鲁米诺在β-环糊精修饰电极上的电致化学发光行为

胡立巧，张精精，董永平

(安徽工业大学化学与化工学院，安徽马鞍山243032)

电致化学发光(electrochemiluminescence，ECL)是一种将电化学与化学发光相结合的现代分析方法，通过施加一定的电压或电流使具有发光性能的物质在电极表面发生某种电化学反应，发光体由基态跃迁至激发态，再由激发态以光的形式释放能量回到基态，产生发光现象[1]。近年来，ECL因其操作简单、灵敏度高、动态响应范围宽、选择性好等优点被广泛应用于临床诊断、免疫分析、环境监测等领域[2-4]。

大环分子可与目标分子形成配合物或包合物，从而实现对目标分子高灵敏性和高选择性检测。β-环糊精(β-cyclodextrin，β-CD)由7个D-吡喃葡萄糖单元构成，具有疏水性空腔和亲水性外部，可与目标分子选择性结合。β-环糊精已被广泛用于电分析化学，如β-环糊精功能化的金纳米颗粒修饰电极用于抗坏血酸的检测[5]；β-环糊精修饰的银纳米颗粒自修饰锡电极用于对硝基芳香烃异构体的痕量检测[6]；β-环糊精功能化的钯纳米颗粒修饰电极用于汞离子的检测[7]。二氰二胺(dicyandiamide，DCD)是一种重要化工生产原料，广泛用于制作涂料、薄膜胶、包装胶黏剂等，但其具一定毒性，对人体和环境均有危害，因此研究二氰二胺的检测方法具有现实意义。检测二氰二胺的方法有高效液相色谱法[8]、液相色谱-串联质谱法[9]、紫外光谱法[10]和拉曼光谱法[11]等，但这些方法存在操作复杂、成本较高等缺点。鉴于此，文中采用滴涂法制备β-环糊精修饰电极(β-CD/GCE)，研究二氰二胺浓度对鲁米诺在β-CD/GCE上ECL强度的增强作用，建立检测二氰二胺的电致化学发光新方法。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

MPI-B型电致化学发光分析系统(西安瑞迈分析仪器有限公司)，CHI760D电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)，LS-55荧光光谱仪(珀金埃尔默有限公司)，L8双光束紫外可见分光光度计(上海仪电分析仪器有限公司)。三电极系：β-环糊精修饰电极为工作电极、饱和甘汞电极(SCE)为参比电极、铂丝电极为辅助电极。盐酸多巴胺购自上海阿拉丁科技有限公司，β-环糊精购自阿达玛斯试剂有限公司，鲁米诺购自Sigma，其他试剂均购自国药集团试剂有限公司。所用试剂均为分析纯，实验用水为去离子水。

1.2 修饰电极的制备

将玻碳电极先后用粒径为0.3 μm 和50 nm的Al2O3抛光粉处理至镜面，再用无水乙醇、去离子水超声清洗，在0～1.5 V(vs.SCE)电位区间循环伏安扫描至伏安图重现，表明电极处理干净。将8 μL β-环糊精悬浮液滴涂在玻碳电极表面，干燥后即得β-环糊精修饰玻碳电极（β-CD/GCE）。

1.3 测试方法

在CHI760D电化学工作站进行循环伏安实验，探究鲁米诺在β-CD/GCE和空白电极(bare GCE)的电化学响应情况，电位窗口为-1.5～1.5 V，扫描速度为0.1 V/s，电解质溶液为含1.0×10-5mol/L鲁米诺的0.1 mol/L磷酸缓冲溶液(PBS，pH值7.4)。采用MPI-B型化学发光分析系统测试β-CD/GCE上的电致化学发光信号，光电倍增管高压设定为800 V，电位窗口为-1.5～1.5 V，扫描速度为0.1 V/s，依据发光强度的变化实现对二氰二胺的定量测量。鲁米诺(luminol)、β-环糊精(β-CD)、鲁米诺/β-环糊精(luminol/β-CD)、鲁米诺/β-环糊精/二氰二胺(luminol/β-CD/DCD)等荧光光谱和紫外-可见光谱分别用LS-55荧光光谱仪和L8双光束紫外可见分光光度计测得。用浓度为10-5mol/L的抗坏血酸(AA)、多巴胺(DA)、邻苯二酚(CA)、对苯二酚(HQ)、间苯二酚(RE)等分析物进行干扰实验，评估β-CD/GCE在1.0×10-5mol/L鲁米诺中的选择性。电化学阻抗谱在浓度为5×10-3mol/L[Fe(CN)6]3-/4-和0.1 mol/L ΚCl的电解质溶液中进行测定。

2 结果与讨论

2.1 β-环糊精的电化学与电致化学发光行为

1.0×10-5mol/L鲁米诺在空白电极(bare GCE)与β-环糊精修饰玻碳电极(β-CD/GCE)的循环伏安曲线和电致发电曲线如图1。

图1 鲁米诺在bare GCE及β-CD/GCE上的循环伏安曲线和电致化学发光曲线Fig.1 Cyclic voltammetric curves and ECL curves of luminol on bare GCE and β-CD/GCE

