纳米颗粒修饰电极的电致化学发光行为

冉红+江平+郑保战+袁红雁+蔡明发+肖丹

摘 要 本研究合成了一种疏水性的共反应剂N，N，N′，N′-四丙基-戊二胺（TPPD），并将TPPD和疏水型的钌配合物[Ru（bpy）3][4-（Clph）4B]2同时固定在氧化铟锡（ITO）电极表面，构建了一种固相电致化学发光（ECL）传感器。由于TPPD的疏水性，使得它在水相溶液中不容易从ITO电极表面脱落，因此增强了ECL电极的稳定性。该修饰ITO电极显示出较强的、稳定的ECL信号，0.1 mmol/L苯酚对此电极的ECL信号的的猝灭效率达到95.4%，表明其在检测环境中苯酚类化合物的潜在应用价值。还考察了TPPD/[Ru（bpy）3][4-（Clph）4B]2修饰的ITO电极电致化学发光的暂态反应，发现其暂态下的发光寿命明显长于传统TPA溶液体系。

关键词 电致化学发光；共反应剂；N，N，N′，N′-四丙基-戊二胺；暂态

1 引 言

电致化学发光（ECL）因具有可控性好、设备简单、背景信号低等优点而备受关注[1]。ECL反应是指通过对电极施加一定的电压，在电极表面产生化学发光反应的中间体，这些中间体之间或与体系中其它物质之间（如共反应剂）通过电子传递形成激发态，由激发态返回基态而产生的发光现象[2]。在所有的ECL体系中，联吡啶钌（Ru（bpy）2+3）体系由于具有良好的稳定性和高的灵敏度等优点成为应用最为广泛、研究最为活跃的一类ECL体系[3]。Ru（bpy）2+3体系常应用在流动注射[4]、DNA分析[5]、激光[6]、光学研究[7]、化学传感[8]、毛细管电泳[9]、芯片电泳[10]和色谱[11]等研究中。

有别于传统的光学检测技术， ECL的发光反应发生在电极表面，因此减少活性物质在电极表面的消耗就显得极为重要[12-14]。到目前为止，研究者尝试了许多Ru（bpy）2+3的固定方法。利用Langmuir-Blodgett技术Zhang [15]和Sawaguchi[16]分别将联吡啶钌的表面活性剂类衍生物Ru（bpy）2（bpy-C19）

2+和Ru（bpy）2（nbbpy）2+固定到电极表面。自组装膜技术具有易制备、稳定性好、能预先进行表面设计等特点，因而在电化学和电分析化学基础研究和应用领域受到广泛关注[17]。另外，阳离子交换膜（如Nafion膜）也被用来固载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，进一步改善了Nafion膜的固载性能。纳米颗粒由于具有大的比表面积成为固载Ru（bpy）2+3的良好载体，比如将Ru（bpy）2+3掺杂到SiO2纳米颗粒中， 然后再将复合膜通过静电吸附自组装到电极表面[24，25]。本研究组前期工作中，发展了一种简单地将Ru（phen）2+3衍生物固载到ITO电极上的方法[26]， 以及将[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2固载于金电极表面的方法[27]。然而已报道的这些固载方法大多只是着重于固载发光剂钌配合物，对于固载共反应剂的方法却鲜有报道。目前，ECL研究中仍是将共反应剂直接加入到背景电解质中，这使得共反应剂在反应过程中被大量浪费，会对人体健康和环境造成损害。基于此，本研究合成了一种新型共反应剂N，N，N′，N′-四丙基-戊二胺（TPPD），实现了其与发光物质Ru（bpy）2+3在ITO电极表面的共同固载，有效减少了共反应剂在ECL反应过程中的消耗，同时加快了Ru（bpy）2+3-TPPD体系的ECL反应速率。实验表明， 0.1 mmol/L苯酚对此修饰电极的ECL信号猝灭率达到了95.4%。研究了TPPD/[Ru（bpy）3][4-（Clph）4B]2修饰的ITO电极电致化学发光的暂态反应，发现其暂态的发光寿命明显长于传统的共反应剂体系（如TPA）。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

