硫化镉量子点对三联吡啶钌电化学发光的增敏作用及用于邻苯二酚的检测

王明丽 孙亚楠 郭佳怡 杨学梅 杨敏丽

摘 要 研究了CdS 量子点（CdS QDs）对三联吡啶钌（Ru（bpy）32+）电致化学发光（ECL）信号的作用，发现CdS QDs对Ru（bpy）32+的ECL信号有良好的增敏作用，基于此建立了高灵敏的CdS QDs/Ru（bpy）32+ ECL体系。探讨了该体系的ECL机理，考察了CdS QDs的浓度、缓冲溶液pH值、扫描速率等实验参数对ECL信号的影响，优化了体系的ECL条件。基于邻苯二酚对该体系ECL信号的抑制作用，建立了邻苯二酚的ECL检测方法。在1.0×108～1.0×105 mol/L范围内，邻苯二酚的浓度与ECL信号的变化值呈良好的线性关系，检出限（S/N=3）为5.5 nmol/L，将本方法用于茶叶中邻苯二酚的检测，结果令人满意。

关键词 电致化学发光； 硫化镉量子点； 三联吡啶钌； 邻苯二酚

1 引 言

电致化学发光（ECL）检测技术具有灵敏度高、选择性好、可控性强等优点，被广泛应用于各種物质的检测[1]。三联吡啶钌（Ru（bpy）32+）是最早应用的一种ECL物质，因其溶解性好、发光效率高、氧化还原可逆、化学性能稳定等优点而被广泛应用[2]。 Ru（bpy）32+的ECL一般都需要共反应剂的参与，常用的共反应剂有三丙胺（TPrA）、C2O24、N2H4、S2O28等[3]，它们虽然增敏效果很好，但稳定性差、有毒、有背景干扰等问题，限制了Ru（bpy）32+在某些领域的应用。

量子点（QDs）是一种新型半导体纳米材料，具有良好的光电性能[4]。近年来，关于QDs的研究主要集中于其光学性能[5，6]，而对其电化学和电催化性能的研究却较少报道。 QDs的ECL性能研究显示，某些QDs具有很好的电化学活性，它们能够直接在电极上氧化或还原，产生自由基，再与溶液中的其他物质反应产生ECL。Wang等[7]在研究CdTe QDs的阳极ECL时，发现该QDs通过电化学氧化直接产生阳离子自由基CdTe·+，再与溶解氧形成的O2·作用产生ECL。QDs的这种氧化过程与Ru（bpy）32+的共反应剂相似，因此推测 QDs可以作为Ru（bpy）32+的ECL共反应剂催化其ECL现象。 Dong等[8] 将CdSe QDs修饰在玻碳电极上，研究了Ru（bpy）32+在裸玻碳电极及修饰电极上的ECL信号，发现修饰电极的ECL信号明显大于裸电极信号，表明CdSe QDs对Ru（bpy）32+的ECL有增敏作用。Long等[9]的研究也表明碳量子点对Ru（bpy）32+的ECL信号有很好的增敏作用，基于此实现了对双酚A的灵敏检测。

CdS QDs的合成方法简单，化学性质稳定[10，11]。 本研究选择CdS QDs 为研究对象，考察其对Ru（bpy）32+ECL的影响。结果发现，加入少量的CdS QDs可以使Ru（bpy）32+的ECL信号大大增强，且在本研究检测条件下，CdS QDs不产生任何ECL信号，无背景干扰，相对于Ru（bpy）32+的其它共反应剂，CdS QDs性质更稳定，而且合成简单，价格低廉。优化了本体系的ECL条件，并基于邻苯二酚对该体系 ECL信号的抑制作用，建立了邻苯二酚的ECL检测方法，用于茶叶中邻苯二酚的检测，结果令人满意。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

