PEI/SiO2纳米粒子自组装修饰电极及六价铬离子的电化学发光分析方法研究

王　艳， 张建怀， 郭志慧*, 郑行望

(1 陕西师范大学 化学化工学院， 陕西省生命分析化学重点实验室， 陕西 西安 710119；

2 西北工业大学 附属中学， 陕西 西安 710072)



PEI/SiO2纳米粒子自组装修饰电极及六价铬离子的电化学发光分析方法研究

王艳1， 张建怀2， 郭志慧1*, 郑行望1

(1 陕西师范大学 化学化工学院， 陕西省生命分析化学重点实验室， 陕西 西安 710119；

2 西北工业大学 附属中学， 陕西 西安 710072)

摘要：利用反相微乳液方法合成了PEI/SiO2复合纳米粒子，通过透射电子显微镜(TEM)、Zeta电位对该复合纳米粒子进行了表征。该复合纳米粒子可以基于超分子作用自组装于Nafion/CNT修饰电极表面，并基于该修饰电极对铬酸根)的富集效应及的电还原产物Cr(Ⅲ)对鲁米诺-H2O2化学发光体系强烈的催化作用，建立了一种高选择性的测定六价铬离子Cr(Ⅵ)的电化学发光新方法。

关键词：PEI/SiO2纳米粒子修饰电极； 检测； 鲁米诺； 电化学发光

聚乙烯亚胺(PEI)是一种水溶性聚胺高分子材料，分子链中拥有大量的氨基，在pH<10的水溶液中，其氨基处于质子化状态，是阳离子聚电解质，对金属离子能产生很强的螯合作用[1-3]，被广泛地应用于吸附分离重金属离子，如Cu2+、Cd2+、Zn2+等[4-5]。因为PEI上具有大量的氨基，在pH接近10的溶液中仍具有高的零电势点，因此PEI在接近中性和碱性的溶液中仍带正电荷，在吸附和去除环境及污水中的Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ) 时，表现出很强的吸附能力和去除效率[6-7]。

近年来，由于SiO2纳米粒子的诸多优点，如易于合成、表面易官能团化、良好的生物亲和性、无毒性等优点[8-10]，使得SiO2纳米复合材料得到了快速发展。将PEI通过吸附或共价键合作用固定在SiO2纳米粒子表面，得到了PEI/SiO2复合纳米粒子。例如，Li等人[11]通过接枝共聚将PEI共聚于SiO2纳米粒子中，并用此复合材料吸附了废气中的CO2，降低了环境中CO2的排放量;Yekaterina等[12]报道了表面功能化聚乙烯亚胺(PEI)的介孔二氧化硅纳米粒子，并将荧光基团进一步复合于纳米材料之中，进一步拓展了该复合纳米材料的功能。PEI与二氧化硅纳米粒子的复合物对细胞具有较低的毒性，能够特异靶向表达叶酸受体肿瘤细胞;Jean-Paul Lellouche[13]等人将PEI共价于二氧化硅纳米粒子表面，用于siRNA的转载与释放方面的研究，这对核酸类物质的转载具有重要的意义。但基于共价键合方法将PEI固定于SiO2纳米粒子表面具有键合过程复杂、键合效率低等缺点，因此发展新的PEI高分子材料与SiO2纳米粒子的复合材料以拓宽它们的分析特性，具有重要的科学与应用价值。

1实验部分

1.1试剂和仪器

鲁米诺储备液(0.01 mol/L):称取0.177 2 g鲁米诺(购于Sigma-Aldrich)，用0.1 mol/L NaOH溶解并转移到100 mL容量瓶中定容，置于棕色试剂瓶中暗处避光保存。六价铬储备液(0.01 mol/L):称取0.194 2 g铬酸钾(购于上海化学试剂厂)，用超纯水溶解后转移到100 mL容量瓶并定容。碳纳米管(CNT,购于Sigma)的纯化:在500 mL圆底烧瓶中，加入50 mg的CNT，再加入2 mol/L浓HNO3100 mL。加热冷凝回流6 h，在1∶3的HNO3和H2SO4的混合酸中超声2 h，随后用超纯水洗至pH为7，离心后，干燥，备用。

TritonX-100、正硅酸乙酯(TEOS, 99.9 %)、三羟甲基胺基甲烷均购于上海蓝季科发展有限公司;Nafion 117 (体积分数为5%)、聚乙烯亚胺(PEI) (M=600 Da)、碳纳米管CNT均购自Sigma;正乙醇购买于天津化学试剂厂。所有试剂为分析纯均未作进一步纯化。实验用水均为超纯水(Milli-Q,18.25 MΩ)。

