CdS/Ru（bpy）32+电致化学发光传感器的构建及邻苯二酚的检测

刘 婷，杨学梅，杨敏丽*

（1.上海师范大学化学与材料科学学院，上海200234；2.上海市杨浦区建设小学，上海200090）

0 引言

三联吡啶钌（Ru（bpy）32+）因其优越的电致化学发光（ECL）性能被广泛应用于分析检测，但通常需要与共反应剂共同作用.常用共反应剂三丙胺（TPrA）具有毒性大、易挥发、电化学反应速度慢等问题［1］.本课题组前期研究证明硫化镉量子点（CdS QDs）通过共反应增敏Ru（bpy）32+的阳极ECL信号，可代替TPrA做其共反应剂［2］.

以往Ru（bpy）32+的ECL研究多数都是基于液相体系［3-5］，需要消耗大量较昂贵的Ru（bpy）32+，产生较高的分析成本，也会导致环境污染.通过电极修饰将Ru（bpy）32+固定在电极上，制作成ECL传感器，不仅可以节省发光试剂、简化实验装置，还可以实现ECL仪器的小型化和现场快速检测［6-9］.

常见的传感器将发光物质固定在电极上，而共反应剂存在于溶液中，需要扩散到电极表面才能发生ECL反应［10］.本研究将共反应剂CdS QDs与发光物质Ru（bpy）32+同时固定到电极上，构建了自增强CdS/Ru（bpy）32+ECL传感器，这样不仅节约了发光物质，还节省了共反应剂的用量，同时降低了共反应剂扩散带来的影响.为了进一步提高传感器的灵敏度，在构建传感器时还引入了多壁碳纳米管（MWCNTs）和金纳米粒子（Au NPs），利用它们良好的导电性和大的比表面积，提高了Ru（bpy）32+的ECL信号.同时利用壳聚糖（CHIT）良好的成膜性能，提高了传感器的稳定性.基于酚类物质对Ru（bpy）32+ECL信号的淬灭作用，实现了邻苯二酚的灵敏检测.

1 实验部分

1.1 主要仪器

雷磁pHS-25型精密pH计，上海精密科学仪器有限公司；KQ-100DE型数控超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司；三电极系统：玻碳电极（GCE）为工作电极，铂（Pt）丝为对电极，Ag/AgCl电极（饱和KCl溶液）为参比电极；MPI-A/B型电致化学发光测试系统，西安瑞迈分析仪器有限责任公司；CHI660E型电化学工作站，上海辰华仪器有限公司；S-4800型场发射扫描电子显微镜（FE-SEM），上海日立公司.

1.2 主要试剂

3-巯基丙酸（MPA）、CHIT、L-半胱氨酸（L-cys）均购于美国Sigma-Aldrich化学公司；1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳二亚胺盐酸盐（EDC·HCl）、N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）均购于阿拉丁（上海）有限公司；Ru（bpy）32+、氯化镉（CdCl2·2.5H2O）、四水氯金酸（HAuCl4·4H2O）、多巴胺（DA）、邻苯二酚、间苯二酚、对苯二酚、尿酸、抗坏血酸均购于国药集团化学试剂有限公司；硫化钠（Na2S·9H2O）购于天津市化学试剂研究所；MWCNTs（质量分数≥95%，外径20～40 nm）购于深圳纳米港有限公司；氢氧化钠（NaOH）购于天津市广成化学试剂有限公司；浓硫酸（H2SO4）、浓硝酸（HNO3）均购于上海化学试剂公司.所有药品均为分析纯，溶液以超纯水配置.

1.3 CdS QDs的制备

采用水热法合成了MPA包裹的CdS QDs，具体方法见文献［11］，并稍加改动：将86µL 98%（质量分数）的MPA逐滴加入到20 mL 0.02 mol·L-1CdCl2溶液中，室温下磁力搅拌5 min，然后用1 mol·L-1NaOH溶液将pH调至9，继续搅拌30 min，最后缓慢加入20 mL 0.02 mol·L-1Na2S溶液，搅拌均匀，将溶液转移至100 mL圆底烧瓶中，80℃下加热回流10 h，得到MPA包裹的CdS QDs.将该溶液与无水乙醇等体积混合，以10 000 r·min-1转速离心10 min.将所得沉淀分散于200µL水中，加入1 mL异丙醇，再次离心、洗涤，重复2～3次.最终将离心沉淀物分散于1 mL水中，得到量子点储备液，置于4℃冰箱中保存.

