硫化鎘量子點(diǎn)對三聯(lián)吡啶釕電化學(xué)發(fā)光的增敏作用及用于鄰苯二酚的檢測

王明麗 孫亞楠 郭佳怡 楊學(xué)梅 楊敏麗

摘 要 研究了CdS 量子點(diǎn)（CdS QDs）對三聯(lián)吡啶釕（Ru（bpy）32+）電致化學(xué)發(fā)光（ECL）信號的作用，發(fā)現(xiàn)CdS QDs對Ru（bpy）32+的ECL信號有良好的增敏作用，基于此建立了高靈敏的CdS QDs/Ru（bpy）32+ ECL體系。探討了該體系的ECL機(jī)理，考察了CdS QDs的濃度、緩沖溶液pH值、掃描速率等實(shí)驗(yàn)參數(shù)對ECL信號的影響，優(yōu)化了體系的ECL條件。基于鄰苯二酚對該體系ECL信號的抑制作用，建立了鄰苯二酚的ECL檢測方法。在1.0×108～1.0×105 mol/L范圍內(nèi)，鄰苯二酚的濃度與ECL信號的變化值呈良好的線性關(guān)系，檢出限（S/N=3）為5.5 nmol/L，將本方法用于茶葉中鄰苯二酚的檢測，結(jié)果令人滿意。

關(guān)鍵詞 電致化學(xué)發(fā)光； 硫化鎘量子點(diǎn)； 三聯(lián)吡啶釕； 鄰苯二酚

1 引 言

電致化學(xué)發(fā)光（ECL）檢測技術(shù)具有靈敏度高、選擇性好、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種物質(zhì)的檢測[1]。三聯(lián)吡啶釕（Ru（bpy）32+）是最早應(yīng)用的一種ECL物質(zhì)，因其溶解性好、發(fā)光效率高、氧化還原可逆、化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[2]。 Ru（bpy）32+的ECL一般都需要共反應(yīng)劑的參與，常用的共反應(yīng)劑有三丙胺（TPrA）、C2O24、N2H4、S2O28等[3]，它們雖然增敏效果很好，但穩(wěn)定性差、有毒、有背景干擾等問題，限制了Ru（bpy）32+在某些領(lǐng)域的應(yīng)用。

量子點(diǎn)（QDs）是一種新型半導(dǎo)體納米材料，具有良好的光電性能[4]。近年來，關(guān)于QDs的研究主要集中于其光學(xué)性能[5，6]，而對其電化學(xué)和電催化性能的研究卻較少報(bào)道。 QDs的ECL性能研究顯示，某些QDs具有很好的電化學(xué)活性，它們能夠直接在電極上氧化或還原，產(chǎn)生自由基，再與溶液中的其他物質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生ECL。Wang等[7]在研究CdTe QDs的陽極ECL時(shí)，發(fā)現(xiàn)該QDs通過電化學(xué)氧化直接產(chǎn)生陽離子自由基CdTe·+，再與溶解氧形成的O2·作用產(chǎn)生ECL。QDs的這種氧化過程與Ru（bpy）32+的共反應(yīng)劑相似，因此推測 QDs可以作為Ru（bpy）32+的ECL共反應(yīng)劑催化其ECL現(xiàn)象。 Dong等[8] 將CdSe QDs修飾在玻碳電極上，研究了Ru（bpy）32+在裸玻碳電極及修飾電極上的ECL信號，發(fā)現(xiàn)修飾電極的ECL信號明顯大于裸電極信號，表明CdSe QDs對Ru（bpy）32+的ECL有增敏作用。Long等[9]的研究也表明碳量子點(diǎn)對Ru（bpy）32+的ECL信號有很好的增敏作用，基于此實(shí)現(xiàn)了對雙酚A的靈敏檢測。

CdS QDs的合成方法簡單，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定[10，11]。 本研究選擇CdS QDs 為研究對象，考察其對Ru（bpy）32+ECL的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加入少量的CdS QDs可以使Ru（bpy）32+的ECL信號大大增強(qiáng)，且在本研究檢測條件下，CdS QDs不產(chǎn)生任何ECL信號，無背景干擾，相對于Ru（bpy）32+的其它共反應(yīng)劑，CdS QDs性質(zhì)更穩(wěn)定，而且合成簡單，價(jià)格低廉。優(yōu)化了本體系的ECL條件，并基于鄰苯二酚對該體系 ECL信號的抑制作用，建立了鄰苯二酚的ECL檢測方法，用于茶葉中鄰苯二酚的檢測，結(jié)果令人滿意。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器與試劑

