基于四苯乙烯自聚集膜增強(qiáng)電化學(xué)發(fā)光靈敏檢測溶解氧

張霖琳，包欣京，魯理平

(北京工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100124)

氧氣是絕大部分動植物必不可少的生存物質(zhì)之一，因此氧傳感器的發(fā)展對于生命體系科學(xué)研究與環(huán)境監(jiān)測具有重要意義。作為衡量水體自凈能力的指標(biāo)，溶解氧(Dissolved oxygen,DO)的檢測一直是人們所關(guān)注的重點。有機(jī)污染物產(chǎn)生的過量溶解氧是造成水體失去自凈能力的原因之一[1]，而溶解氧含量過低，則會影響水中動植物的正常生理生化功能，甚至因缺氧而死亡。因此溶解氧傳感器的開發(fā)對于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、自來水廠、污水處理廠、海洋及濕地研究起到了至關(guān)重要的作用。溶解氧的檢測方法有碘量法[2]、熒光分光光度法[3-5]、電化學(xué)分析法[6-7]等。

電化學(xué)發(fā)光(Electrochemiluminescence，ECL)也稱電致化學(xué)發(fā)光，是化學(xué)發(fā)光與電化學(xué)二者相結(jié)合的產(chǎn)物。與其他方法相比，電化學(xué)發(fā)光法具有操作簡單、無光漂白、光散射干擾與背景干擾值低等優(yōu)點[8]。魯米諾是目前應(yīng)用最廣泛的電化學(xué)發(fā)光試劑之一,增敏魯米諾電化學(xué)發(fā)光信號的新方法研究對于發(fā)展其實際應(yīng)用具有重大價值[9-11]。

自組裝法(Self-assembling，SA)是一種常見的電極修飾方法，即物質(zhì)在固/液界面上自組裝成高度有序單分子層的一種化學(xué)修飾電極的方法[12]。近年來，研究人員開發(fā)了許多不同的有機(jī)分子自組裝修飾電極[13-16]，結(jié)果顯示有機(jī)分子可在電極表面自組裝形成多孔的3D框架結(jié)構(gòu)，這種多孔結(jié)構(gòu)的比表面積較大，孔隙對氣體的吸附選擇性較高。自組裝膜是分子通過非共價鍵相互作用自發(fā)吸附在固/液或氣/固界面，具有清晰的微結(jié)構(gòu)、良好的選擇性、較高的熱力學(xué)穩(wěn)定性[17]。

四苯乙烯(TPE)是一種典型的非共平面分子，其分子骨架含有4個高度扭曲的苯環(huán)，在固體狀態(tài)下能夠形成多螺旋槳型的分子結(jié)構(gòu)[18-19]，且在室溫下易形成聚集態(tài)薄膜。與平面結(jié)構(gòu)相比，3D分子構(gòu)型在固態(tài)時形成的聚集態(tài)更加松散且無定形[20]?；诖?，本文將非共平面結(jié)構(gòu)的TPE修飾至金電極表面，并利用魯米諾電化學(xué)發(fā)光機(jī)理成功制備出電化學(xué)發(fā)光氧氣傳感器，實現(xiàn)了溶解氧的定量檢測。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

CHI660a電化學(xué)分析儀(上海辰華儀器有限公司);MPI-E型電致化學(xué)發(fā)光分析系統(tǒng)多功能化學(xué)發(fā)光檢測儀、MPI-E型電致化學(xué)發(fā)光分析系統(tǒng)電化學(xué)分析儀(西安瑞邁分析儀器有限公司)；KQ-400KDE型高功率數(shù)控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)；分析電子天平(瑞士梅特勒-托利多儀器公司)。氯化鈉(NaCl)、十二水合磷酸氫二鈉(Na2HPO4·12H2O) 、氯化鉀(KCl)、鐵氰化鉀(K3[Fe(CN)6])、亞鐵氰化鉀(K4[Fe(CN)6])、丙酮(天津市福晨化學(xué)試劑廠)；二水合磷酸二氫鈉(NaH2PO4·2H2O)、濃硫酸(H2SO4)、四氫呋喃(THF)、乙醇(北京化學(xué)試劑有限公司)；魯米諾(上海BBI生命科學(xué)有限公司);四苯乙烯(TPE，上海九鼎化學(xué)科技有限公司)；上述試劑均為分析純。氧化鋁拋光粉末(Al2O3，天津艾達(dá)恒晟科技發(fā)展有限公司);高純氮?dú)?N2，北京城信順興氣體原料銷售有限公司)。實驗用水均為超純水(Milli-Q Advantage A10 Water Purification System,18.2 MΩ·cm)。

本文所涉及的電化學(xué)實驗三電極體系均為:鉑絲為對電極，飽和Ag/AgCl電極為參比電極，修飾金圓盤電極(直徑2 mm)為工作電極(上海辰華儀器有限公司)。

1.2 工作電極預(yù)處理

依次使用0.5、0.05 μm氧化鋁粉末在水潤濕的拋光布上對金電極進(jìn)行拋光處理后,再依次用水、乙醇、水進(jìn)行超聲處理，時間分別為3 min。用氮?dú)獯蹈沙曔^的金電極后，在0.5 mol/L硫酸溶液中循環(huán)伏安掃描預(yù)處理，電位范圍為 -0.2～+1.5 V，掃描速率為100 mV/s。最后用丙酮對金電極進(jìn)行超聲處理，時間為3 min，并用氮?dú)獯蹈蓚溆谩?/p>

