李 静,夏兴华

(1.金陵科技学院公共基础课部,江苏 南京 211169;2.南京大学化学化工学院,江苏 南京 210093)

一步法构建高效固相电致化学发光传感

李 静1,夏兴华2

(1.金陵科技学院公共基础课部,江苏 南京 211169;2.南京大学化学化工学院,江苏 南京 210093)

电致化学发光(ECL)分析技术集成了发光分析的高灵敏性和电化学电位的可控性优点,已成为当今分析化学中一个非常活跃而重要的研究方向。其中,钌联吡啶及其衍生物是众多发光试剂中最具实际应用价值的电致化学发光试剂。针对电致化学发光试剂的表面固定化方法,如何提高表面电致化学发光试剂固载量方面开展研究,通过一步法将钌联吡啶与金纳米颗粒同步组装于三维多孔二氧化硅结构中并固定于电极表面,提高了发光试剂的固载量,同时增加了硅膜的导电性,提高了发光试剂的利用率。

一步法;固相电致化学发光;传感

电致化学发光(ECL)——化学发光的一个分支,是当施加电位时伴随电极表面发生氧化还原反应所产生的发光现象,它是将电化学能转变为激发能的一种途径。过去数十年内,ECL作为分析化学领域的一种非常有价值的分析检测手段而受到广泛关注。在ECL的商业应用与基础研究中,最先报道的钌联吡啶具有最高的电化学发光量子效率,且发光信号强。基于钌联吡啶的ECL分析技术具有灵敏度高、稳定性好等特点,因此,基于钌联吡啶的ECL传感器已作为一种有力且灵敏的分析检测手段用于各个分析化学研究领域[1-3]。与水相ECL过程相比,可再生的固相钌联吡啶电致化学发光传感器具有明显的优势,包括价格昂贵的发光试剂可重复使用、实验装置简单、检测灵敏度高、分析重现性稳定等。为此,在过去的几十年中,人们尝试了许多种方法将钌联吡啶直接固定在电极表面,以发展价廉、高效又可再生的ECL传感器。然而,在已经开发出的一些固定化方法中,还存在一些这样或那样的缺陷。

溶胶-凝胶材料的制备方法简单、制备条件温和、热稳定性好、结构稳定以及良好的光透性等优点,使其在电化学、光学和生物分子的固定化方面得到广泛应用。传统的溶胶-凝胶过程在室温下进行,该条件对被包埋分子来说比较温和;而且,溶胶-凝胶材料具有优良的化学稳定性、良好的亲水性和热稳定性,以及良好的生物相容性等优点,可以有效保持被包埋生物分子的生物活性,故常用于生物传感器、生物燃料电池的制备。溶胶凝胶多孔结构的尺寸可调,在较低温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,且凝胶的孔道结构有利于待分析物分子的扩散与传输[4-6]。

文献[7]笔者曾报道电化学诱导一步制备三维多孔二氧化硅材料同时固定钌联吡啶构建ECL传感器。将含有钌联吡啶的缓冲溶液与氟硅酸铵溶液混合,形成前躯体溶胶溶液,在工作电极上施加一还原电压(流)使溶液中的水被电化学还原生成氢氧根离子和氢气。在电极表面生成的氢氧根离子催化氟硅酸根水解生成二氧化硅膜,溶液中的钌联吡啶同时被固定于生成的多孔二氧化硅膜中。而氢气泡作为膜形成的动态模板,促使其形成稳定的三维多孔结构。这样的结构有利于待分析物在凝胶膜内的扩散与输运,提高分析响应速度与分析灵敏度。由于二氧化硅的导电性较差,使得采用此方法包埋在二氧化硅膜内的钌联吡啶不能都在电极表面发生电子传递。纳米金除了拥有较大的比表面积,还能与带相反电荷的钌联吡啶离子结合,降低能垒增强发光[8]。为此,提出了在二氧化硅膜中掺入金胶纳米粒子,以此提高膜的导电性,以期尽可能地使包埋的钌联吡啶均能在电极表面发生电子转移,提高钌联吡啶发光试剂的利用率和所建立的固相ECL传感器的灵敏度。

