H₂O₂增敏羧甲基取代benzo［3］uril電化學(xué)發(fā)光識別琥珀酰膽堿

摘 要：電化學(xué)發(fā)光技術(shù)是一種高靈敏、快響應(yīng)的化學(xué)分析手段。通過考察羧甲基取代benzo［3］uril的電化學(xué)發(fā)光機理，發(fā)現(xiàn)超氧自由基有助其電化學(xué)發(fā)光。因此，引入共反應(yīng)試劑H2O2以達(dá)到增強羧甲基取代benzo［3］uril時所產(chǎn)生的電化學(xué)發(fā)光信號的目的，成功構(gòu)建H2O2增敏羧甲基取代benzo［3］uril的電化學(xué)發(fā)光傳感器用于對琥珀酰膽堿的高靈敏性進(jìn)行檢測，檢出限低至1.0×10-15 mol/L。

關(guān)鍵詞：電化學(xué)發(fā)光；羧甲基取代benzo［3］uril；過氧化氫；琥珀酰膽堿

中圖分類號：O657.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號 1000-5269（2023）03-0025-05

DOI：10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2023.03.04

隨著大環(huán)化合物和超分子化學(xué)的發(fā)展，主-客體相互作用和超分子識別在分析化學(xué)和化學(xué)傳感器中的應(yīng)用受到了極大的關(guān)注［1-2］，新穎結(jié)構(gòu)的大環(huán)化合物為分析方法的建立和傳感器的構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。Benzourils作為2016年首次合成報道的一系列新型大環(huán)化合物［3-5］，由苯并咪唑-2-酮與甲醛發(fā)生低聚反應(yīng)制備而成，其熒光響應(yīng)已被用于識別金屬陽離子、陰離子和有機分子等；甲基取代benzo［6］uril的電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)被應(yīng)用于分子識別和手性識別。電化學(xué)發(fā)光（ECL）具有靈敏度高、濃度響應(yīng)范圍寬、分析設(shè)備簡單、速率快、操作簡便等優(yōu)點，近年來受到廣泛關(guān)注。經(jīng)典的電化學(xué)有機發(fā)光體有魯米諾、Ru（bpy）2+3、聚苯胺、苝及其類似物等。機理研究表明benzo［6］uril的電化學(xué)發(fā)光響應(yīng)與體系的活性氧所產(chǎn)生的超氧自由基和羥基自由基有關(guān)［6］。依據(jù)這一機理，我們開發(fā)了benzo［6］uril對稠環(huán)芳烴分子或聯(lián)吡啶類的高靈敏識別檢測［7］，從而拓展了大環(huán)化合物在分析化學(xué)及電化學(xué)發(fā)光傳感領(lǐng)域的應(yīng)用。羧甲基取代benzo［3］uril大環(huán)化合物［8］，因在中性和堿性條件下具有良好的水溶性，促使我們開發(fā)其在水溶液體系的電化學(xué)發(fā)光性能。

琥珀酰膽堿是一種煙堿型乙酰膽堿受體阻斷劑，常作為骨骼肌松弛劑在臨床手術(shù)中用作麻醉劑［9-10］；但在人體內(nèi)過量吸收會導(dǎo)致心律失常，嚴(yán)重時甚至?xí)＜吧Ｒ虼顺鲇诎踩紤]，它的使用應(yīng)受到嚴(yán)格控制。利用色譜法［11-12］和光譜法［10］測定琥珀酰膽堿的含量，具有檢測耗時長、檢測范圍窄、靈敏度低等缺點。這促使我們探索一種更靈敏的方法來分析琥珀酰膽堿。

本文通過引入H2O2增敏發(fā)光主體的電化學(xué)發(fā)光強度，構(gòu)建基于羧甲基取代benzo［3］uril的電化學(xué)發(fā)光傳感器，并利用電化學(xué)發(fā)光手段考察膽堿類物質(zhì)與其主客體作用及靈敏性識別。基于主客體相互作用，利用其空腔包結(jié)琥珀酰膽堿，在H2O2增敏條件下，大環(huán)主體羧甲基取代benzo［3］uril的電化學(xué)發(fā)光強度增強，從而建立了一種新的、靈敏的方法以檢測琥珀酰膽堿。

1 實驗部分

1.1 試劑

30% H2O2，琥珀酰膽堿，氫氧化鈉，磷酸鹽緩沖溶液（PBS），試劑均購于Aldrich Alfa Aesar化學(xué)試劑公司、北京伊諾凱公司；所有實驗用水為超純水。羧甲基取代benzo［3］uril由我們課題組開發(fā)方法［8］合成。

