納米顆粒修飾電極的電致化學發(fā)光行為

冉紅+江平+鄭保戰(zhàn)+袁紅雁+蔡明發(fā)+肖丹

摘 要 本研究合成了一種疏水性的共反應劑N，N，N′，N′-四丙基-戊二胺（TPPD），并將TPPD和疏水型的釕配合物[Ru（bpy）3][4-（Clph）4B]2同時固定在氧化銦錫（ITO）電極表面，構建了一種固相電致化學發(fā)光（ECL）傳感器。由于TPPD的疏水性，使得它在水相溶液中不容易從ITO電極表面脫落，因此增強了ECL電極的穩(wěn)定性。該修飾ITO電極顯示出較強的、穩(wěn)定的ECL信號，0.1 mmol/L苯酚對此電極的ECL信號的的猝滅效率達到95.4%，表明其在檢測環(huán)境中苯酚類化合物的潛在應用價值。還考察了TPPD/[Ru（bpy）3][4-（Clph）4B]2修飾的ITO電極電致化學發(fā)光的暫態(tài)反應，發(fā)現(xiàn)其暫態(tài)下的發(fā)光壽命明顯長于傳統(tǒng)TPA溶液體系。

關鍵詞 電致化學發(fā)光；共反應劑；N，N，N′，N′-四丙基-戊二胺；暫態(tài)

1 引 言

電致化學發(fā)光（ECL）因具有可控性好、設備簡單、背景信號低等優(yōu)點而備受關注[1]。ECL反應是指通過對電極施加一定的電壓，在電極表面產生化學發(fā)光反應的中間體，這些中間體之間或與體系中其它物質之間（如共反應劑）通過電子傳遞形成激發(fā)態(tài)，由激發(fā)態(tài)返回基態(tài)而產生的發(fā)光現(xiàn)象[2]。在所有的ECL體系中，聯(lián)吡啶釕（Ru（bpy）2+3）體系由于具有良好的穩(wěn)定性和高的靈敏度等優(yōu)點成為應用最為廣泛、研究最為活躍的一類ECL體系[3]。Ru（bpy）2+3體系常應用在流動注射[4]、DNA分析[5]、激光[6]、光學研究[7]、化學傳感[8]、毛細管電泳[9]、芯片電泳[10]和色譜[11]等研究中。

有別于傳統(tǒng)的光學檢測技術， ECL的發(fā)光反應發(fā)生在電極表面，因此減少活性物質在電極表面的消耗就顯得極為重要[12-14]。到目前為止，研究者嘗試了許多Ru（bpy）2+3的固定方法。利用Langmuir-Blodgett技術Zhang [15]和Sawaguchi[16]分別將聯(lián)吡啶釕的表面活性劑類衍生物Ru（bpy）2（bpy-C19）

2+和Ru（bpy）2（nbbpy）2+固定到電極表面。自組裝膜技術具有易制備、穩(wěn)定性好、能預先進行表面設計等特點，因而在電化學和電分析化學基礎研究和應用領域受到廣泛關注[17]。另外，陽離子交換膜（如Nafion膜）也被用來固載Ru（bpy）2+3[18，19]。研究者向Nafion膜中加入一些功能性材料，如SiO2[20]，TiO₂[21～23]等，進一步改善了Nafion膜的固載性能。納米顆粒由于具有大的比表面積成為固載Ru（bpy）2+3的良好載體，比如將Ru（bpy）2+3摻雜到SiO2納米顆粒中， 然后再將復合膜通過靜電吸附自組裝到電極表面[24，25]。本研究組前期工作中，發(fā)展了一種簡單地將Ru（phen）2+3衍生物固載到ITO電極上的方法[26]， 以及將[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2固載于金電極表面的方法[27]。然而已報道的這些固載方法大多只是著重于固載發(fā)光劑釕配合物，對于固載共反應劑的方法卻鮮有報道。目前，ECL研究中仍是將共反應劑直接加入到背景電解質中，這使得共反應劑在反應過程中被大量浪費，會對人體健康和環(huán)境造成損害?；诖?，本研究合成了一種新型共反應劑N，N，N′，N′-四丙基-戊二胺（TPPD），實現(xiàn)了其與發(fā)光物質Ru（bpy）2+3在ITO電極表面的共同固載，有效減少了共反應劑在ECL反應過程中的消耗，同時加快了Ru（bpy）2+3-TPPD體系的ECL反應速率。實驗表明， 0.1 mmol/L苯酚對此修飾電極的ECL信號猝滅率達到了95.4%。研究了TPPD/[Ru（bpy）3][4-（Clph）4B]2修飾的ITO電極電致化學發(fā)光的暫態(tài)反應，發(fā)現(xiàn)其暫態(tài)的發(fā)光壽命明顯長于傳統(tǒng)的共反應劑體系（如TPA）。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

