基于氮硫摻雜的石墨烯量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光傳感器的構(gòu)建及檢測銅離子的研究

王 琪，李 超，張召香

（光電傳感與生命分析教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省生化分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島科技大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，山東 青島266042）

銅是人體必需的微量元素之一，但若攝入過量則會造成消化系統(tǒng)功能紊亂等不良影響。Cu2+作為環(huán)境污染物廣泛存在于工業(yè)廢水中，如果處理不當(dāng)則可在生物體內(nèi)積累造成銅含量超標(biāo)。因此，研究一種靈敏、快速的Cu2+檢測方法具有重要意義。目前，對Cu2+的檢測有分光光度法［1］、熒光法［2－3］等。

隨著納米技術(shù)的發(fā)展，納米粒子因比表面積大、易合成、穩(wěn)定性良好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于分析檢測領(lǐng)域［4－5］。量子點(diǎn)以其獨(dú)特的熒光特性和尺寸可調(diào)的光學(xué)特性在熒光及化學(xué)發(fā)光檢測方面具有極大優(yōu)勢。前期工作中，本課題組利用胺分子對CdSe量子點(diǎn)電化學(xué)發(fā)光（ECL）的增強(qiáng)作用，采用CdSe量子點(diǎn)構(gòu)建了ECL傳感器用于豬肉樣品中瘦肉精的檢測［6］。但由于半導(dǎo)體量子點(diǎn)的毒性較大，近年來石墨烯量子點(diǎn)（GQDs）受到越來越多的關(guān)注。GQDs是一類具有獨(dú)特光電子性能的納米材料，與傳統(tǒng)半導(dǎo)體量子點(diǎn)相比，其具有更優(yōu)的水溶性和生物相容性，且綠色無毒，常用作信號放大器來構(gòu)建ECL傳感器［7］。但由于GQDs量子產(chǎn)率低，限制了其在微分析和超微分析中的應(yīng)用，通常引入N、S、B等元素對其進(jìn)行修飾以調(diào)節(jié)GQDs的內(nèi)在性能［8］。Li等［9］以石墨棒和對甲苯磺酸鈉為原料，電解法合成了硫摻雜的石墨烯量子點(diǎn)，改變了GQDs的電子性質(zhì)和表面電化學(xué)活性。Chen等［10］通過切割氮摻雜氧化石墨烯合成了具有雙電位ECL響應(yīng)的氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)，并通過對比不同激發(fā)電位下ECL強(qiáng)度的比值實(shí)現(xiàn)了對Co2+的定量檢測。曲丹等［11］報道了一種簡單的水熱法合成氮硫摻雜石墨烯量子點(diǎn)（N，S－GQDs），量子產(chǎn)率高達(dá)71%。然而，目前關(guān)于N，S－GQDs的研究主要集中在光催化和光致發(fā)光方面［12］，對其ECL性質(zhì)的研究尚未見文獻(xiàn)報道。

本文通過一步溶劑熱法合成了N，S－GQDs，并以殼聚糖為連接劑，構(gòu)建了新型的N，S－GQDs ECL傳感器用于Cu2+的檢測。在GQDs中摻雜S使其表面引入更多缺陷中心，增強(qiáng)其電子捕獲能力，使其ECL信號得到極大增強(qiáng)；摻雜N則顯著改變其電化學(xué)特性，通過引入氨基，增強(qiáng)了量子點(diǎn)對Cu2+的吸附，從而實(shí)現(xiàn)了對Cu2+的快速、靈敏檢測。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

MPI－A型電化學(xué)發(fā)光檢測系統(tǒng)（西安瑞邁分析儀器有限公司）；三電極系統(tǒng)：直徑4 mm金電極為工作電極，甘汞電極為參比電極，鉑絲電極為對電極；pHSJ－4A型酸度計（上海精密科學(xué)儀器有限公司）；H7100透射電子顯微鏡（日本Hitachi公司）；紫外可見光譜儀（美國Perkin Elemr公司）；FT－IR 6600傅里葉變換紅外光譜儀（江蘇天瑞儀器有限公司）。

硫脲、檸檬酸（阿拉丁試劑有限公司）；磷酸二氫鈉、NaOH（中國醫(yī)藥集團(tuán)上海化學(xué)試劑公司）；HCl、N，N－二甲基甲酰胺（DMF，99.5%，Sigma公司）；上述試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

