魯米諾在β-環(huán)糊精修飾電極上的電致化學(xué)發(fā)光行為

胡立巧，張精精，董永平

(安徽工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，安徽馬鞍山243032)

電致化學(xué)發(fā)光(electrochemiluminescence，ECL)是一種將電化學(xué)與化學(xué)發(fā)光相結(jié)合的現(xiàn)代分析方法，通過施加一定的電壓或電流使具有發(fā)光性能的物質(zhì)在電極表面發(fā)生某種電化學(xué)反應(yīng)，發(fā)光體由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，再由激發(fā)態(tài)以光的形式釋放能量回到基態(tài)，產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象[1]。近年來，ECL因其操作簡單、靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)范圍寬、選擇性好等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于臨床診斷、免疫分析、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域[2-4]。

大環(huán)分子可與目標分子形成配合物或包合物，從而實現(xiàn)對目標分子高靈敏性和高選擇性檢測。β-環(huán)糊精(β-cyclodextrin，β-CD)由7個D-吡喃葡萄糖單元構(gòu)成，具有疏水性空腔和親水性外部，可與目標分子選擇性結(jié)合。β-環(huán)糊精已被廣泛用于電分析化學(xué)，如β-環(huán)糊精功能化的金納米顆粒修飾電極用于抗壞血酸的檢測[5]；β-環(huán)糊精修飾的銀納米顆粒自修飾錫電極用于對硝基芳香烴異構(gòu)體的痕量檢測[6]；β-環(huán)糊精功能化的鈀納米顆粒修飾電極用于汞離子的檢測[7]。二氰二胺(dicyandiamide，DCD)是一種重要化工生產(chǎn)原料，廣泛用于制作涂料、薄膜膠、包裝膠黏劑等，但其具一定毒性，對人體和環(huán)境均有危害，因此研究二氰二胺的檢測方法具有現(xiàn)實意義。檢測二氰二胺的方法有高效液相色譜法[8]、液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法[9]、紫外光譜法[10]和拉曼光譜法[11]等，但這些方法存在操作復(fù)雜、成本較高等缺點。鑒于此，文中采用滴涂法制備β-環(huán)糊精修飾電極(β-CD/GCE)，研究二氰二胺濃度對魯米諾在β-CD/GCE上ECL強度的增強作用，建立檢測二氰二胺的電致化學(xué)發(fā)光新方法。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

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公司)，CHI760D電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)，LS-55熒光光譜儀(珀金埃爾默有限公司)，L8雙光束紫外可見分光光度計(上海儀電分析儀器有限公司)。三電極系：β-環(huán)糊精修飾電極為工作電極、飽和甘汞電極(SCE)為參比電極、鉑絲電極為輔助電極。鹽酸多巴胺購自上海阿拉丁科技有限公司，β-環(huán)糊精購自阿達瑪斯試劑有限公司，魯米諾購自Sigma，其他試劑均購自國藥集團試劑有限公司。所用試劑均為分析純，實驗用水為去離子水。

1.2 修飾電極的制備

將玻碳電極先后用粒徑為0.3 μm 和50 nm的Al2O3拋光粉處理至鏡面，再用無水乙醇、去離子水超聲清洗，在0～1.5 V(vs.SCE)電位區(qū)間循環(huán)伏安掃描至伏安圖重現(xiàn)，表明電極處理干凈。將8 μL β-環(huán)糊精懸浮液滴涂在玻碳電極表面，干燥后即得β-環(huán)糊精修飾玻碳電極（β-CD/GCE）。

