化学氧化合成聚（苯胺—鲁米诺）复合纳米线的电化学发光特性研究

王艳杰+李桂新+郑行望

摘 要 以过硫酸铵为氧化剂，通过氧化苯胺和鲁米诺混合溶液合成了聚（苯胺-鲁米诺）复合纳米线。相对于鲁米诺425 nm处的最大荧光发射波长，复合纳米线中聚鲁米诺的最大荧光发射波长明显红移到465 nm处。采用简单的滴凃方式将聚（苯胺-鲁米诺）复合纳米线修饰于石墨电极表面，形成一层稳定的聚（苯胺-鲁米诺）复合纳米线膜。此聚（苯胺-鲁米诺）纳米线膜修饰电极呈现出良好的电化学发光特性，H2O2对化学合成的聚（苯胺-鲁米诺）纳米线电化学发光呈现出增敏效应。在优化实验条件下，修饰电极的电化学发光信号与H2O2在5.0×10 Symbolm@@ 9 ～1.0×10 Symbolm@@ 5 mol/L范围内呈线性关系，检出限为2×10 Symbolm@@ 9 mol/L。

关键词 过硫酸铵; 聚（苯胺-鲁米诺）复合纳米线; 电化学发光; 过氧化氢

1 引 言

导电聚合物的研究一直以来备受研究者的关注，与金属和碳电极相比，聚合物化学修饰电极可以通过设计各种各样的聚合物膜检测多种物质，对某些物质可以实现选择性检测，提高检测的灵敏度[1～5]。作为一种苯胺类衍生物，鲁米诺的聚合以及聚合态鲁米诺在电化学和电化学发光（ECL）领域的研究受到了人们的持续关注[6～9]，。以聚鲁米诺为发光试剂的电化学发光传感新方法拓宽了鲁米诺电化学发光分析体系的应用范围，简化了基于鲁米诺的电化学发光传感器的构建和分析过程，促进了其在仪器微型化和简单化发展中的应用[10～17]。近年来，有关聚鲁米诺的合成和基于聚鲁米诺的电化学发光传感器的研究应用的进展很快，例如Claver等[12]在电极表面电聚合制备了聚鲁米诺-生物素化吡咯膜，并应用于尿样中胆固醇的测定。Nabid等[18]在聚苯胺磺酸盐存在下，利用辣根过氧化物酶作为生物催化剂在pH=8.0的磷酸盐缓冲溶液中合成了聚鲁米诺/聚苯胺磺酸盐复合物，并研究了该复合物的化学发光特性。本研究组的前期工作中采用电沉积法在电极表面合成了聚（苯胺-鲁米诺）复合纳米线，并将其应用于葡萄糖电化学发光传感器的构建[16]。然而对于聚鲁米诺或者其复合纳米材料在溶液中的合成及应用的研究报道相对较少。

本研究采用了一种简单的化学氧化方法将鲁米诺和苯胺聚合，合成了直径约为30 nm的聚（苯胺-鲁米诺）复合纳米线，该复合纳米线呈现出良好的分散性和稳定性。相对于鲁米诺的最大荧光发射波长，复合纳米线中聚鲁米诺的最大荧光发射波长发生红移。将复合纳米线修饰于石墨电极表面，可形成一层稳定的聚（苯胺-鲁米诺）复合纳米线膜，并呈现出良好的电化学发光特性，H2O2对其电化学发光呈现出良好的增敏效应。本工作提供了一种合成聚鲁米诺类纳米材料的新方法，为聚鲁米诺类纳米材料在化学发光和电化学发光方面的应用奠定了基础。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

79-1型磁力搅拌器（江苏国华仪器厂）; Z383K型高速冷冻离心机（德国哈默公司）; JEM-2100型透射电子显微镜（日本电子公司）; TU-1901型紫外可见分光光度计（北京普析通用仪器有限公司）; 970CRT型荧光分光光度计（上海分析仪器厂）; CHI660B电化学工作站（上海辰华仪器设备有限公司）; IFFM-D型流动注射化学发光分析仪（西安瑞迈分析仪器有限公司），电化学发光池直接放置于光窗上方，光电倍增管负高压为 Symbolm@@ 800 V。电化学发光电解池由常规的三电极体系构成，其中聚（苯胺-鲁米诺）复合纳米线修饰电极作为工作电极，辅助电极为螺旋状铂丝电极，参比电极为银丝准参比电极。

正硅酸乙酯（TEOS），鲁米诺（美国Sigma公司）; TritonX-100（TX-100，北京鼎国生物技术有限责任公司）; 硫酸苯胺（西安化学试剂厂）; 其它试剂均为分析纯，实验用水为二次蒸馏水。