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）； 三电极系统：工作电极为玻碳电极（GCE），Pt丝为对电极，Ag/AgCl电极（饱和KCl溶液）为参比电极； CHI660E电化学工作站（上海辰华公司）； UV-1800紫外-可见分光光度计、RF-5301PC 荧光分光光度计（日本日立公司）。

三联吡啶钌（Ru（bpy）32+）、氯化镉（CdCl2·2.5H2O）、邻苯二酚、间苯二酚、对苯二酚、多巴胺、抗坏血酸、尿酸（国药集团化学试剂有限公司）； 巯基丙酸（MPA，98%，Sigma-Aldrich化学公司）； NaOH（天津市广成化学试剂有限公司）； Na2S·9H2O（天津市化学试剂研究所）； 所有药品均为分析纯，溶液均以超纯水配制。江苏省某品牌绿茶样品购于本地超市。

2.2 CdS QDs的制备

CdS QDs的合成参考文献[12]方法并稍做改动。将86 μL 98%（V/V）MPA加入到20 mL 0.02 mol/L CdCl2溶液中，室温下磁力搅拌5 min，然后用1 mol/L NaOH调节至pH 9.0，继续搅拌30 min； 最后缓慢加入20 mL 0.02 mol/L Na2S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。将得到的量子点溶液与无水乙醇等体积混合，以10000 r/min离心10 min。所得沉淀分散于200 μL水中，加入1 mL异丙醇，再次离心、洗涤，重复2～3次。最终将沉淀分散于1 mL水中，得到量子点储备液，于4℃避光保存。

2.3 茶叶样品的处理

参考文献[13]的方法处理茶叶样品： 将茶叶样品用研钵研碎，称取0.2 g茶叶粉末， 加入到60 mL 20% （V/V）甲醇溶液中，80℃下浸提20 min，过滤，将滤液稀释至100 mL，备用。

2.4 ECL检测

采用MPI-ECL分析仪，以GCE电极为工作电极，在1.5～+1.5 V范围内以200 mV/s循环扫描，记录ECL信号。光电倍增管电压为600 V。介质为 0.10 mol/L PBS缓冲溶液（pH 8.0）。检测邻苯二酚时，先向一定体积的介质中加入20 μL 0.2 mmol/L Ru（bpy）32+ 和80 μL合成的 CdS QDs，检测ECL信号； 然后加入10 μL不同浓度的邻苯二酚，再检测ECL信号，根据邻苯二酚加入前后ECL信号的变化值ΔI对邻苯二酚进行定量检测。

3 结果与讨论

3.1 CdS QDs的表征

图1A为所制备的CdS QDs的高分辨透射电子显微镜（TEM）图像，可见CdS QDs的粒径约为2.5 nm， 且粒径均匀。图1B显示量子点在370 nm处有特征吸收峰，激发波长400 nm时其最大发射波长为551 nm，依据文献[14]方法估算CdS QDs溶液的浓度为2.2 μmol/L，粒径为2.52 nm。

3.2 CdS QDs对Ru（bpy）32+ECL行为的影响

为探究CdS QDs对Ru（bpy）32+ECL行为的影响，分别测试了 CdS QDs、Ru（bpy）32+及二者混合后的ECL 信号。如图2所示，单独Ru（bpy）32+在+1.2 V处产生较弱的阳极ECL信号，而单独CdS QDs在此条件下没有ECL信号，但二者混合后，体系的ECL信号比单独Ru（bpy）32+ 的ECL信号增加了约 4 倍。上述结果表明， CdS QDs对Ru（bpy）32+体系的ECL有很好的增敏作用。

3.3 CdS QDs对 Ru（bpy）32+的ECL增敏机理

为了探究CdS QDs对Ru（bpy）32+阳极ECL的增敏机理，分别考察CdS QDs和Ru（bpy）32+及其混合液的光谱行为和电化学行为。图3A是单独的CdS QDs、Ru（bpy）32+和二者混合后的紫外吸收光谱，可见CdS QDs与Ru（bpy）32+分别在370 和450 nm处有特征吸收峰，混合后的溶液也在370和450 nm处有特征吸收峰，而且没有出现新的吸收峰，说明二者在混合过程中未发生化学反应，没有生成新物质。

