基于L-半胱氨酸/CdTe量子點(diǎn)修飾電極的電化學(xué)傳感器的制備及其對Pb2+的檢測

許世超,張憶一,董 凱,溫俊男

(1.天津工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué) 中空纖維膜材料與膜過程省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗室，天津 300387；3.天津工業(yè)大學(xué) 水質(zhì)安全評價與保障技術(shù)工程中心，天津 300387)

基于L-半胱氨酸/CdTe量子點(diǎn)修飾電極的電化學(xué)傳感器的制備及其對Pb2+的檢測

許世超1，2,3*,張憶一1,董 凱1,溫俊男1

(1.天津工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué) 中空纖維膜材料與膜過程省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗室，天津 300387；3.天津工業(yè)大學(xué) 水質(zhì)安全評價與保障技術(shù)工程中心，天津 300387)

成功制備了由L-半胱氨酸和CdTe量子點(diǎn)作為修飾材料的電化學(xué)傳感器并用于水體中Pb2+的檢測。巰基丙酸修飾的CdTe量子點(diǎn)通過水相合成，表面含有大量羧基，與L-半胱氨酸表面的氨基形成酰胺鍵，修飾于金電極表面。通過熒光分光光度計、透射電子顯微鏡、紅外光譜、X射線衍射對L-Cys/CdTe QDs復(fù)合材料進(jìn)行表征。采用循環(huán)伏安法(CV)研究了L-Cys/CdTe QDs修飾成分在金電極上的電化學(xué)性能及CdTe量子點(diǎn)的最佳自組裝時間。采用差分脈沖溶出伏安法(DPSV)研究了鉛離子在修飾電極上的電化學(xué)行為。在優(yōu)化實(shí)驗條件下，Pb2+濃度在1.0×10-6～1.0×10-2mol/L范圍內(nèi)與其峰電流呈良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)(r2)為0.993 8，檢出限(3σ,n=5)為4.0×10-7mol/L。該傳感器具有良好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，有望用于實(shí)際水樣中鉛離子的檢測。

CdTe量子點(diǎn)；L-半胱氨酸；修飾電極；電化學(xué)傳感器；鉛離子

CdTe量子點(diǎn)由于其特有的電子學(xué)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)，具有非常高的研究價值和應(yīng)用潛力[1-3]。由于量子點(diǎn)存在表面效應(yīng)[4]，其表面原子具有非常高的化學(xué)活性，使得量子點(diǎn)可以輕易地獲得氧化還原能力，從而在基底電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生電子的轉(zhuǎn)移，放大電化學(xué)檢測信號。此外，由于其粒徑較小，電子很容易從粒子內(nèi)部遷移到粒子表面，縮短了電子的轉(zhuǎn)移距離，加速了電極表面的電子轉(zhuǎn)移速率，使得電信號增強(qiáng)[5]。這些特質(zhì)使得量子點(diǎn)作為電極修飾材料被廣泛應(yīng)用于電化學(xué)傳感器，Xia等[6]等制備了一種CdS量子點(diǎn)修飾的玻碳電極電化學(xué)傳感器，研究了CdS量子點(diǎn)對電化學(xué)傳感器電信號的影響，并對目標(biāo)物質(zhì)進(jìn)行了檢測。Chen等[7]利用CdTe/CdS量子點(diǎn)作為電極修飾成分，以放大檢測信號，并成功檢測抗壞血酸，檢出限可達(dá)70 nmol/L。

隨著工業(yè)的發(fā)展，鉛的廣泛使用給環(huán)境帶來了嚴(yán)重污染[8-9]。同時，鉛可通過呼吸道、消化道和皮膚進(jìn)入人體，在人體內(nèi)的半衰期可達(dá)20年，損害人體的消化系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)及造血系統(tǒng)等[10-11]。因此，環(huán)境中鉛離子的檢測意義重大，目前鉛離子常用的檢測方法主要有原子吸收光譜法、原子熒光光譜法、電感耦合等離子體質(zhì)譜法、紫外-可見分光光度法和電化學(xué)檢測法等。原子吸收光譜法的選擇性強(qiáng)、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)，但其標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的線性范圍窄。原子熒光光度法的檢測靈敏度較高，檢測濃度范圍大，但檢測的金屬種類有限。電感耦合等離子體質(zhì)譜法的檢出限低，是目前最先進(jìn)的痕量元素分析方法，但價格昂貴，同時易受污染。紫外-可見分光光度法成本低廉，測試方法簡單，但抗干擾能力差，檢測范圍窄。電化學(xué)檢測法是一種利用被測離子在溶液中的電化學(xué)性質(zhì)，在電極表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，通過產(chǎn)生電信號值來定量檢測離子濃度的分析方法。電化學(xué)檢測法的優(yōu)勢在于成本低、測試速度快、靈敏度高、檢測范圍寬、檢測金屬離子種類多，同時測量儀器操作簡單，因此在分析檢測中得到廣泛應(yīng)用[12-13]。本文利用電化學(xué)分析法檢測鉛離子，通過水相合成MPA-CdTe，將其通過化學(xué)鍵作用負(fù)載于修飾有L-半胱氨酸的金電極表面，得到L-Cys/CdTe/GE傳感器，并采用循環(huán)伏安法對修飾成分L-Cys/CdTe的最優(yōu)化組裝時間進(jìn)行了考察，以差分脈沖溶出伏安法對鉛離子進(jìn)行了檢測。

