CN104914142A - 一种基于光电化学传感的Cu2+检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于硫化镉量子点与金纳米粒子之间能量转移为基础的光电化学传感器的构建，可以有效的实现Cu²⁺传感，属于分析化学的光电化学传感技术领域；本发明通过抗坏血酸对Cu²⁺的原位还原，产生的Cu⁺催化叠氮-炔基环加成反应使得硫化镉量子点和金纳米粒子互相接近，导致硫化镉量子点与金纳米粒子之间的电荷转移引起光电流的变化来实现Cu²⁺光电化学传感测定；本发明首次将点击化学反应引入光电化学传感体系的构建，用于Cu²⁺的检测，且该传感器具有高选择性和高灵敏度的优点，Cu²⁺的检测限达到2.0×10^-10M。

Description

一种基于光电化学传感的Cu2+检测方法

技术领域

本发明属于分析化学的光电化学传感技术领域，涉及一种基于Cu⁺催化的叠氮基和炔基环加成反应实现硫化镉量子点与金纳米粒子互相接近，利用它们之间的电荷转移引起体系光电流变化为基础来构建光电化学离子传感器，可以有效实现Cu²⁺检测。

背景技术

光电化学过程指的是光敏材料在光照作用下所发生的经由电子激发及电荷转移的光电转换过程。电化学生物传感器作为一种独立的集成检测装置，已经对生化、医疗领域产生了日益重要的影响；随着纳米技术和材料化学的快速发展，在光电化学过程与电化学生物传感器结合的基础上发展出了新一代光电化学生物传感，从而为探索各类生物学相互作用提供了一种新的灵敏检测方法；本质上，和其它已经建立的分析技术如电致化学发光一样，光电化学分析也是一种基于传统电化学的分析技术；因此，该方法继承了后者的诸多优点，如价格低廉，设备简单，灵敏度高；但是，两者之间也存在了很大的差异，光电化学传感技术具有一些在传统电化学平台上难以实现的优点。在光电化学检测中，光被用作激发信号来激发光电化学物质，而电信号则作为检测信号，该过程与电致化学发光正好相反。由于采用了两种不同形式的激发和检测信号，该技术背景信号较低，故具有很高的灵敏度；实际上，在使用相同设计进行同一物质检测时，基于光电化学的方法也比基于电化学的方法呈现出更好的检测性能；

点击化学是由化学家巴里·夏普莱斯在2001年引入的一个合成概念，阐述的是通过小单元的拼接，来快速可靠地完成各种分子的化学合成，尤其强调开辟以碳-杂原子键合成为基础的组合化学新方法，并借助这些反应(点击反应)来简单高效地获得分子多样性。点击化学的代表反应就是铜催化的叠氮-炔基环加成反应。点击化学在化学合成领域做出了巨大的贡献，已经成为目前最吸引人的合成理念之一；但是将点击化学应用于分析领域的报道较少，到目前为止，还没有关于点击化学反应应用于光电化学传感器构建的报道；

本发明通过抗坏血酸对Cu²⁺的还原，利用Cu⁺催化的叠氮-炔基环加成反应使得硫化镉量子点和金纳米粒子互相接近，相互作用，从而影响CdS量子点电荷转移的特点来设计Cu²⁺光电传感体系；在这样的系统中，增加Cu²⁺浓度会使环加成反应进行的更完全，从而增强硫化镉量子点和金纳米粒子的电荷转移来导致光电流的降低。该系统利用点击化学反应使特定的金纳米粒子与硫化镉量子点相互靠近发生电荷转移的原理，来实现Cu²⁺传感检测。

发明内容

本发明的内容就是提供一种基于光电化学传感的Cu²⁺测定方法；

本发明的技术方案如下：

基于光电化学传感的Cu²⁺检测方法，包括以下步骤：

a.炔丙基官能化金纳米粒子的合成：

在50mL三颈瓶中加入10mL左右1.58×10^-3M AuCl₃·HCl·4H₂O水溶液，充分搅拌并加热至回流，然后快速加入1.2-1.3mL 0.05M的柠檬酸钠，在溶液颜色变为深红色后，继续回流20-40min，然后停止加热冷却至室温，将此金纳米粒子胶体溶液保存在冰箱中待用；接着在塑料离心管中加入1.60mL左右的金纳米粒子胶体溶液和200μL左右0.01M的3-巯基丙酸，再加入0.01g NaCl，将离心管置于常温振荡仪中室温振荡20-24h，然后将此离心管在13000转速下离心20-30min，去掉上层清液，加入1.5-2.0mL水/乙醇混合液(水/乙醇＝98∶2)分散底部固体，该离心分散过程重复三次，然后在离心管中继续加入10mg左右N-羟基琥珀酰亚胺和30mg左右1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐，放于常温振荡仪中振荡10-15min，接着将离心管取出，往溶液中加入200μL1mM炔丙基胺，在室温下振荡5-7h，最后将此离心管在15000转速下离心30-50min，去掉上层清液，加入3-5mL二甲基甲酰胺分散底部固体，该离心分散过程重复三次，得到所需的炔丙基官能化金纳米粒子DMF溶液，保存于4℃的冰箱中待用；

