CN102393412A - 修饰电极及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种修饰电极，包括基底电极，还包括涂覆于基底电极表面的金纳米粒子膜；涂覆于金纳米粒子膜表面的Ru（bpy）3 2+；以及涂覆于Ru（bpy）3 2+表面的Nafion。本发明还提供该修饰电极的制备方法：1）对基底电极进行预处理；2）将金纳米粒子涂覆到步骤1）的预处理后的基底电极表面；3）将Ru（bpy）3 2+涂覆到步骤2）得到的电极表面；4）将Nafion涂覆到步骤3）得到的电极表面，得到本发明的修饰电极。本发明的修饰电极可以作为一个检测其它物质的发光材料。本发明的方法简单，快速，方便，且容易控制，并且在固定的过程中还产生了一个阴极电化学发光。

Description

修饰电极及其制备方法
技术领域
本发明涉及电化学发光领域，特别涉及一种修饰电极及其制备方法。
背景技术
电化学发光( Electrochemiluminescence或ECL)是指光活性分子在电极表面进行电化学反应形成激发态,回到基态而发光的现象。基于ECL检测分析方法具有较高的灵敏性、重现性及较易于自动化的优点,已被广泛用于生物、药物以及环境分析。在大量ECL试剂中,三联吡啶钌（Ru(bpy)3 2+）由于其较好的化学稳定性以及优异的电化学性能,而得到了深入的研究及广泛的应用。但是大多数应用是在溶液中进行的，如果将发光物质固定到电极表面，则可以节约昂贵的试剂，简化操作及装置，扩大它的应用范围。到目前为止，已有溶胶凝胶，L-B膜，自组装膜，层层组装等固定三联吡啶钌的方法。但是这些方法都存在一些缺陷，比如，固定到电极表面的三联吡啶钌不容易与反应物接触进行反应，而且由于在电极表面扩散比较慢而导致反应时间比较长。另外，而用自组装固定的三联吡啶钌在扫描的过程中不稳定，还有一些固定三联吡啶钌的方法过程很复杂不好控制。
发明内容
本发明提供一种固定三联吡啶钌的修饰电极，该修饰电极容易与反应物接触进行反应且反应时间短，本发明还提供该修饰电极的制备方法，该方法在扫描过程中稳定，方法简单且容易控制。
为了实现上述目的本发明采取的技术方案是：
本发明提供一种修饰电极，所述修饰电极包括基底电极，所述修饰电极还包括涂覆于所述基底电极表面的金纳米粒子膜；涂覆于所述金纳米粒子膜表面的Ru（bpy）3 2+；以及涂覆于所述Ru（bpy）3 2+表面的Nafion。
进一步地，所述基底电极为铂电极。
本发明还提供该修饰电极的制备方法，包括以下步骤：
1）、对基底电极进行预处理；
2）、将金纳米粒子涂覆到步骤1）所述的预处理后的基底电极表面，形成表面覆盖有金纳米粒子膜的金纳米粒子修饰铂电极；
3）、将Ru（bpy）3 2+涂覆到步骤2）得到的电极表面，形成Ru（bpy）3 2+-金纳米粒子修饰铂电极；
4）、将Nafion涂覆到步骤3）得到的Ru（bpy）3 2+-金纳米粒子修饰铂电极表面，得到本发明的修饰电极。
进一步地，步骤2）中金纳米粒子修饰铂电极的制备方法为：将经过预处理后的基底电极置于含有HAuCl4和NH4Cl的电解质溶液中，并在以经过预处理后的基底电极为工作电极的三电极体系中进行恒电位扫描，其中，电压为-0.2V，扫描时间为10s，制得金纳米粒子修饰铂电极。
进一步地，步骤3）中Ru（bpy）3 2+-金纳米粒子修饰铂电极的制备方法为：将步骤2）制得的金纳米粒子修饰铂电极置于含有Ru（bpy）3 2+的酸性磷酸盐缓冲液中，并在以金纳米粒子修饰铂电极为工作电极的三电极体系中进行循环伏安扫描，扫描电压为0.2-1.4V，扫描速度为100mV/s。
