CdS/Ru（bpy）32+電致化學發光傳感器的構建及鄰苯二酚的檢測

劉 婷，楊學梅，楊敏麗*

（1.上海師范大學化學與材料科學學院，上海200234；2.上海市楊浦區建設小學，上海200090）

0 引言

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

以往Ru（bpy）32+的ECL研究多數都是基于液相體系［3-5］，需要消耗大量較昂貴的Ru（bpy）32+，產生較高的分析成本，也會導致環境污染.通過電極修飾將Ru（bpy）32+固定在電極上，制作成ECL傳感器，不僅可以節省發光試劑、簡化實驗裝置，還可以實現ECL儀器的小型化和現場快速檢測［6-9］.

常見的傳感器將發光物質固定在電極上，而共反應劑存在于溶液中，需要擴散到電極表面才能發生ECL反應［10］.本研究將共反應劑CdS QDs與發光物質Ru（bpy）32+同時固定到電極上，構建了自增強CdS/Ru（bpy）32+ECL傳感器，這樣不僅節約了發光物質，還節省了共反應劑的用量，同時降低了共反應劑擴散帶來的影響.為了進一步提高傳感器的靈敏度，在構建傳感器時還引入了多壁碳納米管（MWCNTs）和金納米粒子（Au NPs），利用它們良好的導電性和大的比表面積，提高了Ru（bpy）32+的ECL信號.同時利用殼聚糖（CHIT）良好的成膜性能，提高了傳感器的穩定性.基于酚類物質對Ru（bpy）32+ECL信號的淬滅作用，實現了鄰苯二酚的靈敏檢測.

1 實驗部分

1.1 主要儀器

雷磁pHS-25型精密pH計，上海精密科學儀器有限公司；KQ-100DE型數控超聲波清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；三電極系統：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型電致化學發光測試系統，西安瑞邁分析儀器有限責任公司；CHI660E型電化學工作站，上海辰華儀器有限公司；S-4800型場發射掃描電子顯微鏡（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）均購于阿拉丁（上海）有限公司；Ru（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化學試劑有限公司；硫化鈉（Na2S·9H2O）購于天津市化學試劑研究所；MWCNTs（質量分數≥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試劑有限公司；濃硫酸（H2SO4）、濃硝酸（HNO3）均購于上海化學試劑公司.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［11］，并稍加改動：將86μL 98%（質量分數）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調至9，繼續攪拌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2～3次.最終將離心沉淀物分散于1 mL水中，得到量子點儲備液，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［12］，先將MWCNTs放入H2SO4和HNO3體積比為3∶1混合溶液中，連續超聲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，室溫保存備用.

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；持續煮沸15 min，待溶液顏色變為純正的酒紅色后停止加熱，繼續攪拌冷卻至室溫；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復合物的制備

MWCNTs-Au NPs復合材料是以L-cys作為交聯劑將兩者結合起來，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調節至7～8，在磁力攪拌器上緩慢攪拌反應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0.5%（質量分數）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傳感器的構建

傳感器的構建過程如圖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4次.再取10μL MWCNTs-Au NPs-Ru（bpy）32+混合溶液滴涂在修飾了量子點的電極表面，室溫下晾干，得到CdS/Ru（bpy）32+ECL傳感器，用于后續的分析檢測.

圖1 CdS QDs/Ru（bpy）32+傳感器的構建及檢測原理

1.9 ECL檢測

采用三電極系統，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的范圍內以200 mV·s-1掃描速率掃描（起始電位為0 V，掃描方向為正），記錄ECL信號.檢測鄰苯二酚時，將不同濃度的鄰苯二酚加入到檢測底液中，根據鄰苯二酚加入前后ECL信號的變化值△I，對鄰苯二酚進行定量檢測.

2 結果與討論

2.1 MWCNTs-Au NPs復合物的表征

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

圖2 （a）MWCNTs和（b）MWCNTs-Au NPs的FE-SEM圖

2.2 傳感器的表征

分別通過電化學阻抗（EIS）和ECL方法對不同修飾電極進行了表征，結果如圖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.這是因為CdS QDs是半導體材料，而且表面修飾了一層MPA（穩定劑），使CdS QDs帶有負電荷，與同樣帶負電荷的［Fe（CN）6］3-/4-產生靜電斥力，增大電子在電極表面轉移的阻力.繼續在電極表面滴涂CHIT（曲線C）后，阻抗值進一步增大.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移.再加入Au NPs，阻抗值（曲線E）進一步減小，說明Au NPs進一步增強了修飾電極的導電性.