1 實(shí)驗部分

1.1 試劑與儀器

碲粉、氯化鎘、三羥基烷基甲烷(Tris)、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亞胺鹽酸鹽(EDC)、N-羥基琥珀酰亞胺(NHS，98%)、巰基丙酸(>90%)、L-半胱氨酸(上海拉丁試劑公司)；硼氫化鈉(天津光復(fù)精細(xì)化工研究所)；氯化鈉、磷酸氫二鈉、鐵氰化鉀、磷酸二氫鉀(天津市北方天醫(yī)化學(xué)試劑廠)。實(shí)驗用水為超純水。

熒光分光光度計(F380，天津市港東科技發(fā)展有限公司)；紫外分光光度計(Helios-γ，日本日立公司)；傅立葉紅外光譜儀(Nicolet 6700,Thermo Fisher公司)；透射電子顯微鏡(TEM,JEOL-2100,日本日立公司)；X射線衍射儀(XRD,DMAX-2500，日本Rigaku公司)；電化學(xué)工作站(LK2010,天津蘭立科電子高技術(shù)有限公司)，實(shí)驗采用三電極體系：金電極(GE)為工作電極，鉑絲電極為對電極，飽和甘汞電極為參比電極。

1.2 實(shí)驗方法

1.2.1 CdTe量子點(diǎn)的合成 根據(jù)文獻(xiàn)選擇MPA為穩(wěn)定劑，按照Cd2+∶Te2+∶MPA=1∶0.5∶2.4的比例(質(zhì)量比)進(jìn)行制備。將151 mg NaBH4粉末和25 mg Te粉放入針筒中，抽取5 mL 水。然后將針筒內(nèi)氣體全部排出，確保針筒內(nèi)只有混合液存在。將上述裝有混合液的針筒在常溫下靜置反應(yīng)3 h，直至溶液變?yōu)闇\粉色，并有少量白色絮狀沉淀出現(xiàn)，反應(yīng)完成。此時，針筒中淺粉色上清液即為NaHTe溶液。

在三口燒瓶中加入91.3 mg CdCl2·2.5 H2O和95 mL水，再加入84 μL MPA，磁力攪拌均勻。然后用1 mol/L NaOH 將上述溶液調(diào)至pH 11.0，再通入氮?dú)馀叛?5 min。最后，將制備好的NaHTe溶液快速注入到三口瓶中，在96 ℃條件下加熱回流數(shù)小時后得到MPA-CdTe量子點(diǎn)。

圖1 傳感器的組裝過程Fig.1 Schematic illustration of the fabrication of sensor

1.2.2 修飾電極的制備 將金電極浸泡在Piranha溶液(98%濃硫酸和30% H2O2以體積比 3∶1 混合配制)10 min后用水洗凈，進(jìn)行打磨拋光操作，至電極表面無劃痕并呈鏡面，在水中超聲清洗1 min并用氮?dú)獯蹈伞Ｔ賹⑻幚砗玫慕痣姌O靜置于0.02 mol/L的L-半胱氨酸溶液10 h，取出后用水輕輕沖洗電極2～3次，在空氣中自然晾干，記為L-Cys/GE。

圖3 CdTe量子點(diǎn)的透射電子顯微鏡圖Fig.3 TEM image of CdTe QDs

圖4 MPA-CdTe量子點(diǎn)的傅立葉紅外光譜圖Fig.4 FTIR spectra of MPA modified CdTe QDs

取20 μL MPA-CdTe量子點(diǎn)溶液和適量25 mmol/L EDC與10 mmol/L NHS的混合溶液滴在上述電極表面，室溫下反應(yīng)一段時間，然后用水輕輕洗去電極表面未連接的部分，氮?dú)獯蹈桑频眯揎楇姌O，記為L-Cys/CdTe/GE。如圖1所示，由于MPA-CdTe是含有羧基官能團(tuán)的納米顆粒，在EDC/NHS交聯(lián)劑的作用下可與負(fù)載L-半胱氨酸(含有氨基官能團(tuán))的金電極作用，以共價鍵的形式自組裝于電極表面。

