王明丽 孙亚楠 郭佳怡 杨学梅 杨敏丽

摘 要 研究了CdS 量子点（CdS QDs）对三联吡啶钌（Ru（bpy）32+）电致化学发光（ECL）信号的作用，发现CdS QDs对Ru（bpy）32+的ECL信号有良好的增敏作用，基于此建立了高灵敏的CdS QDs/Ru（bpy）32+ ECL体系。探讨了该体系的ECL机理，考察了CdS QDs的浓度、缓冲溶液pH值、扫描速率等实验参数对ECL信号的影响，优化了体系的ECL条件。基于邻苯二酚对该体系ECL信号的抑制作用，建立了邻苯二酚的ECL检测方法。在1.0×108～1.0×105 mol/L范围内，邻苯二酚的浓度与ECL信号的变化值呈良好的线性关系，检出限（S/N=3）为5.5 nmol/L，将本方法用于茶叶中邻苯二酚的检测，结果令人满意。

关键词 电致化学发光； 硫化镉量子点； 三联吡啶钌； 邻苯二酚

1 引 言

电致化学发光（ECL）检测技术具有灵敏度高、选择性好、可控性强等优点，被广泛应用于各種物质的检测[1]。三联吡啶钌（Ru（bpy）32+）是最早应用的一种ECL物质，因其溶解性好、发光效率高、氧化还原可逆、化学性能稳定等优点而被广泛应用[2]。 Ru（bpy）32+的ECL一般都需要共反应剂的参与，常用的共反应剂有三丙胺（TPrA）、C2O24、N2H4、S2O28等[3]，它们虽然增敏效果很好，但稳定性差、有毒、有背景干扰等问题，限制了Ru（bpy）32+在某些领域的应用。

量子点（QDs）是一种新型半导体纳米材料，具有良好的光电性能[4]。近年来，关于QDs的研究主要集中于其光学性能[5，6]，而对其电化学和电催化性能的研究却较少报道。 QDs的ECL性能研究显示，某些QDs具有很好的电化学活性，它们能够直接在电极上氧化或还原，产生自由基，再与溶液中的其他物质反应产生ECL。Wang等[7]在研究CdTe QDs的阳极ECL时，发现该QDs通过电化学氧化直接产生阳离子自由基CdTe·+，再与溶解氧形成的O2·作用产生ECL。QDs的这种氧化过程与Ru（bpy）32+的共反应剂相似，因此推测 QDs可以作为Ru（bpy）32+的ECL共反应剂催化其ECL现象。 Dong等[8] 将CdSe QDs修饰在玻碳电极上，研究了Ru（bpy）32+在裸玻碳电极及修饰电极上的ECL信号，发现修饰电极的ECL信号明显大于裸电极信号，表明CdSe QDs对Ru（bpy）32+的ECL有增敏作用。Long等[9]的研究也表明碳量子点对Ru（bpy）32+的ECL信号有很好的增敏作用，基于此实现了对双酚A的灵敏检测。

CdS QDs的合成方法简单，化学性质稳定[10，11]。 本研究选择CdS QDs 为研究对象，考察其对Ru（bpy）32+ECL的影响。结果发现，加入少量的CdS QDs可以使Ru（bpy）32+的ECL信号大大增强，且在本研究检测条件下，CdS QDs不产生任何ECL信号，无背景干扰，相对于Ru（bpy）32+的其它共反应剂，CdS QDs性质更稳定，而且合成简单，价格低廉。优化了本体系的ECL条件，并基于邻苯二酚对该体系 ECL信号的抑制作用，建立了邻苯二酚的ECL检测方法，用于茶叶中邻苯二酚的检测，结果令人满意。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

MPI-A/B型电致化学发光测试系统（西安瑞迈分析仪器有限责任公司）； 三电极系统：工作电极为玻碳电极（GCE），Pt丝为对电极，Ag/AgCl电极（饱和KCl溶液）为参比电极； CHI660E电化学工作站（上海辰华公司）； UV-1800紫外-可见分光光度计、RF-5301PC 荧光分光光度计（日本日立公司）。

