基于乙硫基取代的三层酞菁铕二聚体修饰ITO电极构筑电化学多巴胺和尿酸传感器

魏闯宇，陈艳丽，姜建壮，2

（1.中国石油大学(华东)理学院,材料科学与工程学院,青岛 266580；2.北京科技大学化学系,功能分子与晶态材料科学与应用北京市重点实验室,北京 100083）

具有特殊二维π共轭电子结构的卟啉酞菁类金属配合物，由于分子结构上的多变性、易裁剪性、对光和热的高稳定性以及可溶液处理性能（组装工艺简单、成本低）、较低的氧化还原过电位、较稳定的氧化还原态和可逆的电子转移动力学等优点，已成为电化学活性材料的研究热点.多巴胺（DA）作为一种与情绪控制、睡眠、运动、记忆和注意力等密切相关的神经传导物质，在中枢神经系统起着重要的作用，特别是对躯体活动的调节作用十分明显.研究表明，DA的异常水平是判断某些神经系统疾病的关键指标，如帕金森症、抑郁症和阿尔茨海默氏症等［1～3］.尿酸（UA）是嘌呤代谢的最终产物，各种嘌呤氧化形成的尿酸都会随着尿液排出，嘌呤代谢紊乱、能量代谢异常及肾脏对尿酸的排泄障碍均可引起血浆尿酸浓度升高（高尿酸血症）或降低（低尿酸血症）.目前，尿酸测定是诊断嘌呤代谢紊乱所致痛风（Gout）的最佳生化标志，并且UA含量的异常与许多疾病有关，如变态反应综合征、白血病和肺炎等［4，5］.因此寻找一种能够快速且准确检测多巴胺和尿酸的方法非常重要.已经报道的方法有荧光检测法［6］、比色法［7］、毛细管电泳法［8］和电化学方法等，其中，电化学传感技术以其方便快捷、灵敏、重复性高等优点受到了广泛关注［9，10］.而改进电化学传感技术的关键又在于开发敏感、简单、低成本的传感材料.具有高度三维共轭结构的三明治型稀土酞菁卟啉类配合物，由于具有独特的光电性质引起人们的关注.近年来，对酞菁衍生物的光电特性和传感性质进行深入的研究发现，稀土三明治双层、三层卟啉酞菁配合物不仅具有良好的气敏响应［11］，而且作为电化学传感材料对多巴胺、咖啡酸和过氧化氢也有优异的识别作用［12，13］.我们［14］研究发现，传感材料的导电性与三明治分子结构的共轭程度有关.扩展分子共轭程度，并用一定的成膜技术将其制备成微观上分子排列高度有序的薄膜材料更能体现出该类配合物优良的物化特性.本文通过在水平和垂直两个方向上来扩展酞菁配合物的共轭结构，合成了乙硫基取代的三层酞菁铕二聚体［Pc（SC2H5）8］2·Eu2［BiPc（SC2H5）12］Eu2［Pc（SC2H5）8］2（图1）.用简单的Quasi-Langmuir-Shäfer（QLS）方法在氧化铟锡导电 玻 璃（ITO）电 极 表 面 沉 积［Pc（SC2H5）8］2Eu2·［BiPc（SC2H5）12］Eu2［Pc（SC2H5）8］2自组装分子薄膜，作为电化学生物传感器分别用于高灵敏检测DA和UA.该研究为开发新的分子材料和分子电子元器件提供了参考和依据.

Fig.1 Schematic molecular structures of[Pc(SC2H 5)8]2·Eu2[BiPc(SC2H 5)12]Eu2[Pc(SC2H 5)8]2

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

1，8-二氮杂双环［5.4.0］十一碳-7-烯（DBU）、无水1，2，4-三氯苯（TCB）和尿酸（UA）均为分析纯，购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司；磷酸二氢钾（KH2PO4）、十二水合磷酸氢二钠（NaH2PO4·12H2O）和氯化钾（KCl）均为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司；正戊醇购自国药集团化学试剂有限公司，使用前脱水干燥并重蒸；乙酰丙酮铕［Eu（acac）·3H2O］、前置配体4，5-二乙硫基邻苯二甲腈和Pc（SC2H5）8Eu［BiPc（SC2H5）12］Eu2Pc（SC2H5）8按照文献［15，16］方法制备.其它试剂均为化学纯；所用水溶液均由去离子水（18.2 MΩ·cm）制备.

