收稿日期:2020-03-07 修回日期:2020-05-12
基金项目：国家自然科学基金(N o .21575002)；安徽工业大学大学生创新创业训练计划(N o .201910360031
) *通讯作者：董永平，男，教授，研究方向：化学发光分析及电化学分析.E -m a i l :d o n g y p 524@163.c o m 第37卷第1期V o l .37 N o .1
分析科学学报
J O U R N A LO FA N A L Y T I C A LS C I E N C E
2021年2月
F e b .2021
吸油茶D O I :10.13526/j
.i s s n .1006-6144.2021.01.019硅量子点为共反应剂的联吡啶钌电致化学发光 研究及对多巴胺的检测
刘 惠，殷 浩，杨世龙，董永平*，储向峰
(安徽工业大学化学与化工学院，安徽马鞍山243002
)摘 要：利用水热法合成了水溶性硅量子点(S i Q D s )，并探究了联呲啶钌(R u (b p y )2+
3)
在硅量子点修饰玻碳电极(S i Q D s /G C E )上的电致化学发光(E C L ) 行为㊂结果表明，在中性条件下,S i Q D s 能够作为共反应剂明显增强R u (b p y )2+
3
的阳极E C L 信号㊂研究了S i Q D s 修饰量㊁缓冲溶液p H 等因素对该体系E C L 信号的影响规律，并对E C L 机理
进行了探讨㊂多巴胺对E C L 信号具有明显的抑制作用, 据此可以实现对多巴胺的灵敏检测㊂在1.0ˑ10-8~1.0ˑ10-4
m o l ㊃L -1范围内，多巴胺浓度与E C L 信号的减少值呈
线性变化关系，相关系数达0.993㊂
关键词：硅量子点；联吡啶钌；电致化学发光；多巴胺
中图分类号:O 657.39 文献标识码:A 文章编号:1006-6144(2021)01-108-05
硅量子点(S i Q D s
)具有低毒性以及良好的生物相容性，吸引了众多科研工作者的研究兴趣[1,2
]㊂自从2002年非水溶性的S i Q D s 的电致化学发光(E C L )
行为被报道之后，许多研究人员开始研究其在生物传感领域中的应用[3]
㊂然而由于S i Q D s 的表面有大量疏水基团，使得水溶性S i Q D s 在生物传感方面的应用鲜有报道㊂何耀等利用微波法成功合成了亲水性S i Q D s ，这使得S i Q D s 可能进一步应用于生物传感领
域[4]
㊂虽然水溶性S i Q D s 的光学性质已经得到了较多的研究，但是基于S i Q D s 的E C L 生物传感器的研
究工作开展得较少㊂在前期的工作中，我们发现S i Q D s 可以与鲁米诺发生共振能量转移现象,对苯乙烯磺酸钠
调整垫铁
电力线网络摄像机从而产生了强的阳极E C L ，并可用于构建E C L 生物传感器[5]㊂但S i Q D s 作为共反应剂与联吡啶钌(R u (b p y )2+
3)
发生相互作用，以产生新颖E C L 信号的相关工作尚未开展㊂
多巴胺(D A )
是调节人体情绪和认知的重要神经递质，是中枢神经系统中重要的儿茶酚胺类物质之一[6]㊂如果人体内D A 的含量发生了异常变化,
往往会引起各类相关疾病，如帕金森症[7]
㊂因此，开发具有操作简单㊁灵敏度高㊁成本低廉等优点的D A 分析方法是当前研究的热点㊂目前已经有多种基
于不同纳米材料的电化学方法实现了对D A 的灵敏检测，如Z n O [8]㊁A l 2O 3[9]
等㊂但是以S i Q D s 作为共反应剂的R u (b p y )2+3的E C L 体系用于D A 的检测尚未见报道㊂本文将水溶性的S i Q D s 作为R u (b p y )2+
3
的共反应剂，获得了强的阳极E C L 信号，并基于D A 对E C L 信号的抑制作用，实现了对D A 的定量检测㊂
1 实验部分
1.1 主要仪器与试剂
M P I -B 型多参数化学发光分析测试系统(西安瑞迈分析仪器有限公司);C H I 760D 型电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)，三电极体系:S i Q D s 修饰玻碳电极(S i Q D s /G C E )为工作电极，饱和甘汞电极8
01
第1期分析科学学报第37卷(S C E)为参比电极，铂片电极为辅助电极㊂
R u(b p y)2+3㊁柠檬酸三钠㊁3-氨丙基-三甲氧基硅烷㊁K3[F e(C N)6]㊁K C l㊁N a2H P O4㊁N a H2P O4㊁无水乙醇㊁盐酸多巴胺(D A)等试剂均为分析纯(国药集团化学试剂有限公司)㊂实验所用水均为去离子水㊂
1.2电极的预处理及修饰电极的制备
先后使用0.3μm和0.05μm A l2O3抛光粉处理G C E，直至电极表面呈镜面㊂然后分别放在无水乙醇和去离子水中进行超声清洗，得到洁净的电极㊂再将G C E放在K3[F e(C N)6]中性溶液中进行循环伏安扫描，直至得到可逆的循环伏安曲线，表明电极表面被处理干净㊂将电极吹干后备用㊂
S i Q D s采用水热法制备[4]㊂称量0.93g柠檬酸三钠，放置在三口烧瓶中，加入20m L的去离子水，搅拌15m i n溶解，加入5m L的3-氨丙基三甲氧基硅烷，搅拌15m i n，升温到100ħ，恒温1h，生成S i Q D s㊂冷却至室温，再用1k D a的透析袋进行透析提纯㊂用微量移液器移取5μLS i Q D s滴到电极表面，在室温下烘干，得到S i Q D s/G C E㊂放置待用㊂
