许世超,张忆一,董 凯,温俊男

(1.天津工业大学 环境与化学工程学院,天津 300387；2.天津工业大学 中空纤维膜材料与膜过程省部共建国家重点实验室，天津 300387；3.天津工业大学 水质安全评价与保障技术工程中心，天津 300387)

基于L-半胱氨酸/CdTe量子点修饰电极的电化学传感器的制备及其对Pb2+的检测

许世超1，2,3*,张忆一1,董 凯1,温俊男1

(1.天津工业大学 环境与化学工程学院,天津 300387；2.天津工业大学 中空纤维膜材料与膜过程省部共建国家重点实验室，天津 300387；3.天津工业大学 水质安全评价与保障技术工程中心，天津 300387)

成功制备了由L-半胱氨酸和CdTe量子点作为修饰材料的电化学传感器并用于水体中Pb2+的检测。巯基丙酸修饰的CdTe量子点通过水相合成，表面含有大量羧基，与L-半胱氨酸表面的氨基形成酰胺键，修饰于金电极表面。通过荧光分光光度计、透射电子显微镜、红外光谱、X射线衍射对L-Cys/CdTe QDs复合材料进行表征。采用循环伏安法(CV)研究了L-Cys/CdTe QDs修饰成分在金电极上的电化学性能及CdTe量子点的最佳自组装时间。采用差分脉冲溶出伏安法(DPSV)研究了铅离子在修饰电极上的电化学行为。在优化实验条件下，Pb2+浓度在1.0×10-6～1.0×10-2mol/L范围内与其峰电流呈良好的线性关系，相关系数(r2)为0.993 8，检出限(3σ,n=5)为4.0×10-7mol/L。该传感器具有良好的重现性和稳定性，有望用于实际水样中铅离子的检测。

CdTe量子点；L-半胱氨酸；修饰电极；电化学传感器；铅离子

CdTe量子点由于其特有的电子学性质和光学性质，具有非常高的研究价值和应用潜力[1-3]。由于量子点存在表面效应[4]，其表面原子具有非常高的化学活性，使得量子点可以轻易地获得氧化还原能力，从而在基底电极表面发生氧化还原反应，产生电子的转移，放大电化学检测信号。此外，由于其粒径较小，电子很容易从粒子内部迁移到粒子表面，缩短了电子的转移距离，加速了电极表面的电子转移速率，使得电信号增强[5]。这些特质使得量子点作为电极修饰材料被广泛应用于电化学传感器，Xia等[6]等制备了一种CdS量子点修饰的玻碳电极电化学传感器，研究了CdS量子点对电化学传感器电信号的影响，并对目标物质进行了检测。Chen等[7]利用CdTe/CdS量子点作为电极修饰成分，以放大检测信号，并成功检测抗坏血酸，检出限可达70 nmol/L。

随着工业的发展，铅的广泛使用给环境带来了严重污染[8-9]。同时，铅可通过呼吸道、消化道和皮肤进入人体，在人体内的半衰期可达20年，损害人体的消化系统、神经系统及造血系统等[10-11]。因此，环境中铅离子的检测意义重大，目前铅离子常用的检测方法主要有原子吸收光谱法、原子荧光光谱法、电感耦合等离子体质谱法、紫外-可见分光光度法和电化学检测法等。原子吸收光谱法的选择性强、灵敏度高、抗干扰能力强，但其标准工作曲线的线性范围窄。原子荧光光度法的检测灵敏度较高，检测浓度范围大，但检测的金属种类有限。电感耦合等离子体质谱法的检出限低，是目前最先进的痕量元素分析方法，但价格昂贵，同时易受污染。紫外-可见分光光度法成本低廉，测试方法简单，但抗干扰能力差，检测范围窄。电化学检测法是一种利用被测离子在溶液中的电化学性质，在电极表面发生电化学反应，通过产生电信号值来定量检测离子浓度的分析方法。电化学检测法的优势在于成本低、测试速度快、灵敏度高、检测范围宽、检测金属离子种类多，同时测量仪器操作简单，因此在分析检测中得到广泛应用[12-13]。本文利用电化学分析法检测铅离子，通过水相合成MPA-CdTe，将其通过化学键作用负载于修饰有L-半胱氨酸的金电极表面，得到L-Cys/CdTe/GE传感器，并采用循环伏安法对修饰成分L-Cys/CdTe的最优化组装时间进行了考察，以差分脉冲溶出伏安法对铅离子进行了检测。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