Bruker BIFLEX III型超高分辨率傅里叶变换离子回旋共振（FT-ICR）质谱仪和Bruker AVANCE-40 400 MHz核磁共振波谱仪（1H NMR）（瑞士Bruker公司）；日立U-3900型紫外-可见吸收光谱仪（UV-Vis，日本日立公司）；CHI760D型电化学工作站（上海辰华仪器有限公司）；Bruker D/max-γB型X射线衍射仪（XRD，德国Bruker公司）；Keysight B2910A精密源/测量单元［是德Keysight科技公司，测试电流-电压（I-V）曲线采用三电极系统：铂丝电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极，修饰的ITO为工作电极］；VICTOR VC890C+型数字多用表（深圳胜利科技有限公司）.

1.2 [Pc(SC2H 5)8]2Eu2[BiPc(SC2H 5)12]Eu2[Pc(SC2H 5)8]2(1)配合物的合成

将18.65 mg Pc（SC2H5）8，11.35 mg Eu（acac）·3H2O和50 mg Pc（SC2H5）8Eu［BiPc（SC2H5）12］EuPc·（SC2H5）8加入到10 mL微量反应器中，进行三抽三通，用注射器加入2 mL TCB，然后升温至210℃，反应8 h，反应体系的颜色由深绿最终变成黑色.停止反应冷却至室温，加入大量甲醇，静置8 h后进行过滤，滤渣用含有1%（体积分数）甲醇的三氯甲烷为淋洗液，进行柱色谱初步提纯，收集粗产物，用三氯甲烷将其溶解进行凝胶柱再次提纯，收集第一带，旋转蒸干后用少量的氯仿溶解，然后加入大量甲醇静置8 h，过滤，真空干燥12 h后得到墨绿色固体的最终产物，产率约为10%.MS，m/z：6248.715，实验值与理论值基本相符.1H NMR（CDCl3，400 MHz），δ11.97（s，2H），8.85（m，44H），3.23～3.96（m，64H），2.33～2.69（m，24H），4.62～5.95（m，48H），0.73～2.13（m，84H）.

1.3 传感器件的制备

膜的制备采用QLS方法［17］.具体流程：将5.0 mL 2×10-6mol/L配合物1的氯仿溶液加入到玻璃培养皿（直径9.5 cm，高度1.5 cm，体积106.3 cm3）中，然后将60 mL水缓慢地滴加到培养皿中（需小心加入，避免水相完全覆盖有机相）.在溶剂挥发过程中，酞菁配合物在氯仿/水界面逐渐聚集形成致密的膜结构.通过水平提拉法，薄膜可以很容易地从水面转移到ITO基片上，重复多次，即可制得多层膜.随着有机相的挥发，在转移步骤之间不断适当补加有机溶剂或者溶液，基片上残留的水用氮气去除即得到传感器件.

1.4 溶液的配制

在电化学传感性质的测试时，客体小分子的检测需要溶解在电解质溶液中，实验所用的电解质为磷酸盐缓冲溶液（PBS）.

PBS缓冲溶液（pH=7.4）的配制：将14.3256 g NaH2PO4·12H2O，1.3609 g KH2PO4以及7.455 g KCl加入到洗净并检漏后的1000 mL容量瓶中，用蒸馏水溶解，定容，摇匀后待用.

待测物的溶液配制：用分析天平精准称取所需量的待测物，并转移到洗净并检漏后的100 mL容量瓶中，用配制好的PBS溶液进行定容.在进行电化学性质测试时，待测物溶液均需要通入15 min的高纯度氮气，以排除溶解在溶液中的氧气，整个测量过程在室温下氮气氛围中进行.