1.2 N，S－GQDs ECL傳感器的制備

基于文獻(xiàn)對N，S－GQDs的制備進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)［12］，N，S－GQDs的制備示意圖如圖1A所示：將0.192 g檸檬酸與0.228 g硫脲分散于8 mL DMF中，超聲30 min后使其完全溶解，轉(zhuǎn)移至10 mL四氟乙烯為內(nèi)襯的不銹鋼反應(yīng)釜中，密封后置于烘箱，180℃反應(yīng)8 h，冷卻至室溫，用無水乙醇離心洗滌3次，用分子量1 000 Da的透析袋純化處理2 d，放入真空干燥箱60℃烘干24 h即得。其中硫脲不僅提供N和S，還作為鈍化劑構(gòu)造邊緣官能團(tuán)—NH2。

N，S－GQDs ECL傳感器的制備：將金電極依次用0.3 μm和0.05 μm Al2O3粉在拋光布上打磨光亮，然后在乙醇、水中分別超聲5 min，晾干。在電極表面滴加4 μL殼聚糖溶液，汞燈照射5 min，再在電極表面滴涂4 μL N，S－GQDs，汞燈照射5 min，即可將N，S－GQDs修飾至金電極表面（見圖1B）。將修飾電極放入檢測池中，與Ag/AgCl參比電極、鉑絲對電極組成三電極系統(tǒng)，進(jìn)行ECL研究。

圖1 N，S－GQDs（A）及N，S－GQDs ECL傳感器（B）的制備Fig.1 Preparation of N，S－GQDs（A）and N，S－GQDs ECL sensor（B）Tu：thiourea（硫脲）；CA：citric acid（檸檬酸）；CS：chitosan（殼聚糖）

1.3 Cu2+的測定

在檢測池中加入60 mmol/L pH 7.5的Tris－HCl緩沖溶液和50 mmol/L S2O82－共反應(yīng)劑。設(shè)置初始電位為0 V，循環(huán)伏安掃描范圍為－1.7～0 V，掃描速率為100 mV/s，光電倍增管高壓設(shè)定為600 V。加入Cu2+后，根據(jù)N，S－GQDs ECL信號的降低值（ΔI=I0－I）進(jìn)行定量分析，其中I0為無Cu2+存在下的ECL強(qiáng)度，I為Cu2+存在下的ECL強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 N，S－GQDs的表征

采用透射電鏡對N，S－GQDs進(jìn)行表征，結(jié)果如圖2A所示，所制得的N，S－GQDs分散度較好，粒徑均勻，分布在4～6 nm。插圖為N，S－GQDs的高分辨透射電鏡圖，可清晰觀察到N，S－GQDs的晶格，且晶格間距為0.23 nm，與石墨烯晶格一致［13］。

圖2 B為N，S－GQDs的紫外可見光譜，由圖可見，N，S－GQDs在350、460、580 nm處有明顯的吸收峰，分別對應(yīng)于C====O的n－π*躍遷、C====N的n－π*躍遷和C====S的n－π*躍遷。圖2C為N，S－GQDs的紅外光譜圖，其中3 050～3 500 cm－1處的寬吸收帶由N―H和O―H的伸縮振動引起，1 750 cm－1為C====O的特征吸收峰，表明氨基成功接入量子點(diǎn)表面，且量子點(diǎn)表面存在大量的羥基和羧基。2 750 cm－1為S―H的特征吸收峰，1 000～1 500 cm－1處的寬吸收帶由C―N、C―S伸縮振動引起，2 100 cm－1為C≡N的特征吸收峰，說明N和S不僅在石墨烯量子點(diǎn)的表面起官能團(tuán)作用，還摻雜進(jìn)入碳骨架中。

圖2 N，S－GQDs的透射電鏡圖（A）、紫外可見光譜（B）及傅里葉紅外光譜（C）Fig.2 TEM image（A），UV－vis absorption spectrum（B）and FT－IR spectrum（C）of N，S－GQDs