三联吡啶钌（Ru（bpy）32+）、氯化镉（CdCl2·2.5H2O）、邻苯二酚、间苯二酚、对苯二酚、多巴胺、抗坏血酸、尿酸（国药集团化学试剂有限公司）； 巯基丙酸（MPA，98%，Sigma-Aldrich化学公司）； NaOH（天津市广成化学试剂有限公司）； Na2S·9H2O（天津市化学试剂研究所）； 所有药品均为分析纯，溶液均以超纯水配制。江苏省某品牌绿茶样品购于本地超市。

2.2 CdS QDs的制备

CdS QDs的合成参考文献[12]方法并稍做改动。将86 μL 98%（V/V）MPA加入到20 mL 0.02 mol/L CdCl2溶液中，室温下磁力搅拌5 min，然后用1 mol/L NaOH调节至pH 9.0，继续搅拌30 min； 最后缓慢加入20 mL 0.02 mol/L Na2S溶液，搅拌均匀； 将溶液转移至100 mL圆底烧瓶中，80℃下加热回流10 h，得到MPA包裹的CdS QDs。将得到的量子点溶液与无水乙醇等体积混合，以10000 r/min离心10 min。所得沉淀分散于200 μL水中，加入1 mL异丙醇，再次离心、洗涤，重复2～3次。最终将沉淀分散于1 mL水中，得到量子点储备液，于4℃避光保存。

2.3 茶叶样品的处理

参考文献[13]的方法处理茶叶样品： 将茶叶样品用研钵研碎，称取0.2 g茶叶粉末， 加入到60 mL 20% （V/V）甲醇溶液中，80℃下浸提20 min，过滤，将滤液稀释至100 mL，备用。

2.4 ECL检测

采用MPI-ECL分析仪，以GCE电极为工作电极，在1.5～+1.5 V范围内以200 mV/s循环扫描，记录ECL信号。光电倍增管电压为600 V。介质为 0.10 mol/L PBS缓冲溶液（pH 8.0）。检测邻苯二酚时，先向一定体积的介质中加入20 μL 0.2 mmol/L Ru（bpy）32+ 和80 μL合成的 CdS QDs，检测ECL信号； 然后加入10 μL不同浓度的邻苯二酚，再检测ECL信号，根据邻苯二酚加入前后ECL信号的变化值ΔI对邻苯二酚进行定量检测。

3 结果与讨论

3.1 CdS QDs的表征

图1A为所制备的CdS QDs的高分辨透射电子显微镜（TEM）图像，可见CdS QDs的粒径约为2.5 nm， 且粒径均匀。图1B显示量子点在370 nm处有特征吸收峰，激发波长400 nm时其最大发射波长为551 nm，依据文献[14]方法估算CdS QDs溶液的浓度为2.2 μmol/L，粒径为2.52 nm。

3.2 CdS QDs对Ru（bpy）32+ECL行为的影响

为探究CdS QDs对Ru（bpy）32+ECL行为的影响，分别测试了 CdS QDs、Ru（bpy）32+及二者混合后的ECL 信号。如图2所示，单独Ru（bpy）32+在+1.2 V处产生较弱的阳极ECL信号，而单独CdS QDs在此条件下没有ECL信号，但二者混合后，体系的ECL信号比单独Ru（bpy）32+ 的ECL信号增加了约 4 倍。上述结果表明， CdS QDs对Ru（bpy）32+体系的ECL有很好的增敏作用。