RW16恒速搅拌器(德国,IKA公司)，日本电子公司JEM-2100型透射电子显微镜，库尔特贝克曼公司Delsa Nano C型激光粒度Zeta电位仪。CHI420B电化学工作站(上海辰华仪器公司), MPI-A/B型多功能化学发光检测仪(西安瑞迈分析仪器有限公司);石墨电极为工作电极，铂片电极为对电极，自制封口饱和Ag/AgCl电极为参比电极。

1.2PEI/SiO2纳米粒子的合成

PEI/SiO2复合纳米粒子采用反相微乳液的方法合成，其中TritonX-100作表面活性剂，正己醇作助表面活性剂，环己烷作连续相，超纯水作分散相。在室温下，分别按4.2∶1∶1的体积比加入环己烷、TritonX-100和正己醇并混合均匀，加入适量超纯水作为分散相，转速为7 000 r/min，搅拌30 min之后，加入0.1 %的PEI 150 μL ，继续搅拌1 h后，加入正硅酸乙酯、氨水并持续搅拌24 h。待反应完成后，加入丙酮破乳，并依次用无水乙醇，超纯水反复洗涤复合纳米粒子，最后分散在超纯水中，在4 ℃冰箱中保存。

1.3PEI/SiO2纳米粒子修饰电极的制备

将石墨电极分别在细砂纸和软布上打磨光亮，然后分别在乙醇、超纯水中超声5 min，干燥后备用。将5 mg CNT分散于10.0 mL 0.5 %的Nafion中，并超声分散成均匀的混合溶液，取10 μL此混合溶液滴涂在电极表面，室温下静置直至完全晾干。将准备好的Nafion/CNT修饰电极在PEI/SiO2纳米粒子的分散液中浸泡40 min，则PEI/SiO2纳米粒子自组装在Nafion/CNT修饰电极上。

用pH为4.4的0.01 mol/L NaAC-HAC缓冲溶液稀释0.01 mol/L K2CrO4溶液至所需浓度。将制备好的PEI/SiO2纳米粒子修饰电极浸泡在稀释后的K2CrO4溶液中浸泡1 h，则六价铬吸附在PEI/SiO2纳米粒子修饰电极表面。

将吸附有六价铬的PEI/SiO2纳米粒子修饰电极置于稀释10倍的饱和硼砂电解质检测液中，并且在电解质检测液中加入适当浓度的鲁米诺和H2O2溶液。为了排除其他金属阳离子的干扰，在电解质检测液中我们还加入了5×10-5mol/L的 EDTA溶液，电化学发光检测时的光电倍增管负高压为800 V。

2结果与讨论

2.1PEI/SiO2纳米粒子的表征

图1A、B所示分别为PEI/SiO2纳米粒子的TEM图，图C为纯SiO2纳米粒子的TEM图，PEI/SiO2纳米粒子的粒径为50 nm左右，而纯SiO2纳米粒子的粒径为45 nm左右，PEI/SiO2纳米粒子的粒径略大于纯SiO2纳米粒子，且TEM图显示PEI/SiO2纳米粒子的粒径大小均一，分散性良好。

图1　PEI/SiO2纳米粒子的透射电镜图(A/B)，

为了证明PEI是否包埋在SiO2纳米粒子中，我们用Zeta电位仪进行了表征。如表1所示，纯SiO2纳米粒子表面带负电荷，而PEI/SiO2纳米粒子表面带正电荷，这是因为PEI分子中含有大量的带正电性的氨基。随着PEI量的增加，复合纳米粒子表面的正电性逐渐增强，表明纳米粒子里成功掺杂了PEI。

表1　PEI/SiO2纳米粒子的Zeta电位值

2.2PEI/SiO2纳米粒子修饰电极的电化学行为研究

将制备好的修饰电极置于K3[Fe(CN)6]溶液中进行电化学循环伏安扫描，结果如图2所示。裸电极在K3[Fe(CN)6]溶液中有非常好的响应，而Nafion/CNT修饰电极在K3[Fe(CN)6]溶液中的响应则较差，当PEI/SiO2纳米粒子自组装于修饰电极表面之后，PEI/SiO2纳米粒子修饰电极在K3[Fe(CN)6]溶液中的响应效果优于Nafion/CNT修饰电极。这可能是因为当在裸石墨电极表面修饰一层Nafion/CNT后，由于Nafion膜的存在而使电极表面带负电荷，与溶液中的铁氰化钾分子之间存在静电排斥作用，所以Nafion/CNT修饰电极在K3[Fe(CN)6]溶液中的响应较差。