2.2 N，S－GQDs ECL傳感器的性能研究

就ECL傳感體系而言，強(qiáng)而穩(wěn)定的發(fā)光強(qiáng)度至關(guān)重要。研究了不同量子點(diǎn)修飾電極在50 mmol/L K2S2O8中的ECL強(qiáng)度，由圖3可以看出，與裸金電極（曲線1）和GQDs修飾電極（曲線2）相比，N－GQDs修飾電極（曲線3）和S－GQDs修飾電極（曲線4）的ECL強(qiáng)度均有明顯增強(qiáng)，而N，S－GQDs修飾電極（曲線5）的ECL強(qiáng)度更是得到極大增強(qiáng)。這是因?yàn)樵贕QDs中摻雜N會顯著改變其電化學(xué)特性，而摻雜S則會使其表面引入更多缺陷中心，增強(qiáng)其捕獲電子的能力，二者均會使其ECL信號大大增強(qiáng)。

圖3 不同電極在50 mmol/L K2S2O8中的ECL強(qiáng)度對比圖Fig.3 Comparison of ECL intensities of different electrodes in 50 mmol/L K2S2O8solution

在N，S－GQDs的ECL體系中加入Cu2+后，N，SGQDs的ECL信號明顯下降，表明Cu2+對N，S－GQDs的ECL有較強(qiáng)的抑制作用。Cu2+對N，S－GQDs ECL的抑制機(jī)理推測如下：

當(dāng)無Cu2+存在時，在K2S2O8作為共反應(yīng)劑的條件下，N，S－GQDs的ECL機(jī)理（見圖4A）為：

在一定的外電壓下，N，S－GQDs得到電子還原為N，S－GQDs·－，S2O82－得到電子還原為SO4·－，SO4·－具有強(qiáng)氧化性，迅速將附近的N，S－GQDs·－氧化為激發(fā)態(tài)的N，SGQDs*，而激發(fā)態(tài)的N，S－GQDs*躍遷到基態(tài)時發(fā)出光信號。

當(dāng)在N，S－GQDs的ECL體系中加入Cu2+后，ECL信號明顯下降，這是因?yàn)榘被倌軋F(tuán)對Cu2+具有很強(qiáng)的絡(luò)合能力［14］，加入的Cu2+會迅速擴(kuò)散到N，S-QDs修飾電極表面，因此N，S－GQDs表面的—NH2能夠捕獲溶液中的Cu2+發(fā)生絡(luò)合作用而形成穩(wěn)定的銅胺絡(luò)合物（見圖4B），而這種絡(luò)合物在循環(huán)掃描過程中不能被還原為N，SGQDs·-，使能生成激發(fā)態(tài)的N，S－GQDs減少，從而造成了ECL信號的降低。Cu2+濃度越大，與其結(jié)合的N，S－GQDs越多，ECL信號降低程度越大。因此，可以根據(jù)N，S－GQDs ECL的降低程度對Cu2+進(jìn)行定量檢測。

圖4 N，S－GQDs ECL傳感器的發(fā)光原理（A）及Cu2+對N，S－GQDs的ECL猝滅機(jī)理示意圖（B）Fig.4 ECL principle of N，S－GQDs ECL sensor（A）and schematic diagram for the ECL of N，S－GQDs quenched by Cu2+（B）

2.3 實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

2.3.1 緩沖溶液pH值的選擇研究了不同濃度的Tris－HCl、磷酸鹽、BR緩沖溶液對N，S－GQDs ECL行為的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，N，S－GQDs在3種緩沖液中均有ECL行為，但在60 mmol/L Tris－HCl緩沖液中的發(fā)光強(qiáng)度最強(qiáng)且最穩(wěn)定。進(jìn)一步研究了緩沖溶液pH值對N，S－GQDs ECL強(qiáng)度的影響（如圖5），結(jié)果顯示N，S－GQDs的ECL強(qiáng)度受pH的影響較大，當(dāng)pH較低時，N，S－GQDs的表面基團(tuán)在酸性條件下發(fā)生變化，部分—NH2帶上正電荷從而影響量子點(diǎn)的ECL強(qiáng)度，隨著pH值的增大，ECL強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，當(dāng)pH值增至7.5時，ECL強(qiáng)度達(dá)到最大值，繼續(xù)增大pH值，由于Cu2+在堿性范圍內(nèi)發(fā)生水解，導(dǎo)致ECL強(qiáng)度降低，因此實(shí)驗(yàn)選擇pH 7.5的60 mmol/L Tris－HCl作為最佳緩沖溶液。

圖5 緩沖液pH值對ECL強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of buffer pH value on ECL intensity

