基于摻雜型石墨烯量子點(diǎn)構(gòu)建關(guān)—開型電化學(xué)發(fā)光傳感器連續(xù)檢測

張效偉 -

(青島理工大學(xué)理學(xué)院，山東 青島 266033)

石墨烯量子點(diǎn)(GQDs)是一類具有獨(dú)特光電性能的納米材料，由于具有比表面積大、生物相容性好、毒性低、易于化學(xué)修飾等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于生物成像、藥物傳輸、傳感器、光催化等領(lǐng)域[1-3]。但由于GQDs具有邊緣效應(yīng)和量子限域效應(yīng)，量子產(chǎn)率較低[4]。摻入雜原子能有效改變GQDs的表面性質(zhì)，出現(xiàn)更多的活性位點(diǎn)，提高量子產(chǎn)率[5-6]。Li等[7]制備了硫摻雜的GQDs構(gòu)建熒光傳感器用于Fe3+的選擇性檢測。Chen等[8]制備了硼摻雜的GQDs高靈敏檢測Fe3+。迄今為止，摻雜型GQDs主要用于熒光分析[9]，對其電化學(xué)發(fā)光(ECL)的研究和應(yīng)用較少，而采用GQDs構(gòu)建ECL傳感器連續(xù)分析兩種或兩種以上物質(zhì)的研究尚未見報(bào)道。

鐵和氟均是人體必需的微量元素，F(xiàn)e3+攝入不足會引起缺鐵性貧血、免疫力降低等疾病，F(xiàn)e3+攝入過多則會損害蛋白質(zhì)，不利于細(xì)胞的存活；F-對預(yù)防齲齒和骨質(zhì)疏松具有重要意義，但攝取過量會引起氟中毒。因此高靈敏地測定飲用水中Fe3+和F-具有重要意義。傳統(tǒng)檢測Fe3+和F-的方法主要有分光光度法[10]、熒光法[7-8,11]、核磁共振波譜法[12]等。

試驗(yàn)擬制備氮硫摻雜石墨烯量子點(diǎn)(NS-GQDs)，并將其修飾到金電極上，構(gòu)建發(fā)光強(qiáng)度高、性能穩(wěn)定的電化學(xué)發(fā)光(ECL)傳感器，同時，構(gòu)建關(guān)—開型ECL傳感器連續(xù)檢測Fe3+和F-，并應(yīng)用于飲用水中Fe3+和F-的檢測，旨在為飲用水中微量元素的快速檢測提供一種新方法。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

電化學(xué)發(fā)光檢測儀：MPI-A型，西安瑞邁分析儀器有限公司；

傅立葉變換紅外光譜儀：PE Spectrum 100型，美國珀金埃爾默公司；

紫外可見分光光度計(jì)：UV-3200型，中國美譜達(dá)儀器有限公司；

X射線光電子能譜儀：ESCALAB 250XI型，美國Thermo Fisher Scientific公司；

透射電子顯微鏡：H7100型，日本Hitachi公司；

檸檬酸、硫脲、殼聚糖、無水乙醇：分析純，阿拉丁試劑(上海)有限公司；

N，N-二甲基甲酰胺(DMF)：純度99.5%，北京百靈威科技公司；

MD55-5M透析袋：截留分子量為1 000，北京索萊寶科技有限公司；

硝酸鐵、氟化鈉、磷酸二氫鈉、氫氧化鈉等：分析純，中國醫(yī)藥集團(tuán)上海化學(xué)試劑公司；

試驗(yàn)用水為超純水。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 NS-GQDs的合成 參照文獻(xiàn)[13]并修改。將0.19 g 檸檬酸和0.23 g硫脲溶于8.0 mL DMF中，超聲30 min，轉(zhuǎn)入帶有聚四氟乙烯內(nèi)襯的不銹鋼反應(yīng)釜中，升溫至180 ℃反應(yīng)8 h，自然冷卻至室溫，用乙醇離心洗滌，透析48 h(截留分子量為1 000)，60 ℃真空干燥24 h。