1.2 儀器

ECL測試和電化學(xué)信號測試均使用LK5100電化學(xué)發(fā)光分析系統(tǒng)（天津蘭力科高科技公司）；實驗用常規(guī)三電極體系，工作電極為玻碳電極（Φ=3 mm），參比電極為Ag/AgCl電極，對電極為鉑絲電極。

1.3 電極預(yù)處理

將玻碳電極用直徑為3 mm的α-Al2O3拋光粉進(jìn)行打磨，后依次用超純水、無水乙醇分別超聲5 min，直至玻碳電極表面呈鏡面般光滑。實驗采用的是工作電極為玻碳電極，參比電極為Ag/AgCl電極，對電極為鉑絲電極的經(jīng)典三電極體系。

1.4 電化學(xué)發(fā)光測試

每次量取2 mL的測試液于比色皿中，用裸電極測試在不同pH條件、不同濃度共反應(yīng)試劑下進(jìn)行羧甲基取代Benzo［3］uril電化學(xué)發(fā)光實驗。電化學(xué)發(fā)光實驗參數(shù)設(shè)置：光電倍增管電壓（PMT）為800 V，電壓掃描范圍為-0.2～0.9 V，靈敏度為4檔。

1.5 電化學(xué)發(fā)光滴定

配制2.0×10-4 mol/L羧甲基取代Benzo［3］uril與琥珀酰膽堿濃度比分別為1∶0，1∶0.25，1∶0.5，1∶0.75，1∶1.0，1∶1.25，1∶1.5，1∶1.75，1∶2.0的溶液。

2 結(jié)果與討論

2.1 羧甲基取代benzo［3］uril電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)研究

羧甲基取代benzo［3］uril在中性和堿性介質(zhì)中具有優(yōu)異的水溶性，通過測試在不同pH值下的電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)，考察其在不同pH條件下的電化學(xué)發(fā)光行為，如圖1所示。

實驗發(fā)現(xiàn)pH值在7.0～12.0時，其電化學(xué)發(fā)光呈現(xiàn)不同的強度。當(dāng)pH為7.0時，羧甲基benzo［3］uril的電化學(xué)發(fā)光幾乎不能被觀察到。羧甲基取代benzo［3］uril的陰極電化學(xué)發(fā)光強度隨著酸性的逐漸減弱呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢。當(dāng)pH=10.0時，開始觀察到在+753 mV時出現(xiàn)陽極發(fā)光。在pH=10.0～12.0時，隨著氫氧根離子濃度的增加，陽極發(fā)光增強并伴隨其陰極電化學(xué)發(fā)光的逐步減弱。因此，其電化學(xué)發(fā)光可以歸因于不同pH條件下溶液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的超氧自由基與大環(huán)化合物羧甲基benzo［3］uril形成激發(fā)態(tài)分子的弛豫現(xiàn)象，這類似于魯米諾在堿性溶液條件下的發(fā)光機理［13-14］?；趯嶒灲Y(jié)果的啟發(fā)，我們設(shè)想在溶液中加入H2O2，通過電化學(xué)反應(yīng)生成超氧自由基，增強羧甲基benzo［3］uril的電化學(xué)發(fā)光，從而建立一個H2O2增敏的高靈敏響應(yīng)的電化學(xué)發(fā)光傳感器，并用于識別環(huán)境體系中低濃度的膽堿類物質(zhì)。H2O2增敏羧甲基取代benzo［3］uril電化學(xué)發(fā)光傳感器檢測琥珀酰膽堿示意圖如圖2所示。

2.2 H2O2增敏羧甲基取代benzo［3］uril電化學(xué)傳感器條件優(yōu)化

考慮到電化學(xué)發(fā)光傳感器普遍應(yīng)用在生物分析和免疫檢測領(lǐng)域，我們嘗試在pH=7.0的中性水溶液條件下構(gòu)建以羧甲基取代benzo［3］uril為主體的電化學(xué)發(fā)光傳感器，并通過加入H2O2來達(dá)到增強羧甲基取代benzo［3］uril電化學(xué)發(fā)光的目的。如圖3所示，未加入H2O2時，大環(huán)化合物的電化學(xué)發(fā)光很弱。隨著雙氧水的加入，羧甲基取代benzo［3］uril的電化學(xué)發(fā)光強度逐漸升高。在濃度為0.100 mol/L時，電化學(xué)發(fā)光強度達(dá)到峰值16 000，可能由于H2O2電化學(xué)反應(yīng)提供了反應(yīng)所需的超氧自由基。但是，隨著H2O2的加入（0.500或1.000 mol/L），發(fā)光強度下降，表明高濃度的超氧自由基發(fā)生自淬滅。因此，后續(xù)實驗采用0.100 mol/L H2O2進(jìn)行增敏。

