CdS/Ru（bpy）32+電致化學(xué)發(fā)光傳感器的構(gòu)建及鄰苯二酚的檢測

劉 婷，楊學(xué)梅，楊敏麗*

（1.上海師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，上海200234；2.上海市楊浦區(qū)建設(shè)小學(xué)，上海200090）

0 引言

三聯(lián)吡啶釕（Ru（bpy）32+）因其優(yōu)越的電致化學(xué)發(fā)光（ECL）性能被廣泛應(yīng)用于分析檢測，但通常需要與共反應(yīng)劑共同作用.常用共反應(yīng)劑三丙胺（TPrA）具有毒性大、易揮發(fā)、電化學(xué)反應(yīng)速度慢等問題［1］.本課題組前期研究證明硫化鎘量子點(diǎn)（CdS QDs）通過共反應(yīng)增敏Ru（bpy）32+的陽極ECL信號，可代替TPrA做其共反應(yīng)劑［2］.

以往Ru（bpy）32+的ECL研究多數(shù)都是基于液相體系［3-5］，需要消耗大量較昂貴的Ru（bpy）32+，產(chǎn)生較高的分析成本，也會導(dǎo)致環(huán)境污染.通過電極修飾將Ru（bpy）32+固定在電極上，制作成ECL傳感器，不僅可以節(jié)省發(fā)光試劑、簡化實(shí)驗(yàn)裝置，還可以實(shí)現(xiàn)ECL儀器的小型化和現(xiàn)場快速檢測［6-9］.

常見的傳感器將發(fā)光物質(zhì)固定在電極上，而共反應(yīng)劑存在于溶液中，需要擴(kuò)散到電極表面才能發(fā)生ECL反應(yīng)［10］.本研究將共反應(yīng)劑CdS QDs與發(fā)光物質(zhì)Ru（bpy）32+同時(shí)固定到電極上，構(gòu)建了自增強(qiáng)CdS/Ru（bpy）32+ECL傳感器，這樣不僅節(jié)約了發(fā)光物質(zhì)，還節(jié)省了共反應(yīng)劑的用量，同時(shí)降低了共反應(yīng)劑擴(kuò)散帶來的影響.為了進(jìn)一步提高傳感器的靈敏度，在構(gòu)建傳感器時(shí)還引入了多壁碳納米管（MWCNTs）和金納米粒子（Au NPs），利用它們良好的導(dǎo)電性和大的比表面積，提高了Ru（bpy）32+的ECL信號.同時(shí)利用殼聚糖（CHIT）良好的成膜性能，提高了傳感器的穩(wěn)定性.基于酚類物質(zhì)對Ru（bpy）32+ECL信號的淬滅作用，實(shí)現(xiàn)了鄰苯二酚的靈敏檢測.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器

雷磁pHS-25型精密pH計(jì)，上海精密科學(xué)儀器有限公司；KQ-100DE型數(shù)控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；三電極系統(tǒng)：玻碳電極（GCE）為工作電極，鉑（Pt）絲為對電極，Ag/AgCl電極（飽和KCl溶液）為參比電極；MPI-A/B型電致化學(xué)發(fā)光測試系統(tǒng)，西安瑞邁分析儀器有限責(zé)任公司；CHI660E型電化學(xué)工作站，上海辰華儀器有限公司；S-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM），上海日立公司.

1.2 主要試劑

3-巰基丙酸（MPA）、CHIT、L-半胱氨酸（L-cys）均購于美國Sigma-Aldrich化學(xué)公司；1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳二亞胺鹽酸鹽（EDC·HCl）、N-羥基琥珀酰亞胺（NHS）均購于阿拉?。ㄉ虾＃┯邢薰荆籖u（bpy）32+、氯化鎘（CdCl2·2.5H2O）、四水氯金酸（HAuCl4·4H2O）、多巴胺（DA）、鄰苯二酚、間苯二酚、對苯二酚、尿酸、抗壞血酸均購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；硫化鈉（Na2S·9H2O）購于天津市化學(xué)試劑研究所；MWCNTs（質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥95%，外徑20～40 nm）購于深圳納米港有限公司；氫氧化鈉（NaOH）購于天津市廣成化學(xué)試劑有限公司；濃硫酸（H2SO4）、濃硝酸（HNO3）均購于上?；瘜W(xué)試劑公司.所有藥品均為分析純，溶液以超純水配置.