b.CdS量子点的合成：

在100mL三颈瓶中加入30-50mL0.01M CdCl₂溶液和250μL巯基乙酸，搅拌的同时向溶液中通入氮气30-40min；在此期间，使用1M的NaOH溶液调节混合液的pH到合适数值(7-13)；然后，加入3-7mL 0.1M Na₂S溶液，在110℃下通氮气加热回流4h左右，最后将合成的量子点用蒸馏水1∶1稀释；在此实验中，选择合适的pH值，保持CdCl₂溶液浓度和体积不变的情况下，通过调整所加入的0.1M硫化钠溶液的体积，就可以得到具有不同S/Cd的CdS量子点；合成的CdS量子点溶液保存于4℃的冰箱中待用；

c.多层修饰膜电极的制备：

ITO导电玻璃切成小片之后，依次放入丙酮、1M NaOH乙醇水混合溶液(乙醇∶蒸馏水＝1∶1)、蒸馏水各超声15-20min，然后用大量清水冲洗，在105-120℃环境下干燥2-3h，备用；将洗净干燥后的ITO电极浸入2％邻苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯溶液10min左右，取出后用水洗涤，再浸入备用的CdS量子点溶液中约10min，取出后用水洗涤；该过程重复3-5次，得到所需的多层修饰膜电极；

d.Cu²⁺的光电化学测定体系的构建：

如图1所示，11-叠氮-3，6，9-三氧十一烷-1-胺是通过1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺耦合反应固定到CdS量子点修饰的ITO电极上；室温下，首先将CdS量子点修饰电极浸没在包含20毫克左右1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐和10毫克左右N-羟基琥珀酰亚胺的1.0毫升蒸馏水中约一小时，然后用约10mM pH值为7.4磷酸缓冲液小心冲洗；随后，将20-30μL1mM的11-叠氮-3，6，9-三氧十一烷-1-胺滴在电极表面并且在4℃环境下放置8-12小时，用磷酸缓冲液冲洗电极去除未固定的11-叠氮-3，6，9-三氧十一烷-1-胺；然后将11-叠氮-3，6，9-三氧十一烷-1-胺修饰电极浸泡在1mM乙醇胺中，于4℃封闭2-3h，再用10mM磷酸缓冲液小心冲洗后，备用；接下来，将11-叠氮-3，6，9-三氧十一烷-1-胺修饰电极浸没在500μL含有10mM抗坏血酸和不同浓度Cu²⁺的炔丙基官能化金纳米粒子DMF溶液中，在室温下反应10-12h，将炔丙基改性的金纳米粒子通过点击化学反应固定到ITO电极表面；然后，把处理过的金纳米粒子修饰电极依次用蒸馏水、乙醇、二氯甲烷漂洗，再浸泡在蒸馏水中约20分钟；最后，冲洗电极，在光电化学测试系统上测量各自的光电流强度；该测定条件：500W的氙灯作为激发光源，光通过单色器照射到工作电极上，入射光的强度通过辐照计测定，390nm波长处的光电流强度约为400μW/cm²；光电测试中采用三电极体系：工作电极为电极面积为0.25cm²的ITO电极，Pt丝电极作为对电极，Ag/AgCl电极(饱和KCl)作为参比电极，光电流由CHI750a电化学工作站(上海辰华仪器公司)测定。光电流的测定均在恒定的电位(0V vs饱和Ag/AgCl)及在含0.1M维生素C的0.1M磷酸缓冲液(pH＝7.4)中进行，检测前通高纯氮气约15mi n除氧，测定时保持氮气氛；

