基于氮硫掺杂的石墨烯量子点电化学发光传感器的构建及检测铜离子的研究

王 琪，李 超，张召香

（光电传感与生命分析教育部重点实验室，山东省生化分析重点实验室，青岛科技大学化学与分子工程学院，山东 青岛266042）

铜是人体必需的微量元素之一，但若摄入过量则会造成消化系统功能紊乱等不良影响。Cu2+作为环境污染物广泛存在于工业废水中，如果处理不当则可在生物体内积累造成铜含量超标。因此，研究一种灵敏、快速的Cu2+检测方法具有重要意义。目前，对Cu2+的检测有分光光度法［1］、荧光法［2－3］等。

随着纳米技术的发展，纳米粒子因比表面积大、易合成、稳定性良好等优点而被广泛用于分析检测领域［4－5］。量子点以其独特的荧光特性和尺寸可调的光学特性在荧光及化学发光检测方面具有极大优势。前期工作中，本课题组利用胺分子对CdSe量子点电化学发光（ECL）的增强作用，采用CdSe量子点构建了ECL传感器用于猪肉样品中瘦肉精的检测［6］。但由于半导体量子点的毒性较大，近年来石墨烯量子点（GQDs）受到越来越多的关注。GQDs是一类具有独特光电子性能的纳米材料，与传统半导体量子点相比，其具有更优的水溶性和生物相容性，且绿色无毒，常用作信号放大器来构建ECL传感器［7］。但由于GQDs量子产率低，限制了其在微分析和超微分析中的应用，通常引入N、S、B等元素对其进行修饰以调节GQDs的内在性能［8］。Li等［9］以石墨棒和对甲苯磺酸钠为原料，电解法合成了硫掺杂的石墨烯量子点，改变了GQDs的电子性质和表面电化学活性。Chen等［10］通过切割氮掺杂氧化石墨烯合成了具有双电位ECL响应的氮掺杂石墨烯量子点，并通过对比不同激发电位下ECL强度的比值实现了对Co2+的定量检测。曲丹等［11］报道了一种简单的水热法合成氮硫掺杂石墨烯量子点（N，S－GQDs），量子产率高达71%。然而，目前关于N，S－GQDs的研究主要集中在光催化和光致发光方面［12］，对其ECL性质的研究尚未见文献报道。

本文通过一步溶剂热法合成了N，S－GQDs，并以壳聚糖为连接剂，构建了新型的N，S－GQDs ECL传感器用于Cu2+的检测。在GQDs中掺杂S使其表面引入更多缺陷中心，增强其电子捕获能力，使其ECL信号得到极大增强；掺杂N则显著改变其电化学特性，通过引入氨基，增强了量子点对Cu2+的吸附，从而实现了对Cu2+的快速、灵敏检测。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

MPI－A型电化学发光检测系统（西安瑞迈分析仪器有限公司）；三电极系统：直径4 mm金电极为工作电极，甘汞电极为参比电极，铂丝电极为对电极；pHSJ－4A型酸度计（上海精密科学仪器有限公司）；H7100透射电子显微镜（日本Hitachi公司）；紫外可见光谱仪（美国Perkin Elemr公司）；FT－IR 6600傅里叶变换红外光谱仪（江苏天瑞仪器有限公司）。

硫脲、柠檬酸（阿拉丁试剂有限公司）；磷酸二氢钠、NaOH（中国医药集团上海化学试剂公司）；HCl、N，N－二甲基甲酰胺（DMF，99.5%，Sigma公司）；上述试剂均为分析纯，实验用水为超纯水。

1.2 N，S－GQDs ECL传感器的制备

基于文献对N，S－GQDs的制备进行适当改进［12］，N，S－GQDs的制备示意图如图1A所示：将0.192 g柠檬酸与0.228 g硫脲分散于8 mL DMF中，超声30 min后使其完全溶解，转移至10 mL四氟乙烯为内衬的不锈钢反应釜中，密封后置于烘箱，180℃反应8 h，冷却至室温，用无水乙醇离心洗涤3次，用分子量1 000 Da的透析袋纯化处理2 d，放入真空干燥箱60℃烘干24 h即得。其中硫脲不仅提供N和S，还作为钝化剂构造边缘官能团—NH2。

N，S－GQDs ECL传感器的制备：将金电极依次用0.3 μm和0.05 μm Al2O3粉在抛光布上打磨光亮，然后在乙醇、水中分别超声5 min，晾干。在电极表面滴加4 μL壳聚糖溶液，汞灯照射5 min，再在电极表面滴涂4 μL N，S－GQDs，汞灯照射5 min，即可将N，S－GQDs修饰至金电极表面（见图1B）。将修饰电极放入检测池中，与Ag/AgCl参比电极、铂丝对电极组成三电极系统，进行ECL研究。

