基于石墨烯量子點的電化學發(fā)光傳感器的構建及性能研究

臧傳來，賀 婕，楊正春，涂 莉，楊 鑫，牛慧敏，李明辰

（1.天津理工大學 電子電子工程學院先進材料與印刷電子中心，天津300384；2.東京大學 工學部研究科電氣系，東京113-8656）

人的血液里蘊含許多銅離子，銅離子作為微量元素之一，對人體的重要性已經(jīng)得到很多研究的證實，人體內(nèi)一旦缺少銅離子便會引發(fā)各種生理疾病，一般人通過日常飲食便可獲取足夠銅元素.然而，銅元素也是眾多重金屬元素之一，人體內(nèi)攝入或者富集過多的銅離子會對人體重要臟器產(chǎn)生極大壓力，甚至會造成人體免疫系統(tǒng)和新陳代謝系統(tǒng)的紊亂[1].

在環(huán)境方面，水源對整個生態(tài)系統(tǒng)至關重要，生長于銅離子污染水源附近的植物大多被發(fā)現(xiàn)“缺鐵失綠”，從而引起其養(yǎng)分吸收和運輸?shù)睦щy[2].除此之外，過多的銅離子會對水域中的水生物造成一定危害，相關研究表明，銅一類的重金屬離子一旦在水域中超過一定濃度，便會引起魚類的中毒和發(fā)育畸形，這些變異甚至會遺傳至下一代，一旦人類食用這些植物和魚類，它們體內(nèi)的銅離子富集到人體內(nèi)，其危害不言而喻[3].

介于銅離子對于人體健康和環(huán)境兩方面的重要影響，尋找一種能快速檢測銅離子的方法顯得尤為重要.目前針對銅離子的相關檢測方法大多基于等離體共振或光譜分析等，這些檢測方法均需要精密的儀器，且操作復雜，價格昂貴[4].而近年來，電化學發(fā)光傳感器作為一種新型傳感器，具有檢測分析速度快、靈敏度高、可控性強等優(yōu)點，成為快速檢測分析領域中的研究熱點.量子點納米材料具有優(yōu)異的光學和電學特性，是理想的電化學發(fā)光體[5]，而目前相關研究中，量子點作為電化學發(fā)光體的相關研究較少.本工作將石墨烯量子點應用于電化學發(fā)光傳感器，實現(xiàn)了對銅離子快速且高效的檢測.

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

石墨烯量子點購自南京先豐納米科技有限公司，硫酸銅粉末以及磷酸鹽緩沖粉末均購自美國sigma aldrich公司，且均為分析級純度.所有溶液均采用去離子水配備.

全光譜電致化學發(fā)光檢測儀（MPI-EII）購自西安瑞邁分析儀器有限責任公司.檢測過程采用三電級體系，玻碳電極作為工作電極，Ag/AgCl電極作為參比電極，對電極為鉑電極.

1.2 電解池的改進

市面上購買的電化學檢測池具有不少缺點，比如工作電極下極易產(chǎn)生氣泡，造成工作電極與反應溶液的隔離，同時會降低發(fā)光強度，引起測量不精確.另一個主要缺點為電化學反應池流動腔過小，不方便長時間的靜態(tài)測量和測試試劑的更換.

如圖1所示的是采用3D打印技術自行設計并制作的電化學檢測池，從圖中可以看出，該檢測池基于透明玻璃小杯（圖1標注1的部分）進行制造，提高透光度的同時也能增加腔室面積.透明玻璃小杯上部放置自行設計且采用3D打印制作的杯蓋（圖1標注2和3的部分），保證三電級對準，提高發(fā)光強度.透明玻璃小杯下部可以外加底座，固定檢測池的位置，保證擺放位置準確，提升測量結果的精確性.

圖1電化學檢測池Fig.1 The ECL detection cell

1.3 玻碳電極預處理

選用玻碳電極作為工作電極，其具有化學穩(wěn)定性高，導電性好，熱膨脹系數(shù)小，電勢適用范圍廣等優(yōu)點，是目前最廣泛使用的工作電極之一.但玻碳電極表面極易受到污染，容易引起無法檢測或出現(xiàn)雜峰等現(xiàn)象，嚴重影響測量的準確性，所以玻碳電極在使用前必須經(jīng)過預處理，保證玻碳電極表面的清潔.玻碳電極的預處理分為以下三步.

1拋光

首先，用濕潤的無塵紙輕輕擦拭玻碳電極表面，去除表面的明顯污漬，然后，將少量0.5μm的Al2O3拋光粉與去離子水進行混合，并滴于麂皮上，之后，再加入少量的0.05μm的Al2O3拋光粉進行混合.將玻碳電極置于麂皮上輕輕摩擦，摩擦路徑一般為圓形軌跡，以保證玻碳電極打磨均勻，直至玻碳電極表面呈現(xiàn)光滑鏡面.

2清洗

將拋光后的玻碳電極豎直放置于盛有少量去離子水的小燒杯中，注意水不要沒過電極末端金屬，且電極表面不要觸及燒杯底.將小燒杯放置于超聲清洗儀中，超聲清洗2～3 min，確認表面無殘余的Al2O3漿液后，用去離子水沖洗即可.