2 结果与讨论

2.1 [Pc(SC2H 5)8]2Eu2[BiPc(SC2H 5)12]Eu2[Pc(SC2H 5)8]2(1)的电化学性能

实验在室温三电极电解池中进行，以玻碳电极为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂丝为辅助电极，以二氯甲烷（CH2Cl2）为溶剂、四丁基高氯酸铵（TBAP）为支持电解质，配制浓度为10-4mol/L配合物1的二氯甲烷溶液，通入N2气15 min，通过差示脉冲伏安法（DPV）在电解液中以扫描速率20 mV/s测 试 出［Pc（SC2H5）8］2Eu2［BiPc（SC2H5）12］Eu2·［Pc（SC2H5）8］2一个单电子还原（对应Red1）和4个单电子氧化（对应Oxd1～Oxd4），其中第一氧化电势和第一还原电势分别为0.148和-0.762 V，测试结果使用二茂铁［E1/2（Fe+/Fe）=0.5 V（vs.SCE）］为内标校正，转化为相对甘汞电极的电压值［18］，结果如图2所示.计算得到该化合物的最高占有轨道（HOMO）能级和最低未占轨道（LUMO）能级分别为-4.59和-3.68 eV，是一种优良的有机半导体［19，20］.

Fig.2 Different pulse voltammogram(DPV)of complex 1 in CH 2Cl2 at a scan rate of 20 mV/s

2.2 自组装薄膜的表征

基于配合物的紫外-可见（UV-Vis）、偏振紫外-可见（Polarized UV-Vis）吸收光谱和薄膜X射线衍射（XRD）测试，揭示了配合物分子在QLS薄膜的分子排列方式.如图3（A）所示，将配合物1的二氯甲烷溶液中的紫外-可见吸收光谱和其QLS薄膜的紫外-可见光谱进行了比较，可以看出，配合物1的溶液在320和370 nm处有较强的Sort带的吸收峰，在689 nm处有较强的π-π*跃迁的Q带吸收峰.将配合物1制备成薄膜后，配合物1的Sort带红移到321和378 nm处，Q带从689 nm红移到694 nm.根据Kasha激子理论［21］，组装体的主要吸收峰发生红移表明配合物1分子采取J型聚集模式［22］.为了进一步验证配合物分子在自组装薄膜中的排列方式，对薄膜的Polarized UV-Vis吸收光谱进行了测试［图3（B）］.根据Yoneyama等［23］的方法可以计算酞菁环在膜中的取向.经过计算，聚集体薄膜中酞菁环与基片法线方向的夹角为34.2°±5°，进一步证实配合物分子是以J聚集Edge-on的方式排布.为了进一步研究分子取向和分子间的相互作用，对QLS薄膜进行了XRD分析［图3（C）］.可见，在低角度范围内，配合物1的QLS薄膜在2θ=5.82°处有一个尖峰，根据Bragg方程nλ=2dsinθ（其中，d为晶面间距；θ为入射X射线与相应晶面的夹角；λ为X射线的波长；n为衍射级数），可以计算出两个相邻分子层间的排列周期距离为1.51 nm，该峰对应于样品薄膜的（001）衍射，表明分子在膜中排列成高度有序的结构［24］.在XRD的广角区域，2θ=28.8°（对应d值为0.31 nm）处有一个衍射峰，可以归属为QLS膜内相邻分子四吡咯环之间的π-π堆积的距离.这种堆积能有效消除载流子迁移中的障碍，从而获得较高的载流子迁移速率.根据使用PCMODEL for windows Version 6.0，Serena Software模拟的配合物的分子直径（约为3 nm），如图3（C）右侧插图所示，结合通过XRD分析得到的层间距，可以判断出该配合物的酞菁环与基片表面的夹角为30.2°［图3（C）左侧插图］，与紫外可见吸收光谱以及偏振紫外-可见吸收光谱所得结论一致，进一步确认QLS自组装膜中酞菁分子排列方式为J聚集模式.

