以及氮摻雜石墨烯中N-H同時(shí)伸縮振動(dòng)導(dǎo)致，也有可能是復(fù)合材料分散于水相當(dāng)中的O-H伸縮振動(dòng)導(dǎo)致的。除此之外，復(fù)合材料的紅外光譜仍能明顯觀測到對應(yīng)于CdTe QDs的1 584 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰，而且由于CdTe QDs負(fù)載于NG材料上，1 584 cm-1、2 180 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，可能是CdTe QDs和NG復(fù)合后各官能團(tuán)協(xié)同作用的結(jié)果。

2.2 修飾電極的交流阻抗研究

本實(shí)驗(yàn)在含0.1 mol/L KCl的5 mmol/L [Fe(CN)6]4 -/3-溶液中測試得到各種電極的Nyquist圖，從而研究電解質(zhì)與電極表面之間的電子傳遞情況。在高頻區(qū)呈現(xiàn)的一個(gè)半圓體現(xiàn)電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)即電子傳遞速率的快慢，而低頻區(qū)一條近似45°的斜線，與擴(kuò)散控制過程有關(guān)。如圖3所示，曲線a為GCE的阻抗曲線，電阻比較小。曲線b為NG/GCE的阻抗曲線，可以看出導(dǎo)電性好，電阻變小。曲線c為CdTe QDs/GCE的阻抗曲線，有一個(gè)半徑較大的半圓，表明電阻變得非常大。曲線d則為CdTe QDs@NG復(fù)合材料的阻抗曲線，電阻明顯比曲線c阻抗小，說明加入NG后，改善了原CdTe QDs的導(dǎo)電性，使得電極表面電子傳遞速度明顯加快。

圖2 NG(a)、CdTe QDs(b)和CdTe QDs@NG(c)的傅里葉變換紅外(FI-IR)光譜圖Fig.2 FI-IR spectra of NG(a),CdTe QDs(b) and CdTe QDs@NG(c)

圖3 GCE(a)、NG/GCE(b)、CdTe QDs/GCE(c)和CdTe QDs@NG/GCE(d)的電化學(xué)阻抗譜圖Fig.3 Electrochemical impedance spectra of bare GCE(a),NG/GCE(b),CdTe QDs/GCE(c) and CdTe QDs@NG/GCE(d)

圖4 TPA(2.4×10-7 mol/L)存在下 mol/L)在裸GCE(a)、NGGCE(b)、CdTe QDs/GCE(c)和CdTe QDs@NG/GCE(d)上的ECL強(qiáng)度-電勢曲線Fig.4 ECL intensity-potential curves of (2.0×10-6 mol/L) at bare GCE (a),NG/GCE(b),CdTe QDs/GCE(c) and CdTe QDs@NG/GCE(d) at the presence of 2.4×10-7 mol/L TPA

2.3 TPA存在下在不同電極上的ECL行為研究

2.4 實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

圖5 緩沖溶液pH值對ECL強(qiáng)度的影響Fig.5 The effect of buffer pH on ECL intensity

圖用量對ECL強(qiáng)度的影響Fig.6 The effect of amount of on ECL intensity

2.5 方法評(píng)價(jià)

圖7 (A)不同濃度的TPA對應(yīng)的的ECL曲線；(B)相對發(fā)光強(qiáng)度與TPA濃度之間的校正曲線Fig.7 (A)ECL curves for detection of different concentration of TPA;(B)Linear relationship between relative ECL intensity (ΔIECL) and TPA concentrationThe concentration of TPA:(a)0 mol/L,(b)4.0×10-9 mol/L,(c)2.0×10-8 mol/L,(d)4.0×10-8 mol/L,(e)8.0×10-8 mol/L,(f)1.6×10-7 mol/L,(g)2.4×10-7 mol/L,(h)3.2×10-7 mol/,(i)4.0×10-7 mol/L.

2.5.3 重復(fù)性和穩(wěn)定性研究優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下，測定8.0×10-8mol/L TPA溶液，平行測定10次，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為2.03%，說明該電極的重復(fù)性良好。將使用過的電極置于4 ℃環(huán)境下保存一周后再次測定相同濃度的TPA溶液，其ECL信號(hào)強(qiáng)度仍為原來的90%以上，說明該復(fù)合材料修飾電極的穩(wěn)定性較好，使用壽命較長。

2.6 樣品測定

表1 樣品中TPA的分析結(jié)果(n=6)

3 結(jié)論