化學氧化合成聚（苯胺—魯米諾）復合納米線的電化學發(fā)光特性研究

王艷杰+李桂新+鄭行望

摘 要 以過硫酸銨為氧化劑，通過氧化苯胺和魯米諾混合溶液合成了聚（苯胺-魯米諾）復合納米線。相對于魯米諾425 nm處的最大熒光發(fā)射波長，復合納米線中聚魯米諾的最大熒光發(fā)射波長明顯紅移到465 nm處。采用簡單的滴凃方式將聚（苯胺-魯米諾）復合納米線修飾于石墨電極表面，形成一層穩(wěn)定的聚（苯胺-魯米諾）復合納米線膜。此聚（苯胺-魯米諾）納米線膜修飾電極呈現(xiàn)出良好的電化學發(fā)光特性，H2O2對化學合成的聚（苯胺-魯米諾）納米線電化學發(fā)光呈現(xiàn)出增敏效應。在優(yōu)化實驗條件下，修飾電極的電化學發(fā)光信號與H2O2在5.0×10 Symbolm@@ 9 ～1.0×10 Symbolm@@ 5 mol/L范圍內呈線性關系，檢出限為2×10 Symbolm@@ 9 mol/L。

關鍵詞 過硫酸銨; 聚（苯胺-魯米諾）復合納米線; 電化學發(fā)光; 過氧化氫

1 引 言

導電聚合物的研究一直以來備受研究者的關注，與金屬和碳電極相比，聚合物化學修飾電極可以通過設計各種各樣的聚合物膜檢測多種物質，對某些物質可以實現(xiàn)選擇性檢測，提高檢測的靈敏度[1～5]。作為一種苯胺類衍生物，魯米諾的聚合以及聚合態(tài)魯米諾在電化學和電化學發(fā)光（ECL）領域的研究受到了人們的持續(xù)關注[6～9]，。以聚魯米諾為發(fā)光試劑的電化學發(fā)光傳感新方法拓寬了魯米諾電化學發(fā)光分析體系的應用范圍，簡化了基于魯米諾的電化學發(fā)光傳感器的構建和分析過程，促進了其在儀器微型化和簡單化發(fā)展中的應用[10～17]。近年來，有關聚魯米諾的合成和基于聚魯米諾的電化學發(fā)光傳感器的研究應用的進展很快，例如Claver等[12]在電極表面電聚合制備了聚魯米諾-生物素化吡咯膜，并應用于尿樣中膽固醇的測定。Nabid等[18]在聚苯胺磺酸鹽存在下，利用辣根過氧化物酶作為生物催化劑在pH=8.0的磷酸鹽緩沖溶液中合成了聚魯米諾/聚苯胺磺酸鹽復合物，并研究了該復合物的化學發(fā)光特性。本研究組的前期工作中采用電沉積法在電極表面合成了聚（苯胺-魯米諾）復合納米線，并將其應用于葡萄糖電化學發(fā)光傳感器的構建[16]。然而對于聚魯米諾或者其復合納米材料在溶液中的合成及應用的研究報道相對較少。

本研究采用了一種簡單的化學氧化方法將魯米諾和苯胺聚合，合成了直徑約為30 nm的聚（苯胺-魯米諾）復合納米線，該復合納米線呈現(xiàn)出良好的分散性和穩(wěn)定性。相對于魯米諾的最大熒光發(fā)射波長，復合納米線中聚魯米諾的最大熒光發(fā)射波長發(fā)生紅移。將復合納米線修飾于石墨電極表面，可形成一層穩(wěn)定的聚（苯胺-魯米諾）復合納米線膜，并呈現(xiàn)出良好的電化學發(fā)光特性，H2O2對其電化學發(fā)光呈現(xiàn)出良好的增敏效應。本工作提供了一種合成聚魯米諾類納米材料的新方法，為聚魯米諾類納米材料在化學發(fā)光和電化學發(fā)光方面的應用奠定了基礎。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