2.2 实验方法

2.2.1 化学氧化合成聚（苯胺-鲁米诺）复合纳米线 室温下，将1.77 mL 表面活性剂TX-100、7.5 mL 环己烷和1.8 mL 助表面活性剂正己醇混合，加入330 μL水，磁力搅拌20 min，形成透明稳定的微乳液， 加入50 μL 0.25 mol/L 硫酸苯胺溶液，磁力搅拌20 min，加入50 μL 0.002 mol/L 鲁米诺溶液，持续搅拌20 min，再加入50 μL 0.5 mol/L 过硫酸铵溶液，持续搅拌反应2 h。反应完成后加入丙酮进行破乳，使纳米颗粒从微乳液体系中析出，离心收集颗粒，依次用丙酮、无水乙醇、水多次超声洗涤纳米复合物，以除去表面活性剂分子和未反应完的反应物，最后将纳米复合物分散在水中， 于室温下暗处储存备用。

2.2.2 聚（苯胺-鲁米诺）复合纳米线修饰电极的制备 将石墨电极（Φ=8.0 mm）先后在粗细的砂纸上小心打磨，超声清洗，用水反复冲洗，晾干备用; 取100 μL合成好的聚（苯胺-鲁米诺）复合纳米线滴凃在电极表面，室温下晾干，得所需修饰电极。

2.2.3 电化学发光的测定 将复合纳米线修饰石墨电极置于磷酸盐空白溶液（pH 8.0）和含有H2O2的样品溶液的电解池中，施加阶跃电位0～1.0 V于工作电极，记录体系的空白电化学发光强度值和样品的增强电化学发光强度值，并以相对电化学发光强度的峰值高度进行样品的定量分析。

3 结果与讨论

3.1 聚（苯胺-鲁米诺）复合纳米线的合成

采用化学氧化法，首先在反相微乳液中于硫酸介质中合成了聚（苯胺-鲁米诺）复合物，如图1A所示，在反相微乳液合成过程中，微乳液中形成纳米级的水相反应池，苯胺与鲁米诺在过硫酸铵的氧化下发生聚合反应。然而当将此溶液破乳， 并依次用丙酮、乙醇、二次水清洗之后，由反相微乳液形成的纳米级反应池中的聚合物之间进一步发生变化，形成长链纳米线聚合物，如图1B所示，该复合纳米线的直径约为30 nm。该纳米线的生成可能是因为在破乳过程和超声分散、清洗过程中，球形聚合物之间发生接触， 并在超声作用下发生裂解和再聚合过程，形成直径更小、链较长的复合纳米线。该结果表明，采用反相微乳液法可以合成球状聚（苯胺-鲁米诺）纳米粒子，然而苯胺和鲁米诺在水溶液中发生聚合时更易形成线状聚合物[19]。endprint

3.2 聚（苯胺-鲁米诺）复合纳米线电化学发光行为

图2为聚（苯胺-鲁米诺）纳米线修饰电极在PBS缓冲溶液（pH 8.0）中的电化学发光图。由图2可见，聚（苯胺-鲁米诺）纳米线呈现出良好的电化学发光行为，表明苯胺和鲁米诺共同聚合在一起，形成聚（苯胺-鲁米诺）复合纳米线，且聚鲁米诺在其中保持了良好的电化学发光特性。

在上述体系中加入H2O2，考察了H2O2对该体系电化学发光性质的影响（图3）。由图3可见，聚（苯胺-鲁米诺）复合纳米线的空白电化学发光信号和H2O2增敏电化学发光信号均强于纯聚鲁米诺膜电化学发光信号强度。同时，两种修饰电极的电化学发光动力学曲线结果显示（图3插图），相对于聚鲁米诺膜修饰电极，聚（苯胺-鲁米诺）复合纳米线膜修饰电极呈现出更快的电化学发光响应速度。上述结果显示复合纳米线中聚苯胺能够促进H2O2增敏聚鲁米诺的电化学发光效率，复合纳米线具有良好的比表面积和电子传递能力，加速了聚鲁米诺与电极之间的电子传递，从而增强了复合纳米线中的聚鲁米诺对H2O2的电化学发光响应。

为了深入了解聚（苯胺-鲁米诺）复合纳米线电化学发光反应的机理，考察了其紫外-可见吸收和荧光光谱。图4为聚（苯胺-鲁米诺）复合纳米线在水溶液中分散后的紫外-可见吸收光谱图，与文献[19]报道的聚苯胺紫外-可见吸收光谱一致。此材料在430 nm处有微弱吸收峰，并且在700～800 nm处有尾峰，其中350 nm附近的吸收峰源于聚苯胺链中苯环的π-π*电子跃迁，430 nm和700～800 nm处的宽的吸收归属于聚苯胺链中苯环向醌环跃迁[20，21]，此结果表明苯胺在过硫酸铵存在下生成了聚苯胺。

图5为聚苯胺纳米线和聚（苯胺-鲁米诺）复合纳米线在水溶液中分散后的荧光光谱图。从图5可见，纯的聚苯胺没有明显的荧光发射峰，而聚（苯胺-鲁米诺）复合纳米线在465 nm处出现了明显的荧光发射峰，表明在复合纳米线的制备过程中，鲁米诺与苯胺一起发生聚合反应，形成聚（苯胺-鲁米诺）纳米线，荧光光谱的发光体为聚鲁米诺。与鲁米诺的荧光最大发射波长425 nm相比，复合纳米线的荧光最大发射波长发生了明显红移，说明在合成过程中，苯胺和鲁米诺发生了有效的聚合反应，苯胺与鲁米诺的结合改变了鲁米诺的分子结构，从而使复合纳米线中的聚鲁米诺的荧光最大发射波长红移。

