一步法構(gòu)建高效固相電致化學(xué)發(fā)光傳感

李 靜,夏興華

(1.金陵科技學(xué)院公共基礎(chǔ)課部,江蘇 南京 211169;2.南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,江蘇 南京 210093)

一步法構(gòu)建高效固相電致化學(xué)發(fā)光傳感

李 靜1,夏興華2

(1.金陵科技學(xué)院公共基礎(chǔ)課部,江蘇 南京 211169;2.南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,江蘇 南京 210093)

電致化學(xué)發(fā)光(ECL)分析技術(shù)集成了發(fā)光分析的高靈敏性和電化學(xué)電位的可控性優(yōu)點(diǎn),已成為當(dāng)今分析化學(xué)中一個(gè)非?；钴S而重要的研究方向。其中,釕聯(lián)吡啶及其衍生物是眾多發(fā)光試劑中最具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的電致化學(xué)發(fā)光試劑。針對(duì)電致化學(xué)發(fā)光試劑的表面固定化方法,如何提高表面電致化學(xué)發(fā)光試劑固載量方面開展研究,通過一步法將釕聯(lián)吡啶與金納米顆粒同步組裝于三維多孔二氧化硅結(jié)構(gòu)中并固定于電極表面,提高了發(fā)光試劑的固載量,同時(shí)增加了硅膜的導(dǎo)電性,提高了發(fā)光試劑的利用率。

一步法;固相電致化學(xué)發(fā)光;傳感

電致化學(xué)發(fā)光(ECL)——化學(xué)發(fā)光的一個(gè)分支,是當(dāng)施加電位時(shí)伴隨電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)所產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象,它是將電化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)能的一種途徑。過去數(shù)十年內(nèi),ECL作為分析化學(xué)領(lǐng)域的一種非常有價(jià)值的分析檢測(cè)手段而受到廣泛關(guān)注。在ECL的商業(yè)應(yīng)用與基礎(chǔ)研究中,最先報(bào)道的釕聯(lián)吡啶具有最高的電化學(xué)發(fā)光量子效率,且發(fā)光信號(hào)強(qiáng)?；卺懧?lián)吡啶的ECL分析技術(shù)具有靈敏度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn),因此,基于釕聯(lián)吡啶的ECL傳感器已作為一種有力且靈敏的分析檢測(cè)手段用于各個(gè)分析化學(xué)研究領(lǐng)域[1-3]。與水相ECL過程相比,可再生的固相釕聯(lián)吡啶電致化學(xué)發(fā)光傳感器具有明顯的優(yōu)勢(shì),包括價(jià)格昂貴的發(fā)光試劑可重復(fù)使用、實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單、檢測(cè)靈敏度高、分析重現(xiàn)性穩(wěn)定等。為此,在過去的幾十年中,人們嘗試了許多種方法將釕聯(lián)吡啶直接固定在電極表面,以發(fā)展價(jià)廉、高效又可再生的ECL傳感器。然而,在已經(jīng)開發(fā)出的一些固定化方法中,還存在一些這樣或那樣的缺陷。

溶膠-凝膠材料的制備方法簡(jiǎn)單、制備條件溫和、熱穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定以及良好的光透性等優(yōu)點(diǎn),使其在電化學(xué)、光學(xué)和生物分子的固定化方面得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的溶膠-凝膠過程在室溫下進(jìn)行,該條件對(duì)被包埋分子來說比較溫和;而且,溶膠-凝膠材料具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、良好的親水性和熱穩(wěn)定性,以及良好的生物相容性等優(yōu)點(diǎn),可以有效保持被包埋生物分子的生物活性,故常用于生物傳感器、生物燃料電池的制備。溶膠凝膠多孔結(jié)構(gòu)的尺寸可調(diào),在較低溫度下就能很好地包埋生物分子,被固定化的生物分子不易泄漏,且凝膠的孔道結(jié)構(gòu)有利于待分析物分子的擴(kuò)散與傳輸[4-6]。