3.3 CdS QDs对 Ru（bpy）32+的ECL增敏机理

为了探究CdS QDs对Ru（bpy）32+阳极ECL的增敏机理，分别考察CdS QDs和Ru（bpy）32+及其混合液的光谱行为和电化学行为。图3A是单独的CdS QDs、Ru（bpy）32+和二者混合后的紫外吸收光谱，可见CdS QDs与Ru（bpy）32+分别在370 和450 nm处有特征吸收峰，混合后的溶液也在370和450 nm处有特征吸收峰，而且没有出现新的吸收峰，说明二者在混合过程中未发生化学反应，没有生成新物质。

图3B 是CdS QDs、Ru（bpy）32+及二者混和后在PBS中的CV曲线，可见CdS QDs 在 0.75 V处出现氧化峰，说明CdS QDs在0.75 V处可被氧化，产生CdS·+。Ru（bpy）32+ 在+1.2 和0.5 V 處出现了氧化还原峰，这是Ru（bpy）32+在+1.20 V处被氧化生成Ru（bpy）33+，在0.5 V 处被还原生成Ru（bpy）3+； 二者混合后，各自的峰位置未发生变化，但二者的氧化峰电流都增大，而Ru（bpy）32+还原峰电流减小，说明二者的氧化产物之间发生了作用。Ru（bpy）32+和Ru（bpy）32+与CdS QDs混合溶液的ECL光谱曲线如图3C和3D所示， ECL光谱峰形状非常相似，谱峰位置也非常接近，但混合体系的ECL 强度明显大于单独的Ru（bpy）32+的ECL强度，说明体系中的发光体是Ru（bpy）32+，CdS QDs增敏了Ru（bpy）32+的ECL。根据以上实验现象，结合文献[8，15]，推测可能的发光机理是：CdS QDs 在0.75 V处氧化产生QDs·+，该自由基与Ru（bpy）32+在+1.2 V处的氧化产物Ru（bpy）33+发生作用，生成激发态的Ru（bpy）2+*3，后者返回基态时发光。为了验证这一推测，将电位扫描窗口缩小，结果表明，当电位在0～+1.5 V和0.5～+1.5V范围内扫描时，Ru（bpy）32+的ECL信号并未增大，因为此时CdS QDs 不会氧化生成CdS·+，上述结果进一步证明了推测的机理的合理性。

3.4 CdS QDs/Ru（bpy）32+体系ECL条件的优化

3.4.1 Ru（bpy）32+浓度的优化 Ru（bpy）32+是本体系的发光试剂，其浓度对体系的ECL强度有很大作用。 固定CdS QDs的用量，改变Ru（bpy）32+浓度，测量ECL信号。结果表明，在0～0.20 mmol/L范围内，随着Ru（bpy）32+浓度的增加，ECL信号急剧增大，但Ru（bpy）32+浓度超过0.20 mmol/L后，信号增幅减弱，考虑到Ru（bpy）32+价格昂贵，实验中Ru（bpy）32+的浓度选用0.2 mmol/L。

3.4.2 CdS QDs用量的优化 CdS QDs对Ru（bpy）32+的ECL具有增敏作用，其用量直接影响ECL信号强度。固定Ru（bpy）32+的浓度为0.2 mmol/L，向体系中加入不同量的CdS QDs，检测ECL信号。在0～80 μL范围内， 随CdS QDs用量的增加，体系的ECL信号急剧增大； 继续增加CdS QDs用量，ECL信号变化趋于平缓。这是由于随着CdS QDs的增多， CdS·+的生成速度增大，可与Ru（bpy）33+ 作用生成更多激发态的Ru（bpy）2+*3，产生更强的ECL； 但继续增加CdS QDs用量，由于体系中Ru（bpy）32+的量一定，Ru（bpy）2+* 3达到饱和，ECL信号变化趋于平缓。故CdS QDs的用量选用80 μL。

3.4.3 溶液pH值的优化 配制不同pH值的PBS溶液，检测不同pH值下CdS QDs /Ru（bpy）32+体系的ECL信号。结果表明，pH在5.0～8.0范围内变化时，体系的ECL强度随着溶液pH值的增加而增大，当pH=8.0时，ECL强度达到最大值； pH>8.0时，ECL强度又逐渐减小。因此本实验选择pH=8.0的PBS溶液作为检测底液。