1.3 CdS QDs的制備

采用水熱法合成了MPA包裹的CdS QDs，具體方法見文獻(xiàn)［11］，并稍加改動(dòng)：將86μL 98%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的MPA逐滴加入到20 mL 0.02 mol·L-1CdCl2溶液中，室溫下磁力攪拌5 min，然后用1 mol·L-1NaOH溶液將pH調(diào)至9，繼續(xù)攪拌30 min，最后緩慢加入20 mL 0.02 mol·L-1Na2S溶液，攪拌均勻，將溶液轉(zhuǎn)移至100 mL圓底燒瓶中，80℃下加熱回流10 h，得到MPA包裹的CdS QDs.將該溶液與無水乙醇等體積混合，以10 000 r·min-1轉(zhuǎn)速離心10 min.將所得沉淀分散于200μL水中，加入1 mL異丙醇，再次離心、洗滌，重復(fù)2～3次.最終將離心沉淀物分散于1 mL水中，得到量子點(diǎn)儲備液，置于4℃冰箱中保存.

1.4 羧基化多壁碳納米管的處理

MWCNTs的處理方法參照文獻(xiàn)［12］，先將MWCNTs放入H2SO4和HNO3體積比為3∶1混合溶液中，連續(xù)超聲4 h得到羧基化的MWCNTs，過濾并用超純水清洗至中性，70℃真空干燥，室溫保存?zhèn)溆?

1.5 Au NPs的制備

Au NPs通過檸檬酸三鈉還原氯金酸（HAuCl4·4H2O）的方法獲得［13］，具體方法如下：在50 mL燒杯中，用超純水將0.8 mL的1%（g·mL-1）HAuCl4·4H2O溶液稀釋至20 mL，并放在磁力攪拌器上邊攪拌邊加熱至溶液沸騰，再迅速地加入4 mL 1%（g·mL-1）檸檬酸三鈉溶液，可以觀察到溶液顏色由淡黃色變成紫紅色；持續(xù)煮沸15 min，待溶液顏色變?yōu)榧冋木萍t色后停止加熱，繼續(xù)攪拌冷卻至室溫；最后將新制的Au NPs溶液裝入棕色瓶，放入4℃冰箱中保存.

1.6 MWCNTs-Au NPs復(fù)合物的制備

MWCNTs-Au NPs復(fù)合材料是以L-cys作為交聯(lián)劑將兩者結(jié)合起來，具體方法如下：稱取15 mg羧基化的MWCNTs分散在5 mL的純凈水中，超聲分散30 min；再分別加入20 mg EDC·HCl；40 mg NHS和40 mg L-cys，混合均勻，用0.1 mol·L-1的NaOH溶液將pH調(diào)節(jié)至7～8，在磁力攪拌器上緩慢攪拌反應(yīng)24 h，離心分離，用超純水清洗所得沉淀，70℃真空干燥，得到L-cys修飾的MWCNTs.稱取10 mg該修飾的MWCNTs于50 mL新制備的Au NPs溶液中，混合均勻，并緩慢攪拌12 h，離心分離得到MWCNTs-Au NPs復(fù)合物，超純水清洗，室溫干燥備用.

1.7 MWCNTs-Au NPs-Ru(bpy)32+混合溶液的配置

為了將Ru（bpy）32+固定在電極上，選用成膜性良好的CHIT配制Ru（bpy）32+.首先配制一個(gè)0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）CHIT乙酸溶液，然后將一定量的Ru（bpy）32+分散其中，得到10-4mol·L-1Ru（bpy）32+的CHIT溶液.再稱取0.5 mg MWCNTs-Au NPs復(fù)合物分散于1 mL Ru（bpy）32+的CHIT溶液中，超聲30 min得到均勻分散的混合溶液，記為MWCNTs-Au NPs-Ru（bpy）32+混合溶液.