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）； 三電極系統(tǒng)：工作電極為玻碳電極（GCE），Pt絲為對電極，Ag/AgCl電極（飽和KCl溶液）為參比電極； CHI660E電化學(xué)工作站（上海辰華公司）； UV-1800紫外-可見分光光度計(jì)、RF-5301PC 熒光分光光度計(jì)（日本日立公司）。

三聯(lián)吡啶釕（Ru（bpy）32+）、氯化鎘（CdCl2·2.5H2O）、鄰苯二酚、間苯二酚、對苯二酚、多巴胺、抗壞血酸、尿酸（國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）； 巰基丙酸（MPA，98%，Sigma-Aldrich化學(xué)公司）； NaOH（天津市廣成化學(xué)試劑有限公司）； Na2S·9H2O（天津市化學(xué)試劑研究所）； 所有藥品均為分析純，溶液均以超純水配制。江蘇省某品牌綠茶樣品購于本地超市。

2.2 CdS QDs的制備

CdS QDs的合成參考文獻(xiàn)[12]方法并稍做改動(dòng)。將86 μL 98%（V/V）MPA加入到20 mL 0.02 mol/L CdCl2溶液中，室溫下磁力攪拌5 min，然后用1 mol/L NaOH調(diào)節(jié)至pH 9.0，繼續(xù)攪拌30 min； 最后緩慢加入20 mL 0.02 mol/L Na2S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。將得到的量子點(diǎn)溶液與無水乙醇等體積混合，以10000 r/min離心10 min。所得沉淀分散于200 μL水中，加入1 mL異丙醇，再次離心、洗滌，重復(fù)2～3次。最終將沉淀分散于1 mL水中，得到量子點(diǎn)儲備液，于4℃避光保存。

2.3 茶葉樣品的處理

參考文獻(xiàn)[13]的方法處理茶葉樣品： 將茶葉樣品用研缽研碎，稱取0.2 g茶葉粉末， 加入到60 mL 20% （V/V）甲醇溶液中，80℃下浸提20 min，過濾，將濾液稀釋至100 mL，備用。

2.4 ECL檢測

采用MPI-ECL分析儀，以GCE電極為工作電極，在1.5～+1.5 V范圍內(nèi)以200 mV/s循環(huán)掃描，記錄ECL信號。光電倍增管電壓為600 V。介質(zhì)為 0.10 mol/L PBS緩沖溶液（pH 8.0）。檢測鄰苯二酚時(shí)，先向一定體積的介質(zhì)中加入20 μL 0.2 mmol/L Ru（bpy）32+ 和80 μL合成的 CdS QDs，檢測ECL信號； 然后加入10 μL不同濃度的鄰苯二酚，再檢測ECL信號，根據(jù)鄰苯二酚加入前后ECL信號的變化值ΔI對鄰苯二酚進(jìn)行定量檢測。

3 結(jié)果與討論

3.1 CdS QDs的表征

圖1A為所制備的CdS QDs的高分辨透射電子顯微鏡（TEM）圖像，可見CdS QDs的粒徑約為2.5 nm， 且粒徑均勻。圖1B顯示量子點(diǎn)在370 nm處有特征吸收峰，激發(fā)波長400 nm時(shí)其最大發(fā)射波長為551 nm，依據(jù)文獻(xiàn)[14]方法估算CdS QDs溶液的濃度為2.2 μmol/L，粒徑為2.52 nm。

3.2 CdS QDs對Ru（bpy）32+ECL行為的影響

為探究CdS QDs對Ru（bpy）32+ECL行為的影響，分別測試了 CdS QDs、Ru（bpy）32+及二者混合后的ECL 信號。如圖2所示，單獨(dú)Ru（bpy）32+在+1.2 V處產(chǎn)生較弱的陽極ECL信號，而單獨(dú)CdS QDs在此條件下沒有ECL信號，但二者混合后，體系的ECL信號比單獨(dú)Ru（bpy）32+ 的ECL信號增加了約 4 倍。上述結(jié)果表明， CdS QDs對Ru（bpy）32+體系的ECL有很好的增敏作用。

3.3 CdS QDs對 Ru（bpy）32+的ECL增敏機(jī)理

為了探究CdS QDs對Ru（bpy）32+陽極ECL的增敏機(jī)理，分別考察CdS QDs和Ru（bpy）32+及其混合液的光譜行為和電化學(xué)行為。圖3A是單獨(dú)的CdS QDs、Ru（bpy）32+和二者混合后的紫外吸收光譜，可見CdS QDs與Ru（bpy）32+分別在370 和450 nm處有特征吸收峰，混合后的溶液也在370和450 nm處有特征吸收峰，而且沒有出現(xiàn)新的吸收峰，說明二者在混合過程中未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，沒有生成新物質(zhì)。