碲粉、氯化镉、三羟基烷基甲烷(Tris)、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC)、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS，98%)、巯基丙酸(>90%)、L-半胱氨酸(上海拉丁试剂公司)；硼氢化钠(天津光复精细化工研究所)；氯化钠、磷酸氢二钠、铁氰化钾、磷酸二氢钾(天津市北方天医化学试剂厂)。实验用水为超纯水。

荧光分光光度计(F380，天津市港东科技发展有限公司)；紫外分光光度计(Helios-γ，日本日立公司)；傅立叶红外光谱仪(Nicolet 6700,Thermo Fisher公司)；透射电子显微镜(TEM,JEOL-2100,日本日立公司)；X射线衍射仪(XRD,DMAX-2500，日本Rigaku公司)；电化学工作站(LK2010,天津兰立科电子高技术有限公司)，实验采用三电极体系：金电极(GE)为工作电极，铂丝电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极。

1.2 实验方法

1.2.1 CdTe量子点的合成 根据文献选择MPA为稳定剂，按照Cd2+∶Te2+∶MPA=1∶0.5∶2.4的比例(质量比)进行制备。将151 mg NaBH4粉末和25 mg Te粉放入针筒中，抽取5 mL 水。然后将针筒内气体全部排出，确保针筒内只有混合液存在。将上述装有混合液的针筒在常温下静置反应3 h，直至溶液变为浅粉色，并有少量白色絮状沉淀出现，反应完成。此时，针筒中浅粉色上清液即为NaHTe溶液。

在三口烧瓶中加入91.3 mg CdCl2·2.5 H2O和95 mL水，再加入84 μL MPA，磁力搅拌均匀。然后用1 mol/L NaOH 将上述溶液调至pH 11.0，再通入氮气排氧15 min。最后，将制备好的NaHTe溶液快速注入到三口瓶中，在96 ℃条件下加热回流数小时后得到MPA-CdTe量子点。

图1 传感器的组装过程Fig.1 Schematic illustration of the fabrication of sensor

1.2.2 修饰电极的制备 将金电极浸泡在Piranha溶液(98%浓硫酸和30% H2O2以体积比 3∶1 混合配制)10 min后用水洗净，进行打磨抛光操作，至电极表面无划痕并呈镜面，在水中超声清洗1 min并用氮气吹干。再将处理好的金电极静置于0.02 mol/L的L-半胱氨酸溶液10 h，取出后用水轻轻冲洗电极2～3次，在空气中自然晾干，记为L-Cys/GE。

图3 CdTe量子点的透射电子显微镜图Fig.3 TEM image of CdTe QDs

图4 MPA-CdTe量子点的傅立叶红外光谱图Fig.4 FTIR spectra of MPA modified CdTe QDs

取20 μL MPA-CdTe量子点溶液和适量25 mmol/L EDC与10 mmol/L NHS的混合溶液滴在上述电极表面，室温下反应一段时间，然后用水轻轻洗去电极表面未连接的部分，氮气吹干，制得修饰电极，记为L-Cys/CdTe/GE。如图1所示，由于MPA-CdTe是含有羧基官能团的纳米颗粒，在EDC/NHS交联剂的作用下可与负载L-半胱氨酸(含有氨基官能团)的金电极作用，以共价键的形式自组装于电极表面。

2 结果与讨论

2.1 CdTe量子点的表征

图2为不同回流时间的CdTe量子点荧光发射谱图。由图2可知，随着回流时间的增加(1～3 h)，量子点的粒径不断增大，荧光发射峰向长波长方向发生移动(由539 nm红移至575 nm)，这是因为晶体的粒径越小，其比表面积会越大，表面分布的原子就会越多，对表面的束缚能力越强，吸收的光能也越高，使其吸收带发生红移，其荧光发射峰位也发生相应红移[14]。同时，利用稳定剂MPA来修饰CdTe量子点表面(在光照下MPA释放硫离子，与Cd2+结合形成CdS的壳结构)形成CdS的壳结构，随着回流时间的增加其表面缺陷减少，从而使得荧光强度增强。当回流3 h时，所合成的CdTe量子点的荧光光谱峰形良好，具有很好的半高峰宽，说明此时CdTe量子点的光学性能良好，在溶液中分散均匀[15]。综上所述，本实验选择回流3 h的CdTe量子点作为金电极的修饰材料。

