基于石墨烯量子點(diǎn)/銅-金屬有機(jī)框架構(gòu)建關(guān)-開(kāi)型電化學(xué)發(fā)光傳感器

張效偉，劉尊年

(青島理工大學(xué)理學(xué)院 ，山東青島 266033)

0 引言

生物傳感器具有選擇性高、操作簡(jiǎn)單、分析速度快等特點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。根據(jù)換能方式不同，生物傳感器主要有光學(xué)傳感器[1]、壓電傳感器[2]、電化學(xué)傳感器[3-4]等。電化學(xué)發(fā)光傳感器具有靈敏度高、制作簡(jiǎn)單、易于微型化等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。石墨烯量子點(diǎn)作為一種新興的納米材料具有獨(dú)特的光學(xué)性能和尺寸效應(yīng)[5]，在光學(xué)和電化學(xué)傳感[6-7]、光催化[8]等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。但由于石墨烯量子點(diǎn)的量子產(chǎn)率低[9-10]，限制了其在微分析中的應(yīng)用。摻雜型石墨烯量子點(diǎn)可以有效優(yōu)化原有碳元素的電子特性和化學(xué)特性[11]，提高熒光量子產(chǎn)率，放大生物傳感中的電化學(xué)信號(hào)[12]。D. Qu等報(bào)道了一種水熱法合成了氮硫摻雜石墨烯量子點(diǎn)(NS-GQDs)，量子產(chǎn)率高達(dá)71%[13]。S. H. Li等利用硫摻雜的石墨烯量子點(diǎn)構(gòu)建了高選擇性的熒光傳感器用于Fe3+的檢測(cè)[14]。然而，目前關(guān)于NS-GQDs的研究主要集中在熒光、光催化和光致發(fā)光方面[15]，對(duì)它們電化學(xué)發(fā)光(ECL)性質(zhì)的研究和應(yīng)用較少。

金屬有機(jī)框架(MOFs)材料是由金屬離子和有機(jī)物組裝成的三維網(wǎng)狀多孔材料，具有比表面積大、孔隙率高和較多不飽和金屬結(jié)合位點(diǎn)等獨(dú)特性能，在氣體儲(chǔ)存、生物醫(yī)學(xué)、電化學(xué)等領(lǐng)域顯示出良好的應(yīng)用潛力[16]。MOFs的多孔結(jié)構(gòu)使分子更容易擴(kuò)散，加快反應(yīng)過(guò)程中的電子傳遞[17]，使MOFs可以用來(lái)提高電化學(xué)傳感器的效率。L. Cui等制備了DNA修飾鐵卟啉金屬有機(jī)框架電化學(xué)傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉛離子具有高選擇性檢測(cè)[18]。K. Liang等利用MOF材料作為仿生礦化的保護(hù)涂層，很好地固定并保護(hù)了生物分子的穩(wěn)定性[19]。石墨烯量子點(diǎn)在導(dǎo)電性、機(jī)械性能及電化學(xué)性能方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，將石墨烯量子點(diǎn)與MOFs結(jié)合來(lái)修飾電極，將會(huì)促進(jìn)電極表面與反應(yīng)物之間的電子傳遞，加快反應(yīng)進(jìn)程，提高檢測(cè)靈敏度。本文首先合成了導(dǎo)電性好、電化學(xué)發(fā)光(ECL)強(qiáng)度高、光穩(wěn)定性好的NS-GQDs并組裝到金電極上，然后合成了銅-金屬有機(jī)框架(Cu-MOFs)材料，基于Cu-MOFs上的金屬活性位點(diǎn)Cu(II)與NS-GQDs的表面基團(tuán)氨基相互作用使量子點(diǎn)的發(fā)光信號(hào)關(guān)閉、多巴胺與結(jié)合于量子點(diǎn)表面的Cu-MOFs發(fā)生電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)將Cu-MOFs從量子點(diǎn)表面移除而使量子點(diǎn)的發(fā)光信號(hào)重新打開(kāi)，構(gòu)建了關(guān)-開(kāi)型ECL傳感器用于多巴胺的高靈敏檢測(cè)。

1 傳感器的制備

1.1 試劑

多巴胺(DA)、硫脲(Thiourea)、檸檬酸(CA)；1,3,5-苯三甲酸(H3BTC)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF，99.5%)、乙醇、硝酸銅、三羥甲基氨基甲烷(Tris)、鹽酸(HCl)。