79-1型磁力攪拌器（江蘇國華儀器廠）; Z383K型高速冷凍離心機（德國哈默公司）; JEM-2100型透射電子顯微鏡（日本電子公司）; TU-1901型紫外可見分光光度計（北京普析通用儀器有限公司）; 970CRT型熒光分光光度計（上海分析儀器廠）; CHI660B電化學工作站（上海辰華儀器設備有限公司）; IFFM-D型流動注射化學發(fā)光分析儀（西安瑞邁分析儀器有限公司），電化學發(fā)光池直接放置于光窗上方，光電倍增管負高壓為 Symbolm@@ 800 V。電化學發(fā)光電解池由常規(guī)的三電極體系構成，其中聚（苯胺-魯米諾）復合納米線修飾電極作為工作電極，輔助電極為螺旋狀鉑絲電極，參比電極為銀絲準參比電極。

正硅酸乙酯（TEOS），魯米諾（美國Sigma公司）; TritonX-100（TX-100，北京鼎國生物技術有限責任公司）; 硫酸苯胺（西安化學試劑廠）; 其它試劑均為分析純，實驗用水為二次蒸餾水。

2.2 實驗方法

2.2.1 化學氧化合成聚（苯胺-魯米諾）復合納米線 室溫下，將1.77 mL 表面活性劑TX-100、7.5 mL 環(huán)己烷和1.8 mL 助表面活性劑正己醇混合，加入330 μL水，磁力攪拌20 min，形成透明穩(wěn)定的微乳液， 加入50 μL 0.25 mol/L 硫酸苯胺溶液，磁力攪拌20 min，加入50 μL 0.002 mol/L 魯米諾溶液，持續(xù)攪拌20 min，再加入50 μL 0.5 mol/L 過硫酸銨溶液，持續(xù)攪拌反應2 h。反應完成后加入丙酮進行破乳，使納米顆粒從微乳液體系中析出，離心收集顆粒，依次用丙酮、無水乙醇、水多次超聲洗滌納米復合物，以除去表面活性劑分子和未反應完的反應物，最后將納米復合物分散在水中， 于室溫下暗處儲存?zhèn)溆谩?/p>

2.2.2 聚（苯胺-魯米諾）復合納米線修飾電極的制備 將石墨電極（Φ=8.0 mm）先后在粗細的砂紙上小心打磨，超聲清洗，用水反復沖洗，晾干備用; 取100 μL合成好的聚（苯胺-魯米諾）復合納米線滴凃在電極表面，室溫下晾干，得所需修飾電極。

2.2.3 電化學發(fā)光的測定 將復合納米線修飾石墨電極置于磷酸鹽空白溶液（pH 8.0）和含有H2O2的樣品溶液的電解池中，施加階躍電位0～1.0 V于工作電極，記錄體系的空白電化學發(fā)光強度值和樣品的增強電化學發(fā)光強度值，并以相對電化學發(fā)光強度的峰值高度進行樣品的定量分析。

3 結果與討論

3.1 聚（苯胺-魯米諾）復合納米線的合成

采用化學氧化法，首先在反相微乳液中于硫酸介質中合成了聚（苯胺-魯米諾）復合物，如圖1A所示，在反相微乳液合成過程中，微乳液中形成納米級的水相反應池，苯胺與魯米諾在過硫酸銨的氧化下發(fā)生聚合反應。然而當將此溶液破乳， 并依次用丙酮、乙醇、二次水清洗之后，由反相微乳液形成的納米級反應池中的聚合物之間進一步發(fā)生變化，形成長鏈納米線聚合物，如圖1B所示，該復合納米線的直徑約為30 nm。該納米線的生成可能是因為在破乳過程和超聲分散、清洗過程中，球形聚合物之間發(fā)生接觸， 并在超聲作用下發(fā)生裂解和再聚合過程，形成直徑更小、鏈較長的復合納米線。該結果表明，采用反相微乳液法可以合成球狀聚（苯胺-魯米諾）納米粒子，然而苯胺和魯米諾在水溶液中發(fā)生聚合時更易形成線狀聚合物[19]。endprint