2.3.2 共反應(yīng)劑濃度的選擇研究了不同濃度（20、30、40、50、60、70、80 mmol/L）共反應(yīng)劑S2O2-8對N，S－GQD的ECL強(qiáng)度的影響。結(jié)果顯示，當(dāng)緩沖溶液中的濃度從20 mmol/L增至50 mmol/L時，N，S－GQD的ECL信號逐漸增強(qiáng)，當(dāng)?shù)臐舛葹?0 mmol/L時，ECL強(qiáng)度達(dá)最大值，繼續(xù)增大的濃度，則會導(dǎo)致ECL強(qiáng)度降低。因此，實(shí)驗(yàn)選擇的最佳濃度為50 mmol/L。

2.4 線性范圍與檢出限

在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，利用新構(gòu)建的N，S－GQDs ECL傳感器對不同濃度Cu2+進(jìn)行測定。結(jié)果顯示，隨著Cu2+濃度的增大，N，S－GQDs的ECL信號降低，且ECL信號的降低值（ΔI）與加入的Cu2+濃度（c，μmol/L）在0.01～35 μmol/L范圍內(nèi)呈線性相關(guān)，其回歸方程為ΔI＝171.21c＋53.13，相關(guān)系數(shù)（r）為0.999 1，檢出限（S/N=3）為1.7 nmol/L。

比較了文獻(xiàn)報道的不同量子點(diǎn)ECL傳感器測定Cu2+的線性范圍和檢出限（見表1）。結(jié)果顯示本文所構(gòu)建的N，S－GQDs電化學(xué)發(fā)光傳感體系的檢出限更低，線性范圍更寬。

表1 與測定Cu2+的其它方法的比較Table 1 Comparison with the other methods for determination of copper ion

2.5 傳感器的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性及選擇性

在最優(yōu)條件下，使用N，S－GQDs修飾電極對1 μL 1.0 μmol/L的Cu2+連續(xù)測定10次，其ECL強(qiáng)度值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為0.50%，表明所制備電極具有良好穩(wěn)定性。采用相同方法制備5根電極并進(jìn)行測量，其ECL強(qiáng)度值的RSD為1.6%，表明電極的重現(xiàn)性好。

進(jìn)一步研究所構(gòu)建N，S－GQDs ECL傳感器的抗干擾性能，考察了Cu2+和其它干擾離子存在下體系的ECL強(qiáng)度（圖6），一些金屬離子如Hg2+也可以與N，S－GQDs表面的負(fù)電荷相互作用，但其離子結(jié)合力較弱，結(jié)合親和力不如Cu2+強(qiáng)［17］，因此Hg2+對N，S－GQDs ECL強(qiáng)度的降低程度明顯弱于Cu2+，而其它離子對ECL強(qiáng)度的影響可忽略不計。說明所構(gòu)建的N，S－GQDs ECL傳感器對Cu2+具有良好的選擇性。

圖6 N，S－GQDs ECL傳感器的選擇性Fig.6 Selectivity of N，S－GQDs ECL sensors

2.6 污水樣品的分析

取10 mL污水樣品，以8 000 r/min離心10 min，上清液經(jīng)微孔濾膜（0.45 μm）過濾。在濾液中分別添加5、10、20 μmol/L 3個濃度水平的銅離子，在優(yōu)化條件下進(jìn)行測定，每個加標(biāo)水平做3次平行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。測得Cu2+的回收率為96.9%～99.7%，RSD為0.90%～1.2%，說明該方法準(zhǔn)確、可靠。

表2 Cu2+在廢水樣品中3個水平下的加標(biāo)回收率及相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（n=3）Table 2 Spiked recoveries and RSDs of Cu2+at three spiked levels in wastewater sample（n=3）

3 結(jié)論

本文合成了成本低、穩(wěn)定性高的N，S－GQDs，相比于純GQDs，電化學(xué)發(fā)光信號得到極大增強(qiáng)，并利用殼聚糖的吸附作用將其固定在金電極上，基于Cu2+對N，S－GQDs ECL強(qiáng)度的降低作用，制備了一種定量分析檢測Cu2+的N，S－GQDs ECL傳感器。此方法的抗干擾性強(qiáng)，對檢測Cu2+表現(xiàn)出很高的靈敏度（檢出限低至1.7 nmol/L）以及較寬的檢測范圍。該研究為實(shí)際樣品中重金屬離子的快速檢測做了鋪墊，拓寬了納米材料在電化學(xué)發(fā)光傳感領(lǐng)域中的應(yīng)用。