基于掺杂型石墨烯量子点构建关—开型电化学发光传感器连续检测

张效伟 -

(青岛理工大学理学院，山东 青岛 266033)

石墨烯量子点(GQDs)是一类具有独特光电性能的纳米材料，由于具有比表面积大、生物相容性好、毒性低、易于化学修饰等优点，被广泛应用于生物成像、药物传输、传感器、光催化等领域[1-3]。但由于GQDs具有边缘效应和量子限域效应，量子产率较低[4]。掺入杂原子能有效改变GQDs的表面性质，出现更多的活性位点，提高量子产率[5-6]。Li等[7]制备了硫掺杂的GQDs构建荧光传感器用于Fe3+的选择性检测。Chen等[8]制备了硼掺杂的GQDs高灵敏检测Fe3+。迄今为止，掺杂型GQDs主要用于荧光分析[9]，对其电化学发光(ECL)的研究和应用较少，而采用GQDs构建ECL传感器连续分析两种或两种以上物质的研究尚未见报道。

铁和氟均是人体必需的微量元素，Fe3+摄入不足会引起缺铁性贫血、免疫力降低等疾病，Fe3+摄入过多则会损害蛋白质，不利于细胞的存活；F-对预防龋齿和骨质疏松具有重要意义，但摄取过量会引起氟中毒。因此高灵敏地测定饮用水中Fe3+和F-具有重要意义。传统检测Fe3+和F-的方法主要有分光光度法[10]、荧光法[7-8,11]、核磁共振波谱法[12]等。

试验拟制备氮硫掺杂石墨烯量子点(NS-GQDs)，并将其修饰到金电极上，构建发光强度高、性能稳定的电化学发光(ECL)传感器，同时，构建关—开型ECL传感器连续检测Fe3+和F-，并应用于饮用水中Fe3+和F-的检测，旨在为饮用水中微量元素的快速检测提供一种新方法。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

电化学发光检测仪：MPI-A型，西安瑞迈分析仪器有限公司；

傅立叶变换红外光谱仪：PE Spectrum 100型，美国珀金埃尔默公司；

紫外可见分光光度计：UV-3200型，中国美谱达仪器有限公司；

X射线光电子能谱仪：ESCALAB 250XI型，美国Thermo Fisher Scientific公司；

透射电子显微镜：H7100型，日本Hitachi公司；

柠檬酸、硫脲、壳聚糖、无水乙醇：分析纯，阿拉丁试剂(上海)有限公司；

N，N-二甲基甲酰胺(DMF)：纯度99.5%，北京百灵威科技公司；

MD55-5M透析袋：截留分子量为1 000，北京索莱宝科技有限公司；

硝酸铁、氟化钠、磷酸二氢钠、氢氧化钠等：分析纯，中国医药集团上海化学试剂公司；

试验用水为超纯水。

1.2 试验方法

1.2.1 NS-GQDs的合成 参照文献[13]并修改。将0.19 g 柠檬酸和0.23 g硫脲溶于8.0 mL DMF中，超声30 min，转入带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，升温至180 ℃反应8 h，自然冷却至室温，用乙醇离心洗涤，透析48 h(截留分子量为1 000)，60 ℃真空干燥24 h。

1.2.2 ECL传感器的制备 将金电极打磨光亮，分别用乙醇、水超声洗涤，晾干。取4 μL壳聚糖溶液滴涂到金电极表面，室温干燥，再取10 μL NS-GQDs滴涂到金电极表面，室温干燥，即可将NS-GQDs修饰到金电极表面。该修饰电极作工作电极、饱和甘汞电极作参比电极、Pt丝电极作辅助电极构成三电极系统，放入检测池，用作ECL传感器。

1.2.4 猝灭率计算 淬灭率为猝灭值ΔI在I0中所占百分率，按式(1)计算淬灭值。

ΔI=I0-I1，

(1)

式中：

ΔI——猝灭值；

I0——NS-GQDs的ECL强度；

I1——加入Fe3+后体系的ECL强度。

1.2.5 数据处理 采用Origin 85软件对试验数据进行处理分析。

2 结果与分析

2.1 NS-GQDs的形貌及结构表征

由图1可知，NS-GQDs呈球形，分散度较好，粒径为1～8 nm，平均粒径4.7 nm，且分布均匀，晶格间距为0.21 nm，与石墨烯晶面结构一致[14]。X射线衍射(XRD)谱图中2θ在23.3°附近的衍射峰对应于石墨烯结构[15]。

图1 NS-GQDs的TEM、粒径分布和XRD谱图Figure 1 TEM images, particle size distribution and XRD pattern of the as-prepared NS-GQDs

