臧传来，贺 婕，杨正春，涂 莉，杨 鑫，牛慧敏，李明辰

（1.天津理工大学 电子电子工程学院先进材料与印刷电子中心，天津300384；2.东京大学 工学部研究科电气系，东京113-8656）

人的血液里蕴含许多铜离子，铜离子作为微量元素之一，对人体的重要性已经得到很多研究的证实，人体内一旦缺少铜离子便会引发各种生理疾病，一般人通过日常饮食便可获取足够铜元素.然而，铜元素也是众多重金属元素之一，人体内摄入或者富集过多的铜离子会对人体重要脏器产生极大压力，甚至会造成人体免疫系统和新陈代谢系统的紊乱[1].

在环境方面，水源对整个生态系统至关重要，生长于铜离子污染水源附近的植物大多被发现“缺铁失绿”，从而引起其养分吸收和运输的困难[2].除此之外，过多的铜离子会对水域中的水生物造成一定危害，相关研究表明，铜一类的重金属离子一旦在水域中超过一定浓度，便会引起鱼类的中毒和发育畸形，这些变异甚至会遗传至下一代，一旦人类食用这些植物和鱼类，它们体内的铜离子富集到人体内，其危害不言而喻[3].

介于铜离子对于人体健康和环境两方面的重要影响，寻找一种能快速检测铜离子的方法显得尤为重要.目前针对铜离子的相关检测方法大多基于等离体共振或光谱分析等，这些检测方法均需要精密的仪器，且操作复杂，价格昂贵[4].而近年来，电化学发光传感器作为一种新型传感器，具有检测分析速度快、灵敏度高、可控性强等优点，成为快速检测分析领域中的研究热点.量子点纳米材料具有优异的光学和电学特性，是理想的电化学发光体[5]，而目前相关研究中，量子点作为电化学发光体的相关研究较少.本工作将石墨烯量子点应用于电化学发光传感器，实现了对铜离子快速且高效的检测.

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

石墨烯量子点购自南京先丰纳米科技有限公司，硫酸铜粉末以及磷酸盐缓冲粉末均购自美国sigma aldrich公司，且均为分析级纯度.所有溶液均采用去离子水配备.

全光谱电致化学发光检测仪（MPI-EII）购自西安瑞迈分析仪器有限责任公司.检测过程采用三电级体系，玻碳电极作为工作电极，Ag/AgCl电极作为参比电极，对电极为铂电极.

1.2 电解池的改进

市面上购买的电化学检测池具有不少缺点，比如工作电极下极易产生气泡，造成工作电极与反应溶液的隔离，同时会降低发光强度，引起测量不精确.另一个主要缺点为电化学反应池流动腔过小，不方便长时间的静态测量和测试试剂的更换.

如图1所示的是采用3D打印技术自行设计并制作的电化学检测池，从图中可以看出，该检测池基于透明玻璃小杯（图1标注1的部分）进行制造，提高透光度的同时也能增加腔室面积.透明玻璃小杯上部放置自行设计且采用3D打印制作的杯盖（图1标注2和3的部分），保证三电级对准，提高发光强度.透明玻璃小杯下部可以外加底座，固定检测池的位置，保证摆放位置准确，提升测量结果的精确性.

图1电化学检测池Fig.1 The ECL detection cell

1.3 玻碳电极预处理

选用玻碳电极作为工作电极，其具有化学稳定性高，导电性好，热膨胀系数小，电势适用范围广等优点，是目前最广泛使用的工作电极之一.但玻碳电极表面极易受到污染，容易引起无法检测或出现杂峰等现象，严重影响测量的准确性，所以玻碳电极在使用前必须经过预处理，保证玻碳电极表面的清洁.玻碳电极的预处理分为以下三步.

1抛光

首先，用湿润的无尘纸轻轻擦拭玻碳电极表面，去除表面的明显污渍，然后，将少量0.5μm的Al2O3抛光粉与去离子水进行混合，并滴于麂皮上，之后，再加入少量的0.05μm的Al2O3抛光粉进行混合.将玻碳电极置于麂皮上轻轻摩擦，摩擦路径一般为圆形轨迹，以保证玻碳电极打磨均匀，直至玻碳电极表面呈现光滑镜面.

2清洗

将抛光后的玻碳电极竖直放置于盛有少量去离子水的小烧杯中，注意水不要没过电极末端金属，且电极表面不要触及烧杯底.将小烧杯放置于超声清洗仪中，超声清洗2～3 min，确认表面无残余的Al2O3浆液后，用去离子水冲洗即可.