1.2 氮硫摻雜石墨烯量子點(diǎn)和銅-金屬有機(jī)框架的制備

氮硫摻雜石墨烯量子點(diǎn)制備過(guò)程如下。如圖1(a)所示，在10 mL四氟乙烯杯中加入0.20 g檸檬酸、0.30 g硫脲和8.0 mL DMF，超聲20 min，轉(zhuǎn)入不銹鋼反應(yīng)釜中，密封，于烘箱中180 ℃反應(yīng)8 h，冷卻，乙醇洗滌，然后用截留分子量為1 000 Da的透析袋純化處理24 h，烘干。

銅-金屬有機(jī)框架制備過(guò)程如下。如圖1(b)所示，30 mL四氟乙烯杯中加入2.0 g硝酸銅、1.0 g H3BTC、8.0 mL水、8.0 mL DMF和8.0 mL乙醇，超聲20 min，轉(zhuǎn)入不銹鋼反應(yīng)釜中，密封，烘箱中100 ℃反應(yīng)10 h，冷卻，去除母液，得到藍(lán)色晶體，分別用乙醇和DMF洗滌3次，烘干。

1.3 傳感器的制備

(a)氮硫摻雜石墨烯量子點(diǎn)的制備過(guò)程

(b)銅-金屬有機(jī)框架制備過(guò)程圖1 2種不同納米材料的制備過(guò)程

傳感器的制備及檢測(cè)系統(tǒng)如圖2所示。將金電極(工作電極)用三氧化二鋁拋光粉在拋光布上拋光，達(dá)到鏡面效果之后，然后分別用乙醇和超純水超聲清洗，晾干。取10 μL上述石墨烯量子點(diǎn)滴涂到工作電極表面，晾干，如圖2(a)過(guò)程A所示。再取10 μL銅-金屬有機(jī)框架滴涂到工作電極表面，晾干，如圖2(a)過(guò)程B所示。即可將氮硫摻雜石墨烯量子點(diǎn)和銅-金屬有機(jī)框架有序組裝到金電極上。在工作電極未組裝NS-GQDs和Cu-MOFs的部位套上密封圈，裝入檢測(cè)池中，再將鉑絲輔助電極、甘汞參比電極分別安裝至檢測(cè)池中構(gòu)成三電極系統(tǒng)，如圖2(b)所示。將三電極分別與信號(hào)處理器對(duì)應(yīng)的3根電極線(xiàn)連接，構(gòu)成傳感器系統(tǒng)，如圖2(c)所示，連接好高壓電源輸出接口與傳感器系統(tǒng)高壓輸入接口的連線(xiàn)，連接好傳感器信號(hào)輸出接口與數(shù)據(jù)處理器信號(hào)輸入接口的連線(xiàn)，連接好數(shù)據(jù)處理器與計(jì)算機(jī)串行接口之間的通訊電纜，即可進(jìn)行ECL研究。

(a)工作電極

(b)傳感器的三電極系統(tǒng)

(c)傳感器系統(tǒng)圖2 “關(guān)-開(kāi)”型ECL傳感器的制備及檢測(cè)原理示意圖

2 “關(guān)-開(kāi)”型ECL傳感器的原理

將NS-GQDs組裝到工作電極上后，在一定外電壓下，NS-GQDs轉(zhuǎn)化為激發(fā)態(tài)的NS-GQDs*，而激發(fā)態(tài)的NS-GQDs*躍遷到基態(tài)時(shí)發(fā)出高強(qiáng)度的ECL信號(hào)；在工作電極上進(jìn)一步組裝上Cu-MOFs后，由于NS-GQDs的表面含有大量氨基、羥基等基團(tuán)，與Cu-MOFs表面的Cu(Ⅱ)通過(guò)螯合作用結(jié)合生成配位聚合物(MOFs-Cu-NS-GQDs)n；這種聚合物在電極進(jìn)行循環(huán)掃描過(guò)程中不能生成激發(fā)態(tài)的NSGQDs*，導(dǎo)致量子點(diǎn)ECL猝滅，發(fā)光信號(hào)“關(guān)閉”；當(dāng)往檢測(cè)池中加入多巴胺后，如圖2(a)過(guò)程C所示，多巴胺與結(jié)合于量子點(diǎn)表面的Cu-MOFs中的Cu(Ⅱ)發(fā)生電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，Cu(Ⅱ)被還原為Cu(Ⅰ)，導(dǎo)致Cu-MOFs從量子點(diǎn)表面剝離，NS-GQDs的電化學(xué)發(fā)光得以恢復(fù)，發(fā)光信號(hào)重新“打開(kāi)”。

3 傳感器的表征及性能測(cè)試

3.1 銅-金屬有機(jī)框架的表征

圖3為銅-金屬有機(jī)框架的掃描電鏡圖，從圖3(a)可見(jiàn)，Cu-MOFs的平均粒徑在5 μm左右，顆粒分布均勻；圖3(b)為Cu-MOFs的高分辨電鏡圖，單個(gè)Cu-MOFs晶體為正八面體結(jié)構(gòu)，晶體表面光滑。