1.2.2 ECL傳感器的制備 將金電極打磨光亮，分別用乙醇、水超聲洗滌，晾干。取4 μL殼聚糖溶液滴涂到金電極表面，室溫干燥，再取10 μL NS-GQDs滴涂到金電極表面，室溫干燥，即可將NS-GQDs修飾到金電極表面。該修飾電極作工作電極、飽和甘汞電極作參比電極、Pt絲電極作輔助電極構(gòu)成三電極系統(tǒng)，放入檢測池，用作ECL傳感器。

1.2.4 猝滅率計(jì)算 淬滅率為猝滅值ΔI在I0中所占百分率，按式(1)計(jì)算淬滅值。

ΔI=I0-I1，

(1)

式中：

ΔI——猝滅值；

I0——NS-GQDs的ECL強(qiáng)度；

I1——加入Fe3+后體系的ECL強(qiáng)度。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理 采用Origin 85軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 NS-GQDs的形貌及結(jié)構(gòu)表征

由圖1可知，NS-GQDs呈球形，分散度較好，粒徑為1～8 nm，平均粒徑4.7 nm，且分布均勻，晶格間距為0.21 nm，與石墨烯晶面結(jié)構(gòu)一致[14]。X射線衍射(XRD)譜圖中2θ在23.3°附近的衍射峰對應(yīng)于石墨烯結(jié)構(gòu)[15]。

圖1 NS-GQDs的TEM、粒徑分布和XRD譜圖Figure 1 TEM images, particle size distribution and XRD pattern of the as-prepared NS-GQDs

圖2 NS-GQDs的XPS全譜及FT-IR圖Figure 2 Full range XPS spectrum of NS-GQDs

2.2 Fe3+和F-對NSGQDs的猝滅—恢復(fù)作用

由圖3可知，NS-GQDs在350 nm處有較強(qiáng)的吸收峰，在460 nm處有較強(qiáng)的熒光發(fā)射。施加外電壓時，NS-GQDs在共反應(yīng)劑的作用下發(fā)出強(qiáng)烈的ECL信號，加入Fe3+后，ECL信號猝滅，再加入F-，ECL信號又明顯增強(qiáng)。

2.3 NSGQDs對Fe3+的識別

由圖4可知，向檢測池中加入Fe3+，隨著Fe3+濃度的增加，體系ECL強(qiáng)度迅速下降，當(dāng)Fe3+濃度達(dá)到900 μmol/L 時，ECL強(qiáng)度降至最低，猝滅率為96.2%。當(dāng)Fe3+濃度為0.1～460.0 μmol/L時，體系的ECL響應(yīng)強(qiáng)度猝滅值與Fe3+濃度呈良好的線性關(guān)系，線性回歸方程為ΔI=11.6c+4.8，線性相關(guān)系數(shù)為0.996 2，檢出限為0.028 μmol/L。

1. NS-GQDs 2. NS-GQDs/Fe3+ 3. NS-GQDs/Fe3+/F-圖3 NS-GQDs的紫外可見光譜、熒光光譜和ECL譜圖Figure 3 UV-Visible absorption spectra, fluorescence spectra and ECL spectra of NS-GQDs

圖4 NS-GQDs在Fe3+溶液中的ECL譜圖Figure 4 ECL spectra of NS-GQDs in the presence ofdifferent concentration of Fe3+

當(dāng)Fe3+濃度為20 μmol/L時，飲用水中可能存在的金屬離子對 ECL強(qiáng)度的影響見表1。由表1可知，所構(gòu)建的ECL傳感器對Fe3+具有良好的選擇性。