3干燥

將經(jīng)過處理的玻碳電極用氮氣吹干備用，也可在室溫下自行干燥.盡量不要高溫烘干，以免損壞電極.

1.4 共反應劑濃度確定

共反應劑在量子點電化學發(fā)光體系中具有重要作用，會對發(fā)光強度產(chǎn)生明顯影響[6]，因此，本工作就反應劑K2S2O8濃度對量子點電化學發(fā)光強度的影響進行了研究.對K2S2O8濃度在0～0.1 M范圍內(nèi)電化學發(fā)光強度的變化進行檢測，實驗結果表明隨著K2S2O8濃度的上升，石墨烯量子點的發(fā)光強度逐漸上升，當K2S2O8濃度增加到0.09 M時，石墨烯量子點發(fā)光強度達到最大，但若繼續(xù)增加K2S2O8濃度，發(fā)光強度則開始下降.所以在本工作中，共反應劑K2S2O8的濃度確定為0.1 M.

本文中的測試底液為含有0.08 M KCl的0.1 M K2S2O8磷酸鹽緩沖溶液（PBS），其中，pH=7.4.

1.5 掃描電壓范圍的確定

石墨烯量子點的發(fā)光電位在負電位區(qū)[7]，但過寬的電壓掃描范圍會造成水的電解，進而使得電極附近產(chǎn)生氣泡，嚴重影響測試的穩(wěn)定性，因此電壓掃描范圍不可設置的太寬.

為了確定掃描電壓范圍，本文分段測量在不同電壓掃描范圍下的發(fā)光強度.實驗結果表明當掃描電壓范圍增加至-2.4 V時，發(fā)光強度達到最大，繼續(xù)增加負電壓，發(fā)光強度反而下降.而-2.4 V附近的發(fā)光強度較為不穩(wěn)定，電化學發(fā)光曲線毛刺較多，綜合考慮，最終將電壓掃描范圍定為-2.1～-0.6 V.

1.6 對銅離子的檢測

按1∶10的比例混合1 M的量子點溶液和PBS溶液（pH=7.4）.將不同濃度的硫酸銅溶液加入混合溶液中，混合均勻后，靜置約30分鐘，再對其進行電化學發(fā)光測試，電壓掃描范圍是-2.1～-0.6 V，掃速為0.05 V/s，光電倍增管電壓設置為800 V.

2 實驗結果與討論

如圖2所示，當硫酸銅濃度從0.5μM增加到16μM時，其電流逐漸增大，初步說明隨著硫酸銅的濃度變化，電化學發(fā)光反應強度有一定變化[8]，證明在本次實驗中，電化學反應強度與銅離子的濃度具有依賴關系，同時也證明了采用石墨烯量子點體系檢測銅離子的可行性[9].

圖2不同濃度銅離子的電流電壓曲線Fig.2 CVs of GQDs toward different concentration of copper ion

如圖3所示為不同濃度硫酸銅溶液的發(fā)光強度圖，結果表明隨著銅離子濃度上升，石墨烯量子點的發(fā)光強度明顯增強[10].

圖3不同濃度銅離子的發(fā)光強度隨電壓變化曲線Fig.3 ECL responses of GQDs toward different concentration of copper ion

如圖4所示，將銅離子濃度值取對數(shù)作為橫坐標，取-2.1 V處的最大發(fā)光強度值為縱坐標進行線性擬合[11]，在濃度范圍0.5～16μM之間，得到其標準曲線，線性擬合函數(shù)為Y=1 074.12X+8 037.32，其中，Y為電化學發(fā)光強度，X是銅離子濃度的對數(shù).擬合因子R2=0.993 94，表明利用石墨烯量子點來檢測銅離子具有良好的線性度[12]，證實了在實際測量過程中，通過測試發(fā)光強度來計算銅離子濃度的可行性.

圖4銅離子濃度與發(fā)光強度的線性擬合直線Fig.4 Logarithmic calibration curve of the prepared copper ion sensor

測試技術的穩(wěn)定性同樣重要.為了確定該電化學檢測技術的穩(wěn)定性，本文對含有16μM銅離子的測試底液進行超過350 s的持續(xù)測試，其結果如圖5所示，結果表明，隨著反應進行，體系的發(fā)光強度總體上保持不變，說明這種檢測方法具有良好的重復性和穩(wěn)定性，具有實際應用價值[13].

圖5傳感器穩(wěn)定性研究Fig.5 The successively cyclic ECL responses of the sensor

3 結論

本文利用石墨烯量子點優(yōu)異的光學和電學特性以及電化學檢測的優(yōu)越性，搭建了一種可實現(xiàn)對銅離子精準檢測并且操作簡單的電化學傳感器.在尋找到最佳發(fā)光條件之后，該電化學發(fā)光傳感器在0.5～16 μM的銅離子濃度范圍內(nèi)展現(xiàn)出了良好的線性度，同時該傳感器還展現(xiàn)了較好的穩(wěn)定性，具有實際應用價值.