基于四苯乙烯自聚集膜增强电化学发光灵敏检测溶解氧

张霖琳，包欣京，鲁理平

(北京工业大学 环境与能源工程学院，北京 100124)

氧气是绝大部分动植物必不可少的生存物质之一，因此氧传感器的发展对于生命体系科学研究与环境监测具有重要意义。作为衡量水体自净能力的指标，溶解氧(Dissolved oxygen,DO)的检测一直是人们所关注的重点。有机污染物产生的过量溶解氧是造成水体失去自净能力的原因之一[1]，而溶解氧含量过低，则会影响水中动植物的正常生理生化功能，甚至因缺氧而死亡。因此溶解氧传感器的开发对于水产养殖业、自来水厂、污水处理厂、海洋及湿地研究起到了至关重要的作用。溶解氧的检测方法有碘量法[2]、荧光分光光度法[3-5]、电化学分析法[6-7]等。

电化学发光(Electrochemiluminescence，ECL)也称电致化学发光，是化学发光与电化学二者相结合的产物。与其他方法相比，电化学发光法具有操作简单、无光漂白、光散射干扰与背景干扰值低等优点[8]。鲁米诺是目前应用最广泛的电化学发光试剂之一,增敏鲁米诺电化学发光信号的新方法研究对于发展其实际应用具有重大价值[9-11]。

自组装法(Self-assembling，SA)是一种常见的电极修饰方法，即物质在固/液界面上自组装成高度有序单分子层的一种化学修饰电极的方法[12]。近年来，研究人员开发了许多不同的有机分子自组装修饰电极[13-16]，结果显示有机分子可在电极表面自组装形成多孔的3D框架结构，这种多孔结构的比表面积较大，孔隙对气体的吸附选择性较高。自组装膜是分子通过非共价键相互作用自发吸附在固/液或气/固界面，具有清晰的微结构、良好的选择性、较高的热力学稳定性[17]。

四苯乙烯(TPE)是一种典型的非共平面分子，其分子骨架含有4个高度扭曲的苯环，在固体状态下能够形成多螺旋桨型的分子结构[18-19]，且在室温下易形成聚集态薄膜。与平面结构相比，3D分子构型在固态时形成的聚集态更加松散且无定形[20]。基于此，本文将非共平面结构的TPE修饰至金电极表面，并利用鲁米诺电化学发光机理成功制备出电化学发光氧气传感器，实现了溶解氧的定量检测。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

CHI660a电化学分析仪(上海辰华仪器有限公司);MPI-E型电致化学发光分析系统多功能化学发光检测仪、MPI-E型电致化学发光分析系统电化学分析仪(西安瑞迈分析仪器有限公司)；KQ-400KDE型高功率数控超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司)；分析电子天平(瑞士梅特勒-托利多仪器公司)。氯化钠(NaCl)、十二水合磷酸氢二钠(Na2HPO4·12H2O) 、氯化钾(KCl)、铁氰化钾(K3[Fe(CN)6])、亚铁氰化钾(K4[Fe(CN)6])、丙酮(天津市福晨化学试剂厂)；二水合磷酸二氢钠(NaH2PO4·2H2O)、浓硫酸(H2SO4)、四氢呋喃(THF)、乙醇(北京化学试剂有限公司)；鲁米诺(上海BBI生命科学有限公司);四苯乙烯(TPE，上海九鼎化学科技有限公司)；上述试剂均为分析纯。氧化铝抛光粉末(Al2O3，天津艾达恒晟科技发展有限公司);高纯氮气(N2，北京城信顺兴气体原料销售有限公司)。实验用水均为超纯水(Milli-Q Advantage A10 Water Purification System,18.2 MΩ·cm)。

本文所涉及的电化学实验三电极体系均为:铂丝为对电极，饱和Ag/AgCl电极为参比电极，修饰金圆盘电极(直径2 mm)为工作电极(上海辰华仪器有限公司)。

1.2 工作电极预处理

依次使用0.5、0.05 μm氧化铝粉末在水润湿的抛光布上对金电极进行抛光处理后,再依次用水、乙醇、水进行超声处理，时间分别为3 min。用氮气吹干超声过的金电极后，在0.5 mol/L硫酸溶液中循环伏安扫描预处理，电位范围为 -0.2～+1.5 V，扫描速率为100 mV/s。最后用丙酮对金电极进行超声处理，时间为3 min，并用氮气吹干备用。

1.3 修饰电极的制备

预处理后的金电极表面分别滴加5、10、20、30、40、60、80、100 mmol/L TPE溶液5 μL(该溶液由THF配制)，室温下静置成膜，得到不同浓度TPE修饰的金电极，记为TPE/Au。

1.4 鲁米诺电化学发光实验

铂丝为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极，修饰电极为工作电极，检测底液为100 μmol/L鲁米诺溶液(该溶液由0.1 mol/L PBS溶液配制)。电化学参数设置为：电位范围：-0.5～+0.6 V；扫描方向：正；扫描速率：100 mV/s，光电倍增管高压：600 V。

