基于联吡啶钌在CdTe量子点/氮掺杂石墨烯修饰电极上的电致化学发光法测定三丙胺

吴芳辉， 董天涯， 刘 惠， 张 奎， 储心萍， 陈 晨

(安徽工业大学化学与化工学院，安徽马鞍山 243002)

联吡啶钌化合物具有较好的热力学稳定性，可电化学再生，激发态寿命长，发光效率较高，是电致化学发光(ECL)法检测生物物质中最常用的发光试剂之一[1 - 4]。但是联吡啶钌配合物在裸电极上ECL信号很弱，导致反应体系中需要消耗大量的联吡啶钌化合物，或者需要外加共存试剂来增强其ECL信号，从而限制了联吡啶钌化合物的进一步应用。因此，基于导带和价带之间带隙小，量子产率高，发射波长与粒径大小息息相关，以及宽激发窄发射等优势的半导体量子点(QDs)被修饰至基底电极上，利用共振能量转移等过程来增强液相中联吡啶钌化合物的阳极发光效率[5 - 6]，然而要实现QDs作为耦合敏化ECL材料，拓展其在ECL传感中的应用范围，需要解决QDs因悬浮于体相中损失过大，并且表面能高易团聚无法稳定共存的缺陷，因此，近年来具有信号放大功能的纳米材料不断地与不同的QDs复合，制备出了一系列具有ECL应用潜力的复合材料[7 - 9]。在这些纳米材料中，石墨烯特别是掺杂了氮原子的石墨烯(NG)作为一种重要的碳纳米材料不仅具有超强的导电性、较大的比表面积和低毒性，而且生物相容性和水溶性突出，还易于被各种功能基团所修饰[10 - 11]，所以在NG上负载QDs有望使制备的复合材料获得更多的选择性响应位点和更高的响应活性[12]。

本文采用简单的方法制备了CdTe QDs@NG复合材料并进行了必要的表征，根据中性环境中三丙胺(TPA)存在下，联吡啶钌化合物在CdTe QDs@NG复合材料修饰电极上表现出较强的ECL信号，建立了测定TPA的新体系。到目前为止，尚未见有关利用联吡啶钌化合物在CdTe QDs@NG复合材料修饰电极上的ECL行为测定TPA的文献报道。优化了各项实验条件，结果表明，联吡啶钌ECL强度差值ΔIECL与TPA的浓度在一定范围内呈良好的线性关系，而且方法的灵敏度高、选择性强、再现性好，最后该方法被成功用于测定水样中的TPA含量。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Nicolet 6700 FT-IR型红外光谱仪(KBr压片)(美国，尼高力)；F-4800型透射电镜(日本，日立公司)；MPI-B型电致化学发光分析系统(西安瑞迈分析仪器有限责任公司)；CHI650D型电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)，实验中采用三电极系统：玻碳电极(GCE)或CdTe QDs@NG/GCE修饰电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝电极为对电极，实验在通氮除氧条件下于室温中进行；KH2200B型超声波清洗器(昆山禾创超声有限公司)。

1.2 CdTe QDs的合成

CdTe QDs参照文献方法[13]并加以改进制备:准确称取0.1981 g CdCl2·2.5 H2O于烧瓶中，加入50 mL水，在氮气保护的条件下加入160 μL巯基丙酸，用0.1 mol/L NaOH溶液调节pH值到11，此时可以观察到溶液由浑浊逐渐变为澄清，继续通氮气30 min，即制得CdTe前驱体；在另一个通氮除氧30 min的两口烧瓶中加入10 mL水，然后迅速加入0.1190 g NaBH4和0.0492 g Te粉，氮气保护条件下室温搅拌2 h，观察到体系最终转变为紫色澄清溶液。将上述制备的NaHTe溶液迅速加入到无色透明的CdTe前驱体溶液中，观察到溶液变成黄色，接着迅速升温至100 ℃，加热回流搅拌1 h，能够观察到溶液颜色由黄色向红色转变，最终得到橙黄色溶液，冷却至室温，浓缩溶液体积至20 mL，然后加入异丙醇使之产生大量沉淀，离心分离后使用丙酮洗涤沉淀3次，最后于30 ℃真空干燥10 h后，备用。

1.3 CdTe QDs@NG复合材料的合成

准确称取10 mg NG于10 mL水中，超声分散4 h，制得1.0 mg/mL的NG溶胶，接着加入等体积的1.0 mg/mL CdTe QDs溶液，超声1 h，即得到CdTe QDs@NG复合材料。

1.4 修饰电极的制备

将直径3 mm的玻碳电极(GCE)在麂皮上用0.05 μm Al2O3抛光处理至镜面，再依次用HNO3、丙酮、乙醇和水分别超声3 min。洗净干燥后，将GCE放入0.5 mol/L H2SO4中，于-1.5～1.5 V下进行循环伏安扫描至循环伏安图稳定为止。用微量进样器先吸取20 μL CdTe QDs@NG复合材料溶液滴涂在GCE的表面，再吸取10 μL 0.5%的Nafion乙醇溶液(将5%的Nafion溶液用乙醇稀释)，于室温下在氮气氛中自然挥发至干，最终得到固载效果好的CdTe QDs@NG/GCE修饰电极。

1.5 测量方法

采用三电极体系在ECL分析仪上进行测量。电解质溶液为pH为7.0的0.1 mol/L磷酸盐缓冲溶液(PBS)，循环伏安扫描的范围为0～1.5 V，扫描速度为100 mV/s，光电倍增管高压设定为800 V。