文獻(xiàn)[7]筆者曾報(bào)道電化學(xué)誘導(dǎo)一步制備三維多孔二氧化硅材料同時(shí)固定釕聯(lián)吡啶構(gòu)建ECL傳感器。將含有釕聯(lián)吡啶的緩沖溶液與氟硅酸銨溶液混合,形成前軀體溶膠溶液,在工作電極上施加一還原電壓(流)使溶液中的水被電化學(xué)還原生成氫氧根離子和氫氣。在電極表面生成的氫氧根離子催化氟硅酸根水解生成二氧化硅膜,溶液中的釕聯(lián)吡啶同時(shí)被固定于生成的多孔二氧化硅膜中。而氫氣泡作為膜形成的動(dòng)態(tài)模板,促使其形成穩(wěn)定的三維多孔結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)有利于待分析物在凝膠膜內(nèi)的擴(kuò)散與輸運(yùn),提高分析響應(yīng)速度與分析靈敏度。由于二氧化硅的導(dǎo)電性較差,使得采用此方法包埋在二氧化硅膜內(nèi)的釕聯(lián)吡啶不能都在電極表面發(fā)生電子傳遞。納米金除了擁有較大的比表面積,還能與帶相反電荷的釕聯(lián)吡啶離子結(jié)合,降低能壘增強(qiáng)發(fā)光[8]。為此,提出了在二氧化硅膜中摻入金膠納米粒子,以此提高膜的導(dǎo)電性,以期盡可能地使包埋的釕聯(lián)吡啶均能在電極表面發(fā)生電子轉(zhuǎn)移,提高釕聯(lián)吡啶發(fā)光試劑的利用率和所建立的固相ECL傳感器的靈敏度。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑

釕聯(lián)吡啶Ru(bpy)3Cl2·6 H2O購自Aldrich(USA),三正丙胺(TPA,98%)購自Sigma。其他試劑均為分析純,包括氟硅酸銨((NH4)2SiF6)、醋酸(NH4Cl)、醋酸銨(NH4AC)等,使用前未經(jīng)進(jìn)一步提純。磷酸鹽緩沖液(PBS,p H 7.4,含50 mmol/L NaCl)由磷酸二氫鉀(KH2PO4)和磷酸氫二鉀儲(chǔ)液(K2HPO4)混合而成。實(shí)驗(yàn)中所有的水溶液均由二次水(18.2 MΩ,PureLab Classic Corp,USA)配制。釕聯(lián)吡啶與氟硅酸銨的混合溶液由含0.1 mol/L NH4Cl的1.0 mol/L NH4Ac緩沖溶液配制而成。

1.2 金膠溶液的制備

金膠顆粒參照文獻(xiàn)方法合成[9]。將一定濃度的氯金酸與檸檬酸鈉溶液混合,于冰浴和攪拌條件下將硼氫化鈉加入該混合溶液,10 min后得橘紅色溶液,將該溶液置于4℃的冰箱中保存。同時(shí),直接將硼氫化鈉加入氯金酸中,制備金納米粒子,此時(shí),溶液中沒有檸檬酸鈉。

1.3 包埋釕聯(lián)吡啶的二氧化硅多孔材料的一步制備方法

電化學(xué)沉積CHI 1140型電化學(xué)工作站上進(jìn)行,采用三電極體系:玻碳電極(GCE,直徑3.0 mm)為工作電極,Pt絲(半徑0.5 mm,長(zhǎng)50 mm)為對(duì)電極,Ag/AgCl(飽和KCl)為參比電極。使用前,GCE依次用1.0、0.3以及0.05μm的氧化鋁粉進(jìn)行打磨拋光至鏡面,然后用二次水淋洗后超聲5 min,除去電極表面殘留的氧化鋁粉末。沉積液組成為利用恒電位技術(shù)(-1.5 V)電化學(xué)還原溶液中的水制備包埋釕聯(lián)吡啶的二氧化硅膜。電化學(xué)沉積結(jié)束后,將修飾電極浸于PBS中除去物理吸附于二氧化硅多孔材料中的釕聯(lián)吡啶分子,之后將其置于4℃保存。

1.4 儀器與表征

采用透射電子顯微鏡(TEM,JEM-200CX,Japan)表征金納米顆粒結(jié)構(gòu),紫外-可見光譜(UV-Vis)由UV-3600紫外可見光譜(Shimadzu,Japan)采集。電化學(xué)表征實(shí)驗(yàn)采用三電極體系:鉑絲為對(duì)電極,飽和Ag/AgCl電極為參比電極,沉積有包埋Ru(bpy)32+的二氧化硅膜層的玻碳修飾電極為工作電極。電化學(xué)及電致化學(xué)發(fā)光實(shí)驗(yàn)的電解液為2 m L 100 mmol/L PBS(p H 7.4,含50 mmol/L NaCl)。電致化學(xué)發(fā)光檢測(cè)在MPI-A多功能化學(xué)發(fā)光分析系統(tǒng)(西安瑞邁分析儀器有限公司)上完成。檢測(cè)中,光電倍增高壓為600 V。