图2　裸石墨电极(a)、Nafion/CNT膜修饰电极(b)

当PEI/SiO2纳米粒子通过超分子作用自组装在Nafion/CNT修饰电极表面之后，由于PEI/SiO2纳米粒子表面带正电荷，降低了K3[Fe(CN)6]在电极表面的静电排斥作用。所以PEI/SiO2纳米粒子修饰电极在K3[Fe(CN)6]溶液中的响应效果优于Nafion/CNT修饰电极，如图3所示。因此可以证明本实验中成功制备了PEI/SiO2纳米粒子修饰电极。

图3　PEI/SiO2纳米粒子自组装于

2.3PEI/SiO2纳米粒子修饰电极对铬离子的吸附、富集效应及电化学发光特性研究

图4　裸石墨电极(a)、PEI/SiO2纳米粒子修饰电极(b)

图5　PEI/SiO2纳米粒子修饰电极

图6　PEI/SiO2纳米粒子修饰电极在吸附Cr(Ⅵ)前和

2.4条件优化

2.4.1吸附介质的优化修饰电极表面的PEI/SiO2纳米粒子能够吸附溶液中的六价铬，这与吸附介质及pH有很大关系，因为PEI上含有大量的氨基，氨基在强酸条件下质子化后，PEI带正电荷，铬酸根离子通过静电作用、离子缔合作用、氢键作用吸附在了PEI/SiO2纳米粒子表面，所以我们对吸附介质进行了选择。当吸附介质分别为pH 5.0的0.01 mol/L的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液，pH 4.92的1/15 mol/L的磷酸氢二钠-磷酸二氢钾缓冲溶液，pH 5.0的0.01 mol/L NaAC-HAC缓冲溶液以及H2O时，我们发现当吸附介质为pH 5.0的0.01 mol/L NaAC-HAC缓冲溶液时，催化作用最强，此时吸附效果最佳。我们又以0.01 mol/L酸性NaAC-HAC缓冲溶液为吸附介质，在pH分别为3.8、4.4、5.0、5.6时进行了研究，结果发现当pH为4.4时，鲁米诺-H2O2体系的增敏程度达到最大，因此我们选取最佳吸附介质为pH 4.4的0.01 mol/L NaAC-HAC缓冲溶液。

2.4.3电化学发光反应介质的选择电化学发光反应的介质是影响体系电化学发光的关键因素，鲁米诺-H2O2体系的电化学发光信号与电还原介质及介质的pH有很大的关系。在实验中，我们分别考察了4种不同检测介质对实验的影响，这4种检测介质分别为稀释十倍的饱和硼砂溶液、0.1 mol/L的碳酸钠溶液、0.1 mol/L的碳酸氢钠溶液、0.1 mol/L的氢氧化钠溶液。测得铬(Ⅵ)的电化学发光信号值与鲁米诺的空白电化学发光信噪比分别为4.73、1.82、2.10、2.90，其中在稀释10倍的饱和硼砂溶液中测得的信噪比最大，因此我们选用稀释10倍的饱和硼砂为本实验发光检测介质。

2.4.4终止电位的选择电化学参数对电化学发光体系具有重要的影响，为获得较高的三价铬增敏鲁米诺-H2O2电化学发光信噪比，我们对循环伏安法的终止电位进行了考察，当起始电位为0 V，终止电位分别为-1.5、-1.3、-1.1、-0.9、-0.7 V时，在-1.1 V时铬(Ⅵ)的电化学发光信号值与鲁米诺的空白电化学发光值的信噪比最大，因此我们选择终止电位为-1.1 V。

2.4.5鲁米诺浓度的选择鲁米诺浓度较高时，导致背景信号较高，所以六价铬被还原成三价铬后对鲁米诺电化学发光增敏现象不明显，因此要尽可能的降低背景信号。实验中对鲁米诺的浓度进行了考察，发现当鲁米诺浓度为1.4×10-8mol/L，铬(Ⅵ)的电化学发光信号值与鲁米诺的空白电化学发光值的信噪比最大，因此实验中选择鲁米诺的最佳浓度为1.4×10-8mol/L。