1.4 羧基化多壁碳纳米管的处理

MWCNTs的处理方法参照文献［12］，先将MWCNTs放入H2SO4和HNO3体积比为3∶1混合溶液中，连续超声4 h得到羧基化的MWCNTs，过滤并用超纯水清洗至中性，70℃真空干燥，室温保存备用.

1.5 Au NPs的制备

Au NPs通过柠檬酸三钠还原氯金酸（HAuCl4·4H2O）的方法获得［13］，具体方法如下：在50 mL烧杯中，用超纯水将0.8 mL的1%（g·mL-1）HAuCl4·4H2O溶液稀释至20 mL，并放在磁力搅拌器上边搅拌边加热至溶液沸腾，再迅速地加入4 mL 1%（g·mL-1）柠檬酸三钠溶液，可以观察到溶液颜色由淡黄色变成紫红色；持续煮沸15 min，待溶液颜色变为纯正的酒红色后停止加热，继续搅拌冷却至室温；最后将新制的Au NPs溶液装入棕色瓶，放入4℃冰箱中保存.

1.6 MWCNTs-Au NPs复合物的制备

MWCNTs-Au NPs复合材料是以L-cys作为交联剂将两者结合起来，具体方法如下：称取15 mg羧基化的MWCNTs分散在5 mL的纯净水中，超声分散30 min；再分别加入20 mg EDC·HCl；40 mg NHS和40 mg L-cys，混合均匀，用0.1 mol·L-1的NaOH溶液将pH调节至7～8，在磁力搅拌器上缓慢搅拌反应24 h，离心分离，用超纯水清洗所得沉淀，70℃真空干燥，得到L-cys修饰的MWCNTs.称取10 mg该修饰的MWCNTs于50 mL新制备的Au NPs溶液中，混合均匀，并缓慢搅拌12 h，离心分离得到MWCNTs-Au NPs复合物，超纯水清洗，室温干燥备用.

1.7 MWCNTs-Au NPs-Ru(bpy)32+混合溶液的配置

为了将Ru（bpy）32+固定在电极上，选用成膜性良好的CHIT配制Ru（bpy）32+.首先配制一个0.5%（质量分数）CHIT乙酸溶液，然后将一定量的Ru（bpy）32+分散其中，得到10-4mol·L-1Ru（bpy）32+的CHIT溶液.再称取0.5 mg MWCNTs-Au NPs复合物分散于1 mL Ru（bpy）32+的CHIT溶液中，超声30 min得到均匀分散的混合溶液，记为MWCNTs-Au NPs-Ru（bpy）32+混合溶液.

1.8 CdS QDs/Ru(bpy)32+ECL传感器的构建

传感器的构建过程如图1所示.首先将GCE分别用1.0，0.3和0.05µmα-Al2O3粉抛光，并依次用无水乙醇和超纯水超声清洗5 min.取6µLCdS QDs滴涂在处理好的GCE表面，室温下晾干，重复4次.再取10µL MWCNTs-Au NPs-Ru（bpy）32+混合溶液滴涂在修饰了量子点的电极表面，室温下晾干，得到CdS/Ru（bpy）32+ECL传感器，用于后续的分析检测.

图1 CdS QDs/Ru（bpy）32+传感器的构建及检测原理

1.9 ECL检测

采用三电极系统，以修饰电极为工作电极，Ag/AgCl为参比电极，铂丝为对电极，将该电极系统插入含有0.1 mol·L-1KCl的磷酸缓冲溶液（PBS）（0.1 mol·L-1，pH=8）溶液中，在-1.5～1.5 V的范围内以200 mV·s-1扫描速率扫描（起始电位为0 V，扫描方向为正），记录ECL信号.检测邻苯二酚时，将不同浓度的邻苯二酚加入到检测底液中，根据邻苯二酚加入前后ECL信号的变化值△I，对邻苯二酚进行定量检测.