1 实验部分

1.1 试剂

钌联吡啶Ru(bpy)3Cl2·6 H2O购自Aldrich(USA),三正丙胺(TPA,98%)购自Sigma。其他试剂均为分析纯,包括氟硅酸铵((NH4)2SiF6)、醋酸(NH4Cl)、醋酸铵(NH4AC)等,使用前未经进一步提纯。磷酸盐缓冲液(PBS,p H 7.4,含50 mmol/L NaCl)由磷酸二氢钾(KH2PO4)和磷酸氢二钾储液(K2HPO4)混合而成。实验中所有的水溶液均由二次水(18.2 MΩ,PureLab Classic Corp,USA)配制。钌联吡啶与氟硅酸铵的混合溶液由含0.1 mol/L NH4Cl的1.0 mol/L NH4Ac缓冲溶液配制而成。

1.2 金胶溶液的制备

金胶颗粒参照文献方法合成[9]。将一定浓度的氯金酸与柠檬酸钠溶液混合,于冰浴和搅拌条件下将硼氢化钠加入该混合溶液,10 min后得橘红色溶液,将该溶液置于4℃的冰箱中保存。同时,直接将硼氢化钠加入氯金酸中,制备金纳米粒子,此时,溶液中没有柠檬酸钠。

1.3 包埋钌联吡啶的二氧化硅多孔材料的一步制备方法

电化学沉积CHI 1140型电化学工作站上进行,采用三电极体系:玻碳电极(GCE,直径3.0 mm)为工作电极,Pt丝(半径0.5 mm,长50 mm)为对电极,Ag/AgCl(饱和KCl)为参比电极。使用前,GCE依次用1.0、0.3以及0.05μm的氧化铝粉进行打磨抛光至镜面,然后用二次水淋洗后超声5 min,除去电极表面残留的氧化铝粉末。沉积液组成为利用恒电位技术(-1.5 V)电化学还原溶液中的水制备包埋钌联吡啶的二氧化硅膜。电化学沉积结束后,将修饰电极浸于PBS中除去物理吸附于二氧化硅多孔材料中的钌联吡啶分子,之后将其置于4℃保存。

1.4 仪器与表征

采用透射电子显微镜(TEM,JEM-200CX,Japan)表征金纳米颗粒结构,紫外-可见光谱(UV-Vis)由UV-3600紫外可见光谱(Shimadzu,Japan)采集。电化学表征实验采用三电极体系:铂丝为对电极,饱和Ag/AgCl电极为参比电极,沉积有包埋Ru(bpy)32+的二氧化硅膜层的玻碳修饰电极为工作电极。电化学及电致化学发光实验的电解液为2 m L 100 mmol/L PBS(p H 7.4,含50 mmol/L NaCl)。电致化学发光检测在MPI-A多功能化学发光分析系统(西安瑞迈分析仪器有限公司)上完成。检测中,光电倍增高压为600 V。

2 结果与讨论

金胶颗粒参考文献方法合成,并对所得的两种金胶溶液进行紫外光谱(图1)和TEM表征。结果表明,含柠檬酸钠的金胶溶液在502～507 nm有明显的表面等离子吸收,从吸收峰的位置可以判断,金胶纳米颗粒的尺寸小于5 nm。而不含柠檬酸钠的金胶溶液在525～532 nm有明显的表面等离子吸收,对应金胶纳米粒子的尺寸约为10 nm。TEM表征结果也显示两种方法制备的金纳米粒子的尺寸有一定的区别,在没有柠檬酸根离子作为稳定剂的情况下,金胶纳米粒子发生了一定的团聚,因而,此时制备的金胶纳米粒子的尺寸比有柠檬酸钠作为稳定剂时的金胶纳米粒子尺寸大。这现象也从制备过程中溶液颜色变化可以看出,由于没有含柠檬酸钠的稳定作用,当硼氢化钠加入到氯金酸溶液之后,其颜色在较长一段时间内逐渐变化,最终变成紫色。而含柠檬酸钠的制备过程中,柠檬酸根离子通过静电作用吸附在金纳米粒子表面,使得到的纳米粒子能稳定存在。故本实验中采用被柠檬酸钠稳定化的金胶纳米粒子对二氧化硅膜进行掺杂。