2 結(jié)果與討論

2.1 CdTe量子點(diǎn)的表征

圖2為不同回流時間的CdTe量子點(diǎn)熒光發(fā)射譜圖。由圖2可知，隨著回流時間的增加(1～3 h)，量子點(diǎn)的粒徑不斷增大，熒光發(fā)射峰向長波長方向發(fā)生移動(由539 nm紅移至575 nm)，這是因為晶體的粒徑越小，其比表面積會越大，表面分布的原子就會越多，對表面的束縛能力越強(qiáng)，吸收的光能也越高，使其吸收帶發(fā)生紅移，其熒光發(fā)射峰位也發(fā)生相應(yīng)紅移[14]。同時，利用穩(wěn)定劑MPA來修飾CdTe量子點(diǎn)表面(在光照下MPA釋放硫離子，與Cd2+結(jié)合形成CdS的殼結(jié)構(gòu))形成CdS的殼結(jié)構(gòu)，隨著回流時間的增加其表面缺陷減少，從而使得熒光強(qiáng)度增強(qiáng)。當(dāng)回流3 h時，所合成的CdTe量子點(diǎn)的熒光光譜峰形良好，具有很好的半高峰寬，說明此時CdTe量子點(diǎn)的光學(xué)性能良好，在溶液中分散均勻[15]。綜上所述，本實(shí)驗選擇回流3 h的CdTe量子點(diǎn)作為金電極的修飾材料。

圖5 CdTe量子點(diǎn)的XRD圖Fig.5 XRD pattern of CdTe QDs

圖6 不同電極在0.1 mol/L PBS緩沖液中的循環(huán)伏安曲線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量子點(diǎn)的XRD圖如圖5所示。由圖可知，在(111)，(220)，(311)晶面出現(xiàn)CdTe量子點(diǎn)的特征峰，這表明CdTe量子點(diǎn)晶體的閃鋅礦結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成，CdTe粒子核生長良好[18]。CdTe量子點(diǎn)的紫外吸收譜圖顯示在489 nm處出現(xiàn)了第1個紫外吸收峰，CdTe量子點(diǎn)的粒徑可根據(jù)方程D=(9.8131×10-7)λ2-(1.715×10-2)λ2+1.006λ-194.8計算[19],式中λ為CdTe量子點(diǎn)的紫外吸收波長。經(jīng)計算，得到合成的CdTe量子點(diǎn)粒徑為2.0 nm,說明本實(shí)驗已成功制備了量子點(diǎn)。

2.2L-Cys/CdTe/GE傳感器的電化學(xué)表征

采用循環(huán)伏安法考察了CdTe量子點(diǎn)不同自組裝時間(0,2,4,6 h)對于L-Cys/CdTe/GE傳感器的影響，結(jié)果顯示，隨著自組裝時間的增加，所制備的CdTe/Au傳感器的電信號逐漸增強(qiáng)，當(dāng)組裝時間超過4 h時，經(jīng)L-半胱氨酸修飾的金電極表面形成了一層致密的CdTe量子點(diǎn)膜，此時繼續(xù)延長組裝時間電信號無明顯增強(qiáng)。因此，實(shí)驗選擇CdTe量子點(diǎn)的自組裝時間為4 h。

圖6是CdTe/Au傳感器組裝過程的循環(huán)伏安法表征。從圖6曲線b可以看出，當(dāng)金電極表面被L-半胱氨酸修飾時，由于Au—S鍵形成的膜阻礙了電極表面的電子傳遞作用，因此電信號強(qiáng)度相比于玻碳電極的信號(曲線a)有所降低。但當(dāng)CdTe量子點(diǎn)在金電極表面進(jìn)行自組裝后(曲線c)，電信號明顯增加。這說明當(dāng)CdTe量子點(diǎn)固定在電極表面后，由于CdTe粒徑很小，電子很容易從粒子內(nèi)部遷移到粒子表面，從而加快了電子傳遞速率，表現(xiàn)出量子點(diǎn)的量子化效應(yīng)[20]。