MPI-E电致化学发光分析仪（西安瑞迈公司）；AS2060B超声清洗仪（天津奥特赛恩斯仪器有限公司）；HitachiS-4800场致发射扫描电子显微镜（日本日立公司）。实验采用三电极系统：TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修饰的ITO电极作为工作电极，Ag/AgCl（饱和KCl溶液）作为参比电极，铂丝作为对电极。

Ru（bpy）3Cl2·6H2O（99%，Fluka化学试剂公司）；1，5-二溴-戊烷（98%，J&K化学公司）；二丙胺（TPA，99%，阿尔法化学公司）；K[4-（Clph）4B]（98%，阿尔法化学公司）；其余试剂均为分析纯，实验用水为二次蒸馏水。

2.2 共反应剂N，N，N′，N′-四丙基-戊二胺（TPPD）的合成

以40 mL四氢呋喃（THF）溶解0.3 mol 二丙胺，冰浴冷却，缓慢加入12 g NaH，加热回流，然后再缓慢滴加溶有30 mmol 1，5-二溴戊烷的THF溶液，继续回流反应27 h。反应结束后，将反应液冷却至室温，加入水去除未反应完的NaH，旋干THF。残留物加入二氯甲烷进行萃取，将萃取液进行减压蒸馏，收取140 ℃下的产物，经NMR表征（1H NMR CD3Cl δppm： 0. 865（t， 12H）；1.265（m， 2H）；1.440（t， 12H）； 2.355（m， 10H））表明得到的产物为TPPD，其结构如图1所示。

2.3 [Ru（bpy）3][4-（Clph）4B]2的制备

利用复分解方法制备[Ru（bpy）3][4-（Clph）4B]2：将0.1239 g Ru（bpy）3Cl2·6H2O溶解在50 mL水中，另取0.1424 g K[4-（Clph）4B]溶于适量无水乙醇中，在搅拌条件下加入到Ru（bpy）2+3溶液中，待溶液变浑浊并出现沉淀，将沉淀过滤，依次用乙醇、水充分洗涤，然后在红外灯下烘干备用。[Ru（bpy）3][4-（Clph）4B]2结构如图2所示[27]。endprint

2.4 修饰电极的制备

将氧化铟锡（ITO）导电玻璃依次用肥皂水、丙酮、去离子水超声洗涤，干燥后以绝缘硅橡胶划分出涂覆区域（10 mm×10 mm），于室温下干燥备用。配制0.5 g/L [Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2的丙酮溶液，加入适量TPPD。取30 μL上述溶液滴涂在备用的ITO电极上，使丙酮自然挥发，得到TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修饰的ITO电极，其涂覆面积为10 mm×10 mm。

3 结果与讨论

3.1 TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修饰ITO电极的制备和表征

TPPD是含有四个丙基的戊二胺衍生物，具有很强的疏水性。 [Ru（bpy）]2+与[4-Clph）4B]结合形成疏水性的[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2。TPPD和[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2均不溶于水，易溶于有机溶剂如丙酮、乙腈等。将30 μL TPPD和[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2的丙酮溶液滴涂到ITO电极上，待丙酮挥发后，在电极表面形成TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2纳米颗粒，并固定在电极表面。

图3为ITO修饰电极的SEM图，可以观察到电极上固定的TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2纳米颗粒。同时还观察到加入TPPD后，[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2纳米颗粒呈球形，并破裂为半球型，部分半球显示其结构为空心（如图 3b中红圈中），直径（500 ± 60）nm。推测这种形状增大了电化学反应中纳米颗粒的比表面积。

将TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修饰的ITO电极、[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修饰的ITO电极电极和裸ITO电极在[Fe（CN）6]3/4