图1 N，S－GQDs（A）及N，S－GQDs ECL传感器（B）的制备Fig.1 Preparation of N，S－GQDs（A）and N，S－GQDs ECL sensor（B）Tu：thiourea（硫脲）；CA：citric acid（柠檬酸）；CS：chitosan（壳聚糖）

1.3 Cu2+的测定

在检测池中加入60 mmol/L pH 7.5的Tris－HCl缓冲溶液和50 mmol/L S2O82－共反应剂。设置初始电位为0 V，循环伏安扫描范围为－1.7～0 V，扫描速率为100 mV/s，光电倍增管高压设定为600 V。加入Cu2+后，根据N，S－GQDs ECL信号的降低值（ΔI=I0－I）进行定量分析，其中I0为无Cu2+存在下的ECL强度，I为Cu2+存在下的ECL强度。

2 结果与讨论

2.1 N，S－GQDs的表征

采用透射电镜对N，S－GQDs进行表征，结果如图2A所示，所制得的N，S－GQDs分散度较好，粒径均匀，分布在4～6 nm。插图为N，S－GQDs的高分辨透射电镜图，可清晰观察到N，S－GQDs的晶格，且晶格间距为0.23 nm，与石墨烯晶格一致［13］。

图2 B为N，S－GQDs的紫外可见光谱，由图可见，N，S－GQDs在350、460、580 nm处有明显的吸收峰，分别对应于C====O的n－π*跃迁、C====N的n－π*跃迁和C====S的n－π*跃迁。图2C为N，S－GQDs的红外光谱图，其中3 050～3 500 cm－1处的宽吸收带由N―H和O―H的伸缩振动引起，1 750 cm－1为C====O的特征吸收峰，表明氨基成功接入量子点表面，且量子点表面存在大量的羟基和羧基。2 750 cm－1为S―H的特征吸收峰，1 000～1 500 cm－1处的宽吸收带由C―N、C―S伸缩振动引起，2 100 cm－1为C≡N的特征吸收峰，说明N和S不仅在石墨烯量子点的表面起官能团作用，还掺杂进入碳骨架中。

图2 N，S－GQDs的透射电镜图（A）、紫外可见光谱（B）及傅里叶红外光谱（C）Fig.2 TEM image（A），UV－vis absorption spectrum（B）and FT－IR spectrum（C）of N，S－GQDs

2.2 N，S－GQDs ECL传感器的性能研究

就ECL传感体系而言，强而稳定的发光强度至关重要。研究了不同量子点修饰电极在50 mmol/L K2S2O8中的ECL强度，由图3可以看出，与裸金电极（曲线1）和GQDs修饰电极（曲线2）相比，N－GQDs修饰电极（曲线3）和S－GQDs修饰电极（曲线4）的ECL强度均有明显增强，而N，S－GQDs修饰电极（曲线5）的ECL强度更是得到极大增强。这是因为在GQDs中掺杂N会显著改变其电化学特性，而掺杂S则会使其表面引入更多缺陷中心，增强其捕获电子的能力，二者均会使其ECL信号大大增强。

图3 不同电极在50 mmol/L K2S2O8中的ECL强度对比图Fig.3 Comparison of ECL intensities of different electrodes in 50 mmol/L K2S2O8solution

在N，S－GQDs的ECL体系中加入Cu2+后，N，SGQDs的ECL信号明显下降，表明Cu2+对N，S－GQDs的ECL有较强的抑制作用。Cu2+对N，S－GQDs ECL的抑制机理推测如下：

当无Cu2+存在时，在K2S2O8作为共反应剂的条件下，N，S－GQDs的ECL机理（见图4A）为：

在一定的外电压下，N，S－GQDs得到电子还原为N，S－GQDs·－，S2O82－得到电子还原为SO4·－，SO4·－具有强氧化性，迅速将附近的N，S－GQDs·－氧化为激发态的N，SGQDs*，而激发态的N，S－GQDs*跃迁到基态时发出光信号。

当在N，S－GQDs的ECL体系中加入Cu2+后，ECL信号明显下降，这是因为氨基官能团对Cu2+具有很强的络合能力［14］，加入的Cu2+会迅速扩散到N，S-QDs修饰电极表面，因此N，S－GQDs表面的—NH2能够捕获溶液中的Cu2+发生络合作用而形成稳定的铜胺络合物（见图4B），而这种络合物在循环扫描过程中不能被还原为N，SGQDs·-，使能生成激发态的N，S－GQDs减少，从而造成了ECL信号的降低。Cu2+浓度越大，与其结合的N，S－GQDs越多，ECL信号降低程度越大。因此，可以根据N，S－GQDs ECL的降低程度对Cu2+进行定量检测。

图4 N，S－GQDs ECL传感器的发光原理（A）及Cu2+对N，S－GQDs的ECL猝灭机理示意图（B）Fig.4 ECL principle of N，S－GQDs ECL sensor（A）and schematic diagram for the ECL of N，S－GQDs quenched by Cu2+（B）