(a)掃描電鏡圖 (b)高分辨電鏡圖圖3 Cu-MOFs的掃描電子顯微鏡圖

3.2 氮硫摻雜石墨烯量子點(diǎn)的表征

圖4(a)為氮硫摻雜石墨烯量子點(diǎn)的透射電鏡圖，可以看出NS-GQDs的大小均勻，平均粒徑在4 nm左右，顆粒分散性好，無(wú)團(tuán)聚。圖4(a)右上角為NS-GQDs的高分辨透射電鏡圖，晶格清晰，晶格間距為0.21 nm，與石墨烯的晶格結(jié)構(gòu)一致[20]。

圖4(b)為NS-GQDs的傅里葉紅外光譜圖，1 750 cm-1、2 100 cm-1和2 750 cm-1處分別是C=O、C≡N和S-H的特征吸收峰，1 000～1 500 cm-1和3 050～3 500 cm-1處的寬吸收帶分別是由C-N、C-S和N-H和O-H的伸縮振動(dòng)引起，說(shuō)明N和S成功接入到了石墨烯量子點(diǎn)中，量子點(diǎn)表面存在大量的氨基、羥基和羰基等官能團(tuán)，這使得NS-GQDs具有很好的水溶性，同時(shí)也為其與Cu-MOFs結(jié)合提供了條件。

(a)透射電鏡圖

(b)傅里葉紅外光譜圖圖4 氮硫摻雜石墨烯量子點(diǎn)的表征

3.3 傳感器的光學(xué)特性

分別通過(guò)紫外-可見(jiàn)光譜(圖5(a))和熒光光譜(圖5(b))研究了NS-GQDs與Cu-MOFs、多巴胺之間的相互作用?？梢钥闯?，NS-GQDs在460 nm處有一個(gè)吸收峰(圖5(a)曲線(xiàn)1)和較強(qiáng)的熒光發(fā)射(圖5(b)曲線(xiàn)1)；加入Cu-MOF后，紫外吸收峰明顯下降(圖5(a)曲線(xiàn)2)、熒光強(qiáng)度明顯降低(圖5(b)曲線(xiàn)2)；加入多巴胺后，紫外吸收(圖5(a)曲線(xiàn)3)和熒光信號(hào)(圖5(b)曲線(xiàn)3)都明顯增強(qiáng)。然后研究了它們的ECL性能(圖5(c))，將組裝了NS-GQDs的金電極放入ECL檢測(cè)池中，在外電壓的作用下，產(chǎn)生很強(qiáng)的ECL信號(hào)(圖5(c)曲線(xiàn)1)，此為NS-GQDs中C=N的n-π*躍遷，NS-GQDs從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時(shí)發(fā)光；在上述電極上再組裝上Cu-MOFs之后，再將電極放入檢測(cè)池中，ECL信號(hào)猝滅(圖5(c)曲線(xiàn)2)，這是因?yàn)镹S-GQDs中的氨基與Cu-MOFs中的Cu(Ⅱ)相互作用生成配位聚合物導(dǎo)致ECL猝滅，發(fā)光信號(hào)關(guān)閉；往檢測(cè)池中加入多巴胺后，多巴胺與Cu(Ⅱ)發(fā)生電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，將Cu(Ⅱ)還原為Cu(Ⅰ)，Cu-MOFs從NSGQDs表面移除，ECL強(qiáng)度明顯增強(qiáng)(圖5(c)曲線(xiàn)3)，發(fā)光信號(hào)打開(kāi)。

(a)紫外可見(jiàn)光譜圖

(b)熒光發(fā)射光譜圖

(c)電化學(xué)發(fā)光譜圖圖5 3種不同體系的光譜圖

3.4 傳感器的性能研究

3.4.1 傳感器穩(wěn)定性

為了檢測(cè)傳感器的穩(wěn)定性，利用同一支傳感器對(duì)1.0 μmol/L的多巴胺連續(xù)測(cè)定7次，如圖6所示，ECL強(qiáng)度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為0.9%。利用同一支傳感器分別于1、2、4、6、8、10 d后測(cè)定濃度為1.0 μmol/L的多巴胺標(biāo)準(zhǔn)溶液，ECL強(qiáng)度的RSD為5.6%，表明該傳感器具有較好的穩(wěn)定性。

3.4.2 傳感器重現(xiàn)性

采用相同的方法制備5支傳感器并對(duì)多巴胺進(jìn)行測(cè)定，如圖7所示，ECL強(qiáng)度的RSD為2.8%，表明該傳感器的制備重現(xiàn)性良好。