3干燥

将经过处理的玻碳电极用氮气吹干备用，也可在室温下自行干燥.尽量不要高温烘干，以免损坏电极.

1.4 共反应剂浓度确定

共反应剂在量子点电化学发光体系中具有重要作用，会对发光强度产生明显影响[6]，因此，本工作就反应剂K2S2O8浓度对量子点电化学发光强度的影响进行了研究.对K2S2O8浓度在0～0.1 M范围内电化学发光强度的变化进行检测，实验结果表明随着K2S2O8浓度的上升，石墨烯量子点的发光强度逐渐上升，当K2S2O8浓度增加到0.09 M时，石墨烯量子点发光强度达到最大，但若继续增加K2S2O8浓度，发光强度则开始下降.所以在本工作中，共反应剂K2S2O8的浓度确定为0.1 M.

本文中的测试底液为含有0.08 M KCl的0.1 M K2S2O8磷酸盐缓冲溶液（PBS），其中，pH=7.4.

1.5 扫描电压范围的确定

石墨烯量子点的发光电位在负电位区[7]，但过宽的电压扫描范围会造成水的电解，进而使得电极附近产生气泡，严重影响测试的稳定性，因此电压扫描范围不可设置的太宽.

为了确定扫描电压范围，本文分段测量在不同电压扫描范围下的发光强度.实验结果表明当扫描电压范围增加至-2.4 V时，发光强度达到最大，继续增加负电压，发光强度反而下降.而-2.4 V附近的发光强度较为不稳定，电化学发光曲线毛刺较多，综合考虑，最终将电压扫描范围定为-2.1～-0.6 V.

1.6 对铜离子的检测

按1∶10的比例混合1 M的量子点溶液和PBS溶液（pH=7.4）.将不同浓度的硫酸铜溶液加入混合溶液中，混合均匀后，静置约30分钟，再对其进行电化学发光测试，电压扫描范围是-2.1～-0.6 V，扫速为0.05 V/s，光电倍增管电压设置为800 V.

2 实验结果与讨论

如图2所示，当硫酸铜浓度从0.5μM增加到16μM时，其电流逐渐增大，初步说明随着硫酸铜的浓度变化，电化学发光反应强度有一定变化[8]，证明在本次实验中，电化学反应强度与铜离子的浓度具有依赖关系，同时也证明了采用石墨烯量子点体系检测铜离子的可行性[9].

图2不同浓度铜离子的电流电压曲线Fig.2 CVs of GQDs toward different concentration of copper ion

如图3所示为不同浓度硫酸铜溶液的发光强度图，结果表明随着铜离子浓度上升，石墨烯量子点的发光强度明显增强[10].

图3不同浓度铜离子的发光强度随电压变化曲线Fig.3 ECL responses of GQDs toward different concentration of copper ion

如图4所示，将铜离子浓度值取对数作为横坐标，取-2.1 V处的最大发光强度值为纵坐标进行线性拟合[11]，在浓度范围0.5～16μM之间，得到其标准曲线，线性拟合函数为Y=1 074.12X+8 037.32，其中，Y为电化学发光强度，X是铜离子浓度的对数.拟合因子R2=0.993 94，表明利用石墨烯量子点来检测铜离子具有良好的线性度[12]，证实了在实际测量过程中，通过测试发光强度来计算铜离子浓度的可行性.

图4铜离子浓度与发光强度的线性拟合直线Fig.4 Logarithmic calibration curve of the prepared copper ion sensor

测试技术的稳定性同样重要.为了确定该电化学检测技术的稳定性，本文对含有16μM铜离子的测试底液进行超过350 s的持续测试，其结果如图5所示，结果表明，随着反应进行，体系的发光强度总体上保持不变，说明这种检测方法具有良好的重复性和稳定性，具有实际应用价值[13].

图5传感器稳定性研究Fig.5 The successively cyclic ECL responses of the sensor

3 结论

本文利用石墨烯量子点优异的光学和电学特性以及电化学检测的优越性，搭建了一种可实现对铜离子精准检测并且操作简单的电化学传感器.在寻找到最佳发光条件之后，该电化学发光传感器在0.5～16 μM的铜离子浓度范围内展现出了良好的线性度，同时该传感器还展现了较好的稳定性，具有实际应用价值.