在上述優(yōu)化條件下，采用包含0.100 mol/L H2O2的羧甲基取代benzo［3］uril-H2O2電化學(xué)發(fā)光傳感器定量檢測pH=7.0溶液中琥珀酰膽堿的含量。我們通過測試不同琥珀酰膽堿濃度下的電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)，考察傳感器電化學(xué)發(fā)光行為。如圖4所示，羧甲基取代benzo［3］uril的電化學(xué)發(fā)光強度隨著琥珀酰膽堿濃度的增加而降低，這可能是benzo［3］uril和琥珀酰膽堿發(fā)生主客體作用形成穩(wěn)定的包結(jié)物，由此減少了羧甲基取代benzo［3］uril激發(fā)態(tài)產(chǎn)生的結(jié)果。在琥珀酰膽堿濃度為1.0×10-12～1.0×10-4 mol/L范圍內(nèi)，羧甲基取代benzo［3］uril的電化學(xué)發(fā)光強度變化值與琥珀酰膽堿濃度的負(fù)對數(shù)之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，得到相應(yīng)的線性校正曲線：I=-354.12lgC-959.38，其中R2=0.993 7，如圖5所示。通過相應(yīng)的計算得到該傳感器對琥珀酰膽堿實現(xiàn)超低檢測限為1.0×10-15 mol/L （ S/N=3 ），其靈敏度遠(yuǎn)高于以往研究中采用的熒光光譜、紫外光譜和高效液相色譜檢測方法（表1），表明羧甲基取代benzo［3］uril電化學(xué)發(fā)光傳感器具有優(yōu)越的性能。

3 結(jié)論

基于羧甲基取代benzo［3］uril這種新型的水溶性電化學(xué)發(fā)光載體，初步考察了羧甲基取代benzo［3］uril的電化學(xué)發(fā)光機理，通過溶液中的超氧自由基促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移，進(jìn)而生成羧甲基取代benzo［3］uril激發(fā)態(tài)分子，激發(fā)態(tài)分子躍遷至基態(tài)時產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。為提高超氧自由基濃度，引入共反應(yīng)試劑H2O2，制備了一種基于H2O2增敏羧甲基取代benzo［3］uril的電化學(xué)發(fā)光傳感器，并將其應(yīng)用于琥珀酰膽堿的靈敏檢測，檢出限低至1.0×10-15 mol/L?；诖嗽斫⒘艘粋€基于H2O2敏化羧甲基取代benzo［3］uril傳感器實現(xiàn)對琥珀酰膽堿的高靈敏高選擇性識別。將大環(huán)化合物羧甲基取代benzo［3］uril應(yīng)用在電化學(xué)發(fā)光領(lǐng)域，提高電化學(xué)分子檢測的篩選性，對拓寬超分子化學(xué)研究領(lǐng)域具有重要意義。

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（責(zé)任編輯：周曉南）

Abstract： Electrochemiluminescence is a highly sensitive and fast-response chemical analysis method. By investigating the electrochemiluminescence mechanism of carboxymethyl-substituted benzo［3］uril， it was found that superoxide radicals contribute to its electrochemiluminescence. In this paper， the introduction of co-reactive reagent H2O2 achieves the purpose of enhancing the electrochemiluminescence signal of carboxymethyl-substituted benzo［3］uril， and the H2O2 sensitized carboxymethyl-substituted benzo［3］uril electrochemiluminescence sensor is successfully constructed for the detection of the high sensitivity of succinylcholine ， with a detection limit as low as 1.0×10-15 mol/L.

Key words： electrochemiluminescence; carboxymethyl-substituted benzo［3］uril; hydrogen peroxide; succinylcholine

基金項目：貴州省省級科技計劃項目資助（黔科合基礎(chǔ)-ZK[2022]一般049）

作者簡介：高瑞晗（1989—），女，實驗師，碩士，研究方向：超分子化學(xué)，E-mail：gzugao@126.com.

*通訊作者：叢 航，E-mail：ecnuc@163.com.