2 结果与讨论

2.1 MWCNTs-Au NPs复合物的表征

MWCNTs与MWCNTs-Au NPs的FE-SEM图如图2所示.图2（a）表明，MWCNTs分散均匀，呈现出特有的管状结构，外径约为20～40 nm.从图2（b）可以看出，在MWCNTs表面负载了大量均匀的Au NPs，说明成功制备了MWCNTs-Au NPs纳米复合物.

图2 （a）MWCNTs和（b）MWCNTs-Au NPs的FE-SEM图

2.2 传感器的表征

分别通过电化学阻抗（EIS）和ECL方法对不同修饰电极进行了表征，结果如图3所示.图中，曲线A是裸电极的阻抗，与裸电极相比，修饰CdS QDs（曲线B）后，阻抗值明显增大.这是因为CdS QDs是半导体材料，而且表面修饰了一层MPA（稳定剂），使CdS QDs带有负电荷，与同样带负电荷的［Fe（CN）6］3-/4-产生静电斥力，增大电子在电极表面转移的阻力.继续在电极表面滴涂CHIT（曲线C）后，阻抗值进一步增大.加入MWCNTs后，阻抗值（曲线D）明显降低，说明MWCNTs能够加快电极表面的电子转移.再加入Au NPs，阻抗值（曲线E）进一步减小，说明Au NPs进一步增强了修饰电极的导电性.

图3 不同修饰电极的EIS变化曲线

图4 是不同修饰电极对应的ECL信号.可以看出，只修饰了Ru（bpy）32+的电极的ECL信号较弱（曲线D），当在电极表面同时修饰了CdS QDs和Ru（bpy）32+后，修饰电极的ECL信号明显增强（曲线C），表明CdS QDs对Ru（bpy）32+的ECL信号有很好的增敏作用.引入MWCNTs后，CdS QDs/Ru（bpy）32+修饰电极的ECL信号进一步增强（曲线B）.当用MWCNTs-Au NPs复合材料取代MWCNTs修饰在电极表面，ECL信号强度提高了1.5倍（曲线A），说明合成的MWCNTs-Au NPs复合材料能够显著提高检测的灵敏度.

图4 不同修饰电极的ECL变化曲线

以上结果表明，成功构建了CdS QDs/Ru（bpy）32+传感器，而且表现出良好的ECL响应.

2.3 实验条件的优化

ECL会受到多种因素影响，包括CdS QDs的用量、MWCNTs-Au NPs用量、检测底液的pH值以及电位扫描速率.为了获得最佳的响应信号，对这些实验参数进行了优化.

首先探究了CdS QDs的用量对传感器的ECL强度的影响.图5（a）是修饰的CdS QDs的量与ECL强度的关系曲线.CdS QDs通过滴涂的方法修饰在电极表面，每次滴涂6µL，室温下晾干后再继续滴涂第二次，依此类推.由图5可知，当滴涂次数超过4次时，所构建的传感器的ECL强度不再增大，继续增加CdS QDs的厚度时，ECL信号反而逐渐降低.说明滴涂的CdS QDs过厚，影响了电子转移，电极的导电性减弱.故将CdS QDs的滴涂次数定为4次.

图5（b）是MWCNTs-AuNPs的用量对传感器的ECL强度的影响.可以看出，在0～0.5 mg内，随MWCNTs-Au NPs加入量的增大，ECL信号逐渐增强.当MWCNTs-Au NPs的加入量超过0.5 mg时，ECL信号开始下降，说明用量过多时，MWCNTs-Au NPs反而起到阻碍电子转移的作用，故将0.5 mg定为MWCNTs-Au NPs的最佳用量.

实验还考察了检测底液的pH值（5.0～9.0）对传感器ECL信号的影响.结果如图5（c）所示，pH为5.0～8.0，传感器的ECL强度随pH的升高而增大，在pH=8.0时，达到最大值，pH继续增大，ECL强度反而降低.因此，实验选用检测底液的pH为8.0.