2 结果与讨论

2.1 实验原理及可行性研究

图1 基于TPE修饰电极放大鲁米诺电化学发光信号检测溶解氧的方法示意图Fig.1 Schematic representation for detection of dissolved oxygen based on TPE modified electrode amplified luminol electrochemiluminescence intensity

图2 TPE/Au及Au电极的电化学阻抗图Fig.2 ESI curves of TPE/Au and Au electrodes

图3 TPE浓度对鲁米诺电化学发光强度的影响Fig.3 Effect of TPE concentration on ECL intensity of luminol

图4 不同条件下，TPE/Au检测100 μmol/L鲁米诺溶液的循环伏安曲线Fig.4 CV curves of 100 μmol/L luminol detected by TPE/Au under different conditionsa(dot)：TPE/Au in 100 μmol/L luminol;b(dash)：TPE/Au in 100 μmol/L luminol under N2,c(solid)：TPE/Au in 0.1 mol/L PBS;the arrows indicate electrochemical process

图5 TPE/Au检测鲁米诺的电化学发光曲线图Fig.5 ECL curves of luminol detected by TPE/Aua(solid)：TPE/Au in 100 μmol/L luminol at atmosphere;b(dash)：TPE/Au in 100 μmol/L luminol under N2 15 min

2.2 TPE/Au电化学阻抗

考察了TPE/Au 及Au电极的电化学阻抗曲线(见图2)。通常电化学阻抗低频区的线性部分可反映电解液中物质的扩散过程；而在高频区产生的半圆曲线则可反映电极表面的电荷转移过程，半圆部分的直径大小即为电极表面电荷转移电阻(Ret)[21]，其半圆越大，则电子转移电阻越大。由图2可知，裸金电极的Ret值约为400 Ω，与之相比，TPE/Au的Ret值约为4 000 Ω，此结果表明TPE/Au表面的电子传递性能受到一定的阻碍。 上述研究表明TPE/Au增强鲁米诺ECL强度并非由于金电极表面导电性变化所致，而是TPE自聚集形成的3D多孔隙薄膜增强了鲁米诺电化学发光强度。

2.3 TPE修饰量的优化

2.4 TPE/Au增强鲁米诺电化学发光

图6 不同电极的鲁米诺电化学发光强度对比图Fig.6 Contrast chart of ECL intensities for different electrodesa(solid)：TPE/Au in 100 μmol/L luminol;b(dot)：Au electrode in 100 μmol/L luminol solution;c(dash)：TPE/Au in 0.1 mol/L PBS

LH--e —— L·-+H+

(1)

(2)

(3)

AP2-*—— AP2-+hν

(4)

2.5 稳定性与重现性

分别连续测定3根平行制备的TPE/Au，考察了其对体系鲁米诺电化学发光强度的变化。结果显示，72 h后鲁米诺电化学发光强度仅减少9.1%，表明TPE修饰电极具有较好的稳定性。3根TPE修饰电极的相对标准偏差(RSD)为2.2%，表明TPE修饰电极具有良好的重现性。

图7 不同通氮时间下TPE/Au的鲁米诺电化学发光强度图Fig.7 ECL curves of luminol detected by TPE/Au in different nitrogen duration insert:line chart of luminol detected by TPE/Au in different nitrogen duration

2.6 溶解氧的检测

氧气作为鲁米诺电化学发光的共反应剂，其浓度的变化直接影响鲁米诺电化学发光的强度[23]。因此，可通过向测试底液中通入氮气排除氧气，根据不同的通氮时长，测定了不同通氮时间下的鲁米诺电化学发光信号强度，进而检测溶液中溶解氧的浓度。分别向鲁米诺溶液中通入氮气0、1、2、3、4、5、6、8、10、13、15、20、25、30 min，氮气流速约为0.5 mL/min，随后立即用TPE/Au检测其电化学发光强度，结果如图7所示。与未通氮气相比，鲁米诺电化学发光强度在1～6 min内呈现骤减趋势，之后，电化学发光信号呈缓慢下降趋势，30 min时电化学发光强度接近于零(图7插图)。

根据国家水质—溶解氧的测定标准[24]可知，在标准大气压下，室温为25 ℃时水中饱和溶解氧质量浓度约为8.26 mg/L。与未通氮气除氧相比，鲁米诺电化学发光强度在通氮时间为1～6 min内所对应的溶解氧质量浓度理论值分别为1.63、1.40、1.09、0.677、0.388、0.190 mg/L。根据以上数据进行拟合，得到通氮时间与溶解氧质量浓度在1.63～0.190 mg/L范围内呈线性关系，线性方程为y=-0.304 3x+1.960 7，r2=0.990 9。利用此线性关系，可对体系中的溶解氧质量浓度进行检测，溶解氧起始浓度最低检出限为1.89 mg/L。根据我国地表水环境质量标准[25]，I～V类水中溶解氧标准限值分别为7.50、6.00、5.00、3.00、2.00 mg/L，限值均高于实验中最低检出限。

3 结 论