1.3测定方法
电化学发光分析测试在M P I-B型多参数化学发光系统上进行，光电倍增管高压设定为800V，电位窗口为-1.5~1.5V，扫描速度为0.1V㊃s-1，根据不同发光强度对D A的含量进行定量测定㊂
2结果与讨论
2.1S i Q D s的表征
用透射电镜(T E M)和高分辨透射电镜(H R T E M)对S i Q D s的分散情况以及晶格进行了表征，如图1所示㊂由图1A可见，所合成的S i Q D s表现为球形颗粒，具有良好的单分散性㊂图1B显示其晶格间距为0.19n m，对应着S i Q D s的(220)晶面，说明合成的S i Q D s具有良好的结晶度[4]㊂
图1S i Q D s的透射电镜(T E M)(A)和高分辨透射电镜(H R T E M)(B)图
F i g.1T E M(A)a n dH R T E M(B)i m a g e s o f S i Q D s
2.2修饰电极的E C L和电化学行为
以R u(b p y)2+3作为发光试剂，比较研究了1.0ˑ10-4m o l㊃L-1的R u(b p y)2+3在裸G C E和S i Q D s/G C E 修饰电极上的E C L行为，结果如图2A所示㊂可以发现，在没有共反应剂存在的条件下,R u(b p y)2+3在裸G C E上的E C L信号较弱，但在S i Q D s/G C E上的E C L信号很强㊂与裸G C E相比,R u(b p y)2+3在S i Q D s/ G C E上E C L强度增加了近50倍㊂表明S i Q D s能够作为共反应剂，促进R u(b p y)2+3的E C L过程㊂由图2A 内插图可以看出，最大发射波长位于600n m，与R u(b p y)2+3的荧光峰一致，说明该E C L体系的发光体为激发态R u(b p y)2+*3㊂
利用循环伏安法(C V)考察了R u(b p y)2+3在裸G C E和S i Q D s/G C E上的电化学行为，如图2B所示，检测底液为p H=7.4的0.1m o l㊃L-1磷酸盐缓冲溶液(P B S)㊂由图中可见,R u(b p y)2+3在裸电极上于1.1V左右出现一对明显的氧化还原峰，对应R u(b p y)3+/2+3电对的氧化还原过程㊂在S i Q D s/G C E上，氧化峰电流基本不变，而还原峰电流明显减弱㊂这一方面是由于S i Q D s的弱导电性所致；另一方面是由于S i Q D s被氧化生成自由基[5]，然后与R u(b p y)3+3发生E C L反应，降低了直接参与电化学还原R u(b p y)3+3的量，使得还原电流减弱㊂
2.3条件优化
实验探索了修饰电极在p H=6.0~8.0的0.1m o l㊃L-1P B S中的E C L信号变化情况，如图3A所示㊂随着缓冲溶液p H值的增加,R u(b p y)2+3在S i Q D s/G C E修饰电极上的E C L强度随之增强，并在p H=7.4
901
第1期刘惠等：硅量子点为共反应剂的联吡啶钌电致化学发光研究及对多巴胺的检测第37卷
图2(A)R u(b p y)2+3在空白G C E以及S i Q D s/G C E上的E C L曲线(内插图为E C L光谱);(B)R u(b p y)2+3在裸G C E 以及S i Q D s/G C E上的循环伏安曲线
F i g.2(A)E C Lc u r v e s o fR u(b p y)2+3a t b a r e
G C Ea n d S i Q D s/G C E(T h e i n s e t i s E C L s p e c t r u m);(B)C y c l i c v o l t a m m e-t r y c u r v e s o fR u(b p y)2+3a t b a r eG C Ea n dS i Q D s/G C E
时出现最大值㊂继续增加p H值,E C L强度开始下降㊂为了确保实验能够获得最佳的E C L信号，选择p H=7.4的P B S作为研究介质㊂
用电化学阻抗谱(E I S)研究了S i Q D s在电极表面的修饰情况，如图3B所示㊂S i Q D s修饰电极在高
频区表现出的N y q u i s t圆的半径较大，对应着较大的电荷传递阻力(R c t)㊂随着修饰剂的用量增加,R c t不断增大，说明电子的迁移阻力越来越大㊂这种情况一方面是由于S i Q D s自身的导电性较低造成的；另一方面是由于表面带负电的S i Q D s与探针分子[F e(C N)]3-/4-6产生静电排斥所致㊂E I S结果表明S i Q D s被修饰在电极表面㊂本实验进一步研究了S i Q D s的用量对E C L强度的影响㊂从图3B的内插图中可看出，随着修饰的S i Q D s量不断增加,E C L强度随之增强；当修饰的S i Q D s溶液的体积超过5μL时，随着修饰剂用量的增加,E C L强度反而下降㊂这是由于修饰剂用量过大，导致电阻增大，阻碍了R u(b p y)2+3的电化学反应所致㊂因此,S i Q D s溶液的修饰量选择为5μL㊂
图3(A)不同p H值对E C L强度的影响;(B)不同S i Q D s修饰量的修饰电极的电化学阻抗谱(插图为S i Q D s修饰量对E C L强度的影响)