电位扫描速率对ECL信号的影响如图5（d）所示.当扫描速率在100～240 mV·s-1内变化时，随着扫描速率的增大，传感器的ECL信号逐渐增强；但当扫速超过200 mV·s-1时，ECL信号不够稳定.为了保证实验结果的准确性，将实验的最佳扫描速率定为200 mV·s-1.

图5 实验条件对传感器信号的影响.（a）CdS QDs的用量；（b）MWCNTs-Au NPs的用量；（c）检测底液的pH值；（d）电位扫描速率

2.4 传感器对邻苯二酚的ECL响应

在优化后的实验条件下，考察了传感器对邻苯二酚的ECL响应.将不同物质的量浓度的邻苯二酚加入到检测底液（含0.1 mol·L-1KCl的PBS（0.1 mol·L-1，pH=8.0））中，测得相应的ECL信号.如图6所示，随邻苯二酚物质的量浓度不断增大，相应的ECL信号逐渐减弱，内插图显示，在5.0×10-9～1.0×10-5mol·L-1范围内ECL的变化值ΔI（ΔI=I0-I，I0代表未加入邻苯二酚的ECL强度，I代表加入邻苯二酚的ECL强度）与邻苯二酚的物质的量浓度的对数值呈良好的线性关系，线性回归方程为（I0-I）/I0=0.211 1 log C-0.108（相关系数R2=0.996 7），C表示邻苯二酚物质的量浓度，检出限为1.5 nmol·L-1.

图6 传感器对不同物质的量浓度邻苯二酚的ECL响应（内插图为线性关系图）

2.5 干扰研究

考察了传感器对对苯二酚、间苯二酚、DA、尿酸、抗坏血酸的响应情况.结果表明传感器对前3种物质有不同程度的响应，而对后2种物质没有明显响应，证明传感器对结构与邻苯二酚相似的酚类物质都有响应，可用来测这类物质.将构建的传感器与其他检测邻苯二酚的传感器进行对比.结果表明所构建的传感器具有较宽的线性范围和较低的检出限，如表1所示.

表1 不同ECL传感器检测酚类物质的线性范围和检出限的比较

2.6 传感器的重现性与稳定性

在相同条件下，制备了4根传感器，同样条件下检测其ECL信号，如图7（a）所示，4根传感器的ECL强度的相对标准偏差为4.7%，说明构建的传感器重现性良好.将构建好的传感器置于4℃冰箱中避光保存，每隔一周检测ECL信号，连续考察4周，结果表明4周后的信号降为初始信号的91%，说明传感器具有较好的稳定性.另外，将一支传感器放在检测底液中连续扫描11圈，如图7（b）所示，ECL信号基本保持不变，说明传感器具有很好的稳定性.

图7 传感器的（a）重现性与（b）稳定性

2.7 实际样品分析

为了研究传感器的实用性，采用加标回收的方法检测实际样品中酚类物质的含量，通过计算回收率评价方法的可靠性.样品为徐汇区桂林路康健河的河水，经过滤后进行检测.检测结果如表2所示，回收率在96.7%～102.96%之间，相对标准偏差的范围为3.5%～5.6%，说明构建的传感器可用于实际样品中酚类物质的检测.

表2 实际样品中邻苯二酚的分析结果及加标回收率（n=4）

3 结论

基于CdS QDs对Ru（bpy）32+ECL信号的增敏作用，将CdS QDs和Ru（bpy）32+同时固定到电极上，构建了自增强CdS/Ru（bpy）32+ECL传感器.MWCNTs和Au NPs的引入大大增强了传感器的灵敏度.CHIT的加入改善了Ru（bpy）32+在电极表面难固定的缺点.所构建的传感器具有良好的稳定性和重现性.基于邻苯二酚对Ru（bpy）32+ECL信号的淬灭作用，实现了对邻苯二酚的灵敏检测.该传感器不仅可用于检测邻苯二酚，还可以检测结构与邻苯二酚相似的其他酚类物质.