基于四苯乙烯自聚集膜增強電化學發光靈敏檢測溶解氧

張霖琳，包欣京，魯理平

(北京工業大學 環境與能源工程學院，北京 100124)

氧氣是絕大部分動植物必不可少的生存物質之一，因此氧傳感器的發展對于生命體系科學研究與環境監測具有重要意義。作為衡量水體自凈能力的指標，溶解氧(Dissolved oxygen,DO)的檢測一直是人們所關注的重點。有機污染物產生的過量溶解氧是造成水體失去自凈能力的原因之一[1]，而溶解氧含量過低，則會影響水中動植物的正常生理生化功能，甚至因缺氧而死亡。因此溶解氧傳感器的開發對于水產養殖業、自來水廠、污水處理廠、海洋及濕地研究起到了至關重要的作用。溶解氧的檢測方法有碘量法[2]、熒光分光光度法[3-5]、電化學分析法[6-7]等。

電化學發光(Electrochemiluminescence，ECL)也稱電致化學發光，是化學發光與電化學二者相結合的產物。與其他方法相比，電化學發光法具有操作簡單、無光漂白、光散射干擾與背景干擾值低等優點[8]。魯米諾是目前應用最廣泛的電化學發光試劑之一,增敏魯米諾電化學發光信號的新方法研究對于發展其實際應用具有重大價值[9-11]。

自組裝法(Self-assembling，SA)是一種常見的電極修飾方法，即物質在固/液界面上自組裝成高度有序單分子層的一種化學修飾電極的方法[12]。近年來，研究人員開發了許多不同的有機分子自組裝修飾電極[13-16]，結果顯示有機分子可在電極表面自組裝形成多孔的3D框架結構，這種多孔結構的比表面積較大，孔隙對氣體的吸附選擇性較高。自組裝膜是分子通過非共價鍵相互作用自發吸附在固/液或氣/固界面，具有清晰的微結構、良好的選擇性、較高的熱力學穩定性[17]。

四苯乙烯(TPE)是一種典型的非共平面分子，其分子骨架含有4個高度扭曲的苯環，在固體狀態下能夠形成多螺旋槳型的分子結構[18-19]，且在室溫下易形成聚集態薄膜。與平面結構相比，3D分子構型在固態時形成的聚集態更加松散且無定形[20]?；诖?，本文將非共平面結構的TPE修飾至金電極表面，并利用魯米諾電化學發光機理成功制備出電化學發光氧氣傳感器，實現了溶解氧的定量檢測。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

CHI660a電化學分析儀(上海辰華儀器有限公司);MPI-E型電致化學發光分析系統多功能化學發光檢測儀、MPI-E型電致化學發光分析系統電化學分析儀(西安瑞邁分析儀器有限公司)；KQ-400KDE型高功率數控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)；分析電子天平(瑞士梅特勒-托利多儀器公司)。氯化鈉(NaCl)、十二水合磷酸氫二鈉(Na2HPO4·12H2O) 、氯化鉀(KCl)、鐵氰化鉀(K3[Fe(CN)6])、亞鐵氰化鉀(K4[Fe(CN)6])、丙酮(天津市福晨化學試劑廠)；二水合磷酸二氫鈉(NaH2PO4·2H2O)、濃硫酸(H2SO4)、四氫呋喃(THF)、乙醇(北京化學試劑有限公司)；魯米諾(上海BBI生命科學有限公司);四苯乙烯(TPE，上海九鼎化學科技有限公司)；上述試劑均為分析純。氧化鋁拋光粉末(Al2O3，天津艾達恒晟科技發展有限公司);高純氮氣(N2，北京城信順興氣體原料銷售有限公司)。實驗用水均為超純水(Milli-Q Advantage A10 Water Purification System,18.2 MΩ·cm)。

本文所涉及的電化學實驗三電極體系均為:鉑絲為對電極，飽和Ag/AgCl電極為參比電極，修飾金圓盤電極(直徑2 mm)為工作電極(上海辰華儀器有限公司)。

1.2 工作電極預處理

依次使用0.5、0.05 μm氧化鋁粉末在水潤濕的拋光布上對金電極進行拋光處理后,再依次用水、乙醇、水進行超聲處理，時間分別為3 min。用氮氣吹干超聲過的金電極后，在0.5 mol/L硫酸溶液中循環伏安掃描預處理，電位范圍為 -0.2～+1.5 V，掃描速率為100 mV/s。最后用丙酮對金電極進行超聲處理，時間為3 min，并用氮氣吹干備用。

1.3 修飾電極的制備

預處理后的金電極表面分別滴加5、10、20、30、40、60、80、100 mmol/L TPE溶液5 μL(該溶液由THF配制)，室溫下靜置成膜，得到不同濃度TPE修飾的金電極，記為TPE/Au。

1.4 魯米諾電化學發光實驗

鉑絲為對電極，Ag/AgCl電極為參比電極，修飾電極為工作電極，檢測底液為100 μmol/L魯米諾溶液(該溶液由0.1 mol/L PBS溶液配制)。電化學參數設置為：電位范圍：-0.5～+0.6 V；掃描方向：正；掃描速率：100 mV/s，光電倍增管高壓：600 V。