进一步地，所述扫描圈数为23圈。
进一步地，所述磷酸盐缓冲液的pH值为4.0。
进一步地，步骤4）中所述的涂覆方法为：将Nafion滴到步骤3）制备的Ru（bpy）3 2+-金纳米粒子修饰铂电极表面，在室温下自然晾干。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：在酸性的PBS溶液中，当循环伏安扫描的电压范围在0.2V到1.4V时，金纳米粒子修饰铂电极在三联吡啶钌溶液中扫描可以产生阴极发光的信号，并且这个电化学发光主要发生在0.7V左右。它不同于一般报道的Ru(bpy)3 2+的发光。
通过金纳米粒子修饰铂电极在三联吡啶钌的溶液中的循环伏安扫描，在产生一个阴极电化学发光的同时，我们也把三联吡啶钌固定到了金纳米粒子修饰铂电极表面。为了让三联吡啶钌在电极表面更好的固定，我们在Ru（bpy）3 2+-金纳米粒子修饰铂电极表面滴了一层Nafion膜，这样就制得了一个把三联吡啶钌固定到电极表面的修饰电极。本发明的修饰电极容易与反应物接触进行反应且反应时间短，可以作为一个检测其它物质的发光材料。这种固定三联吡啶钌的方法简单，快速，方便，且容易控制，并且在固定的过程中还产生了一个阴极电化学发光。
附图说明
图1为Ru（bpy）3 2+-金纳米粒子修饰铂电极的制备过程示意图，其中d为金纳米在三联吡啶钌溶液中扫描的电化学发光图，横坐标为电压，纵坐标为电化学发光强度。 
图2为本发明的金纳米粒子修饰铂电极在以磷酸盐缓冲液为本底溶液中的循环伏安图，其中横坐标为电位（V）,纵坐标为电流（mA）。
图3为以加入Ru（bpy）3 2+的磷酸盐缓冲液为本底溶液中的循环伏安图，其中横坐标为电位（V）,纵坐标为电流（mA）。
图4为本发明的金纳米粒子修饰铂电极在含有 Ru（bpy）3 2+的磷酸盐缓冲液中，发光强度随时间变化图，其中横坐标为时间（s），纵坐标为电化学发光强度。
图5为本发明的金纳米粒子修饰铂电极在含有 Ru（bpy）3 2+的磷酸盐缓冲液中，发光强度随电位变化图，其中横坐标为电位（V），纵坐标为电化学发光强度。
图6中，曲线a为将本发明的修饰电极在磷酸盐缓冲液中扫描的电化学发光图；
曲线b为将本发明的修饰电极与三丙胺反应的电化学发光图；其中横坐标为电位（V），纵坐标为电化学发光强度。
具体实施方式
本发明中使用的水均为二次蒸馏水，所用的试剂均为分析纯。
本发明中所用的仪器与试剂： 
1、仪器：
多通道电化学工作站： VMP2, 美国Princeton仪器公司，用于循环伏安扫描和恒电位扫描；
瑞迈MPI-A毛细管电泳电化学发光检测仪：MPI-A CE-ECL Analyzer Systems，中国西安瑞迈分析仪器责任有限公司；
石英管加热式自动双重纯水蒸馏器： 1810B, 上海亚太技术玻璃公司，用于蒸二次蒸馏水；
电子天平：北京赛多利斯仪器有限公司，用于称量药品；
超声波清洗器：昆山市超声仪器有限公司；
三氧化二铝打磨粉：0.30 mm, 0.05 mm, 上海辰华仪器试剂公司，用于处理铂电极和金电极；
Ag/AgCl：CHIⅢ，美国CH仪器公司，为参比电极；
铂为对电极。 
2、试剂：
三联吡啶钌 (Ru(bpy)3Cl2·6H2O，纯度99.95%)；
Nafion117，杜邦中国集团有限公司。
3、基底电极
本发明的基底电极可以采用各种本领域传统的基底电极，只要不对本发明的选择性或灵敏度有所限制即可。
通常，基底电极是铂电极，它不会对在电极表面修饰的金纳米进行干扰。
实施例1
本发明的修饰电极的制备方法如下：
a）、将铂电极依次用0.3μm、0.05μm的三氧化二铝悬浊液抛光成镜面，再依次经体积百分含量为95%的乙醇、二次蒸馏水超声清洗后，得到经过预处理的铂电极；