1.3 修飾電極的制備

預(yù)處理后的金電極表面分別滴加5、10、20、30、40、60、80、100 mmol/L TPE溶液5 μL(該溶液由THF配制)，室溫下靜置成膜，得到不同濃度TPE修飾的金電極，記為TPE/Au。

1.4 魯米諾電化學(xué)發(fā)光實驗

鉑絲為對電極，Ag/AgCl電極為參比電極，修飾電極為工作電極，檢測底液為100 μmol/L魯米諾溶液(該溶液由0.1 mol/L PBS溶液配制)。電化學(xué)參數(shù)設(shè)置為：電位范圍：-0.5～+0.6 V；掃描方向：正；掃描速率：100 mV/s，光電倍增管高壓：600 V。

2 結(jié)果與討論

2.1 實驗原理及可行性研究

圖1 基于TPE修飾電極放大魯米諾電化學(xué)發(fā)光信號檢測溶解氧的方法示意圖Fig.1 Schematic representation for detection of dissolved oxygen based on TPE modified electrode amplified luminol electrochemiluminescence intensity

圖2 TPE/Au及Au電極的電化學(xué)阻抗圖Fig.2 ESI curves of TPE/Au and Au electrodes

圖3 TPE濃度對魯米諾電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of TPE concentration on ECL intensity of luminol

圖4 不同條件下，TPE/Au檢測100 μmol/L魯米諾溶液的循環(huán)伏安曲線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

圖5 TPE/Au檢測魯米諾的電化學(xué)發(fā)光曲線圖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電化學(xué)阻抗

考察了TPE/Au 及Au電極的電化學(xué)阻抗曲線(見圖2)。通常電化學(xué)阻抗低頻區(qū)的線性部分可反映電解液中物質(zhì)的擴(kuò)散過程；而在高頻區(qū)產(chǎn)生的半圓曲線則可反映電極表面的電荷轉(zhuǎn)移過程，半圓部分的直徑大小即為電極表面電荷轉(zhuǎn)移電阻(Ret)[21]，其半圓越大，則電子轉(zhuǎn)移電阻越大。由圖2可知，裸金電極的Ret值約為400 Ω，與之相比，TPE/Au的Ret值約為4 000 Ω，此結(jié)果表明TPE/Au表面的電子傳遞性能受到一定的阻礙。 上述研究表明TPE/Au增強(qiáng)魯米諾ECL強(qiáng)度并非由于金電極表面導(dǎo)電性變化所致，而是TPE自聚集形成的3D多孔隙薄膜增強(qiáng)了魯米諾電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度。

2.3 TPE修飾量的優(yōu)化

2.4 TPE/Au增強(qiáng)魯米諾電化學(xué)發(fā)光

圖6 不同電極的魯米諾電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度對比圖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 穩(wěn)定性與重現(xiàn)性

分別連續(xù)測定3根平行制備的TPE/Au，考察了其對體系魯米諾電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的變化。結(jié)果顯示，72 h后魯米諾電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度僅減少9.1%，表明TPE修飾電極具有較好的穩(wěn)定性。3根TPE修飾電極的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為2.2%，表明TPE修飾電極具有良好的重現(xiàn)性。

圖7 不同通氮時間下TPE/Au的魯米諾電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度圖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 溶解氧的檢測

氧氣作為魯米諾電化學(xué)發(fā)光的共反應(yīng)劑，其濃度的變化直接影響魯米諾電化學(xué)發(fā)光的強(qiáng)度[23]。因此，可通過向測試底液中通入氮?dú)馀懦鯕?，根?jù)不同的通氮時長，測定了不同通氮時間下的魯米諾電化學(xué)發(fā)光信號強(qiáng)度，進(jìn)而檢測溶液中溶解氧的濃度。分別向魯米諾溶液中通入氮?dú)?、1、2、3、4、5、6、8、10、13、15、20、25、30 min，氮?dú)饬魉偌s為0.5 mL/min，隨后立即用TPE/Au檢測其電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度，結(jié)果如圖7所示。與未通氮?dú)庀啾?，魯米諾電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度在1～6 min內(nèi)呈現(xiàn)驟減趨勢，之后，電化學(xué)發(fā)光信號呈緩慢下降趨勢，30 min時電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度接近于零(圖7插圖)。

根據(jù)國家水質(zhì)—溶解氧的測定標(biāo)準(zhǔn)[24]可知，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，室溫為25 ℃時水中飽和溶解氧質(zhì)量濃度約為8.26 mg/L。與未通氮?dú)獬跸啾?，魯米諾電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度在通氮時間為1～6 min內(nèi)所對應(yīng)的溶解氧質(zhì)量濃度理論值分別為1.63、1.40、1.09、0.677、0.388、0.190 mg/L。根據(jù)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到通氮時間與溶解氧質(zhì)量濃度在1.63～0.190 mg/L范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，線性方程為y=-0.304 3x+1.960 7，r2=0.990 9。利用此線性關(guān)系，可對體系中的溶解氧質(zhì)量濃度進(jìn)行檢測，溶解氧起始濃度最低檢出限為1.89 mg/L。根據(jù)我國地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[25]，I～V類水中溶解氧標(biāo)準(zhǔn)限值分別為7.50、6.00、5.00、3.00、2.00 mg/L，限值均高于實驗中最低檢出限。

3 結(jié) 論