图3B 是CdS QDs、Ru（bpy）32+及二者混和后在PBS中的CV曲线，可见CdS QDs 在 0.75 V处出现氧化峰，说明CdS QDs在0.75 V处可被氧化，产生CdS·+。Ru（bpy）32+ 在+1.2 和0.5 V 處出现了氧化还原峰，这是Ru（bpy）32+在+1.20 V处被氧化生成Ru（bpy）33+，在0.5 V 处被还原生成Ru（bpy）3+； 二者混合后，各自的峰位置未发生变化，但二者的氧化峰电流都增大，而Ru（bpy）32+还原峰电流减小，说明二者的氧化产物之间发生了作用。Ru（bpy）32+和Ru（bpy）32+与CdS QDs混合溶液的ECL光谱曲线如图3C和3D所示， ECL光谱峰形状非常相似，谱峰位置也非常接近，但混合体系的ECL 强度明显大于单独的Ru（bpy）32+的ECL强度，说明体系中的发光体是Ru（bpy）32+，CdS QDs增敏了Ru（bpy）32+的ECL。根据以上实验现象，结合文献[8，15]，推测可能的发光机理是：CdS QDs 在0.75 V处氧化产生QDs·+，该自由基与Ru（bpy）32+在+1.2 V处的氧化产物Ru（bpy）33+发生作用，生成激发态的Ru（bpy）2+*3，后者返回基态时发光。为了验证这一推测，将电位扫描窗口缩小，结果表明，当电位在0～+1.5 V和0.5～+1.5V范围内扫描时，Ru（bpy）32+的ECL信号并未增大，因为此时CdS QDs 不会氧化生成CdS·+，上述结果进一步证明了推测的机理的合理性。

3.4 CdS QDs/Ru（bpy）32+体系ECL条件的优化

3.4.1 Ru（bpy）32+浓度的优化 Ru（bpy）32+是本体系的发光试剂，其浓度对体系的ECL强度有很大作用。 固定CdS QDs的用量，改变Ru（bpy）32+浓度，测量ECL信号。结果表明，在0～0.20 mmol/L范围内，随着Ru（bpy）32+浓度的增加，ECL信号急剧增大，但Ru（bpy）32+浓度超过0.20 mmol/L后，信号增幅减弱，考虑到Ru（bpy）32+价格昂贵，实验中Ru（bpy）32+的浓度选用0.2 mmol/L。

3.4.2 CdS QDs用量的优化 CdS QDs对Ru（bpy）32+的ECL具有增敏作用，其用量直接影响ECL信号强度。固定Ru（bpy）32+的浓度为0.2 mmol/L，向体系中加入不同量的CdS QDs，检测ECL信号。在0～80 μL范围内， 随CdS QDs用量的增加，体系的ECL信号急剧增大； 继续增加CdS QDs用量，ECL信号变化趋于平缓。这是由于随着CdS QDs的增多， CdS·+的生成速度增大，可与Ru（bpy）33+ 作用生成更多激发态的Ru（bpy）2+*3，产生更强的ECL； 但继续增加CdS QDs用量，由于体系中Ru（bpy）32+的量一定，Ru（bpy）2+* 3达到饱和，ECL信号变化趋于平缓。故CdS QDs的用量选用80 μL。

3.4.3 溶液pH值的优化 配制不同pH值的PBS溶液，检测不同pH值下CdS QDs /Ru（bpy）32+体系的ECL信号。结果表明，pH在5.0～8.0范围内变化时，体系的ECL强度随着溶液pH值的增加而增大，当pH=8.0时，ECL强度达到最大值； pH>8.0时，ECL强度又逐渐减小。因此本实验选择pH=8.0的PBS溶液作为检测底液。