b）、将经过预处理的铂电极用二次蒸馏水冲洗、纯度为99.999%的氮气吹干后置于摩尔浓度为17mmol/L的HAuCl4和2mol/LNH4Cl的溶液中，并以经过预处理的铂电极为工作电极、以铂丝为对电极、以Ag/AgCl电极为参比电极的三电极体系在多通道电化学工作站中以电压为-0.2V恒电位扫描10s，制得表面覆盖有金纳米粒子膜的金纳米粒子修饰铂电极；
c）、将金纳米粒子修饰铂电极置于含有1mmol/L Ru(bpy)3 2+的pH为4.0，浓度为67mmol/L的磷酸盐缓冲液（磷酸盐缓冲液为Na2HPO4和KH2PO4的混合溶液，Na2HPO4：KH2PO4的体积比为1：99，浓度均为67mmol/L）中，并在以金纳米粒子修饰铂电极为工作电极、铂丝为对电极、Ag/AgCl电极为参比电极的三电极体系中进行循环伏安扫描，扫描速度为100mV/s，电压为0.2-1.4V，扫描圈数为23圈，得到Ru（bpy）3 2+-金纳米粒子修饰铂电极。
参见图1，图1为Ru（bpy）3 2+-金纳米粒子修饰铂电极的制备过程示意图，从图1可以看出，我们首先是把金纳米粒子固定到Pt电极表面，然后在电压范围为0.2V到1.4V，把金纳米粒子修饰铂电极在含有三联吡啶钌（Ru(bpy)3 2+）的pH为4.0的磷酸盐缓冲溶液（PBS）中循环扫描23圈，而在这个过程中有一个阴极的电化学发光产生。但是在产生阴极发光的同时我们也把三联吡啶钌固定到了电极表面。
d）、将Ru（bpy）3 2+-金纳米粒子修饰铂电极取出用二次蒸馏水冲洗干净，再用纯度为99.999%的氮气吹干。然后取3μL，质量分数为0.5%的 Nafion 溶液滴到电极表面，在室温下自然晾干，得到本发明的修饰电极。
效果验证实验一：
将本发明的金纳米粒子修饰铂电极分别置于不含有Ru（bpy）3 2+和含有Ru（bpy）3 2+的磷酸盐缓冲液中，磷酸盐缓冲液的pH为4.0，浓度为67mmol/L，并分别在以金纳米粒子修饰铂电极为工作电极、铂丝为对电极、Ag/AgCl电极为参比电极的三电极体系中进行循环伏安扫描，扫描速度为100mV/s，电压为0.2-1.4V，扫描圈数为30圈，扫描结果见图2、图3、图4和图5。
由图2可知：曲线a只出现一个阳极峰1.3 V和一个阴极峰0.6 V，这两个峰分别为金纳米粒子在PBS中的氧化还原峰，并且没有ECL信号产生。当加入Ru(bpy)3 2+在相同条件下进行循环伏安扫描时，我们发现有两个氧化峰（1.1 V (P1) 和1.3 V (P2)）和两个还原峰（0.72 V (P3) 和0.65 V (P4）)产生（图3）。当电压扫描到P4时，有一个阴极的电化学发光信号产生。从图4可以看出产生的阴极发光信号比较强，而且还比较稳定。但是当扫描到23圈的时候，这个电化学发光消失(图5)。由此可知，最佳扫描圈数为23圈，此时可以最好的聚合溶液中的Ru(bpy)3 2+。基于上面的一个阴极发光，通过金纳米粒子修饰铂电极在Ru(bpy)3 2+溶液中的循环伏安扫描，我们就把Ru(bpy)3 2+固定到了金纳米粒子修饰铂电极电极表面。
效果验证实验二：
将本发明的修饰电极放在单一的pH值为9 的PBS溶液进行循环伏安扫描，扫描电压为0.2到1.4V。我们发现有一个很弱的电化学信号产生（图6a）；这说明此修饰的电极可以作为一个检测其它物质的发光材料。
将本发明的修饰电极置于含有1mmol/L的三丙胺的PBS溶液中进行循环伏安扫描，其中，PBS的pH值为9.0，扫描电压为0.2到1.4V。我们发现本发明的电极可以很好的检测三丙胺，而且开始扫描时就有发光产生，反应时间短，且发光很强（图6b）。此反应步骤为：