2 結(jié)果與討論

金膠顆粒參考文獻(xiàn)方法合成,并對(duì)所得的兩種金膠溶液進(jìn)行紫外光譜(圖1)和TEM表征。結(jié)果表明,含檸檬酸鈉的金膠溶液在502～507 nm有明顯的表面等離子吸收,從吸收峰的位置可以判斷,金膠納米顆粒的尺寸小于5 nm。而不含檸檬酸鈉的金膠溶液在525～532 nm有明顯的表面等離子吸收,對(duì)應(yīng)金膠納米粒子的尺寸約為10 nm。TEM表征結(jié)果也顯示兩種方法制備的金納米粒子的尺寸有一定的區(qū)別,在沒有檸檬酸根離子作為穩(wěn)定劑的情況下,金膠納米粒子發(fā)生了一定的團(tuán)聚,因而,此時(shí)制備的金膠納米粒子的尺寸比有檸檬酸鈉作為穩(wěn)定劑時(shí)的金膠納米粒子尺寸大。這現(xiàn)象也從制備過程中溶液顏色變化可以看出,由于沒有含檸檬酸鈉的穩(wěn)定作用,當(dāng)硼氫化鈉加入到氯金酸溶液之后,其顏色在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)逐漸變化,最終變成紫色。而含檸檬酸鈉的制備過程中,檸檬酸根離子通過靜電作用吸附在金納米粒子表面,使得到的納米粒子能穩(wěn)定存在。故本實(shí)驗(yàn)中采用被檸檬酸鈉穩(wěn)定化的金膠納米粒子對(duì)二氧化硅膜進(jìn)行摻雜。

在氟硅酸銨、釕聯(lián)吡啶以及金膠的混合溶液中,施加一還原電壓(流)于玻碳工作電極上使水分子電化學(xué)還原成氫氧根離子和氫氣。在電極表面產(chǎn)生的氫氧根離子催化氟硅酸根SiF6-水解生成中間產(chǎn)物Si (OH)4,然后脫水得到二氧化硅。共存于二氧化硅前軀體電解液中的釕聯(lián)吡啶和金膠顆粒也同時(shí)被包埋于形成的三維多孔二氧化硅凝膠膜中。裸玻碳電極表面具有相對(duì)平整的孔結(jié)構(gòu),且有少許劃痕。隨著沉積時(shí)間延長(zhǎng),小的白色二氧化硅顆粒不斷生成。沉積大約200 s之后,二氧化硅顆粒在大部分電極表面連成薄膜。當(dāng)沉積時(shí)間長(zhǎng)達(dá)300 s,整個(gè)電極表面已被二氧化硅膜覆蓋;同時(shí),在膜中可以清晰地看見由氫氣泡模板形成的圓形孔洞,而其他較為平坦區(qū)域內(nèi)的膜則是由二氧化硅納米顆粒連接而成的更小的空穴組成。膜中的孔壁已變得足夠厚,能夠支撐起多孔結(jié)構(gòu),并且能夠抵抗溶劑蒸發(fā)時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)壓梯度引起的相裂。然而,長(zhǎng)時(shí)間沉積將使二氧化硅膜變得致密,這不但影響物質(zhì)的擴(kuò)散,而且使得膜降低內(nèi)壓梯度的能力變?nèi)?。由于氫氣泡的融?生成的多孔二氧化硅材料的孔徑隨孔與基底間距離的增加而增大,靠近上表面的孔徑大,而靠近基底的孔徑較小,使具有電化學(xué)活性的物質(zhì)的擴(kuò)散傳質(zhì)容易,使整個(gè)膜材料內(nèi)包埋的活性分子如能得到充分的利用。圖2便是二氧化硅膜的SEM形貌。以及金納米的存在不會(huì)改變二氧化硅膜的三維多孔貫通的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖1 金膠顆粒的紫外-可見光譜Fig.1 UV-Vis spectra