MPI-E電致化學發(fā)光分析儀（西安瑞邁公司）；AS2060B超聲清洗儀（天津奧特賽恩斯儀器有限公司）；HitachiS-4800場致發(fā)射掃描電子顯微鏡（日本日立公司）。實驗采用三電極系統(tǒng)：TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修飾的ITO電極作為工作電極，Ag/AgCl（飽和KCl溶液）作為參比電極，鉑絲作為對電極。

Ru（bpy）3Cl2·6H2O（99%，F(xiàn)luka化學試劑公司）；1，5-二溴-戊烷（98%，J&K化學公司）；二丙胺（TPA，99%，阿爾法化學公司）；K[4-（Clph）4B]（98%，阿爾法化學公司）；其余試劑均為分析純，實驗用水為二次蒸餾水。

2.2 共反應劑N，N，N′，N′-四丙基-戊二胺（TPPD）的合成

以40 mL四氫呋喃（THF）溶解0.3 mol 二丙胺，冰浴冷卻，緩慢加入12 g NaH，加熱回流，然后再緩慢滴加溶有30 mmol 1，5-二溴戊烷的THF溶液，繼續(xù)回流反應27 h。反應結束后，將反應液冷卻至室溫，加入水去除未反應完的NaH，旋干THF。殘留物加入二氯甲烷進行萃取，將萃取液進行減壓蒸餾，收取140 ℃下的產物，經NMR表征（1H NMR CD3Cl δppm： 0. 865（t， 12H）；1.265（m， 2H）；1.440（t， 12H）； 2.355（m， 10H））表明得到的產物為TPPD，其結構如圖1所示。

2.3 [Ru（bpy）3][4-（Clph）4B]2的制備

利用復分解方法制備[Ru（bpy）3][4-（Clph）4B]2：將0.1239 g Ru（bpy）3Cl2·6H2O溶解在50 mL水中，另取0.1424 g K[4-（Clph）4B]溶于適量無水乙醇中，在攪拌條件下加入到Ru（bpy）2+3溶液中，待溶液變渾濁并出現(xiàn)沉淀，將沉淀過濾，依次用乙醇、水充分洗滌，然后在紅外燈下烘干備用。[Ru（bpy）3][4-（Clph）4B]2結構如圖2所示[27]。endprint

2.4 修飾電極的制備

將氧化銦錫（ITO）導電玻璃依次用肥皂水、丙酮、去離子水超聲洗滌，干燥后以絕緣硅橡膠劃分出涂覆區(qū)域（10 mm×10 mm），于室溫下干燥備用。配制0.5 g/L [Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2的丙酮溶液，加入適量TPPD。取30 μL上述溶液滴涂在備用的ITO電極上，使丙酮自然揮發(fā)，得到TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修飾的ITO電極，其涂覆面積為10 mm×10 mm。

3 結果與討論

3.1 TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修飾ITO電極的制備和表征

TPPD是含有四個丙基的戊二胺衍生物，具有很強的疏水性。 [Ru（bpy）]2+與[4-Clph）4B]結合形成疏水性的[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2。TPPD和[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2均不溶于水，易溶于有機溶劑如丙酮、乙腈等。將30 μL TPPD和[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2的丙酮溶液滴涂到ITO電極上，待丙酮揮發(fā)后，在電極表面形成TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2納米顆粒，并固定在電極表面。

圖3為ITO修飾電極的SEM圖，可以觀察到電極上固定的TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2納米顆粒。同時還觀察到加入TPPD后，[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2納米顆粒呈球形，并破裂為半球型，部分半球顯示其結構為空心（如圖 3b中紅圈中），直徑（500 ± 60）nm。推測這種形狀增大了電化學反應中納米顆粒的比表面積。

將TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修飾的ITO電極、[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修飾的ITO電極電極和裸ITO電極在[Fe（CN）6]3/4

中進行循環(huán)伏安掃描，結果如圖4所示，3個電極都出現(xiàn)了可逆的氧化還原峰。[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修飾的ITO電極的氧化還原峰間距為317 mV，與裸ITO電極相比，增大約60 mV。 TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修飾的ITO電極的氧化還原峰間距比于[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2 修飾的ITO電極有所減小，并與裸ITO電極的大致相同，說明加入TPPD后的納米修飾電極的可逆性得到提高。