Fig.3 UV⁃Vis absorption spectra of complex 1 in CH 2Cl2 solution and QLS flm(A),polarized UV⁃Vis spectra for complex 1 QLS film(B),out⁃of⁃plane XRD pattern(C)and I⁃V curve of QLS film(D)of complex 1

通过测试I-V曲线对配合物1的QLS薄膜的导电性进行了测试［图3（D）］.根据文献［25］给出的公式，计算出该自组装薄膜的电导率为8.86×10-5S/cm，进一步确认了自组装薄膜具有良好的电荷转移能力.值得注意的是，虽然配合物1的QLS膜所产生的电流保持完全对称，但是I-V特征曲线呈现出轻微的非线性，这一现象与在酞菁基器件中发现的空间电荷限制传导（SCLC）的报道一致［26，27］.

2.3 自组装薄膜的电化学性质

采用循环伏安法对配合物1的QLS膜修饰电极（配合物1的QLS膜沉积到ITO电极上制成，简称film/ITO电极）在PBS缓冲溶液（0.1 mol/L，pH=7.3）及空白ITO和修饰电极在含0.1 mol/L DA的PBS缓冲溶液的伏安响应进行了测试，以扫描速率100 mV/s进行扫描［图4（A）］.可见，修饰电极在PBS缓冲溶液和空白ITO在含0.1 mol/L DA的PBS缓冲溶液中均无伏安响应，而修饰电极在含0.1 mol/L DA的PBS缓冲溶液中出现了一对氧化还原峰，氧化还原电位分别为0.26和0.10 V，表明配合物1已成功地沉积在ITO电极表面，而且对检测物DA具有良好的响应.由图4（B）可见，修饰电极在PBS缓冲溶液和空白ITO在含0.1 mol/L UA的PBS缓冲溶液中均无伏安响应，而当修饰电极在含0.1 mol/L UA的PBS缓冲溶液中进行伏安响应测试时，在0.46 V的电位处出现了氧化峰，说明配合物1修饰的ITO电极对UA同样具有响应.结果表明，三层酞菁铕二聚体配合物对DA和UA均具有电催化活性.

Fig.4 QLS film modified ITO electrode of complex 1(named as film/ITO)in 0.1 mol/L PBS,bare ITO and film/ITO in 0.1 mol/L PBS containing 0.1 mmol/L DA(A)and 0.1 mmol/L UA(B)

Fig.5 CV curves at the film/ITO in PBS containing the mixture of 0.1 mmol/L DA(A)and 0.1 mmol/L UA(B),and the corresponding plots of peak current versus scan rate(C,D)

为了考察不同扫描速率下修饰电极的循环伏安响应，分别在不同的扫描速率下对DA和UA的电化学行为进行了测试.如图5所示，DA和UA的氧化峰电流在20～200 mV/s的扫描速率下均呈线性关系，在含0.1 mol/L DA的PBS缓冲溶液中线性方程为Ip=0.03738v+2.957（其中，Ip为峰电流；v为扫描速率），R2=0.9906［图5（A）和（C）］；在含0.1 mol/L UA的PBS缓冲溶液中线性方程为Ip=0.1936v+17.346，R2=0.9950［图5（B）和（D）］，因为峰电流的变化与扫描速率呈线性关系，则发生在电极表面的DA和UA的氧化反应均为表面吸附过程［28］.UA和DA均为电活性物质，在电化学检测过程中，当电势增加至其氧化或还原的临界电势时，将会发生电化学反应.根据本文实验结果和相关文献报道［29，30］，DA和UA的电化学反应机制如Scheme 1所示.吸附在配合物电化学活性层表面的DA分子的邻苯二酚基团首先被氧化成邻醌并给出电子［对应图5（A）中峰Ⅰ］，然后邻醌又从该活性层得到电子还原为邻苯二酚［对应图5（A）中峰Ⅱ］，形成一个反应循环，最终促使电信号放大.UA是一种二元酸（pKa1=5.4，pKa2=10.3），在生理pH值（约7）中，其更容易被氧化，氧化产物尿囊素无法被还原，仅发生氧化反应［对应图5（B）中峰Ⅰ］［31］.