在氟硅酸铵、钌联吡啶以及金胶的混合溶液中,施加一还原电压(流)于玻碳工作电极上使水分子电化学还原成氢氧根离子和氢气。在电极表面产生的氢氧根离子催化氟硅酸根SiF6-水解生成中间产物Si (OH)4,然后脱水得到二氧化硅。共存于二氧化硅前躯体电解液中的钌联吡啶和金胶颗粒也同时被包埋于形成的三维多孔二氧化硅凝胶膜中。裸玻碳电极表面具有相对平整的孔结构,且有少许划痕。随着沉积时间延长,小的白色二氧化硅颗粒不断生成。沉积大约200 s之后,二氧化硅颗粒在大部分电极表面连成薄膜。当沉积时间长达300 s,整个电极表面已被二氧化硅膜覆盖;同时,在膜中可以清晰地看见由氢气泡模板形成的圆形孔洞,而其他较为平坦区域内的膜则是由二氧化硅纳米颗粒连接而成的更小的空穴组成。膜中的孔壁已变得足够厚,能够支撑起多孔结构,并且能够抵抗溶剂蒸发时产生的内压梯度引起的相裂。然而,长时间沉积将使二氧化硅膜变得致密,这不但影响物质的扩散,而且使得膜降低内压梯度的能力变弱。由于氢气泡的融合,生成的多孔二氧化硅材料的孔径随孔与基底间距离的增加而增大,靠近上表面的孔径大,而靠近基底的孔径较小,使具有电化学活性的物质的扩散传质容易,使整个膜材料内包埋的活性分子如能得到充分的利用。图2便是二氧化硅膜的SEM形貌。以及金纳米的存在不会改变二氧化硅膜的三维多孔贯通的网络结构。

图1 金胶颗粒的紫外-可见光谱Fig.1 UV-Vis spectra

图2 二氧化硅膜的扫描电镜图Fig.2 SEM image of silica film structure

随后,对金纳米粒子掺杂与否的固相ECL传感器进行了研究,结果见图3。从图3中可以清楚看出,两种固相ECL传感器的发光信号随电位的变化相同,说明两种固相ECL传感器的电化学发光机理相同;但是,掺杂了金纳米粒子的固相传感器的ECL信号最大值约是无金胶纳米粒子掺杂的传感信号的2.2倍。掺杂金纳米粒子后电化学发光强度的增强可能的原因之一是金胶纳米粒子的掺杂使得整个二氧化硅膜的导电性得到明显提高,使得被包埋的钌联吡啶发生电子转移的量增多,提高了钌联吡啶的利用率;原因之二是,在沉积膜的前体溶液中,被柠檬酸根粒子稳定的荷负电的金胶纳米粒子与荷正电的钌联吡啶发生静电作用,即钌联吡啶覆盖在金胶纳米粒子表面,一起被包埋在二氧化硅膜中,与此同时,溶液中的钌联吡啶也同时被包埋在沉积的二氧化硅膜中,掺杂钌联吡啶的量得到明显提高,同时吸附在金胶纳米粒子表面的钌联吡啶均能在电极表面发生电子转移,提高了钌联吡啶的利用率和所制备的固相ECL传感器的灵敏度。由于上述原因,被包埋的钌联吡啶具有很好的稳定性。从连续电位扫描实验中记录的ECL信号随时间的变化关系中(图4)可以清楚看出,连续扫描40圈过程中,ECL的信号强度无明显变化,ECL峰值偏差小于3%,说明所制备的固相ECL传感器具有很好的稳定性和良好的重现性。

图3 单个电致化学发光信号Fig.3 Single ECL emission signals

图4 连续扫描40圈的电致化学发光信号Fig.4 ECL emission signals with 40 laps of continuous scanning

3 结 论

本文提出了对电化学诱导制备钌联吡啶掺杂的三维多孔二氧化硅薄膜的改良方法。针对二氧化硅膜的不良导电性,提出将金胶纳米粒子与钌联吡啶同时包埋在二氧化硅膜中,这种方法一方面提高了二氧化硅膜的导电性,使得被包埋的钌联吡啶的利用率提高;另一方面,由于金胶与钌联吡啶间的静电作用,使得被包埋的钌联吡啶的量得到提高,且静电吸附在金胶表面的所有钌联吡啶均能发生电子转移,提高了该传感器的分析灵敏度和稳定性。

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(责任编辑:马金玉)

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

金陵科技学院博士科研启动基金(jit-d-201214);金陵科技学院校内自然科学基金(jit-n-201204);国家自然科学基金青年项目(21305055)

李静(1984-),女,江苏沭阳人,讲师,博士,主要从事电化学及电致化学发光研究。