1.8 CdS QDs/Ru(bpy)32+ECL傳感器的構(gòu)建

傳感器的構(gòu)建過程如圖1所示.首先將GCE分別用1.0，0.3和0.05μmα-Al2O3粉拋光，并依次用無水乙醇和超純水超聲清洗5 min.取6μLCdS QDs滴涂在處理好的GCE表面，室溫下晾干，重復(fù)4次.再取10μL MWCNTs-Au NPs-Ru（bpy）32+混合溶液滴涂在修飾了量子點(diǎn)的電極表面，室溫下晾干，得到CdS/Ru（bpy）32+ECL傳感器，用于后續(xù)的分析檢測.

圖1 CdS QDs/Ru（bpy）32+傳感器的構(gòu)建及檢測原理

1.9 ECL檢測

采用三電極系統(tǒng)，以修飾電極為工作電極，Ag/AgCl為參比電極，鉑絲為對電極，將該電極系統(tǒng)插入含有0.1 mol·L-1KCl的磷酸緩沖溶液（PBS）（0.1 mol·L-1，pH=8）溶液中，在-1.5～1.5 V的范圍內(nèi)以200 mV·s-1掃描速率掃描（起始電位為0 V，掃描方向?yàn)檎?，記錄ECL信號.檢測鄰苯二酚時(shí)，將不同濃度的鄰苯二酚加入到檢測底液中，根據(jù)鄰苯二酚加入前后ECL信號的變化值△I，對鄰苯二酚進(jìn)行定量檢測.

2 結(jié)果與討論

2.1 MWCNTs-Au NPs復(fù)合物的表征

MWCNTs與MWCNTs-Au NPs的FE-SEM圖如圖2所示.圖2（a）表明，MWCNTs分散均勻，呈現(xiàn)出特有的管狀結(jié)構(gòu)，外徑約為20～40 nm.從圖2（b）可以看出，在MWCNTs表面負(fù)載了大量均勻的Au NPs，說明成功制備了MWCNTs-Au NPs納米復(fù)合物.

圖2 （a）MWCNTs和（b）MWCNTs-Au NPs的FE-SEM圖

2.2 傳感器的表征

分別通過電化學(xué)阻抗（EIS）和ECL方法對不同修飾電極進(jìn)行了表征，結(jié)果如圖3所示.圖中，曲線A是裸電極的阻抗，與裸電極相比，修飾CdS QDs（曲線B）后，阻抗值明顯增大.這是因?yàn)镃dS QDs是半導(dǎo)體材料，而且表面修飾了一層MPA（穩(wěn)定劑），使CdS QDs帶有負(fù)電荷，與同樣帶負(fù)電荷的［Fe（CN）6］3-/4-產(chǎn)生靜電斥力，增大電子在電極表面轉(zhuǎn)移的阻力.繼續(xù)在電極表面滴涂CHIT（曲線C）后，阻抗值進(jìn)一步增大.加入MWCNTs后，阻抗值（曲線D）明顯降低，說明MWCNTs能夠加快電極表面的電子轉(zhuǎn)移.再加入Au NPs，阻抗值（曲線E）進(jìn)一步減小，說明Au NPs進(jìn)一步增強(qiáng)了修飾電極的導(dǎo)電性.

圖3 不同修飾電極的EIS變化曲線

圖4 是不同修飾電極對應(yīng)的ECL信號.可以看出，只修飾了Ru（bpy）32+的電極的ECL信號較弱（曲線D），當(dāng)在電極表面同時(shí)修飾了CdS QDs和Ru（bpy）32+后，修飾電極的ECL信號明顯增強(qiáng)（曲線C），表明CdS QDs對Ru（bpy）32+的ECL信號有很好的增敏作用.引入MWCNTs后，CdS QDs/Ru（bpy）32+修飾電極的ECL信號進(jìn)一步增強(qiáng)（曲線B）.當(dāng)用MWCNTs-Au NPs復(fù)合材料取代MWCNTs修飾在電極表面，ECL信號強(qiáng)度提高了1.5倍（曲線A），說明合成的MWCNTs-Au NPs復(fù)合材料能夠顯著提高檢測的靈敏度.