2 結果與討論

2.1 實驗原理及可行性研究

圖1 基于TPE修飾電極放大魯米諾電化學發光信號檢測溶解氧的方法示意圖Fig.1 Schematic representation for detection of dissolved oxygen based on TPE modified electrode amplified luminol electrochemiluminescence intensity

圖2 TPE/Au及Au電極的電化學阻抗圖Fig.2 ESI curves of TPE/Au and Au electrodes

圖3 TPE濃度對魯米諾電化學發光強度的影響Fig.3 Effect of TPE concentration on ECL intensity of luminol

圖4 不同條件下，TPE/Au檢測100 μmol/L魯米諾溶液的循環伏安曲線Fig.4 CV curves of 100 μmol/L luminol detected by TPE/Au under different conditionsa(dot)：TPE/Au in 100 μmol/L luminol;b(dash)：TPE/Au in 100 μmol/L luminol under N2,c(solid)：TPE/Au in 0.1 mol/L PBS;the arrows indicate electrochemical process

圖5 TPE/Au檢測魯米諾的電化學發光曲線圖Fig.5 ECL curves of luminol detected by TPE/Aua(solid)：TPE/Au in 100 μmol/L luminol at atmosphere;b(dash)：TPE/Au in 100 μmol/L luminol under N2 15 min

2.2 TPE/Au電化學阻抗

考察了TPE/Au 及Au電極的電化學阻抗曲線(見圖2)。通常電化學阻抗低頻區的線性部分可反映電解液中物質的擴散過程；而在高頻區產生的半圓曲線則可反映電極表面的電荷轉移過程，半圓部分的直徑大小即為電極表面電荷轉移電阻(Ret)[21]，其半圓越大，則電子轉移電阻越大。由圖2可知，裸金電極的Ret值約為400 Ω，與之相比，TPE/Au的Ret值約為4 000 Ω，此結果表明TPE/Au表面的電子傳遞性能受到一定的阻礙。 上述研究表明TPE/Au增強魯米諾ECL強度并非由于金電極表面導電性變化所致，而是TPE自聚集形成的3D多孔隙薄膜增強了魯米諾電化學發光強度。

2.3 TPE修飾量的優化

2.4 TPE/Au增強魯米諾電化學發光

圖6 不同電極的魯米諾電化學發光強度對比圖Fig.6 Contrast chart of ECL intensities for different electrodesa(solid)：TPE/Au in 100 μmol/L luminol;b(dot)：Au electrode in 100 μmol/L luminol solution;c(dash)：TPE/Au in 0.1 mol/L PBS

LH--e —— L·-+H+

(1)

(2)

(3)

AP2-*—— AP2-+hν

(4)

2.5 穩定性與重現性

分別連續測定3根平行制備的TPE/Au，考察了其對體系魯米諾電化學發光強度的變化。結果顯示，72 h后魯米諾電化學發光強度僅減少9.1%，表明TPE修飾電極具有較好的穩定性。3根TPE修飾電極的相對標準偏差(RSD)為2.2%，表明TPE修飾電極具有良好的重現性。

圖7 不同通氮時間下TPE/Au的魯米諾電化學發光強度圖Fig.7 ECL curves of luminol detected by TPE/Au in different nitrogen duration insert:line chart of luminol detected by TPE/Au in different nitrogen duration

2.6 溶解氧的檢測

氧氣作為魯米諾電化學發光的共反應劑，其濃度的變化直接影響魯米諾電化學發光的強度[23]。因此，可通過向測試底液中通入氮氣排除氧氣，根據不同的通氮時長，測定了不同通氮時間下的魯米諾電化學發光信號強度，進而檢測溶液中溶解氧的濃度。分別向魯米諾溶液中通入氮氣0、1、2、3、4、5、6、8、10、13、15、20、25、30 min，氮氣流速約為0.5 mL/min，隨后立即用TPE/Au檢測其電化學發光強度，結果如圖7所示。與未通氮氣相比，魯米諾電化學發光強度在1～6 min內呈現驟減趨勢，之后，電化學發光信號呈緩慢下降趨勢，30 min時電化學發光強度接近于零(圖7插圖)。

根據國家水質—溶解氧的測定標準[24]可知，在標準大氣壓下，室溫為25 ℃時水中飽和溶解氧質量濃度約為8.26 mg/L。與未通氮氣除氧相比，魯米諾電化學發光強度在通氮時間為1～6 min內所對應的溶解氧質量濃度理論值分別為1.63、1.40、1.09、0.677、0.388、0.190 mg/L。根據以上數據進行擬合，得到通氮時間與溶解氧質量濃度在1.63～0.190 mg/L范圍內呈線性關系，線性方程為y=-0.304 3x+1.960 7，r2=0.990 9。利用此線性關系，可對體系中的溶解氧質量濃度進行檢測，溶解氧起始濃度最低檢出限為1.89 mg/L。根據我國地表水環境質量標準[25]，I～V類水中溶解氧標準限值分別為7.50、6.00、5.00、3.00、2.00 mg/L，限值均高于實驗中最低檢出限。

3 結 論