3.2 聚（苯胺-魯米諾）復合納米線電化學發(fā)光行為

圖2為聚（苯胺-魯米諾）納米線修飾電極在PBS緩沖溶液（pH 8.0）中的電化學發(fā)光圖。由圖2可見，聚（苯胺-魯米諾）納米線呈現(xiàn)出良好的電化學發(fā)光行為，表明苯胺和魯米諾共同聚合在一起，形成聚（苯胺-魯米諾）復合納米線，且聚魯米諾在其中保持了良好的電化學發(fā)光特性。

在上述體系中加入H2O2，考察了H2O2對該體系電化學發(fā)光性質的影響（圖3）。由圖3可見，聚（苯胺-魯米諾）復合納米線的空白電化學發(fā)光信號和H2O2增敏電化學發(fā)光信號均強于純聚魯米諾膜電化學發(fā)光信號強度。同時，兩種修飾電極的電化學發(fā)光動力學曲線結果顯示（圖3插圖），相對于聚魯米諾膜修飾電極，聚（苯胺-魯米諾）復合納米線膜修飾電極呈現(xiàn)出更快的電化學發(fā)光響應速度。上述結果顯示復合納米線中聚苯胺能夠促進H2O2增敏聚魯米諾的電化學發(fā)光效率，復合納米線具有良好的比表面積和電子傳遞能力，加速了聚魯米諾與電極之間的電子傳遞，從而增強了復合納米線中的聚魯米諾對H2O2的電化學發(fā)光響應。

為了深入了解聚（苯胺-魯米諾）復合納米線電化學發(fā)光反應的機理，考察了其紫外-可見吸收和熒光光譜。圖4為聚（苯胺-魯米諾）復合納米線在水溶液中分散后的紫外-可見吸收光譜圖，與文獻[19]報道的聚苯胺紫外-可見吸收光譜一致。此材料在430 nm處有微弱吸收峰，并且在700～800 nm處有尾峰，其中350 nm附近的吸收峰源于聚苯胺鏈中苯環(huán)的π-π*電子躍遷，430 nm和700～800 nm處的寬的吸收歸屬于聚苯胺鏈中苯環(huán)向醌環(huán)躍遷[20，21]，此結果表明苯胺在過硫酸銨存在下生成了聚苯胺。

圖5為聚苯胺納米線和聚（苯胺-魯米諾）復合納米線在水溶液中分散后的熒光光譜圖。從圖5可見，純的聚苯胺沒有明顯的熒光發(fā)射峰，而聚（苯胺-魯米諾）復合納米線在465 nm處出現(xiàn)了明顯的熒光發(fā)射峰，表明在復合納米線的制備過程中，魯米諾與苯胺一起發(fā)生聚合反應，形成聚（苯胺-魯米諾）納米線，熒光光譜的發(fā)光體為聚魯米諾。與魯米諾的熒光最大發(fā)射波長425 nm相比，復合納米線的熒光最大發(fā)射波長發(fā)生了明顯紅移，說明在合成過程中，苯胺和魯米諾發(fā)生了有效的聚合反應，苯胺與魯米諾的結合改變了魯米諾的分子結構，從而使復合納米線中的聚魯米諾的熒光最大發(fā)射波長紅移。

3.3 聚（苯胺-魯米諾）復合納米線電化學發(fā)光分析特性

對電化學發(fā)光的條件進行了優(yōu)化，根據(jù)實驗結果，選擇pH=8.0 PBS作為電化學發(fā)光緩沖介質，循環(huán)伏安法作為電化學發(fā)光電解方式，工作電位為0～0.9 V，電位掃描速度為100 mV/s。