图5 CdTe量子点的XRD图Fig.5 XRD pattern of CdTe QDs

图6 不同电极在0.1 mol/L PBS缓冲液中的循环伏安曲线Fig.6 Cyclic voltammograms of different electrodes in 0.1 mol/L PBS buffer(pH 7.0)a:bare gold；b：L-Cys/GE；c：L-Cys/CdTe/GE

CdTe量子点的XRD图如图5所示。由图可知，在(111)，(220)，(311)晶面出现CdTe量子点的特征峰，这表明CdTe量子点晶体的闪锌矿结构已经形成，CdTe粒子核生长良好[18]。CdTe量子点的紫外吸收谱图显示在489 nm处出现了第1个紫外吸收峰，CdTe量子点的粒径可根据方程D=(9.8131×10-7)λ2-(1.715×10-2)λ2+1.006λ-194.8计算[19],式中λ为CdTe量子点的紫外吸收波长。经计算，得到合成的CdTe量子点粒径为2.0 nm,说明本实验已成功制备了量子点。

2.2L-Cys/CdTe/GE传感器的电化学表征

采用循环伏安法考察了CdTe量子点不同自组装时间(0,2,4,6 h)对于L-Cys/CdTe/GE传感器的影响，结果显示，随着自组装时间的增加，所制备的CdTe/Au传感器的电信号逐渐增强，当组装时间超过4 h时，经L-半胱氨酸修饰的金电极表面形成了一层致密的CdTe量子点膜，此时继续延长组装时间电信号无明显增强。因此，实验选择CdTe量子点的自组装时间为4 h。

图6是CdTe/Au传感器组装过程的循环伏安法表征。从图6曲线b可以看出，当金电极表面被L-半胱氨酸修饰时，由于Au—S键形成的膜阻碍了电极表面的电子传递作用，因此电信号强度相比于玻碳电极的信号(曲线a)有所降低。但当CdTe量子点在金电极表面进行自组装后(曲线c)，电信号明显增加。这说明当CdTe量子点固定在电极表面后，由于CdTe粒径很小，电子很容易从粒子内部迁移到粒子表面，从而加快了电子传递速率，表现出量子点的量子化效应[20]。

2.3 检测条件的优化

以0.2 mol/L HAc-NaAc缓冲液作为支持电解质，通过差分脉冲溶出伏安法考察了不同pH值(pH 3.0，4.0，5.0，6.0，7.0)对Pb2+溶出峰电流值的影响。实验结果显示，当HAc-NaAc缓冲溶液的pH值为5.0时，Pb2+的溶出峰电流值最大，因此实验选用pH 5.0的0.2 mol/L HAc-NaAc缓冲液进行Pb2+检测。实验还考察了富集时间(30,60,90,120,150,180 s)对Pb2+溶出峰电流值的影响。结果表明，当富集时间由30 s增至120 s时，溶出峰电流值明显增强，继续延长富集时间，Pb2+的溶出峰电流值变化不大。这是因为Pb2+在修饰电极表面的吸附已逐渐趋于饱和。因此，本文采用120 s作为最佳富集时间。

2.4 不同浓度Pb2+的检测

用上述制备好的L-Cys/CdTe/GE传感器通过差分脉冲阳极溶出伏安法检测不同浓度的Pb2+,以pH 5.0的0.2 mol/L HAc-NaAc缓冲液作为支持电解质。实验结果显示，Pb2+的伏安峰强度随其浓度的增加而增强。且在1.0×10-6～1.0×10-2mol/L浓度范围内呈良好的线性关系。其线性方程为Ip=-1.159 lg[c(Pb2+)]-14.56，r2=0.993 8，检出限(3σ,n)为4.0×10-7mol/L 。

2.5 修饰电极的重现性与稳定性

为了考察修饰电极的重现性，在相同条件下制备两组L-Cys/CdTe/GE传感器(每组5个)，分别检测浓度为1.0×10-6mol/L和1.0×10-2mol/L的Pb2+溶液，在相同条件下进行差分脉冲阳极溶出伏安检测。结果表明，测得每组传感器的峰电流相对标准偏差分别为5.3%和5.5%，表明该传感器有较好的重现性。另外，在1周内测定其对1.0×10-6mol/L Pb2+溶液的差分脉冲溶出伏安响应，测得溶出电流的平均值为-8.887 μA,相对标准偏差(RSD)为4.3%，说明该修饰电极有良好的稳定性。