圖3B 是CdS QDs、Ru（bpy）32+及二者混和后在PBS中的CV曲線，可見CdS QDs 在 0.75 V處出現(xiàn)氧化峰，說明CdS QDs在0.75 V處可被氧化，產(chǎn)生CdS·+。Ru（bpy）32+ 在+1.2 和0.5 V 處出現(xiàn)了氧化還原峰，這是Ru（bpy）32+在+1.20 V處被氧化生成Ru（bpy）33+，在0.5 V 處被還原生成Ru（bpy）3+； 二者混合后，各自的峰位置未發(fā)生變化，但二者的氧化峰電流都增大，而Ru（bpy）32+還原峰電流減小，說明二者的氧化產(chǎn)物之間發(fā)生了作用。Ru（bpy）32+和Ru（bpy）32+與CdS QDs混合溶液的ECL光譜曲線如圖3C和3D所示， ECL光譜峰形狀非常相似，譜峰位置也非常接近，但混合體系的ECL 強(qiáng)度明顯大于單獨(dú)的Ru（bpy）32+的ECL強(qiáng)度，說明體系中的發(fā)光體是Ru（bpy）32+，CdS QDs增敏了Ru（bpy）32+的ECL。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，結(jié)合文獻(xiàn)[8，15]，推測可能的發(fā)光機(jī)理是：CdS QDs 在0.75 V處氧化產(chǎn)生QDs·+，該自由基與Ru（bpy）32+在+1.2 V處的氧化產(chǎn)物Ru（bpy）33+發(fā)生作用，生成激發(fā)態(tài)的Ru（bpy）2+*3，后者返回基態(tài)時(shí)發(fā)光。為了驗(yàn)證這一推測，將電位掃描窗口縮小，結(jié)果表明，當(dāng)電位在0～+1.5 V和0.5～+1.5V范圍內(nèi)掃描時(shí)，Ru（bpy）32+的ECL信號并未增大，因?yàn)榇藭r(shí)CdS QDs 不會(huì)氧化生成CdS·+，上述結(jié)果進(jìn)一步證明了推測的機(jī)理的合理性。

3.4 CdS QDs/Ru（bpy）32+體系ECL條件的優(yōu)化

3.4.1 Ru（bpy）32+濃度的優(yōu)化 Ru（bpy）32+是本體系的發(fā)光試劑，其濃度對體系的ECL強(qiáng)度有很大作用。 固定CdS QDs的用量，改變Ru（bpy）32+濃度，測量ECL信號。結(jié)果表明，在0～0.20 mmol/L范圍內(nèi)，隨著Ru（bpy）32+濃度的增加，ECL信號急劇增大，但Ru（bpy）32+濃度超過0.20 mmol/L后，信號增幅減弱，考慮到Ru（bpy）32+價(jià)格昂貴，實(shí)驗(yàn)中Ru（bpy）32+的濃度選用0.2 mmol/L。

3.4.2 CdS QDs用量的優(yōu)化 CdS QDs對Ru（bpy）32+的ECL具有增敏作用，其用量直接影響ECL信號強(qiáng)度。固定Ru（bpy）32+的濃度為0.2 mmol/L，向體系中加入不同量的CdS QDs，檢測ECL信號。在0～80 μL范圍內(nèi)， 隨CdS QDs用量的增加，體系的ECL信號急劇增大； 繼續(xù)增加CdS QDs用量，ECL信號變化趨于平緩。這是由于隨著CdS QDs的增多， CdS·+的生成速度增大，可與Ru（bpy）33+ 作用生成更多激發(fā)態(tài)的Ru（bpy）2+*3，產(chǎn)生更強(qiáng)的ECL； 但繼續(xù)增加CdS QDs用量，由于體系中Ru（bpy）32+的量一定，Ru（bpy）2+* 3達(dá)到飽和，ECL信號變化趨于平緩。故CdS QDs的用量選用80 μL。

3.4.3 溶液pH值的優(yōu)化 配制不同pH值的PBS溶液，檢測不同pH值下CdS QDs /Ru（bpy）32+體系的ECL信號。結(jié)果表明，pH在5.0～8.0范圍內(nèi)變化時(shí)，體系的ECL強(qiáng)度隨著溶液pH值的增加而增大，當(dāng)pH=8.0時(shí)，ECL強(qiáng)度達(dá)到最大值； pH>8.0時(shí)，ECL強(qiáng)度又逐漸減小。因此本實(shí)驗(yàn)選擇pH=8.0的PBS溶液作為檢測底液。