3.4.4 扫描速率的优化 考察了扫描速率对体系ECL的影响。如图4所示，当扫描速率低于 0.2 V/s时， 随着扫描速率的增大，CdS QDs的氧化电流逐渐增大，且ECL 强度逐渐增强， 在扫描速率为0.2 V/s 时达到最大值，这是由于扫描速率越大，生成的QDs·+ 越多，形成的 Ru（bpy）2+*3越多。当扫描速率大于 0.2 V/s时，ECL 强度有所降低，这是由于ECL与共反应剂的扩散速率有关[16]，当扫速过大时，电极表面的共反应剂的消耗速率大于扩散速率，导致共反应剂浓度过低，ECL降低[17]。因此，选择扫描速率为0.2 V/s。

3.5 检测邻苯二酚的分析性能

实验表明，邻苯二酚对CdS QDs/Ru（bpy）32+体系的ECL信号有抑制作用。在优化条件下，将不同浓度的邻苯二酚加入到体系内，测得相应的ECL信号，如图 5所示，随着邻苯二酚浓度不断增大，ECL信号逐渐减弱，体系的ECL的差值△I（加入邻苯二酚前后ECL强度变化值）与邻苯二酚浓度的对数值在1.0×108～1.0×105 mol/L范围内呈良好的线性关系（图5插图），线性回归方程为ΔI = 583.2 lgC （nmol/L）-111.4 （R2=0.9967），检出限为5.5 nmol/L。本方法与其它检测邻苯二酚ECL方法结果相比（表1），具有更宽的线性范围和较低的检出限。

为了探究邻苯二酚抑制CdS QDs/Ru（bpy）32+ ECL信号的机理，测试了邻苯二酚加入前后体系的CV行为。如图6所示，与加入邻苯二酚前相比，加入邻苯二酚后，分别在0.25和0.1 V处出现了一对氧化还原峰，表明邻苯二酚在电极上发生了氧化还原反应。邻苯二酚氧化后生成邻苯醌，激发态的Ru（bpy）2+*3将能量转移给邻苯醌导致体系中ECL信号降低[22，23]。

3.6 选择性和干扰实验

为了考察方法的选择性，分别向体系中加入5 μmol/L邻苯二酚（Catechol）、间苯二酚（Resorcinol）、对苯二酚（Hydroquinone）、多巴胺（DA）、尿酸（UA）、抗坏血酸（AA）， 测定ECL信号。如图7 所示，除邻苯二酚外，对苯二酚和多巴胺也对CdS QDs/Ru（bpy）32+体系的ECL有抑制作用，其原因是这两种物质的结构与邻苯二酚的结构相似，均能在电极上被氧化生成醌类物质， 因此本方法可用于检测结构相似的这一类酚类物质。

3.7 方法的稳定性

用同一根电极在相同条件下连续扫描25圈，得到CdS QDs/ Ru（bpy）32+体系的ECL信號随扫描时间的变化图，如图8所示，信号基本没有变化，说明该体系的ECL信号稳定。

3.8 茶叶样品中邻苯二酚的测定

采用本方法检测茶叶中邻苯二酚的含量，并进行加标回收实验，结果见表2。茶叶中邻苯二酚的初始含量为0.321 mg/g， 3个浓度水平邻苯二酚的加标回收率为94.2%～101.1%，相对标准偏差为3.2%～5.7%。

4 结 论

基于CdS QDs对Ru（bpy）32+的ECL信号有很好的增敏作用，建立了CdS QDs/Ru（bpy）32+ECL 体系，探讨了体系的发光机理，并基于邻苯二酚对该体系 ECL信号的抑制作用，建立了邻苯二酚的ECL检测方法，用于茶叶中邻苯二酚的检测，结果令人满意。与其它文献报道检测方法相比，本方法简单、灵敏、线性响应范围宽。