2.6 干扰实验

在相同的实验条件下考察L-Cys/CdTe/GE传感器对Pb2+检测的选择性，对浓度为1.0×10-4mol/L的Pb2+溶液进行干扰实验。若干扰物引起 Pb2+响应信号的变化不超过 10%,则认为该物质对Pb2+的测定无干扰。实验结果表明：15倍的Cd2+，Hg2+及100倍的Ca2+，Cu2+，Zn2+，Cr3+对Pb2+的测定无干扰。

2.7 实际水样中Pb2+的测定

采用标准加入法将L-Cys/CdTe/GE传感器用于实际水样中Pb2+的测定。取10 mL自来水加至等量的HAc-NaAc缓冲液中，测定其溶出峰电流，再向溶液中加入4 μL 5.0×10-2g/L 的Pb2+标准溶液。该方法测得水样中Pb2+的浓度为10.0 μg/L，与原子吸收分光光度法(GB7475-87)的测定结果(9.88 μg/L)相差不大[21]。

3 结 论

本文成功制备了MPA-CdTe，并将其通过化学键作用负载于修饰有L-半胱氨酸的金电极表面，得到L-Cys/CdTe/GE传感器，探究了传感器修饰材料的最优化组装时间。初步考察了L-Cys/CdTe修饰电极对Pb2+的电化学行为，实验结果表明，Pb2+在1.0×10-6～1.0×10-2mol/L范围内呈良好的线性关系，检出限达4.0×10-7mol/L。该传感器具有制备简单、成本低、重现性良好等优点，在实际水样检测中具有很大应用空间。

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Preparation of an Electrochemical Sensor Based onL-cysteine/CdTe Quantum Dots Modified Electrode and Its Detection of Lead Ions

XU Shi-chao1,2,3*,ZHANG Yi-yi1,DONG Kai1,WEN Jun-nan1

(1.School of Environmental and Chemical Engineering,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China；2.State Key Laboratory of Separation Membranes and Membrane Processes,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China;3.Tianjin Engineering Center for Safety Evaluation of Water Quality & Safeguards Technology,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China)

A simple and sensitive electrochemical sensor was fabricated for the detection of Pb2+based onL-cysteine(L-Cys)/CdTe quantum dots(QDs) hybrid nanocomposites modified gold electrode(GE).CdTe QDs were synthesized in aqueous phase.Then,carboxyl labeled CdTe QDs were covalently bonded toL-cysteine on gold electrode,depending on connection between-COOH on MPA-CdTe surface and —NH2inL-cysteine.The morphology and composition of CdTe QDs and hybrid nanocomposites were characterized by fourier transform infrared spectroscopy(FTIR),X-ray powder diffraction(XRD),transmission electron microscopy(TEM),UV-Vis and fluorescence spectrometry.The electrochemical performance ofL-Cys/CdTe nanocomposite and the optimized self-assembly time of CdTe QDs on electrode were investigated by cyclic voltammetry(CV).The electrochemical behavior of lead ions atL-Cys/CdTe nanocomposite modified gold electrode was investigated by different pulse stripping voltammetry(DPSV).Under the optimal hybridization conditions,different pulse stripping voltammetric responses ofL-Cys/CdTe/GE sensor were in linearity with Pb2+in the concentration range of 1.0×10-6-1.0×10-2mol/L with a detection limit of(3σ,n=5) 4.0×10-7mol/L and a correlation coefficient(r2) of 0.993 8.Therefore,the electrochemical sensor modified withL-Cys/CdTe/GE nanocomposites exhibited the advantages of high sensitivity,good reproducibility and stability,providing a potential platform for the fabrication of other electrochemical sensors.Key words：CdTe QDs;L-cysteine;modified electrode;electrochemical sensor;lead ions

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.04.014

2016-09-18；

2016-11-24

天津市自然科学基金(11JCZDJC22300,13JCQNJC02600)；天津市外国专家局引智项目(Y2012061)

O657.1;O614.433

A

1004-4957(2017)04-0524-05

*通讯作者：许世超，博士，副教授，研究方向：电化学传感器，Tel：022-83955112，E-mail:xushichao@tjpu.edu.cn