1.3 測試方法

在CHI760D電化學(xué)工作站進行循環(huán)伏安實驗，探究魯米諾在β-CD/GCE和空白電極(bare GCE)的電化學(xué)響應(yīng)情況，電位窗口為-1.5～1.5 V，掃描速度為0.1 V/s，電解質(zhì)溶液為含1.0×10-5mol/L魯米諾的0.1 mol/L磷酸緩沖溶液(PBS，pH值7.4)。采用MPI-B型化學(xué)發(fā)光分析系統(tǒng)測試β-CD/GCE上的電致化學(xué)發(fā)光信號，光電倍增管高壓設(shè)定為800 V，電位窗口為-1.5～1.5 V，掃描速度為0.1 V/s，依據(jù)發(fā)光強度的變化實現(xiàn)對二氰二胺的定量測量。魯米諾(luminol)、β-環(huán)糊精(β-CD)、魯米諾/β-環(huán)糊精(luminol/β-CD)、魯米諾/β-環(huán)糊精/二氰二胺(luminol/β-CD/DCD)等熒光光譜和紫外-可見光譜分別用LS-55熒光光譜儀和L8雙光束紫外可見分光光度計測得。用濃度為10-5mol/L的抗壞血酸(AA)、多巴胺(DA)、鄰苯二酚(CA)、對苯二酚(HQ)、間苯二酚(RE)等分析物進行干擾實驗，評估β-CD/GCE在1.0×10-5mol/L魯米諾中的選擇性。電化學(xué)阻抗譜在濃度為5×10-3mol/L[Fe(CN)6]3-/4-和0.1 mol/L ΚCl的電解質(zhì)溶液中進行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 β-環(huán)糊精的電化學(xué)與電致化學(xué)發(fā)光行為

1.0×10-5mol/L魯米諾在空白電極(bare GCE)與β-環(huán)糊精修飾玻碳電極(β-CD/GCE)的循環(huán)伏安曲線和電致發(fā)電曲線如圖1。

圖1 魯米諾在bare GCE及β-CD/GCE上的循環(huán)伏安曲線和電致化學(xué)發(fā)光曲線Fig.1 Cyclic voltammetric curves and ECL curves of luminol on bare GCE and β-CD/GCE

由圖1(a)可見：β-CD/GCE上的電流比空白電極上有一定增加，但魯米諾的氧化過程(0.5 V)沒有明顯變化，β-環(huán)糊精不能催化魯米諾的電化學(xué)氧化過程。由圖1(b)可見：魯米諾在β-CD/GCE上的ECL強度比空白電極高出近4倍，β-CD能夠增強魯米諾的電致化學(xué)發(fā)光信號強度，主要是因為β-CD的空腔尺寸與魯米諾的空腔尺寸相匹配，有助于魯米諾在電極表面的固載，從而增強ECL強度[12]；加入濃度為1.0×10-3mol/L的二氰二胺(DCD)，魯米諾在β-CD/GCE上ECL強度增加1倍，該ECL體系可用于二氰二胺的檢測。

β-CD，luminol，luminol/β-CD，luminol/β-CD/DCD的熒光光譜和紫外-可見光譜如圖2。由圖2可發(fā)現(xiàn)：luminol，luminol/β-CD，luminol/β-CD/DCD的吸收曲線重疊，β-環(huán)糊精和二氰二胺對魯米諾的吸收強度沒有影響，說明β-環(huán)糊精和二氰二胺均不能與魯米諾發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；魯米諾的熒光發(fā)射峰位于425 nm處，β-環(huán)糊精和二氰二胺不產(chǎn)生熒光發(fā)射，推測luminol/β-CD/DCD體系的發(fā)光體是激發(fā)態(tài)魯米諾；在魯米諾溶液中加入β-環(huán)糊精，熒光峰位置未變，峰強度卻增加，說明β-環(huán)糊精與魯米諾間沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但兩者之間存在電荷轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致熒光增強；體系中加入二氰二胺后熒光峰的位置未變，但峰強度略有降低，說明二氰二胺與β-環(huán)糊精存在與魯米諾反應(yīng)的競爭關(guān)系，導(dǎo)致熒光強度下降。

圖2 β-CD，luminol，luminol/β-CD，luminol/β-CD/DCD的紫外-可見光譜和熒光光譜Fig.2 UV-vis spectra and fluorescence spectra of β-CD,luminol,luminol/β-CD,luminol/β-CD/DCD