Scheme 1 Schematic illustration of the reactions occurring at the film/ITO electrode surface

Fig.6 DPV curves at film/ITO in PBS(p H=7.3)with varying concentrations for DA(A)and UA(C),the corresponding calibration plots peak current vs.concentration(B,D)

采用差分脉冲伏安法（Different Pulse Voltammogram，DPV）考察了film/ITO电极检测DA和UA的线性响应特征，如图6所示.检测DA的线性浓度范围为10～100µmol/L，线性回归方程为Ip=0.1658+0.1100cDA，线性相关系数为0.9903［图6（A）和（B）］；检测UA的线性浓度范围为10～100µmol/L，线性回归方程为Ip=0.096+0.18651cUA，线性相关系数为0.9920［图6（C）和（D）］.随后，根据此结果对DA和UA的灵敏度进行计算，分别为110和186.5 mA·µL·mol-1·cm-2，最低检测限分别为1.35和1.64µmol/L.由此可见，该film/ITO电极对DA和UA均有良好的响应.考虑到DA的氧化峰与UA的相近，对单独的DA和单独的UA的DPV曲线进行对比［图7（A）］.可见，DA的氧化峰在0.21 V，UA的氧化峰在0.43 V，峰位置有一定的区分.为了判定该修饰电极能否真正用于实际检测，进一步对同时含有DA和UA不同浓度的PBS缓冲溶液进行了DPV测试，通过同时改变DA和UA的浓度来研究修饰电极对其电化学行为的影响［图7（B）］.可见，随着DA和UA的浓度的增加，峰电流均有不同程度的增加.检测的线性浓度范围是60～100µmol/L，其氧化峰电流与浓度均有呈现良好的线性关系.如图7（C）所示，线性回归方程分别为Ip=-0.402+0.1596cDA和Ip=-0.619+0.2321cUA，线性相关系数分别为0.99239和0.9827，该研究方法对DA和UA的测定具有较高的灵敏性和选择性，能够很好地应用于DA和UA的同时检测.

Fig.7 DPV curves at film/ITO in PBS(p H=7.3)in concentration of 100μmol/L DA and 100μmol/L UA(A),DPV curves at film/ITO in PBS(pH=7.3)with varying concentrations for DA and UA(B),and the corresponding calibration plots for DA and UA(C)

Fig.8 Peak current from CVs vs.the storage time for the film/ITO in PBS with 100μmol/L DA and 100μmol/L UA

为了考察所制备工作电极的稳定性，平行制备12个film/ITO电极，室温保存.每隔3 d取出两个电极分别在含100µmol/L DA和UA的PBS缓冲溶液中使用差分脉冲伏安法对响应电流进行测试（图8），可见，在室温下保存的电极对DA和UA（100µmol/L）的电流有较小的衰减，衰减率分别为2.46%和6.08%，说明三层酞菁铕二聚体配合物修饰的ITO电极具有较高的重现性和稳定性.

为了探究修饰电极在实际样品应用中的潜力，采用标准加入法测定了10倍PBS稀释了的人体尿液中DA和UA的浓度，3份尿样中的数据如表1所示，DA和UA的加标回收率分别为94.0%～101.5%和98.0%～101.3%，DA和UA 3次平行测定的标准偏差（RSD）都低于4%.分析结果揭示了这种修饰电极在复杂的实际样品中进行DA和UA检测时，其表现出了非常好的电化学传感性能，这证明了修饰电极具有良好的实用性，说明该修饰电极可用于实际样品的检测.

Table 1 Determination of DA and UA at electrode in real samples

3 结 论

设计并得到了基于水平和垂直两个方向扩展共轭体系的酞菁配合物［Pc（SC2H5）8］2Eu2·［BiPc（SC2H5）12］Eu2［Pc（SC2H5）8］2，采用简单的QLS溶液自组装方法，将自组装薄膜转移到ITO电极上，成功制备了一种电化学传感器器件.该传感器应用于多巴胺和尿酸的检测时，最低检测限分别可达1.35和1.64µmol/L.并且具有较高的灵敏度，分别为110和186.5 mA·µL·mol-1·cm-2.本文结果对于酞菁类配合物在电化学传感应用上的进一步研究有一定的借鉴和参考.