3.3 聚（苯胺-鲁米诺）复合纳米线电化学发光分析特性

对电化学发光的条件进行了优化，根据实验结果，选择pH=8.0 PBS作为电化学发光缓冲介质，循环伏安法作为电化学发光电解方式，工作电位为0～0.9 V，电位扫描速度为100 mV/s。

考察了聚（苯胺-鲁米诺）复合纳米线修饰电极电化学发光传感器的分析特性。在选定的实验条件下，此传感器的电化学发光信号与H2O2浓度在5.0×10 Symbolm@@ 9～1.0×10 Symbolm@@ 5 mol/L范围内分段呈线性关系，检出限为2×10 Symbolm@@ 9 mol/L（3σ）。回归方程为I=3.4467×108C + 32.87， r=0.9938（5.0×10 Symbolm@@ 9～1.0×10 Symbolm@@ 7 mol/L）; I=33.964×107C + 35.537， r=0.9926（1.0×10 Symbolm@@ 7～1.0×10 Symbolm@@ 5 mol/L）。对1.0×10 Symbolm@@ 8 mol/L H2O2进行11次连续测定， 其相对标准偏差为3.2%。

此传感器采用电化学发光方法对H2O2进行检测，较之电化学方法测定H2O2有更高的灵敏度[22]。此外，此电化学发光传感器测定过程中不需要在体系中加入额外的发光试剂，成本低廉， 环境友好， 材料表面丰富的氨基可以进行进一步修饰， 有望在生物分析中得以应用[16]。

3.4 聚（苯胺-鲁米诺）复合纳米线及电化学发光传感器的稳定性

将聚（苯胺-鲁米诺）复合纳米线分散在水溶液中，于暗处存放30天后，聚（苯胺-鲁米诺）复合纳米线在水中仍具有很好的分散性; 在同一实验条件下，用相同条件下制备的7支修饰电极分别测定1.0×10 Symbolm@@ 7 mol/L H2O2，所得结果的相对标准偏差（RSD） 为5.2%，用同一修饰电极在10个不同时间段进行测定，RSD为4.6%。电化学发光响应实验结果表明， 在连续进行100次的电化学发光测定之后， 此电化学发光传感器电化学发光强度降幅在5%以内。上述结果表明，此聚（苯胺-鲁米诺）复合纳米线修饰电极具有较好的稳定性和重现性。

3.5 小结

发展了一种简单的方法制备聚（苯胺-鲁米诺）复合纳米线，此聚（苯胺-鲁米诺）复合纳米线膜修饰电极呈现出良好的电化学发光特性。相比于其它纳米材料修饰电极的电化学发光检测体系，本方法不需要在体系中加入额外的发光试剂， 可以在溶液中合成聚（苯胺-鲁米诺）复合纳米线，从而为聚（苯胺-鲁米诺）复合纳米线的进一步修饰和在溶液中的应用提供了方便和可能。

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Electrochemiluminescence Performance of Poly（aniline-luminol）

Composite Nanowires Synthesized by Chemical Oxidation

WANG Yan-Jie1， LI Gui-Xin*1， ZHENG Xing-Wang2endprint

1（Laboratory for Pollution Monitoring and Control， School of Chemistry and Chemical Engineering，

Xinjiang Normal University， Urumqi 830054， China）

2（School of Chemistry and Chemical Engineering， Shaanxi Normal University， Xi′an 710062， China）

Abstract Poly （aniline-luminol） composite nanowires were synthesized by chemical oxidation using ammonium peroxydisulfate. In contrast to the maximum fluorescence emitting wavelength of luminol at 425 nm， the maximum fluorescence emitting wavelength of the polymeric luminol in the composite nanowires was red shifted to 465 nm obviously. The poly （aniline-luminol） composite nanowires were modified on graphite electrode surface by drop coating， forming a stable poly （aniline-luminol） composite nanowires film. The composite nanowires film modified electrode presented favorable electrochemiluminescence （ECL） performances， and the ECL response could be enhanced by hydrogen peroxide. Under the optimized experimental conditions， the modified electrode provided a linear range of 5.0×10 Symbolm@@ 9-1.0×10 Symbolm@@ 5 mol/L for the detection of hydrogen peroxide with a detection limit of 2×10 Symbolm@@ 9 mol/L.

Keywords Ammonium peroxydisulfate; Poly （aniline-luminol） composite nanowires; Electrochemiluminescence; Hydrogen peroxide

（Received 16 April 2014; accepted 9 October 2014）

This work was supported by the National Natural Science Foundation of Chinese （No. 21105086） and the Doctoral Starting up Foundation of Xinjiang Normal University （XJNUBS1208）endprint