2.3 实验条件的优化

2.3.1 缓冲溶液pH值的选择研究了不同浓度的Tris－HCl、磷酸盐、BR缓冲溶液对N，S－GQDs ECL行为的影响，结果发现，N，S－GQDs在3种缓冲液中均有ECL行为，但在60 mmol/L Tris－HCl缓冲液中的发光强度最强且最稳定。进一步研究了缓冲溶液pH值对N，S－GQDs ECL强度的影响（如图5），结果显示N，S－GQDs的ECL强度受pH的影响较大，当pH较低时，N，S－GQDs的表面基团在酸性条件下发生变化，部分—NH2带上正电荷从而影响量子点的ECL强度，随着pH值的增大，ECL强度不断增强，当pH值增至7.5时，ECL强度达到最大值，继续增大pH值，由于Cu2+在碱性范围内发生水解，导致ECL强度降低，因此实验选择pH 7.5的60 mmol/L Tris－HCl作为最佳缓冲溶液。

图5 缓冲液pH值对ECL强度的影响Fig.5 Effect of buffer pH value on ECL intensity

2.3.2 共反应剂浓度的选择研究了不同浓度（20、30、40、50、60、70、80 mmol/L）共反应剂S2O2-8对N，S－GQD的ECL强度的影响。结果显示，当缓冲溶液中的浓度从20 mmol/L增至50 mmol/L时，N，S－GQD的ECL信号逐渐增强，当的浓度为50 mmol/L时，ECL强度达最大值，继续增大的浓度，则会导致ECL强度降低。因此，实验选择的最佳浓度为50 mmol/L。

2.4 线性范围与检出限

在最佳实验条件下，利用新构建的N，S－GQDs ECL传感器对不同浓度Cu2+进行测定。结果显示，随着Cu2+浓度的增大，N，S－GQDs的ECL信号降低，且ECL信号的降低值（ΔI）与加入的Cu2+浓度（c，μmol/L）在0.01～35 μmol/L范围内呈线性相关，其回归方程为ΔI＝171.21c＋53.13，相关系数（r）为0.999 1，检出限（S/N=3）为1.7 nmol/L。

比较了文献报道的不同量子点ECL传感器测定Cu2+的线性范围和检出限（见表1）。结果显示本文所构建的N，S－GQDs电化学发光传感体系的检出限更低，线性范围更宽。

表1 与测定Cu2+的其它方法的比较Table 1 Comparison with the other methods for determination of copper ion

2.5 传感器的稳定性、重现性及选择性

在最优条件下，使用N，S－GQDs修饰电极对1 μL 1.0 μmol/L的Cu2+连续测定10次，其ECL强度值的相对标准偏差（RSD）为0.50%，表明所制备电极具有良好稳定性。采用相同方法制备5根电极并进行测量，其ECL强度值的RSD为1.6%，表明电极的重现性好。

进一步研究所构建N，S－GQDs ECL传感器的抗干扰性能，考察了Cu2+和其它干扰离子存在下体系的ECL强度（图6），一些金属离子如Hg2+也可以与N，S－GQDs表面的负电荷相互作用，但其离子结合力较弱，结合亲和力不如Cu2+强［17］，因此Hg2+对N，S－GQDs ECL强度的降低程度明显弱于Cu2+，而其它离子对ECL强度的影响可忽略不计。说明所构建的N，S－GQDs ECL传感器对Cu2+具有良好的选择性。

图6 N，S－GQDs ECL传感器的选择性Fig.6 Selectivity of N，S－GQDs ECL sensors

2.6 污水样品的分析

取10 mL污水样品，以8 000 r/min离心10 min，上清液经微孔滤膜（0.45 μm）过滤。在滤液中分别添加5、10、20 μmol/L 3个浓度水平的铜离子，在优化条件下进行测定，每个加标水平做3次平行实验，结果如表2所示。测得Cu2+的回收率为96.9%～99.7%，RSD为0.90%～1.2%，说明该方法准确、可靠。

表2 Cu2+在废水样品中3个水平下的加标回收率及相对标准偏差（n=3）Table 2 Spiked recoveries and RSDs of Cu2+at three spiked levels in wastewater sample（n=3）

3 结论

本文合成了成本低、稳定性高的N，S－GQDs，相比于纯GQDs，电化学发光信号得到极大增强，并利用壳聚糖的吸附作用将其固定在金电极上，基于Cu2+对N，S－GQDs ECL强度的降低作用，制备了一种定量分析检测Cu2+的N，S－GQDs ECL传感器。此方法的抗干扰性强，对检测Cu2+表现出很高的灵敏度（检出限低至1.7 nmol/L）以及较宽的检测范围。该研究为实际样品中重金属离子的快速检测做了铺垫，拓宽了纳米材料在电化学发光传感领域中的应用。