3.4.4 掃描速率的優(yōu)化 考察了掃描速率對體系ECL的影響。如圖4所示，當(dāng)掃描速率低于 0.2 V/s時(shí)， 隨著掃描速率的增大，CdS QDs的氧化電流逐漸增大，且ECL 強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)， 在掃描速率為0.2 V/s 時(shí)達(dá)到最大值，這是由于掃描速率越大，生成的QDs·+ 越多，形成的 Ru（bpy）2+*3越多。當(dāng)掃描速率大于 0.2 V/s時(shí)，ECL 強(qiáng)度有所降低，這是由于ECL與共反應(yīng)劑的擴(kuò)散速率有關(guān)[16]，當(dāng)掃速過大時(shí)，電極表面的共反應(yīng)劑的消耗速率大于擴(kuò)散速率，導(dǎo)致共反應(yīng)劑濃度過低，ECL降低[17]。因此，選擇掃描速率為0.2 V/s。

3.5 檢測鄰苯二酚的分析性能

實(shí)驗(yàn)表明，鄰苯二酚對CdS QDs/Ru（bpy）32+體系的ECL信號有抑制作用。在優(yōu)化條件下，將不同濃度的鄰苯二酚加入到體系內(nèi)，測得相應(yīng)的ECL信號，如圖 5所示，隨著鄰苯二酚濃度不斷增大，ECL信號逐漸減弱，體系的ECL的差值△I（加入鄰苯二酚前后ECL強(qiáng)度變化值）與鄰苯二酚濃度的對數(shù)值在1.0×108～1.0×105 mol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系（圖5插圖），線性回歸方程為ΔI = 583.2 lgC （nmol/L）-111.4 （R2=0.9967），檢出限為5.5 nmol/L。本方法與其它檢測鄰苯二酚ECL方法結(jié)果相比（表1），具有更寬的線性范圍和較低的檢出限。

為了探究鄰苯二酚抑制CdS QDs/Ru（bpy）32+ ECL信號的機(jī)理，測試了鄰苯二酚加入前后體系的CV行為。如圖6所示，與加入鄰苯二酚前相比，加入鄰苯二酚后，分別在0.25和0.1 V處出現(xiàn)了一對氧化還原峰，表明鄰苯二酚在電極上發(fā)生了氧化還原反應(yīng)。鄰苯二酚氧化后生成鄰苯醌，激發(fā)態(tài)的Ru（bpy）2+*3將能量轉(zhuǎn)移給鄰苯醌導(dǎo)致體系中ECL信號降低[22，23]。

3.6 選擇性和干擾實(shí)驗(yàn)

為了考察方法的選擇性，分別向體系中加入5 μmol/L鄰苯二酚（Catechol）、間苯二酚（Resorcinol）、對苯二酚（Hydroquinone）、多巴胺（DA）、尿酸（UA）、抗壞血酸（AA）， 測定ECL信號。如圖7 所示，除鄰苯二酚外，對苯二酚和多巴胺也對CdS QDs/Ru（bpy）32+體系的ECL有抑制作用，其原因是這兩種物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與鄰苯二酚的結(jié)構(gòu)相似，均能在電極上被氧化生成醌類物質(zhì)， 因此本方法可用于檢測結(jié)構(gòu)相似的這一類酚類物質(zhì)。

3.7 方法的穩(wěn)定性

用同一根電極在相同條件下連續(xù)掃描25圈，得到CdS QDs/ Ru（bpy）32+體系的ECL信號隨掃描時(shí)間的變化圖，如圖8所示，信號基本沒有變化，說明該體系的ECL信號穩(wěn)定。

3.8 茶葉樣品中鄰苯二酚的測定

采用本方法檢測茶葉中鄰苯二酚的含量，并進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表2。茶葉中鄰苯二酚的初始含量為0.321 mg/g， 3個(gè)濃度水平鄰苯二酚的加標(biāo)回收率為94.2%～101.1%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.2%～5.7%。

4 結(jié) 論

基于CdS QDs對Ru（bpy）32+的ECL信號有很好的增敏作用，建立了CdS QDs/Ru（bpy）32+ECL 體系，探討了體系的發(fā)光機(jī)理，并基于鄰苯二酚對該體系 ECL信號的抑制作用，建立了鄰苯二酚的ECL檢測方法，用于茶葉中鄰苯二酚的檢測，結(jié)果令人滿意。與其它文獻(xiàn)報(bào)道檢測方法相比，本方法簡單、靈敏、線性響應(yīng)范圍寬。

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