Ru(bpy)3 2+ - e-  →Ru(bpy)3 3+
TPrA + e → TPrA+· →  TPrA · + H+
Ru(bpy)3 3+ +TPrA ·  → Ru(bpy)3 2+* + TPrA+
Ru(bpy)3 2+* → Ru(bpy)3 2+  + hv（610nm）。
由此可知，本发明的修饰电极已经很好的固定了Ru(bpy)3 2+，并能很好的检测三丙胺。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于：磷酸盐缓冲液（磷酸盐缓冲液为Na2HPO4和KH2PO4的混合溶液，Na2HPO4：KH2PO4的体积比为5：95，浓度均为67mmol/L）的pH值为5.0，电聚合Ru（bpy）3 2+时电聚合的圈数为23圈。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于：磷酸盐缓冲液（磷酸盐缓冲液为Na2HPO4和KH2PO4的混合溶液，Na2HPO4：KH2PO4的体积比为10：90，浓度均为67mmol/L）的pH值为6.0，电聚合Ru（bpy）3 2+时电聚合的圈数为10圈。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种修饰电极，所述修饰电极包括基底电极，其特征在于：所述修饰电极还包括涂覆于所述基底电极表面的金纳米粒子膜；涂覆于所述金纳米粒子膜表面的Ru（bpy）3 2+；以及涂覆于所述Ru（bpy）3 2+表面的Nafion。
2.根据权利要求1所述的修饰电极，其特征在于：所述基底电极为铂电极。
3.一种权利要求1或2所述的修饰电极的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）、对基底电极进行预处理；
2）、将金纳米粒子涂覆到步骤1）所述的预处理后的基底电极表面，形成表面覆盖有金纳米粒子膜的金纳米粒子修饰铂电极；
3）、将Ru（bpy）3 2+涂覆到步骤2）得到的电极表面，形成Ru（bpy）3 2+-金纳米粒子修饰铂电极；
4）、将Nafion涂覆到步骤3）得到的Ru（bpy）3 2+-金纳米粒子修饰铂电极表面，得到本发明的修饰电极。
4.根据权利要求3所述的修饰电极的制备方法，其特征在于：步骤2）中金纳米粒子修饰铂电极的制备方法为：将经过预处理后的基底电极置于含有HAuCl4和NH4Cl的电解质溶液中，并在以经过预处理后的基底电极为工作电极的三电极体系中进行恒电位扫描，其中，电压为-0.2V，扫描时间为10s，制得金纳米粒子修饰铂电极。
5.根据权利要求3所述的修饰电极的制备方法，其特征在于：步骤3）中Ru（bpy）3 2+-金纳米粒子修饰铂电极的制备方法为：将步骤2）制得的金纳米粒子修饰铂电极置于含有Ru（bpy）3 2+的酸性磷酸盐缓冲液中，并在以金纳米粒子修饰铂电极为工作电极的三电极体系中进行循环伏安扫描，扫描电压为0.2-1.4V，扫描速度为100mV/s。
6.根据权利要求5所述的修饰电极的制备方法，其特征在于：所述扫描圈数为23圈。
7.根据权利要求5所述的修饰电极的制备方法，其特征在于：所述磷酸盐缓冲液的pH值为4.0。
8.根据权利要求3所述的修饰电极的制备方法，其特征在于：步骤4）中所述的涂覆方法为：将Nafion滴到步骤3）制备的Ru（bpy）3 2+-金纳米粒子修饰铂电极表面，在室温下自然晾干。
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