2.2 ECL實驗條件的優(yōu)化

β-環(huán)糊精修飾玻碳電極在pH值為6.0～8.0魯米諾溶液中的電致化學(xué)發(fā)光信號如圖3(a)。由圖3(a)可看出，隨著pH值增加，魯米諾在β-CD/GCE上的ECL強度逐漸增強。因中性條件下對生物分子的檢測更具意義，故文中選擇pH=7.4的中性溶液為工作溶液。

濃度為1.0×10-5mol/L魯米諾溶液中β-環(huán)糊精修飾量對ECL強度的影響如圖3(b)。由圖3(b)可看出，隨著β-環(huán)糊精修飾量的增加，ECL強度先增加后降低，修飾量為8 μL時ECL強度最大。因此，選擇β-環(huán)糊精修飾量為8 μL時作為最優(yōu)實驗條件。

不同修飾量β-環(huán)糊精修飾玻碳電極的電化學(xué)阻抗譜如圖3(c)。圖中：橫坐標為實部的阻抗(Z')；縱坐標是虛部的阻抗(-Z'')。由圖3(c)可看出：修飾電極在高頻區(qū)Nyquist圓的半徑較大，對應(yīng)較大的電荷轉(zhuǎn)移阻力(Rct)；隨著β-環(huán)糊精修飾量的增加，Rct不斷增大，說明電子的遷移阻力越來越大，這是由于β-環(huán)糊精自身的低導(dǎo)電性所致。由此進一步說明β-環(huán)糊精不是通過增強電子轉(zhuǎn)移過程來增強魯米諾的ECL強度，而是通過主客體分子的作用增加在電極表面魯米諾分子的濃度來增強ECL強度。

為評估β-CD/GCE 在濃度為1.0×10-5mol/L魯米諾中的選擇性進行干擾實驗，結(jié)果如圖3(d)。由圖3(d)可看出，除二氰二胺可增強ECL強度外，其他分析物對ECL強度產(chǎn)生抑制作用。表明，β-環(huán)糊精修飾玻碳電極對二氰二胺的ECL檢測具有良好的選擇性。

2.3 β-CD/GCE體系電極的性能分析

最佳實驗條件下魯米諾ECL強度與二氰二胺濃度之間的關(guān)系及其擬合關(guān)系如圖4。由圖4(a)可看出：二氰二胺濃度在1.0×10-5～1.0×10-3mol/L范圍內(nèi)，隨其濃度的增加ECL信號強度逐漸增強；ECL強度(I)與二氰二胺濃度(c)的對數(shù)具很好的線性關(guān)系，線性回歸方程I=538.58logc+3 950.4，相關(guān)系數(shù)R2=0.991 6(圖4(b))。為驗證采用魯米諾β-CD/GCE的電致化學(xué)發(fā)光體系檢測二氰二胺方法的實用性，以自來水樣品為基底，通過加標回收法測定樣品的回收率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)3次實驗的平均回收率為96%，表明魯米諾β-CD/GCE的電致化學(xué)發(fā)光體系不存在系統(tǒng)檢測誤差，可用于二氰二胺濃度的檢測。

圖3 實驗條件的優(yōu)化Fig.3 Optimization of experimental conditions

圖4 β-CD/GCE的分析性能Fig.4 Analytical performances of β-CD/GCE

3 結(jié) 論

1)魯米諾作為發(fā)光試劑時，β-CD/GCE通過β-環(huán)糊精的主客體識別作用增加電極表面魯米諾分子的濃度，在中性條件下產(chǎn)生強烈的電致化學(xué)發(fā)光強度。

2)魯米諾ECL強度隨溶液pH值增加而增強；β-環(huán)糊精修飾量增加，ECL強度先增加后降低，修飾量為8 μL時ECL強度最大。

3)二氰二胺對魯米諾電致化學(xué)發(fā)光強度有明顯的增強作用，在1.0×10-5～1.0×10-3mol/L范圍內(nèi)，電致化學(xué)發(fā)光強度與二氰二胺濃度的對數(shù)呈良好線性關(guān)系，魯米諾電致化學(xué)發(fā)光可用于二氰二胺濃度的檢測。