F i g.3(A)E f f e c t o f t h e p Hv a l u eo nE C Li n t e n s i t y;(B)E l e c t r o c h e m i c a l i m p e d a n c e s p e c t r o s c o p y o fS i Q D sm o d i f i e d e l e c t r o d e sw i t hd i f f e r e n tm o d i f i c a t i o na m o u n t s(T h e i n s e t i s e f f e c t o f S i Q D sm o d i f i c a t i o no nE C L i n t e n s i t y)
2.4E C L机理
通常R u(b p y)2+3通过电化学氧化生成R u(b p y)3+3，在共反应剂作用情况下，反应生成激发态R u(b p y)2+*3，该激发态回到基态时产生发光现象，最大发射波长约为610n m[10]㊂本文实验发现当没
有共反应剂存在时,R u(b p y)2+3在裸G C E上的发光信号非常弱㊂在S i Q D s的参与下,R u(b p y)2+3的E C L被大大的增强(图2A)㊂E C L光谱实验证明发光峰值位于600n m左右，可以判定发光体为R u(b p y)2+3的激发态㊂电化学结果显示R u(b p y)3+3的还原电流在S i Q D s存在下降低(图2B)，表明S i Q D s可能与R u(b p y)3+3发生了化学反应导致电流降低㊂B a r d等报道了S i Q D s可以通过空穴注射氧化成阳离子自由基[11]㊂因此，我们推测在正电位条件下S i Q D s可以被氧化成自由基阳离子(S i Q D s+•)，该自由基可以与R u(b p y)2+3的氧化产物R u(b p y)3+3发生反应生成激发态R u(b p y)2+*3，获得增强的阳极E C L信号㊂结合之前的文献报道[12-14]，可能的E C L机理如下所示:
011
第1期
分析科学学报
第37卷
R u (b p y )2+3-e ңR u (b p y )3+
3
(1)S i Q D s -e ңS i Q D s
+•(2)R u (b p y )3+3+S
i Q D s +•
ңR u (b p y )2+
*3
+S i Q D s (3)R u (b p y )2+*
3
ңR u (b p y )2+
3+h
ν(4
) 在体系中加入D A 后,D A 可以在正电位下被氧化，其氧化产物D A +•能够与R u (b p y )3+
3发生反应,
从而与E C L 反应发生竞争，导致了E C L 信号的降低㊂
2.5 传感器的性能分析
优化各项实验条件之后，研究了不同浓度的D A 对R u (b p y )2+
3在S
i Q D s /G C E 修饰电极上的E C L 抑制作用，如图4A 所示㊂结果表明，随着D A 浓度的不断增加，对发光强度的抑制作用不断增强㊂从D A 浓度与发光信号抑制值的关系曲线(图4A 内插图)中可看到，在1.0ˑ10-8m o l ㊃L -1至1.0ˑ10-4
m o l
㊃L -1范围内,E C L 的强度与D A 浓度的对数呈良好的线性关系，线性回归方程为:ΔI =1032.8l o g c D A +9560.2，相关系数为0.993，检出限(3σ)为5.5ˑ10-9
m o l ㊃L -1㊂研究了相同浓度下，不同分析物如半胱氨酸(C y s t e i n e )㊁葡萄糖(G l u c o s e )㊁细胞素C (C y
tC )和抗坏血酸(A A )对E C L 强度的影响，如图4B 所示㊂由图可知,D A 对E C L 强度表现出明显的抑制作用，表明本体系可用于D A 的灵敏检测㊂对1.0ˑ10-6
m o l ㊃L -1的D A 溶液平行测定9次,
得到的相对标准偏差为1.5%㊂将该方法应用到盐酸多巴胺注射液中D A 含量的测定,
结果如表1所示㊂三种浓度样品的加标回收率范围为93.2%~102.8%,
说明此传感器可用于实际样品的检测㊂图4 (A )S i Q
D s /G C
E 修饰电极测定不同浓度D A 的E C L 强度(插图为E C L 强度抑制与D A 浓度的对数校准曲线);(B )
不同干扰物质的影响F i g .4 (A )E C L i n t e n s i t y o fD Aa t d i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n sw i t hS i Q D s /G C E m o d i f i e d e l e c t r o d e (T h e i n s e t i s l o g
a r i t h -m i c c a l i
b r a t i o n
c u r v e b e t w e e nE C L i n t e n s i t y a t t e n u a t i o na n dD Ac o n c e n t r a t i o n );(B )T h e e f f e c t o f
d i f f
e r e n t i n t e r
f e r i n g
木醋液s u b s t a n c e s
表1 加标回收实验结果(n =9
)T a b l e 1 R e s u l t s o f r e c o v e r y
t e s t s (n =9)S a m p