由图1(a)可见：β-CD/GCE上的电流比空白电极上有一定增加，但鲁米诺的氧化过程(0.5 V)没有明显变化，β-环糊精不能催化鲁米诺的电化学氧化过程。由图1(b)可见：鲁米诺在β-CD/GCE上的ECL强度比空白电极高出近4倍，β-CD能够增强鲁米诺的电致化学发光信号强度，主要是因为β-CD的空腔尺寸与鲁米诺的空腔尺寸相匹配，有助于鲁米诺在电极表面的固载，从而增强ECL强度[12]；加入浓度为1.0×10-3mol/L的二氰二胺(DCD)，鲁米诺在β-CD/GCE上ECL强度增加1倍，该ECL体系可用于二氰二胺的检测。

β-CD，luminol，luminol/β-CD，luminol/β-CD/DCD的荧光光谱和紫外-可见光谱如图2。由图2可发现：luminol，luminol/β-CD，luminol/β-CD/DCD的吸收曲线重叠，β-环糊精和二氰二胺对鲁米诺的吸收强度没有影响，说明β-环糊精和二氰二胺均不能与鲁米诺发生化学反应；鲁米诺的荧光发射峰位于425 nm处，β-环糊精和二氰二胺不产生荧光发射，推测luminol/β-CD/DCD体系的发光体是激发态鲁米诺；在鲁米诺溶液中加入β-环糊精，荧光峰位置未变，峰强度却增加，说明β-环糊精与鲁米诺间没有发生化学反应，但两者之间存在电荷转移，导致荧光增强；体系中加入二氰二胺后荧光峰的位置未变，但峰强度略有降低，说明二氰二胺与β-环糊精存在与鲁米诺反应的竞争关系，导致荧光强度下降。

图2 β-CD，luminol，luminol/β-CD，luminol/β-CD/DCD的紫外-可见光谱和荧光光谱Fig.2 UV-vis spectra and fluorescence spectra of β-CD,luminol,luminol/β-CD,luminol/β-CD/DCD

2.2 ECL实验条件的优化

β-环糊精修饰玻碳电极在pH值为6.0～8.0鲁米诺溶液中的电致化学发光信号如图3(a)。由图3(a)可看出，随着pH值增加，鲁米诺在β-CD/GCE上的ECL强度逐渐增强。因中性条件下对生物分子的检测更具意义，故文中选择pH=7.4的中性溶液为工作溶液。

浓度为1.0×10-5mol/L鲁米诺溶液中β-环糊精修饰量对ECL强度的影响如图3(b)。由图3(b)可看出，随着β-环糊精修饰量的增加，ECL强度先增加后降低，修饰量为8 μL时ECL强度最大。因此，选择β-环糊精修饰量为8 μL时作为最优实验条件。

不同修饰量β-环糊精修饰玻碳电极的电化学阻抗谱如图3(c)。图中：横坐标为实部的阻抗(Z')；纵坐标是虚部的阻抗(-Z'')。由图3(c)可看出：修饰电极在高频区Nyquist圆的半径较大，对应较大的电荷转移阻力(Rct)；随着β-环糊精修饰量的增加，Rct不断增大，说明电子的迁移阻力越来越大，这是由于β-环糊精自身的低导电性所致。由此进一步说明β-环糊精不是通过增强电子转移过程来增强鲁米诺的ECL强度，而是通过主客体分子的作用增加在电极表面鲁米诺分子的浓度来增强ECL强度。

为评估β-CD/GCE 在浓度为1.0×10-5mol/L鲁米诺中的选择性进行干扰实验，结果如图3(d)。由图3(d)可看出，除二氰二胺可增强ECL强度外，其他分析物对ECL强度产生抑制作用。表明，β-环糊精修饰玻碳电极对二氰二胺的ECL检测具有良好的选择性。

2.3 β-CD/GCE体系电极的性能分析

最佳实验条件下鲁米诺ECL强度与二氰二胺浓度之间的关系及其拟合关系如图4。由图4(a)可看出：二氰二胺浓度在1.0×10-5～1.0×10-3mol/L范围内，随其浓度的增加ECL信号强度逐渐增强；ECL强度(I)与二氰二胺浓度(c)的对数具很好的线性关系，线性回归方程I=538.58logc+3 950.4，相关系数R2=0.991 6(图4(b))。为验证采用鲁米诺β-CD/GCE的电致化学发光体系检测二氰二胺方法的实用性，以自来水样品为基底，通过加标回收法测定样品的回收率。结果发现3次实验的平均回收率为96%，表明鲁米诺β-CD/GCE的电致化学发光体系不存在系统检测误差，可用于二氰二胺浓度的检测。

图3 实验条件的优化Fig.3 Optimization of experimental conditions

图4 β-CD/GCE的分析性能Fig.4 Analytical performances of β-CD/GCE

3 结 论

1)鲁米诺作为发光试剂时，β-CD/GCE通过β-环糊精的主客体识别作用增加电极表面鲁米诺分子的浓度，在中性条件下产生强烈的电致化学发光强度。

2)鲁米诺ECL强度随溶液pH值增加而增强；β-环糊精修饰量增加，ECL强度先增加后降低，修饰量为8 μL时ECL强度最大。

3)二氰二胺对鲁米诺电致化学发光强度有明显的增强作用，在1.0×10-5～1.0×10-3mol/L范围内，电致化学发光强度与二氰二胺浓度的对数呈良好线性关系，鲁米诺电致化学发光可用于二氰二胺浓度的检测。