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），當在電極表面同時修飾了CdS QDs和Ru（bpy）32+后，修飾電極的ECL信號明顯增強（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信號進一步增強（曲線B）.當用MWCNTs-Au NPs復合材料取代MWCNTs修飾在電極表面，ECL信號強度提高了1.5倍（曲線A），說明合成的MWCNTs-Au NPs復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

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

2.3 實驗條件的優化

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信號，對這些實驗參數進行了優化.

首先探究了CdS QDs的用量對傳感器的ECL強度的影響.圖5（a）是修飾的CdS QDs的量與ECL強度的關系曲線.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滴涂第二次，依此類推.由圖5可知，當滴涂次數超過4次時，所構建的傳感器的ECL強度不再增大，繼續增加CdS QDs的厚度時，ECL信號反而逐漸降低.說明滴涂的CdS QDs過厚，影響了電子轉移，電極的導電性減弱.故將CdS QDs的滴涂次數定為4次.

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

實驗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.結果如圖5（c）所示，pH為5.0～8.0，傳感器的ECL強度隨pH的升高而增大，在pH=8.0時，達到最大值，pH繼續增大，ECL強度反而降低.因此，實驗選用檢測底液的pH為8.0.

電位掃描速率對ECL信號的影響如圖5（d）所示.當掃描速率在100～240 mV·s-1內變化時，隨著掃描速率的增大，傳感器的ECL信號逐漸增強；但當掃速超過200 mV·s-1時，ECL信號不夠穩定.為了保證實驗結果的準確性，將實驗的最佳掃描速率定為200 mV·s-1.

圖5 實驗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

在優化后的實驗條件下，考察了傳感器對鄰苯二酚的ECL響應.將不同物質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，測得相應的ECL信號.如圖6所示，隨鄰苯二酚物質的量濃度不斷增大，相應的ECL信號逐漸減弱，內插圖顯示，在5.0×10-9～1.0×10-5mol·L-1范圍內ECL的變化值ΔI（ΔI=I0-I，I0代表未加入鄰苯二酚的ECL強度，I代表加入鄰苯二酚的ECL強度）與鄰苯二酚的物質的量濃度的對數值呈良好的線性關系，線性回歸方程為（I0-I）/I0=0.211 1 log C-0.108（相關系數R2=0.996 7），C表示鄰苯二酚物質的量濃度，檢出限為1.5 nmol·L-1.

圖6 傳感器對不同物質的量濃度鄰苯二酚的ECL響應（內插圖為線性關系圖）

2.5 干擾研究

考察了傳感器對對苯二酚、間苯二酚、DA、尿酸、抗壞血酸的響應情況.結果表明傳感器對前3種物質有不同程度的響應，而對后2種物質沒有明顯響應，證明傳感器對結構與鄰苯二酚相似的酚類物質都有響應，可用來測這類物質.將構建的傳感器與其他檢測鄰苯二酚的傳感器進行對比.結果表明所構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的線性范圍和檢出限的比較

2.6 傳感器的重現性與穩定性

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強度的相對標準偏差為4.7%，說明構建的傳感器重現性良好.將構建好的傳感器置于4℃冰箱中避光保存，每隔一周檢測ECL信號，連續考察4周，結果表明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定性.另外，將一支傳感器放在檢測底液中連續掃描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定性.

圖7 傳感器的（a）重現性與（b）穩定性

2.7 實際樣品分析

為了研究傳感器的實用性，采用加標回收的方法檢測實際樣品中酚類物質的含量，通過計算回收率評價方法的可靠性.樣品為徐匯區桂林路康健河的河水，經過濾后進行檢測.檢測結果如表2所示，回收率在96.7%～102.96%之間，相對標準偏差的范圍為3.5%～5.6%，說明構建的傳感器可用于實際樣品中酚類物質的檢測.

表2 實際樣品中鄰苯二酚的分析結果及加標回收率（n=4）

3 結論

基于CdS QDs對Ru（bpy）32+ECL信號的增敏作用，將CdS QDs和Ru（bpy）32+同時固定到電極上，構建了自增強CdS/Ru（bpy）32+ECL傳感器.MWCNTs和Au NPs的引入大大增強了傳感器的靈敏度.CHIT的加入改善了Ru（bpy）32+在電極表面難固定的缺點.所構建的傳感器具有良好的穩定性和重現性.基于鄰苯二酚對Ru（bpy）32+ECL信號的淬滅作用，實現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，還可以檢測結構與鄰苯二酚相似的其他酚類物質.