中进行循环伏安扫描，结果如图4所示，3个电极都出现了可逆的氧化还原峰。[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修饰的ITO电极的氧化还原峰间距为317 mV，与裸ITO电极相比，增大约60 mV。 TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修饰的ITO电极的氧化还原峰间距比于[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2 修饰的ITO电极有所减小，并与裸ITO电极的大致相同，说明加入TPPD后的纳米修饰电极的可逆性得到提高。

3.2 TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修饰ITO电极的ECL性质

图5显示了TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修饰的ITO电极在0.15 mol/L磷酸盐缓冲液中扫速为100 mV/s时的ECL和CV行为，没有明显的[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2氧化还原峰出现。当扫描电位达到1.0 V时，ECL信号开始上升，随着扫描电位的增大，在1.2 V处，ECL强度达到最大。如图6所示，TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修饰的ITO电极在连续扫描10圈后ECL发现其ECL强度比TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修饰的ITO电极低，并且极不稳定，阳极峰电流随着扫描圈数的增加而降低。当扫描到第三圈时，不能观察到明显的ECL信号（图7），这是因为正电位下Ru（bpy）2+3的氧化速率大于还原速率，使电极表面产生的Ru（bpy）3+3增加，一方面会抑制Ru（bpy）2+3继续氧化；另一方面，没有还原性的共反应剂使Ru（bpy）3+3不能及时生成Ru（bpy）2+3， 所以光强减弱且信号不稳定。当加入TPPD后，还原性的TPPD加速了Ru（bpy）3+3的还原，生成Ru（bpy）2+3*的速率加快，使ECL强度显著提高，同时能及时补充被氧化的Ru（bpy）2+3，因此，TPPD的引入不但能增强[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2的ECL强度，而且能稳定其ECL信号。

根据Ru（bpy）2+3的共反应剂ECL机理[5]，推测TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2体系的电致化学发光机理，如图8所示。当对电极施加一定的电位时，[Ru（bpy）3]2+在电极表面被氧化成为[Ru（bpy）3]3+，（C 7）2N（CH2）5N（C 7）2在电极表面被氧化成为（C 7）2N+·（CH2）5N（C 7）2和（C 7）2N+·（CH2）5N+·（C 7）2，氧化产物脱去质子形成具有强还原性的自由基中间体（C 7）2N·CH（CH2）4N（C 7）2和（C 7）2N·CH（CH2）3CHN·（C 7）2。[Ru（bpy）3]3+分别与

（C 7）2N·CH（CH2）4N（C 7）2和（C 7）2N·CH（CH2）3CHN·（C 7）2发生电子传递反应，形成激发态的[Ru（bpy）3]2+*。[Ru（bpy）3]2+*回到基态放出光子。反应过程如下[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

另一种可能的反应过程为：

（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

最终的反应为：

3.3 ECL实验条件优化

考察了TPPD浓度对TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修饰的电极的ECL性质的影响。固定[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2的浓度为0.5 g/L，当TPPD的浓度在20～80 mmol/L范围内变化时，如图9所示，发现随着TPPD浓度的增加，修饰电极的ECL信号增强。进一步增加TPPD浓度时，ECL强度改变不大。因此，在后续的实验中选择TPPD的浓度为80 mmol/L。

扫描速度对TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修饰电极的ECL的影响如图10所示。可见ECL强度随着扫速的增大而减小，当扫描速度从50 mV/s增大到150 mV/s时，ECL强度急剧下降；当扫描速度从150 mV/s增大到400 mV/s时，ECL强度的减小趋于平缓。结果表明，TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修饰电极的ECL反应受电极表面的活性物质的扩散控制。扫描速度为50 mV/s时，ECL发光强度最大，但是此时ECL信号不稳定，因此在后续实验中选择100 mV/s为最佳扫描速度。