3.2 TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修飾ITO電極的ECL性質

圖5顯示了TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修飾的ITO電極在0.15 mol/L磷酸鹽緩沖液中掃速為100 mV/s時的ECL和CV行為，沒有明顯的[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2氧化還原峰出現(xiàn)。當掃描電位達到1.0 V時，ECL信號開始上升，隨著掃描電位的增大，在1.2 V處，ECL強度達到最大。如圖6所示，TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修飾的ITO電極在連續(xù)掃描10圈后ECL發(fā)現(xiàn)其ECL強度比TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修飾的ITO電極低，并且極不穩(wěn)定，陽極峰電流隨著掃描圈數(shù)的增加而降低。當掃描到第三圈時，不能觀察到明顯的ECL信號（圖7），這是因為正電位下Ru（bpy）2+3的氧化速率大于還原速率，使電極表面產生的Ru（bpy）3+3增加，一方面會抑制Ru（bpy）2+3繼續(xù)氧化；另一方面，沒有還原性的共反應劑使Ru（bpy）3+3不能及時生成Ru（bpy）2+3， 所以光強減弱且信號不穩(wěn)定。當加入TPPD后，還原性的TPPD加速了Ru（bpy）3+3的還原，生成Ru（bpy）2+3*的速率加快，使ECL強度顯著提高，同時能及時補充被氧化的Ru（bpy）2+3，因此，TPPD的引入不但能增強[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2的ECL強度，而且能穩(wěn)定其ECL信號。

根據(jù)Ru（bpy）2+3的共反應劑ECL機理[5]，推測TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2體系的電致化學發(fā)光機理，如圖8所示。當對電極施加一定的電位時，[Ru（bpy）3]2+在電極表面被氧化成為[Ru（bpy）3]3+，（C 7）2N（CH2）5N（C 7）2在電極表面被氧化成為（C 7）2N+·（CH2）5N（C 7）2和（C 7）2N+·（CH2）5N+·（C 7）2，氧化產物脫去質子形成具有強還原性的自由基中間體（C 7）2N·CH（CH2）4N（C 7）2和（C 7）2N·CH（CH2）3CHN·（C 7）2。[Ru（bpy）3]3+分別與

（C 7）2N·CH（CH2）4N（C 7）2和（C 7）2N·CH（CH2）3CHN·（C 7）2發(fā)生電子傳遞反應，形成激發(fā)態(tài)的[Ru（bpy）3]2+*。[Ru（bpy）3]2+*回到基態(tài)放出光子。反應過程如下[5]：

[Ru（bpy）3]2+[Ru（bpy）3]3+ + e（C7）2N（CH2）5N（C 7）2（C 7）2N+·（CH2）5N（C 7）2 + e

（C 7）2N+·（CH2）5N（C 7）2（C 7）2N·CH（CH2）4N（C 7）2+ H+ [Ru（bpy）3]3+ +

（C 7）2N·CH（CH2）4N（C 7）2[Ru（bpy）3]2+* + （C 7）2N+=CH（CH2）4N（C 7）2

另一種可能的反應過程為：

（C 7）2N（CH2）5N（C 7）2（C 7）2N+·（CH2）5N +·（C 7）2 + 2e（C 7）2N+·（CH2）5N +·（C 7）2（C 7）2N·CH（CH2）3CHN·（C 7）2 + 2H+endprint

2[Ru（bpy）3]3+ + （C 7）2N·CH（CH2）3CHN·（C 7）2

2[Ru（bpy）3]2+* +（C 7）2N+=CH（CH2）3CH=N+（C 7）2

最終的反應為：

3.3 ECL實驗條件優(yōu)化

考察了TPPD濃度對TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修飾的電極的ECL性質的影響。固定[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2的濃度為0.5 g/L，當TPPD的濃度在20～80 mmol/L范圍內變化時，如圖9所示，發(fā)現(xiàn)隨著TPPD濃度的增加，修飾電極的ECL信號增強。進一步增加TPPD濃度時，ECL強度改變不大。因此，在后續(xù)的實驗中選擇TPPD的濃度為80 mmol/L。

掃描速度對TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修飾電極的ECL的影響如圖10所示?？梢奅CL強度隨著掃速的增大而減小，當掃描速度從50 mV/s增大到150 mV/s時，ECL強度急劇下降；當掃描速度從150 mV/s增大到400 mV/s時，ECL強度的減小趨于平緩。結果表明，TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修飾電極的ECL反應受電極表面的活性物質的擴散控制。掃描速度為50 mV/s時，ECL發(fā)光強度最大，但是此時ECL信號不穩(wěn)定，因此在后續(xù)實驗中選擇100 mV/s為最佳掃描速度。