2.3 檢測條件的優(yōu)化

以0.2 mol/L HAc-NaAc緩沖液作為支持電解質(zhì)，通過差分脈沖溶出伏安法考察了不同pH值(pH 3.0，4.0，5.0，6.0，7.0)對Pb2+溶出峰電流值的影響。實(shí)驗結(jié)果顯示，當(dāng)HAc-NaAc緩沖溶液的pH值為5.0時，Pb2+的溶出峰電流值最大，因此實(shí)驗選用pH 5.0的0.2 mol/L HAc-NaAc緩沖液進(jìn)行Pb2+檢測。實(shí)驗還考察了富集時間(30,60,90,120,150,180 s)對Pb2+溶出峰電流值的影響。結(jié)果表明，當(dāng)富集時間由30 s增至120 s時，溶出峰電流值明顯增強(qiáng)，繼續(xù)延長富集時間，Pb2+的溶出峰電流值變化不大。這是因為Pb2+在修飾電極表面的吸附已逐漸趨于飽和。因此，本文采用120 s作為最佳富集時間。

2.4 不同濃度Pb2+的檢測

用上述制備好的L-Cys/CdTe/GE傳感器通過差分脈沖陽極溶出伏安法檢測不同濃度的Pb2+,以pH 5.0的0.2 mol/L HAc-NaAc緩沖液作為支持電解質(zhì)。實(shí)驗結(jié)果顯示，Pb2+的伏安峰強(qiáng)度隨其濃度的增加而增強(qiáng)。且在1.0×10-6～1.0×10-2mol/L濃度范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系。其線性方程為Ip=-1.159 lg[c(Pb2+)]-14.56，r2=0.993 8，檢出限(3σ,n)為4.0×10-7mol/L 。

2.5 修飾電極的重現(xiàn)性與穩(wěn)定性

為了考察修飾電極的重現(xiàn)性，在相同條件下制備兩組L-Cys/CdTe/GE傳感器(每組5個)，分別檢測濃度為1.0×10-6mol/L和1.0×10-2mol/L的Pb2+溶液，在相同條件下進(jìn)行差分脈沖陽極溶出伏安檢測。結(jié)果表明，測得每組傳感器的峰電流相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為5.3%和5.5%，表明該傳感器有較好的重現(xiàn)性。另外，在1周內(nèi)測定其對1.0×10-6mol/L Pb2+溶液的差分脈沖溶出伏安響應(yīng)，測得溶出電流的平均值為-8.887 μA,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為4.3%，說明該修飾電極有良好的穩(wěn)定性。

2.6 干擾實(shí)驗

在相同的實(shí)驗條件下考察L-Cys/CdTe/GE傳感器對Pb2+檢測的選擇性，對濃度為1.0×10-4mol/L的Pb2+溶液進(jìn)行干擾實(shí)驗。若干擾物引起 Pb2+響應(yīng)信號的變化不超過 10%,則認(rèn)為該物質(zhì)對Pb2+的測定無干擾。實(shí)驗結(jié)果表明：15倍的Cd2+，Hg2+及100倍的Ca2+，Cu2+，Zn2+，Cr3+對Pb2+的測定無干擾。

2.7 實(shí)際水樣中Pb2+的測定

采用標(biāo)準(zhǔn)加入法將L-Cys/CdTe/GE傳感器用于實(shí)際水樣中Pb2+的測定。取10 mL自來水加至等量的HAc-NaAc緩沖液中，測定其溶出峰電流，再向溶液中加入4 μL 5.0×10-2g/L 的Pb2+標(biāo)準(zhǔn)溶液。該方法測得水樣中Pb2+的濃度為10.0 μg/L，與原子吸收分光光度法(GB7475-87)的測定結(jié)果(9.88 μg/L)相差不大[21]。

3 結(jié) 論

本文成功制備了MPA-CdTe，并將其通過化學(xué)鍵作用負(fù)載于修飾有L-半胱氨酸的金電極表面，得到L-Cys/CdTe/GE傳感器，探究了傳感器修飾材料的最優(yōu)化組裝時間。初步考察了L-Cys/CdTe修飾電極對Pb2+的電化學(xué)行為，實(shí)驗結(jié)果表明，Pb2+在1.0×10-6～1.0×10-2mol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，檢出限達(dá)4.0×10-7mol/L。該傳感器具有制備簡單、成本低、重現(xiàn)性良好等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際水樣檢測中具有很大應(yīng)用空間。

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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

天津市自然科學(xué)基金(11JCZDJC22300,13JCQNJC02600)；天津市外國專家局引智項目(Y2012061)

O657.1;O614.433

A

1004-4957(2017)04-0524-05

*通訊作者：許世超，博士，副教授，研究方向：電化學(xué)傳感器，Tel：022-83955112，E-mail:xushichao@tjpu.edu.cn