ECL反应与pH值密切相关，不同pH值下TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修饰电极ECL强度的影响如图11所示。在pH 4.0～7.5范围内，ECL强度随pH值的增大而增强；当pH>7.5，ECL强度随pH值的增加而急剧下降。当pH<4.0或pH>8.5时，ECL信号不明显。这主要是由于胺类物质电化学发光机理涉及离子自由基中间体的脱质子过程[29，30]。弱碱环境对TPPD的去质子化有利，但是在强碱环境下，OH浓度的增加促进了TPPD的水解，导致ECL强度的降低。因此本研究选择pH=7.5。

3.4 苯酚的检测

苯酚类化合物是很重要的医学类物质同时也是一种毒性较强对环境具有污染性的物质。它的浓度的测定对环境监测具有重要意义。已有的研究结果表明，酚类化合物对Ru（bpy）2+3体系的ECL信号有猝灭作用[31，32]。考察了苯酚对TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修饰ITO电极的ECL响应的猝灭作用。在优化的实验条件下，依次加入不同浓度的苯酚溶液，结果表明随着苯酚浓度的增加，修饰电极的ECL强度随之逐渐减弱，如图12所示。猝灭的机理相似于Ru（bpy）2+3-TPA体系的苯酚猝灭机理，主要是由于在电极表面激发态的[Ru（bpy）3]2+*的能量转移到了苯酚[33，34]。

猝灭效率定义为（I0-I）/I0，其中I0代表不含有苯酚时的ECL强度，I代表加入苯酚后的ECL强度。当苯酚浓度为1.0和0.1 mmol/L时的猝灭效率分别为22.6%和95.4%。当苯酚浓度为0.1 mmol/L时，修饰电极的ECL信号基本被猝灭，表明TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修饰电极在苯酚的检测中具有潜在的应用价值。

3.5 电致化学发光暂态过程

当ECL体系外界条件改变时，电极会从一个稳态向另一个稳态转变，其间经历一个不稳定、电化学参量显著变化的过渡阶段， 就是暂态过程。Baldo 等[35，36]运用有机光致发光暂态分析有机客主分子体系磷光的湮灭， Gong 等[37]将这种方法应。用于四芳基硅烷光致发光的研究中。但是，关于电致化学发光的暂态过程的研究还鲜有报道。本实验研究了TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修饰电极的电致化学发光暂态过程，在体系任意发光电位时候停止施加电压，切断工作电极回路和对电极回路时同步开始检测暂态过程光强。结果表明，在切断电流后，发光并没有立即消失，而是持续了一段较短的时间。如图13所示，暂态的发光寿命约是稳态时的两倍，这可能是由于在断开电流后仍然有[Ru（bpy）3]3+、（C 7）2N·（CH2）5N（C 7）2和（C 7）2N·（CH2）5N·（C 7）2存在于电极表面，并且相互作用生成[Ru（bpy）3]2+*，而导致发光同时还研究了不同TPA浓度下的[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2 PA体系的暂态过程。当断开电流后，发光没有立即消失，但是稳态时的发光寿命明显高于暂态时的发光寿命，结果如图14所示。这表明当电流断开时，TPA·仍然存在但是却快速的脱离了电极表面。这两种体系在暂态上的区别可能是由于TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2体系中的共反应剂TPPD是固定在电极表面不易脱落，而[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2 PA体系的共反应剂TPA是溶解在缓冲液中的，当断开电流后， TPA·不易在电极表面聚集。

4 结 论

本研究利用一种简单的方法将TPPD和[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2同时固定到ITO电极的表面， 构建固相ECL传感器。TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修饰的ITO电极显示出了优良的稳定性、重现性和较低的背景噪声，在进行ECL反应时大大减少了共反应剂的消耗，同时降低了对环境的危害。苯酚对此修饰电极的ECL信号有明显的淬灭作用，0.1 mol/L苯酚的猝灭效率达到了95.4%，可望用于苯酚的检测。对TPPD/[Ru（bpy）3][（4-Clph）4B]2修饰的ITO电极的电致化学发光暂态过程进行了初步研究，发现其暂态的发光寿命明显比传统的共反应剂体系TPA体系的发光寿命长。

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