考察了聚（苯胺-魯米諾）復合納米線修飾電極電化學發(fā)光傳感器的分析特性。在選定的實驗條件下，此傳感器的電化學發(fā)光信號與H2O2濃度在5.0×10 Symbolm@@ 9～1.0×10 Symbolm@@ 5 mol/L范圍內分段呈線性關系，檢出限為2×10 Symbolm@@ 9 mol/L（3σ）。回歸方程為I=3.4467×108C + 32.87， r=0.9938（5.0×10 Symbolm@@ 9～1.0×10 Symbolm@@ 7 mol/L）; I=33.964×107C + 35.537， r=0.9926（1.0×10 Symbolm@@ 7～1.0×10 Symbolm@@ 5 mol/L）。對1.0×10 Symbolm@@ 8 mol/L H2O2進行11次連續(xù)測定， 其相對標準偏差為3.2%。

此傳感器采用電化學發(fā)光方法對H2O2進行檢測，較之電化學方法測定H2O2有更高的靈敏度[22]。此外，此電化學發(fā)光傳感器測定過程中不需要在體系中加入額外的發(fā)光試劑，成本低廉， 環(huán)境友好， 材料表面豐富的氨基可以進行進一步修飾， 有望在生物分析中得以應用[16]。

3.4 聚（苯胺-魯米諾）復合納米線及電化學發(fā)光傳感器的穩(wěn)定性

將聚（苯胺-魯米諾）復合納米線分散在水溶液中，于暗處存放30天后，聚（苯胺-魯米諾）復合納米線在水中仍具有很好的分散性; 在同一實驗條件下，用相同條件下制備的7支修飾電極分別測定1.0×10 Symbolm@@ 7 mol/L H2O2，所得結果的相對標準偏差（RSD） 為5.2%，用同一修飾電極在10個不同時間段進行測定，RSD為4.6%。電化學發(fā)光響應實驗結果表明， 在連續(xù)進行100次的電化學發(fā)光測定之后， 此電化學發(fā)光傳感器電化學發(fā)光強度降幅在5%以內。上述結果表明，此聚（苯胺-魯米諾）復合納米線修飾電極具有較好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。

3.5 小結

發(fā)展了一種簡單的方法制備聚（苯胺-魯米諾）復合納米線，此聚（苯胺-魯米諾）復合納米線膜修飾電極呈現(xiàn)出良好的電化學發(fā)光特性。相比于其它納米材料修飾電極的電化學發(fā)光檢測體系，本方法不需要在體系中加入額外的發(fā)光試劑， 可以在溶液中合成聚（苯胺-魯米諾）復合納米線，從而為聚（苯胺-魯米諾）復合納米線的進一步修飾和在溶液中的應用提供了方便和可能。

References

1 Esteves C H A， Iglesias B A， Li R W C， Ogawa T， Araki K， Gruber J. Sens. Actuators B， 2014， 193： 136-141

2 Fang K C， Hsu C P， Kang Y W， Fang J Y， Huang C C， Hsu C H， Huang Y F， Chen C C， Li S S， Yeh J A， Yao D J， Wang Y L. Biosens. Bioelectron.， ?2014， ?55： 294-300

3 Zhu N N， Chang Z， He P G， Fang Y Z. Electrochim. Acta， ?2006， ?51（18）： 3758-3762endprint

4 Milakin K A， Korovin A N， Moroz E V， Levon K， Guiseppi-Elie A， Sergeyev V G. Electroanal.， ?2013， ?25（5）： 1323-1330

5 Tao Y， Meng L， Wang X X， Wang L L， Jiao K. ACS Appl. Mater. Interfaces， ?2013， ?5（21）： 10889-10894

6 Lin K C， Yin C Y， Chen S M. Analyst， ?2012， ?137（6）： 1378-1383

7 Ferreira V， Cascalheira A C， Abrantes L M. Thin Solid Films， ?2008， ?516（12）： 3996-4001

8 Chang Y， Lin K， Chen M. Electrochim. Acta， ?2005， ?51（3）： 450-461

9 Jia D， Dai J Y， Yuan H Y， Lei L， Xiao D. Talanta， ?2011， ?85（5）： 2344-2351

10 Claver J B， Cabello J A， Sanfrutos J M， Fernández A M， Mirón M C V， González F S， Vallvey L F C. Anal. Chim. Acta， ?2012， ?754： 91-98