图2 NS-GQDs的XPS全谱及FT-IR图Figure 2 Full range XPS spectrum of NS-GQDs

2.2 Fe3+和F-对NSGQDs的猝灭—恢复作用

由图3可知，NS-GQDs在350 nm处有较强的吸收峰，在460 nm处有较强的荧光发射。施加外电压时，NS-GQDs在共反应剂的作用下发出强烈的ECL信号，加入Fe3+后，ECL信号猝灭，再加入F-，ECL信号又明显增强。

2.3 NSGQDs对Fe3+的识别

由图4可知，向检测池中加入Fe3+，随着Fe3+浓度的增加，体系ECL强度迅速下降，当Fe3+浓度达到900 μmol/L 时，ECL强度降至最低，猝灭率为96.2%。当Fe3+浓度为0.1～460.0 μmol/L时，体系的ECL响应强度猝灭值与Fe3+浓度呈良好的线性关系，线性回归方程为ΔI=11.6c+4.8，线性相关系数为0.996 2，检出限为0.028 μmol/L。

1. NS-GQDs 2. NS-GQDs/Fe3+ 3. NS-GQDs/Fe3+/F-图3 NS-GQDs的紫外可见光谱、荧光光谱和ECL谱图Figure 3 UV-Visible absorption spectra, fluorescence spectra and ECL spectra of NS-GQDs

图4 NS-GQDs在Fe3+溶液中的ECL谱图Figure 4 ECL spectra of NS-GQDs in the presence ofdifferent concentration of Fe3+

当Fe3+浓度为20 μmol/L时，饮用水中可能存在的金属离子对 ECL强度的影响见表1。由表1可知，所构建的ECL传感器对Fe3+具有良好的选择性。

2.4 NS-GQDs+Fe3+体系对F-的识别

由图5可知，随着F-浓度的增加，体系ECL强度迅速恢复，当F-浓度为9 600 μmol/L时，体系ECL强度接近NS-GQDs的初始值I0。当F-浓度为1～5 600 μmol/L时，体系ECL响应强度恢复值与F-浓度呈良好的线性关系，线性回归方程为ΔI*=1.03c+47.3，线性相关系数为0.992 7，检出限为0.62 μmol/L。

NS-GQDs+Fe3+体系对F-的选择性结果见表2。由表2可知，当F-浓度为50 μmol/L时，饮用水中可能存在的阴离子对NS-GQDs+Fe3+体系的ECL强度无显著影响，说明共存物质对F-的检测无干扰。

NS-GQDs+Fe3+体系中加入F-后ECL强度随时间的变化如图6所示。由图6可知，加入F-后，随着时间的延长，ECL强度增大，3 min时，ECL强度达最大值，随后ECL强度保持不变。说明F-可在3 min时恢复NS-GQDs+Fe3+体系的ECL强度且在检测期间ECL信号稳定。NS-GQDs对Fe3+和F-经过多次重复识别后，ECL效率损失较小，其识别过程具有较好的可逆性。

表1 金属离子对NS-GQDs ECL传感器的影响

图5 NS-GQDs+Fe3+体系在F-溶液中的ECL谱图

表2 干扰物质对NS-GQDs+Fe3+体系的影响

由表3可知，试验构建的基于N,S-GQDs的关—开型ECL传感器不仅能够实现连续检测Fe3+和F-，而且具有较低的检出限和较宽的线性范围。

图6 NS-GQDs ECL传感器连续检测Fe3+和F-时ECL强度的改变

表3 Fe3+和F-的测定方法比较

2.5 NSGQDs对Fe3+和F-的识别机理

2.6 饮用水中Fe3+和F-的检测

为了验证基于NS-GQDs的关—开型ECL传感器在实际样品中的应用效果，分别测定自来水、某品牌矿泉水和桶装水中的Fe3+和F-，结果见表4和表5。Fe3+回收率为90%～106%，相对标准偏差(RSD)<3%，F-回收率为92%～110%，RSD<4%，表明试验方法准确可靠，可用于实际水样中Fe3+和F-的测定。

图7 关—开型ECL传感器测定Fe3+和F-的机理

3 结论

构建了基于掺杂型石墨烯量子点构建关—开型电化学发光传感器，基于Fe3+可与氮硫掺杂石墨烯量子点形成配合物引起关—开型电化学发光传感器猝灭，实现对Fe3+的定量检测；基于F-可使氮硫掺杂石墨烯量子点被猝灭的关—开型电化学发光传感器信号重新恢复的现象，以氮硫掺杂石墨烯量子点和Fe3+体系作为二次探针用于关—开型电化学发光传感器增强检测F-；实现对饮用水中Fe3+和F-的连续关—开—关检测，在食品检测领域具有良好的应用前景。后续应加大对复杂基体食品检测研究，提高复杂基体中量子点的抗污染性能。

表4 水样中Fe3+的加标回收率

表5 水样中F-的加标回收率