3.4.3 傳感器選擇性

圖6 傳感器穩(wěn)定性

圖7 傳感器重現(xiàn)性

圖8 傳感器選擇性

4 實(shí)驗(yàn)方法

開(kāi)始檢測(cè)前，先確認(rèn)各部分的電源線(xiàn)已經(jīng)連接好，將電源插頭插入電源插座中。打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，顯示屏被點(diǎn)亮；將多巴胺(或待測(cè)樣品)和緩沖溶液放入檢測(cè)池中；然后進(jìn)行參數(shù)設(shè)定：初始電位0 V，掃描速率100 mV/s，采樣速率10次/s，電壓濾波器頻率5 kHz，信號(hào)濾波器頻率5 kHz，光電倍增管高壓800 V，發(fā)光檢測(cè)方式為強(qiáng)度方式；蓋上傳感器的蓋子，將體系置于暗箱中進(jìn)行ECL反應(yīng)，記錄ECL信號(hào)的變化值。

5 結(jié)果與討論

5.1 ECL傳感器檢測(cè)條件的優(yōu)化

首先研究了掃描速率對(duì)傳感器ECL強(qiáng)度的影響。量子點(diǎn)ECL的發(fā)光效率與激發(fā)態(tài)物質(zhì)的生成和湮沒(méi)比率有關(guān)，而激發(fā)態(tài)物質(zhì)在電極上發(fā)生電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的效果與掃描速率的快慢有關(guān)，掃描速率太快或太慢都會(huì)導(dǎo)致量子點(diǎn)ECL強(qiáng)度降低?？疾炝?0～150 mV/s范圍內(nèi)的掃描速率對(duì)傳感器ECL 強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，隨著掃描速率的增大，ECL強(qiáng)度增大，當(dāng)掃描速率為100 mV/s時(shí)，ECL強(qiáng)度達(dá)最大值，繼續(xù)增大掃描速率，ECL強(qiáng)度逐漸減弱，因此選擇掃描速率為100 mV/s。

研究了檢測(cè)池中溶液的pH對(duì)傳感器ECL強(qiáng)度的影響，如圖9所示，隨著pH 的不斷增大，ECL強(qiáng)度增大并在pH=7.5時(shí)達(dá)到最大值，隨著pH的繼續(xù)增加，ECL強(qiáng)度減弱。

圖9 溶液pH對(duì)ECL強(qiáng)度的影響

5.2 “關(guān)-開(kāi)”型ECL傳感器檢測(cè)多巴胺

為考察新構(gòu)建的“關(guān)-開(kāi)”型ECL傳感器的分析性能，研究了利用該傳感器檢測(cè)多巴胺的工作曲線(xiàn)、線(xiàn)性范圍、線(xiàn)性方程和檢出限。如圖10所示，隨著多巴胺濃度(1～50 μmol/L)的增大，傳感器的ECL信號(hào)升高，測(cè)定了多巴胺濃度在0.05～100 μmol/L范圍內(nèi)，其ECL強(qiáng)度與濃度的關(guān)系，結(jié)果表明，多巴胺濃度在0.05～60 μmol/L范圍內(nèi)，傳感器的ECL強(qiáng)度與多巴胺濃度成良好的線(xiàn)性關(guān)系，線(xiàn)性回歸方程為I=162.8c+34.5(I為傳感器的ECL強(qiáng)度，c為多巴胺濃度)，線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)R2=0.998 6，線(xiàn)性范圍為0.05～60 μmol/L，檢出限為62 nmol/L。

圖10 “關(guān)-開(kāi)”型ECL傳感器在不同濃度多巴胺溶液中的ECL譜圖

為驗(yàn)證該傳感器的實(shí)際應(yīng)用性和可靠性，對(duì)多巴胺注射液進(jìn)行檢測(cè)分析，結(jié)果如表1所示，回收率在96%～102%之間，表明該傳感器準(zhǔn)確可靠，可用于實(shí)際樣品中多巴胺的測(cè)定。

表1 多巴胺注射液的檢測(cè)

6 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了銅-金屬有機(jī)框架對(duì)氮硫摻雜石墨烯量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光信號(hào)的關(guān)閉作用，構(gòu)建了新型的“關(guān)-開(kāi)”型電化學(xué)發(fā)光傳感器?；诙喟桶房墒沽孔狱c(diǎn)被關(guān)閉的信號(hào)重新打開(kāi)的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多巴胺的定量檢測(cè)，方法選擇性好、靈敏度高，檢出限達(dá)62 nmol/L。該研究不僅大大拓展了銅-金屬有機(jī)框架材料的應(yīng)用領(lǐng)域，也為多巴胺的快速靈敏檢測(cè)提供了新思路，在實(shí)際樣品檢測(cè)中具有良好的應(yīng)用前景。