11 Liu C， Wei X H， Tu Y F. Talanta， ?2013， ?111： 156-162

12 Szili M， Kasik I， Matejec V， Nagy G， Kovacs B. Sens. Actuators B， ?2014， ?192： 92-98

13 Sassolas A， Blum L J， Bouvier B D L. Anal. Bioanal. Chem.， ?2008， ?390（3）： 865-871

14 Wang C H， Chen S M， Wang C M. Analyst， ?2002， ?127（11）： 1507-1511

15 WANG Zhi-Yong， GUO Wen-Ying， DI Jun-Wei， TU Yi-Feng. Chinese J. Anal. Chem.， ?2005， ?33（6）： 763-766

王智泳， 郭文英， 狄俊偉， 屠一鋒. 分析化學， 2005， ?33（6）： 763-766

16 Li G X， Lian J L， Zheng X W， Cao J. Biosens. Bioelectron.， ?2010， ?26（2）： 643-648

17 SONG Ling， ZHENG Xing-Wang， LI Gui-Xin. Chem. J. Chinese Universities， 2007， ?28（10）： 1869-1874

宋 玲， 鄭行望， 李桂新. ?高等學校化學學報， ?2007， ?28（10）： 1869-1874

18 Nabid M R ， Taheri S S， Sedghi R， Rezaei S J T. Macromol. Res.， ?2011， ?19（3）： 280-285

19 Huang J， Kaner R B. Angew. Chem.， ?2004， ?116（43）： 5941-5945

20 GUO Jun-Peng， XIE Zheng， LIAN Yan-Qing， WANG Xiao-Gong. J. Tsinghua Univ. （Sci & Tech）， ?2009， ?49（06）： 880-883

郭俊鵬， 謝 政， 連彥青， 王曉工. ?清華大學學報（自然科學版）， ?2009， ?49（06）： 880-883

21 SONG Gen-Ping， XIA Dong-Xiang. Acta Phys. -Chim. Sin.， ?2014， ?30（3）： 583-588

宋根萍， 夏冬祥. ?物理化學學報， ?2014， ?30（3）： 583-588

22 WANG Yi-Chen， JIANG Xiu-E. Chinese J. Anal. Chem.， ?2014， ?42（5）： 689-694

王奕琛， 姜秀娥. ?分析化學， ?2014， ?42（5）： 689-694

Electrochemiluminescence Performance of Poly（aniline-luminol）

Composite Nanowires Synthesized by Chemical Oxidation

WANG Yan-Jie1， LI Gui-Xin*1， ZHENG Xing-Wang2endprint

1（Laboratory for Pollution Monitoring and Control， School of Chemistry and Chemical Engineering，

Xinjiang Normal University， Urumqi 830054， China）

2（School of Chemistry and Chemical Engineering， Shaanxi Normal University， Xi′an 710062， China）

Abstract Poly （aniline-luminol） composite nanowires were synthesized by chemical oxidation using ammonium peroxydisulfate. In contrast to the maximum fluorescence emitting wavelength of luminol at 425 nm， the maximum fluorescence emitting wavelength of the polymeric luminol in the composite nanowires was red shifted to 465 nm obviously. The poly （aniline-luminol） composite nanowires were modified on graphite electrode surface by drop coating， forming a stable poly （aniline-luminol） composite nanowires film. The composite nanowires film modified electrode presented favorable electrochemiluminescence （ECL） performances， and the ECL response could be enhanced by hydrogen peroxide. Under the optimized experimental conditions， the modified electrode provided a linear range of 5.0×10 Symbolm@@ 9-1.0×10 Symbolm@@ 5 mol/L for the detection of hydrogen peroxide with a detection limit of 2×10 Symbolm@@ 9 mol/L.

Keywords Ammonium peroxydisulfate; Poly （aniline-luminol） composite nanowires; Electrochemiluminescence; Hydrogen peroxide

（Received 16 April 2014; accepted 9 October 2014）

This work was supported by the National Natural Science Foundation of Chinese （No. 21105086） and the Doctoral Starting up Foundation of Xinjiang Normal University （XJNUBS1208）endprint