圖4 不同修飾電極的ECL變化曲線

以上結(jié)果表明，成功構(gòu)建了CdS QDs/Ru（bpy）32+傳感器，而且表現(xiàn)出良好的ECL響應(yīng).

2.3 實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

ECL會受到多種因素影響，包括CdS QDs的用量、MWCNTs-Au NPs用量、檢測底液的pH值以及電位掃描速率.為了獲得最佳的響應(yīng)信號，對這些實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化.

首先探究了CdS QDs的用量對傳感器的ECL強(qiáng)度的影響.圖5（a）是修飾的CdS QDs的量與ECL強(qiáng)度的關(guān)系曲線.CdS QDs通過滴涂的方法修飾在電極表面，每次滴涂6μL，室溫下晾干后再繼續(xù)滴涂第二次，依此類推.由圖5可知，當(dāng)?shù)瓮看螖?shù)超過4次時(shí)，所構(gòu)建的傳感器的ECL強(qiáng)度不再增大，繼續(xù)增加CdS QDs的厚度時(shí)，ECL信號反而逐漸降低.說明滴涂的CdS QDs過厚，影響了電子轉(zhuǎn)移，電極的導(dǎo)電性減弱.故將CdS QDs的滴涂次數(shù)定為4次.

圖5（b）是MWCNTs-AuNPs的用量對傳感器的ECL強(qiáng)度的影響.可以看出，在0～0.5 mg內(nèi)，隨MWCNTs-Au NPs加入量的增大，ECL信號逐漸增強(qiáng).當(dāng)MWCNTs-Au NPs的加入量超過0.5 mg時(shí)，ECL信號開始下降，說明用量過多時(shí)，MWCNTs-Au NPs反而起到阻礙電子轉(zhuǎn)移的作用，故將0.5 mg定為MWCNTs-Au NPs的最佳用量.

實(shí)驗(yàn)還考察了檢測底液的pH值（5.0～9.0）對傳感器ECL信號的影響.結(jié)果如圖5（c）所示，pH為5.0～8.0，傳感器的ECL強(qiáng)度隨pH的升高而增大，在pH=8.0時(shí)，達(dá)到最大值，pH繼續(xù)增大，ECL強(qiáng)度反而降低.因此，實(shí)驗(yàn)選用檢測底液的pH為8.0.

電位掃描速率對ECL信號的影響如圖5（d）所示.當(dāng)掃描速率在100～240 mV·s-1內(nèi)變化時(shí)，隨著掃描速率的增大，傳感器的ECL信號逐漸增強(qiáng)；但當(dāng)掃速超過200 mV·s-1時(shí)，ECL信號不夠穩(wěn)定.為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，將實(shí)驗(yàn)的最佳掃描速率定為200 mV·s-1.

圖5 實(shí)驗(yàn)條件對傳感器信號的影響.（a）CdS QDs的用量；（b）MWCNTs-Au NPs的用量；（c）檢測底液的pH值；（d）電位掃描速率

2.4 傳感器對鄰苯二酚的ECL響應(yīng)