2 结果与讨论

2.1 复合材料的表征

使用透射电镜(TEM)分别对CdTe QDs、NG以及CdTe QDs@NG复合材料进行表征。如图1A所示，可以看到本文方法制备的CdTe QDs分布相对均匀，粒径大小较为统一，尺寸约在5 nm左右；图1B为NG的皱褶状结构；图1C是CdTe QDs@NG复合材料的TEM图，从图中能够清楚的观察到片状二维平面结构NG的表面均匀分布有很多CdTe QDs，表明CdTe QDs已经成功地与NG复合。

图1 CdTe QDs(A)、NG(B)和CdTe QDs@NG(C)的透射电镜(TEM)图Fig.1 TEM images of CdTe QDs(A)，NG(B) and CdTe QDs/NG(C)

本文还采用傅里叶变换红外(FI-IR)光谱对产物进行了表征。结果如图2所示，图中曲线a为NG的红外光谱图，在1 556 cm-1和3 455 cm-1有两个非常明显的峰，分别对应的是N-H弯曲振动和伸缩振动吸收峰；图中曲线b为CdTe QDs的红外光谱图，3 345 cm-1处的吸收峰由O-H和C-O伸缩振动产生，1 384 cm-1和1 584 cm-1处出现的吸收峰分别为QDs中残余的巯基丙酸中-COOH的对称伸缩振动和不对称伸缩振动所产生[14]；图中曲线c为CdTe QDs@NG的红外光谱图，在3 000～3 500 cm-1有一个强宽峰，有可能是残余巯基丙酸中O-H以及氮掺杂石墨烯中N-H同时伸缩振动导致，也有可能是复合材料分散于水相当中的O-H伸缩振动导致的。除此之外，复合材料的红外光谱仍能明显观测到对应于CdTe QDs的1 584 cm-1处出现的吸收峰，而且由于CdTe QDs负载于NG材料上，1 584 cm-1、2 180 cm-1处出现的吸收峰强度显著增强，可能是CdTe QDs和NG复合后各官能团协同作用的结果。

2.2 修饰电极的交流阻抗研究

本实验在含0.1 mol/L KCl的5 mmol/L [Fe(CN)6]4 -/3-溶液中测试得到各种电极的Nyquist图，从而研究电解质与电极表面之间的电子传递情况。在高频区呈现的一个半圆体现电极反应动力学即电子传递速率的快慢，而低频区一条近似45°的斜线，与扩散控制过程有关。如图3所示，曲线a为GCE的阻抗曲线，电阻比较小。曲线b为NG/GCE的阻抗曲线，可以看出导电性好，电阻变小。曲线c为CdTe QDs/GCE的阻抗曲线，有一个半径较大的半圆，表明电阻变得非常大。曲线d则为CdTe QDs@NG复合材料的阻抗曲线，电阻明显比曲线c阻抗小，说明加入NG后，改善了原CdTe QDs的导电性，使得电极表面电子传递速度明显加快。

图2 NG(a)、CdTe QDs(b)和CdTe QDs@NG(c)的傅里叶变换红外(FI-IR)光谱图Fig.2 FI-IR spectra of NG(a),CdTe QDs(b) and CdTe QDs@NG(c)

图3 GCE(a)、NG/GCE(b)、CdTe QDs/GCE(c)和CdTe QDs@NG/GCE(d)的电化学阻抗谱图Fig.3 Electrochemical impedance spectra of bare GCE(a),NG/GCE(b),CdTe QDs/GCE(c) and CdTe QDs@NG/GCE(d)

图4 TPA(2.4×10-7 mol/L)存在下 mol/L)在裸GCE(a)、NGGCE(b)、CdTe QDs/GCE(c)和CdTe QDs@NG/GCE(d)上的ECL强度-电势曲线Fig.4 ECL intensity-potential curves of (2.0×10-6 mol/L) at bare GCE (a),NG/GCE(b),CdTe QDs/GCE(c) and CdTe QDs@NG/GCE(d) at the presence of 2.4×10-7 mol/L TPA

2.3 TPA存在下在不同电极上的ECL行为研究

2.4 实验条件的优化

图5 缓冲溶液pH值对ECL强度的影响Fig.5 The effect of buffer pH on ECL intensity

图用量对ECL强度的影响Fig.6 The effect of amount of on ECL intensity

2.5 方法评价

图7 (A)不同浓度的TPA对应的的ECL曲线；(B)相对发光强度与TPA浓度之间的校正曲线Fig.7 (A)ECL curves for detection of different concentration of TPA;(B)Linear relationship between relative ECL intensity (ΔIECL) and TPA concentrationThe concentration of TPA:(a)0 mol/L,(b)4.0×10-9 mol/L,(c)2.0×10-8 mol/L,(d)4.0×10-8 mol/L,(e)8.0×10-8 mol/L,(f)1.6×10-7 mol/L,(g)2.4×10-7 mol/L,(h)3.2×10-7 mol/,(i)4.0×10-7 mol/L.

2.5.3 重复性和稳定性研究优化的实验条件下，测定8.0×10-8mol/L TPA溶液，平行测定10次，相对标准偏差仅为2.03%，说明该电极的重复性良好。将使用过的电极置于4 ℃环境下保存一周后再次测定相同浓度的TPA溶液，其ECL信号强度仍为原来的90%以上，说明该复合材料修饰电极的稳定性较好，使用寿命较长。

2.6 样品测定

表1 样品中TPA的分析结果(n=6)

3 结论