ECL反應與pH值密切相關，不同pH值下TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修飾電極ECL強度的影響如圖11所示。在pH 4.0～7.5范圍內，ECL強度隨pH值的增大而增強；當pH>7.5，ECL強度隨pH值的增加而急劇下降。當pH<4.0或pH>8.5時，ECL信號不明顯。這主要是由于胺類物質電化學發(fā)光機理涉及離子自由基中間體的脫質子過程[29，30]。弱堿環(huán)境對TPPD的去質子化有利，但是在強堿環(huán)境下，OH濃度的增加促進了TPPD的水解，導致ECL強度的降低。因此本研究選擇pH=7.5。

3.4 苯酚的檢測

苯酚類化合物是很重要的醫(yī)學類物質同時也是一種毒性較強對環(huán)境具有污染性的物質。它的濃度的測定對環(huán)境監(jiān)測具有重要意義。已有的研究結果表明，酚類化合物對Ru（bpy）2+3體系的ECL信號有猝滅作用[31，32]?？疾炝吮椒訉PPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修飾ITO電極的ECL響應的猝滅作用。在優(yōu)化的實驗條件下，依次加入不同濃度的苯酚溶液，結果表明隨著苯酚濃度的增加，修飾電極的ECL強度隨之逐漸減弱，如圖12所示。猝滅的機理相似于Ru（bpy）2+3-TPA體系的苯酚猝滅機理，主要是由于在電極表面激發(fā)態(tài)的[Ru（bpy）3]2+*的能量轉移到了苯酚[33，34]。

猝滅效率定義為（I0-I）/I0，其中I0代表不含有苯酚時的ECL強度，I代表加入苯酚后的ECL強度。當苯酚濃度為1.0和0.1 mmol/L時的猝滅效率分別為22.6%和95.4%。當苯酚濃度為0.1 mmol/L時，修飾電極的ECL信號基本被猝滅，表明TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修飾電極在苯酚的檢測中具有潛在的應用價值。

3.5 電致化學發(fā)光暫態(tài)過程

當ECL體系外界條件改變時，電極會從一個穩(wěn)態(tài)向另一個穩(wěn)態(tài)轉變，其間經歷一個不穩(wěn)定、電化學參量顯著變化的過渡階段， 就是暫態(tài)過程。Baldo 等[35，36]運用有機光致發(fā)光暫態(tài)分析有機客主分子體系磷光的湮滅， Gong 等[37]將這種方法應。用于四芳基硅烷光致發(fā)光的研究中。但是，關于電致化學發(fā)光的暫態(tài)過程的研究還鮮有報道。本實驗研究了TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修飾電極的電致化學發(fā)光暫態(tài)過程，在體系任意發(fā)光電位時候停止施加電壓，切斷工作電極回路和對電極回路時同步開始檢測暫態(tài)過程光強。結果表明，在切斷電流后，發(fā)光并沒有立即消失，而是持續(xù)了一段較短的時間。如圖13所示，暫態(tài)的發(fā)光壽命約是穩(wěn)態(tài)時的兩倍，這可能是由于在斷開電流后仍然有[Ru（bpy）3]3+、（C 7）2N·（CH2）5N（C 7）2和（C 7）2N·（CH2）5N·（C 7）2存在于電極表面，并且相互作用生成[Ru（bpy）3]2+*，而導致發(fā)光同時還研究了不同TPA濃度下的[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2 PA體系的暫態(tài)過程。當斷開電流后，發(fā)光沒有立即消失，但是穩(wěn)態(tài)時的發(fā)光壽命明顯高于暫態(tài)時的發(fā)光壽命，結果如圖14所示。這表明當電流斷開時，TPA·仍然存在但是卻快速的脫離了電極表面。這兩種體系在暫態(tài)上的區(qū)別可能是由于TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2體系中的共反應劑TPPD是固定在電極表面不易脫落，而[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2 PA體系的共反應劑TPA是溶解在緩沖液中的，當斷開電流后， TPA·不易在電極表面聚集。

4 結 論

本研究利用一種簡單的方法將TPPD和[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2同時固定到ITO電極的表面， 構建固相ECL傳感器。TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修飾的ITO電極顯示出了優(yōu)良的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性和較低的背景噪聲，在進行ECL反應時大大減少了共反應劑的消耗，同時降低了對環(huán)境的危害。苯酚對此修飾電極的ECL信號有明顯的淬滅作用，0.1 mol/L苯酚的猝滅效率達到了95.4%，可望用于苯酚的檢測。對TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修飾的ITO電極的電致化學發(fā)光暫態(tài)過程進行了初步研究，發(fā)現(xiàn)其暫態(tài)的發(fā)光壽命明顯比傳統(tǒng)的共反應劑體系TPA體系的發(fā)光壽命長。

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