在優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)條件下，考察了傳感器對鄰苯二酚的ECL響應(yīng).將不同物質(zhì)的量濃度的鄰苯二酚加入到檢測底液（含0.1 mol·L-1KCl的PBS（0.1 mol·L-1，pH=8.0））中，測得相應(yīng)的ECL信號.如圖6所示，隨鄰苯二酚物質(zhì)的量濃度不斷增大，相應(yīng)的ECL信號逐漸減弱，內(nèi)插圖顯示，在5.0×10-9～1.0×10-5mol·L-1范圍內(nèi)ECL的變化值ΔI（ΔI=I0-I，I0代表未加入鄰苯二酚的ECL強(qiáng)度，I代表加入鄰苯二酚的ECL強(qiáng)度）與鄰苯二酚的物質(zhì)的量濃度的對數(shù)值呈良好的線性關(guān)系，線性回歸方程為（I0-I）/I0=0.211 1 log C-0.108（相關(guān)系數(shù)R2=0.996 7），C表示鄰苯二酚物質(zhì)的量濃度，檢出限為1.5 nmol·L-1.

圖6 傳感器對不同物質(zhì)的量濃度鄰苯二酚的ECL響應(yīng)（內(nèi)插圖為線性關(guān)系圖）

2.5 干擾研究

考察了傳感器對對苯二酚、間苯二酚、DA、尿酸、抗壞血酸的響應(yīng)情況.結(jié)果表明傳感器對前3種物質(zhì)有不同程度的響應(yīng)，而對后2種物質(zhì)沒有明顯響應(yīng)，證明傳感器對結(jié)構(gòu)與鄰苯二酚相似的酚類物質(zhì)都有響應(yīng)，可用來測這類物質(zhì).將構(gòu)建的傳感器與其他檢測鄰苯二酚的傳感器進(jìn)行對比.結(jié)果表明所構(gòu)建的傳感器具有較寬的線性范圍和較低的檢出限，如表1所示.

表1 不同ECL傳感器檢測酚類物質(zhì)的線性范圍和檢出限的比較

2.6 傳感器的重現(xiàn)性與穩(wěn)定性

在相同條件下，制備了4根傳感器，同樣條件下檢測其ECL信號，如圖7（a）所示，4根傳感器的ECL強(qiáng)度的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.7%，說明構(gòu)建的傳感器重現(xiàn)性良好.將構(gòu)建好的傳感器置于4℃冰箱中避光保存，每隔一周檢測ECL信號，連續(xù)考察4周，結(jié)果表明4周后的信號降為初始信號的91%，說明傳感器具有較好的穩(wěn)定性.另外，將一支傳感器放在檢測底液中連續(xù)掃描11圈，如圖7（b）所示，ECL信號基本保持不變，說明傳感器具有很好的穩(wěn)定性.

圖7 傳感器的（a）重現(xiàn)性與（b）穩(wěn)定性

2.7 實(shí)際樣品分析

為了研究傳感器的實(shí)用性，采用加標(biāo)回收的方法檢測實(shí)際樣品中酚類物質(zhì)的含量，通過計(jì)算回收率評價(jià)方法的可靠性.樣品為徐匯區(qū)桂林路康健河的河水，經(jīng)過濾后進(jìn)行檢測.檢測結(jié)果如表2所示，回收率在96.7%～102.96%之間，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差的范圍為3.5%～5.6%，說明構(gòu)建的傳感器可用于實(shí)際樣品中酚類物質(zhì)的檢測.

表2 實(shí)際樣品中鄰苯二酚的分析結(jié)果及加標(biāo)回收率（n=4）

3 結(jié)論

基于CdS QDs對Ru（bpy）32+ECL信號的增敏作用，將CdS QDs和Ru（bpy）32+同時(shí)固定到電極上，構(gòu)建了自增強(qiáng)CdS/Ru（bpy）32+ECL傳感器.MWCNTs和Au NPs的引入大大增強(qiáng)了傳感器的靈敏度.CHIT的加入改善了Ru（bpy）32+在電極表面難固定的缺點(diǎn).所構(gòu)建的傳感器具有良好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性.基于鄰苯二酚對Ru（bpy）32+ECL信號的淬滅作用，實(shí)現(xiàn)了對鄰苯二酚的靈敏檢測.該傳感器不僅可用于檢測鄰苯二酚，還可以檢測結(jié)構(gòu)與鄰苯二酚相似的其他酚類物質(zhì).