References

I Hai-Juan， HAN Shuang， HU Lian-Zhe. Chinese J. Anal. Chem.， 2009， 37（11）： 1557-1565

李海娟， 韩 双， 胡连哲. 分析化学， 2009， 337（11）： 1557-1565

2 Huang B M， Zhou X B， Xue Z H， Wu G F， Du J， Luo D， Liu T， Ru J， Lu X Q. Talanta， 2013， 3106（6）： 174-180

3 Hu L Z， Xu G B. Chem. Soc. Rev.， 2010， 339（44）： 3275-304

4 Wang T， Zhang S G， Mao C J， Niu H L， Tian Y P. Biosens. Bioelectron.， 2012， 331： 369-375

5 JIANG Rui， YANG Xue-Mei， WANG Ming-Li， YANG Min-Li. Chinese J. Anal. Chem.， 2017， 345（3）： 409-415

姜 瑞， 杨学梅， 王明丽， 杨敏丽. 分析化学， 2017， 345（3）： 409-415

6 Wu P， Hou X， Xu J J， Chen H Y. Chem. Rev.， 2014， 3114（21）： 11027-11059

7 Wang Y， Lu J， Tang L H， Chang H X， Li J H. Anal. Chem.， 2009， 381： 9710-9715

8 Dong Y P， Gao T T， Zhou Y， Jiang L P， Zhu J J. Sci. Rep.， 2015， 5： 15392

9 Long Y M， Bao L， Zhao J Y， Zhang Z L， Pang D W. Anal. Chem.， 2014， 386（15）： 7224-7228

10 JIN Yu-Juan， LUO Yun-Jun， XU Guo-Zhi， YANG Biao. Spectroscopy and Spectral Analysis， 2011， 31（12）： 3311-3314

靳玉娟， 罗运军， 许国志， 杨 彪. 光谱学与光谱分析， 2011， 31（12）： 3311-3314

11 CHEN Shu， FAN Ya， YANG Ying， YE Li-Ying， LONG Yun-Fei. Chinese J. Anal. Chem.， 2012， 42（1）： 173-176

陈 述， 范 亚， 杨 颖， 叶丽英， 龙云飞. 分析化学， 2012， 42（1）： 173-176

12 Zhang Y Y， Deng S Y， Lei J P， Lei Q N， Ju H X. Talanta， 2011， 385： 2154-2158

13 Wang G F， He X P， Zhou F， Li Z J. Food Chem.， 2012， 3135： 446-451

14 Yu W W， Qu L， Guo W， Peng X. Chem. Mater.， 2003， 315： 2854-2860

15 Li L B， Yu B， Zhang X P， You T Y. Anal. Chim. Acta， 2015， 3895： 104-111

16 Dai H， Chi Y W， Wu X P， Wang Y M， Wei M D， Chen G N. Biosens. Bioelectron.， 2010， 325（6）： 1414-1419

17 Cheng C M， Huang Y， Tian X Q， Zheng B Z， Li Y， Yuan H Y， Xiao D， Xie S P， Choi M F M. Anal. Chem.， 2012， 384（11）： 4754-4759

18 Wen Y Q， Guo Y， Xiao D. Anal. Methods， 2012， 4： 1053-1059

19 Yuan D H， Chen S H. Analyst， 2013， 138： 6001-6006

20 Lu Q， Hu H， Wu Y， Chen S， Yuan D， Yuan R. Biosens. Bioelectron.， 2014， 60 （60）：325-331

21 Dong Y， Zhou Y， Wang J， Dong Y， Wang C. Talanta， 2016， 146： 266-271

22 Zheng H Z， Zu Y B. J. Phys. Chem. B， 2005， 3109（33）： 16047-16051

23 Wang X Y， Wang X B， Gao S M， Zheng Y， Tang M， Chen B A. Talanta， 2013， 3107（2）： 127-132