2.4 NS-GQDs+Fe3+體系對F-的識別

由圖5可知，隨著F-濃度的增加，體系ECL強(qiáng)度迅速恢復(fù)，當(dāng)F-濃度為9 600 μmol/L時，體系ECL強(qiáng)度接近NS-GQDs的初始值I0。當(dāng)F-濃度為1～5 600 μmol/L時，體系ECL響應(yīng)強(qiáng)度恢復(fù)值與F-濃度呈良好的線性關(guān)系，線性回歸方程為ΔI*=1.03c+47.3，線性相關(guān)系數(shù)為0.992 7，檢出限為0.62 μmol/L。

NS-GQDs+Fe3+體系對F-的選擇性結(jié)果見表2。由表2可知，當(dāng)F-濃度為50 μmol/L時，飲用水中可能存在的陰離子對NS-GQDs+Fe3+體系的ECL強(qiáng)度無顯著影響，說明共存物質(zhì)對F-的檢測無干擾。

NS-GQDs+Fe3+體系中加入F-后ECL強(qiáng)度隨時間的變化如圖6所示。由圖6可知，加入F-后，隨著時間的延長，ECL強(qiáng)度增大，3 min時，ECL強(qiáng)度達(dá)最大值，隨后ECL強(qiáng)度保持不變。說明F-可在3 min時恢復(fù)NS-GQDs+Fe3+體系的ECL強(qiáng)度且在檢測期間ECL信號穩(wěn)定。NS-GQDs對Fe3+和F-經(jīng)過多次重復(fù)識別后，ECL效率損失較小，其識別過程具有較好的可逆性。

表1 金屬離子對NS-GQDs ECL傳感器的影響

圖5 NS-GQDs+Fe3+體系在F-溶液中的ECL譜圖

表2 干擾物質(zhì)對NS-GQDs+Fe3+體系的影響

由表3可知，試驗(yàn)構(gòu)建的基于N,S-GQDs的關(guān)—開型ECL傳感器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)檢測Fe3+和F-，而且具有較低的檢出限和較寬的線性范圍。

圖6 NS-GQDs ECL傳感器連續(xù)檢測Fe3+和F-時ECL強(qiáng)度的改變

表3 Fe3+和F-的測定方法比較

2.5 NSGQDs對Fe3+和F-的識別機(jī)理

2.6 飲用水中Fe3+和F-的檢測

為了驗(yàn)證基于NS-GQDs的關(guān)—開型ECL傳感器在實(shí)際樣品中的應(yīng)用效果，分別測定自來水、某品牌礦泉水和桶裝水中的Fe3+和F-，結(jié)果見表4和表5。Fe3+回收率為90%～106%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)<3%，F(xiàn)-回收率為92%～110%，RSD<4%，表明試驗(yàn)方法準(zhǔn)確可靠，可用于實(shí)際水樣中Fe3+和F-的測定。

圖7 關(guān)—開型ECL傳感器測定Fe3+和F-的機(jī)理

3 結(jié)論

構(gòu)建了基于摻雜型石墨烯量子點(diǎn)構(gòu)建關(guān)—開型電化學(xué)發(fā)光傳感器，基于Fe3+可與氮硫摻雜石墨烯量子點(diǎn)形成配合物引起關(guān)—開型電化學(xué)發(fā)光傳感器猝滅，實(shí)現(xiàn)對Fe3+的定量檢測；基于F-可使氮硫摻雜石墨烯量子點(diǎn)被猝滅的關(guān)—開型電化學(xué)發(fā)光傳感器信號重新恢復(fù)的現(xiàn)象，以氮硫摻雜石墨烯量子點(diǎn)和Fe3+體系作為二次探針用于關(guān)—開型電化學(xué)發(fā)光傳感器增強(qiáng)檢測F-；實(shí)現(xiàn)對飲用水中Fe3+和F-的連續(xù)關(guān)—開—關(guān)檢測，在食品檢測領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。后續(xù)應(yīng)加大對復(fù)雜基體食品檢測研究，提高復(fù)雜基體中量子點(diǎn)的抗污染性能。

表4 水樣中Fe3+的加標(biāo)回收率

表5 水樣中F-的加標(biāo)回收率