3.4.4 扫描速率的优化 考察了扫描速率对体系ECL的影响。如图4所示，当扫描速率低于 0.2 V/s时， 随着扫描速率的增大，CdS QDs的氧化电流逐渐增大，且ECL 强度逐渐增强， 在扫描速率为0.2 V/s 时达到最大值，这是由于扫描速率越大，生成的QDs·+ 越多，形成的 Ru（bpy）2+*3越多。当扫描速率大于 0.2 V/s时，ECL 强度有所降低，这是由于ECL与共反应剂的扩散速率有关[16]，当扫速过大时，电极表面的共反应剂的消耗速率大于扩散速率，导致共反应剂浓度过低，ECL降低[17]。因此，选择扫描速率为0.2 V/s。

3.5 检测邻苯二酚的分析性能

实验表明，邻苯二酚对CdS QDs/Ru（bpy）32+体系的ECL信号有抑制作用。在优化条件下，将不同浓度的邻苯二酚加入到体系内，测得相应的ECL信号，如图 5所示，随着邻苯二酚浓度不断增大，ECL信号逐渐减弱，体系的ECL的差值△I（加入邻苯二酚前后ECL强度变化值）与邻苯二酚浓度的对数值在1.0×108～1.0×105 mol/L范围内呈良好的线性关系（图5插图），线性回归方程为ΔI = 583.2 lgC （nmol/L）-111.4 （R2=0.9967），检出限为5.5 nmol/L。本方法与其它检测邻苯二酚ECL方法结果相比（表1），具有更宽的线性范围和较低的检出限。

为了探究邻苯二酚抑制CdS QDs/Ru（bpy）32+ ECL信号的机理，测试了邻苯二酚加入前后体系的CV行为。如图6所示，与加入邻苯二酚前相比，加入邻苯二酚后，分别在0.25和0.1 V处出现了一对氧化还原峰，表明邻苯二酚在电极上发生了氧化还原反应。邻苯二酚氧化后生成邻苯醌，激发态的Ru（bpy）2+*3将能量转移给邻苯醌导致体系中ECL信号降低[22，23]。

3.6 选择性和干扰实验

为了考察方法的选择性，分别向体系中加入5 μmol/L邻苯二酚（Catechol）、间苯二酚（Resorcinol）、对苯二酚（Hydroquinone）、多巴胺（DA）、尿酸（UA）、抗坏血酸（AA）， 测定ECL信号。如图7 所示，除邻苯二酚外，对苯二酚和多巴胺也对CdS QDs/Ru（bpy）32+体系的ECL有抑制作用，其原因是这两种物质的结构与邻苯二酚的结构相似，均能在电极上被氧化生成醌类物质， 因此本方法可用于检测结构相似的这一类酚类物质。

3.7 方法的稳定性

用同一根电极在相同条件下连续扫描25圈，得到CdS QDs/ Ru（bpy）32+体系的ECL信號随扫描时间的变化图，如图8所示，信号基本没有变化，说明该体系的ECL信号稳定。

3.8 茶叶样品中邻苯二酚的测定

采用本方法检测茶叶中邻苯二酚的含量，并进行加标回收实验，结果见表2。茶叶中邻苯二酚的初始含量为0.321 mg/g， 3个浓度水平邻苯二酚的加标回收率为94.2%～101.1%，相对标准偏差为3.2%～5.7%。

4 结 论

基于CdS QDs对Ru（bpy）32+的ECL信号有很好的增敏作用，建立了CdS QDs/Ru（bpy）32+ECL 体系，探讨了体系的发光机理，并基于邻苯二酚对该体系 ECL信号的抑制作用，建立了邻苯二酚的ECL检测方法，用于茶叶中邻苯二酚的检测，结果令人满意。与其它文献报道检测方法相比，本方法简单、灵敏、线性响应范围宽。

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