圖2 二氧化硅膜的掃描電鏡圖Fig.2 SEM image of silica film structure

隨后,對(duì)金納米粒子摻雜與否的固相ECL傳感器進(jìn)行了研究,結(jié)果見圖3。從圖3中可以清楚看出,兩種固相ECL傳感器的發(fā)光信號(hào)隨電位的變化相同,說明兩種固相ECL傳感器的電化學(xué)發(fā)光機(jī)理相同;但是,摻雜了金納米粒子的固相傳感器的ECL信號(hào)最大值約是無金膠納米粒子摻雜的傳感信號(hào)的2.2倍。摻雜金納米粒子后電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的增強(qiáng)可能的原因之一是金膠納米粒子的摻雜使得整個(gè)二氧化硅膜的導(dǎo)電性得到明顯提高,使得被包埋的釕聯(lián)吡啶發(fā)生電子轉(zhuǎn)移的量增多,提高了釕聯(lián)吡啶的利用率;原因之二是,在沉積膜的前體溶液中,被檸檬酸根粒子穩(wěn)定的荷負(fù)電的金膠納米粒子與荷正電的釕聯(lián)吡啶發(fā)生靜電作用,即釕聯(lián)吡啶覆蓋在金膠納米粒子表面,一起被包埋在二氧化硅膜中,與此同時(shí),溶液中的釕聯(lián)吡啶也同時(shí)被包埋在沉積的二氧化硅膜中,摻雜釕聯(lián)吡啶的量得到明顯提高,同時(shí)吸附在金膠納米粒子表面的釕聯(lián)吡啶均能在電極表面發(fā)生電子轉(zhuǎn)移,提高了釕聯(lián)吡啶的利用率和所制備的固相ECL傳感器的靈敏度。由于上述原因,被包埋的釕聯(lián)吡啶具有很好的穩(wěn)定性。從連續(xù)電位掃描實(shí)驗(yàn)中記錄的ECL信號(hào)隨時(shí)間的變化關(guān)系中(圖4)可以清楚看出,連續(xù)掃描40圈過程中,ECL的信號(hào)強(qiáng)度無明顯變化,ECL峰值偏差小于3%,說明所制備的固相ECL傳感器具有很好的穩(wěn)定性和良好的重現(xiàn)性。

圖3 單個(gè)電致化學(xué)發(fā)光信號(hào)Fig.3 Single ECL emission signals

圖4 連續(xù)掃描40圈的電致化學(xué)發(fā)光信號(hào)Fig.4 ECL emission signals with 40 laps of continuous scanning

3 結(jié) 論

本文提出了對(duì)電化學(xué)誘導(dǎo)制備釕聯(lián)吡啶摻雜的三維多孔二氧化硅薄膜的改良方法。針對(duì)二氧化硅膜的不良導(dǎo)電性,提出將金膠納米粒子與釕聯(lián)吡啶同時(shí)包埋在二氧化硅膜中,這種方法一方面提高了二氧化硅膜的導(dǎo)電性,使得被包埋的釕聯(lián)吡啶的利用率提高;另一方面,由于金膠與釕聯(lián)吡啶間的靜電作用,使得被包埋的釕聯(lián)吡啶的量得到提高,且靜電吸附在金膠表面的所有釕聯(lián)吡啶均能發(fā)生電子轉(zhuǎn)移,提高了該傳感器的分析靈敏度和穩(wěn)定性。

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(責(zé)任編輯:馬金玉)

One-step Construction of Solid-state Electrochemiluminescence Sensor with Excellent Performance

LI Jing1,XIA Xing-hua2
(1.Jinling Institute of Technology,Nanjing 211169,China;2.Nanjing University,Nanjing 210093,China)

Electrochemiluminescence(ECL),has advantages of high sensitivity in luminescence analysis and potential controllability in electrochemistry,and has become an important and active research field in modern analytical chemistry.Among the ECL species,ruthenium bipyridine(Ru(bpy)32+)complex and its derivatives have been proved to be the most valuable and potential applicable optical probes.This study concentrates on developing effective methods to immobilize ECL species,increasing functional density.A one-step construction has been proposed to efficiently immobilize Ru(bpy)32+and gold nanoparticles in a three-dimensional(3D) porous silica film matrix on an electrode.In this approach,large quantity of Ru(bpy)32+ions and gold nanoparticles can be efficiently encapsulated in the porous silica matrix,to improve the conductivity of porous silica and high usage of ECL agent.

one-step;electrochemiluminescence;sensor

O657.1

A

1672-755X(2014)03-0040-04

2014-07-16

金陵科技學(xué)院博士科研啟動(dòng)基金(jit-d-201214);金陵科技學(xué)院校內(nèi)自然科學(xué)基金(jit-n-201204);國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(21305055)

李靜(1984-),女,江蘇沭陽人,講師,博士,主要從事電化學(xué)及電致化學(xué)發(fā)光研究。