2.4.6H2O2浓度的选择实验中H2O2溶液的浓度太高时，导致体系的化学发光比较强，所以在实验中对H2O2的浓度进行了考察。实验结果显示当H2O2的浓度为7×10-7mol/L时，六价铬的电化学发光信号与鲁米诺-H2O2空白信号的信噪比最大，则此时实验效果最佳。

2.5分析特性

2.5.1校准曲线在最佳实验条件下，利用PEI/SiO2纳米粒子制备的修饰电极对铬(Ⅵ)进行了测定,结果见图7、8。实验结果表明，随着铬(Ⅵ)浓度的增大，鲁米诺-H2O2体系的发光强度逐渐增强，在1×10-9~2×10-7mol/L范围内，电化学发光强度值和铬(Ⅵ)的浓度有良好的线性关系，检出限为2×10-10mol/L，线性方程分别为

I=99.8X+72.74

(c: 1.0×10-8~2.0×10-7,r=0.997 2);

图7PEI/SiO2纳米粒子吸附不同浓度的Cr(Ⅵ)在鲁米诺-H2O2体系中的电化学发光信号值

Fig.7ECL responses of the PEI/SiO2nanoparticles modified electrode in the presence of

different concentration of chromium(Ⅵ)(~10-7mol/L) in luminol-hydrogen peroxide

a.2×10-7mol/L; b. 4×10-7mol/L; c. 6×10-7mol/L; d. 8×10-7mol/L;e. 10×10-7mol/L。

图8　PEI/SiO2纳米粒子修饰电极吸附不同浓度的铬(Ⅵ)在鲁米诺-H2O2体系中的电化学发光信号值

(c: 1.0×10-9～2.0×10-8,r=0.987 8)。

2.5.2干扰实验为了确定本方法检测铬(Ⅵ)时不会受到其他离子的干扰，我们对常见的金属阳离子进行了干扰实验。在相对误差为± 5 %时，在最佳实验条件下(Cr(Ⅵ)=10-7moL/L)进行实验，其中加入5×10-5mol/L的 EDTA溶液，则在不影响六价铬测定的条件下，各金属离子的最大值分别为100倍的Cu2+、Zn2+、Cd2+、 Ga2+，10倍的Mn2+、Ni2+，以及相同倍数的Mg2+、Co2+。

2.5.3分析应用抽取西安地区被污染的自来水作为样品，按照1.2到1.5实验部分对自来水样品进行分析，测得铬(Ⅵ)的含量为9.19×10-8mol/L，回收率结果如表2所示，对样品检测时，3次的平均回收率为101.09 %。

表2　自来水中Cr (Ⅵ)的测定(n=3)

3结论

参考文献:

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〔责任编辑王勇〕

第一作者： 朱晨刚，男，副教授，博士，主要研究方向为基因功能调控。E-mail:zhuchengang@gznc.edu.cn

Electrochemiluminescence analysis of chromium(Ⅵ) based on PEI/SiO2

nanoparticles self-assemble modified electrode

WANG Yan1， ZHANG Jianhuai2， GUO Zhihui1*, ZHENG Xingwang1

(1 School of Chemistry and Chemical Engineering, Shannxi Normal University,

Key Laboratory of Analytical Chemistry for Life Science of

Shaanxi Province, Xi′an 710119, Shaanxi, China；

2 The Middle School Affiliated to Northwest Polytechnical University，

Xi′an 710072, Shaanxi, China)

Abstract:PEI/SiO2nanoparticles were synthesized by the reverse micromulsion method, and the particles were characterized by TEM and Zeta potential. By self-assembling of the as-prepared composite nanoparticles on the Nafion/CNT film coated grapite electrode, a functional modified electrode could be obtained. Based on the strong enrichment ability of the functional modified electrode to and strong enhancement of Cr (Ⅲ) to chemiluminescence signal of luminol-H2O2system, a highly selective ECL method for detecting Cr (Ⅵ) was developed.

Keywords:PEI/SiO2nanoparticles modified electrode; chromate ) detection; luminol; electrochemiluminescence (ECL)

通信作者：* 邵焕杰，男，教授，博士。E-mail:hshao@snnu.edu.cn

基金项目：国家自然科学基金(30500266，31271511)

收稿日期：2015-09-08

doi:10.15983/j.cnki.jsnu.2016.01.313

文章编号：1672-4291(2016)01-0066-05

中图分类号：Q939.96

文献标志码：A