l e N o .K n o w n
(10-6m o l ㊃L -1)
A d d e d
(10-6m o l ㊃L -1)
F o u n d大鼠灌胃
(10-6m o l ㊃L -1)
R e c o v e r y
(%)1105.0014.9398.6
2205.0025.14102.83
40
5.00
44.66
93.23 结论
水溶性S i Q D s 可作为共反应剂与联吡啶钌在中性条件下产生强的阳极E C L 信号㊂据此,
建立了检测D A 浓度的新方法㊂D A 对E C L 信号具有明显的抑制作用，在最佳实验条件下，在1.0ˑ10-8
~1.0ˑ
10-4
m o l ㊃L -1的浓度范围内,D A 的浓度与E C L 信号的减少值呈现良好线性关系，相关系数为0.993,
检出限(3σ)为5.5ˑ10-9
m o l ㊃L -1㊂
1
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E l e c t r o c h e m i l u m i n e s c e n c e o fR u(b p y)2+3w i t h
S i l i c o n Q u a n t u m D o t s a sC o r e a c t a n t s a n d
A p p l i c a t i o n i nD e t e c t i o no fD o p a m i n e
L I U H u i,Y I N H a o,Y A N GS h i l o n g,D O N G Y o n g p i n g*,C HU X i a n g f e n g
(S c h o o l o f C h e m i s t r y a n dC h e m i c a lE n g i n e e r i n g,A n h u i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,M a a n s h a n243002)
A b s t r a c t:S i l i c o n q u a n t u m d o t s(S i Q D s)w e r es y n t h e s i z e db y h y d r o t h e r m a lm e t h o d.E l e c t r o c h e m i l u m i n e s c e n c e (E C L)b e h a v i o ro f t r i s(2,2'-b i p y r i d i n e)r u t h e n i u m(Ⅱ)(R u(b p y)2+3)w a s i n v e s t i g a t e da t t h eS i Q D sm o d i f i e d g l a s s y c a r b o n e l e c t r o d e.T h e r e s u l t s r e v e a l e dt h a tS i Q D s c o u l db eu s e da sc o r e a c t a n t s t o g e n e r a t es t r o n g a n o d i cE C Ls i g n a lw i t hR u(b p y)2+3u n d e rn e u t r a l c o n d i t i o n s.T h ee f f e c t so fm o d i f i e da m o u n to fS i Q D s a n dt h e p H v a l u eo fb u f f e rs o l u t i o n o n E C L r e s p o n s e w e r es t u d i e d,a n dt h e E C L m e c h a n i s m w a s p r o p o s e d.D o p a m i n e e x h i b i t e d s t r o n g i n h i b i t i n g e f f e c t o nE C Ls i g n a l,a n dc o u l db e s e n s i t i v e l y d e t e c t e d. T h e d e c r e a s e o fE C L i n t e n s i t y v a r i e d l i n e a r l y w i t h t h e l o g t h i u mo f d o p a m i n e c o n c e n t r a t i o n i n t h e r a n g e o f1.0ˑ10-8-1.0ˑ10-4m o l㊃L-1w i t h t h e c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t o f0.993.
K e y w o r d s:S i l i c o n q u a n t u md o t s;R u(b p y)2+3;E l e c t r o c h e m i l u m i n e s c e n c e;D o p a m i n e
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