与现有技术相比本专利技术具有以下优点：

1.选择性好，常见的金属离子基本不干扰；

2.灵敏度较高，检测限可达2.0×10^-10M；

3.操作简便，用简单的光电仪器即可。

附图说明

图1为点击化学反应放大光电化学生物传感器设计原理图；

图2为不同浓度的铜离子光电流响应图。

具体实施方式

下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明；但是本发明并不限于这些实施例；

实施例1：

在100mL三颈瓶中加入50mL 0.01M CdCl₂溶液和250μL巯基乙酸，搅拌的同时向溶液中通入氮气30min；在此期间，使用1M的NaOH溶液调节混合液的pH到11；然后，加入5mL0.1M Na₂S溶液，在110℃下通氮气加热回流4h；在此系列实验中，可以得到S/Cd配比为1∶1的CdS量子点；将洗净干燥后的ITO电极浸入2％邻苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯溶液10min，取出后用水洗涤；再浸入备用的CdS量子点溶液中10min，取出后用水洗涤；该过程重复3次，得到所需的多层膜修饰电极；接下来在室温下将CdS量子点修饰电极浸没在包含20毫克1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐和10毫克N-羟基琥珀酰亚胺的1.0毫升蒸馏水中一小时，然后用10mM pH值为7.4磷酸缓冲液小心冲洗；随后，将20μL1mM的11-叠氮-3，6，9-三氧十一烷-1-胺滴在电极表面并且在4℃环境下放置12小时，冲洗电极去除未固定的11-叠氮-3，6，9-三氧十一烷-1-胺。然后将11-叠氮-3，6，9-三氧十一烷-1-胺修饰电极浸泡在1mM乙醇胺中，于4℃封闭2h，再用10mM磷酸缓冲液小心冲洗后，备用。接下来，将11-叠氮-3，6，9-三氧十一烷-1-胺修饰电极浸没在500μL含有10mM抗坏血酸和不同浓度Cu²⁺的炔丙基官能化金纳米粒子DMF溶液中，在室温下反应10h，将炔丙基改性的金纳米粒子通过点击化学反应固定到ITO电极表面。然后，把处理过的金纳米粒子修饰电极依次用蒸馏水、乙醇、二氯甲烷漂洗，再浸泡在蒸馏水中约20分钟；最后，冲洗电极，在实验室自己搭建的光电化学测试系统上测量各自的光电流强度，线性关系见图2，相应的检测限为2.0×10^-10M；

应用实施例1：

把实施例1的体系用于椒江水样的测定，100μg/L Cu²⁺加标回收率平均值为98.72％(n＝3)，表明该方法可靠程度高；

应用实施例2：

把实施例1的体系用于废水样品的测定，测定平均值为66.5μg/L(n＝3)，与石墨炉原子吸收法测定结果(67.2μg/L)相吻合，100μg/L Cu²⁺加标回收率平均值为97.58％(n＝3)，表明该方法具有较好的准确度和可靠性；

本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种基于光电化学传感的Cu²⁺检测方法，其特征在于包括以下步骤：

a.炔丙基官能化金纳米粒子的合成：

在50mL三颈瓶中加入10mL左右1.58×10^-3M AuCl₃·HCl·4H₂O水溶液，充分搅拌并加热至回流，然后快速加入1.2-1.3mL 0.05M的柠檬酸钠，在溶液颜色变为深红色后，继续回流20-40min，然后停止加热冷却至室温，将此金纳米粒子胶体溶液保存在冰箱中待用；接着在塑料离心管中加入1.60mL左右的金纳米粒子胶体溶液和200L左右0.01M的3-巯基丙酸，再加入0.01g NaCl，将离心管置于常温振荡仪中室温振荡20-24h，然后将此离心管在13000转速下离心20-30min，去掉上层清液，加入1.5-2.0mL水/乙醇混合液分散底部固体，此混合液水和乙醇比例为98∶2，该离心分散过程重复三次，然后在离心管中继续加入10mg左右N-羟基琥珀酰亚胺和30mg左右1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐，放于常温振荡仪中振荡10-15min，接着将离心管取出，往溶液中加入200μL 1mM炔丙基胺，在室温下振荡5-7h，最后将此离心管在15000转速下离心30-50min，去掉上层清液，加入3-5mL二甲基甲酰胺分散底部固体，该离心分散过程重复三次，得到所需的炔丙基官能化金纳米粒子DMF溶液，保存于4℃的冰箱中待用；

b.CdS量子点的合成：

在100mL三颈瓶中加入30-50mL0.01M CdCl₂溶液和250μL巯基乙酸，搅拌的同时向溶液中通入氮气30-40min，在此期间，使用1M的NaOH溶液调节混合液的pH到合适数值7到13之间，然后，加入3-7mL 0.1M Na₂S溶液，在110℃下通氮气加热回流4h左右，最后将合成的量子点用蒸馏水1∶1稀释，在此实验中，选择合适的pH值，保持CdCl₂溶液浓度和体积不变的情况下，通过调整所加入的0.1M硫化钠溶液的体积，就可以得到具有不同S/Cd的CdS量子点，合成的CdS量子点溶液保存于4℃冰箱中待用；

c.多层修饰膜电极的制备：

ITO导电玻璃切成小片之后，依次放入丙酮、1M NaOH乙醇/水为1∶1的混合溶液、蒸馏水各超声15min，然后用大量清水冲洗，在105-120℃环境下干燥2h，备用；将洗净干燥后的ITO电极浸入2％邻苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯溶液10min左右，取出后用水洗涤，再浸入备用的CdS量子点溶液中约10min，取出后用水洗涤，该过程重复3-5次，得到所需的多层膜修饰电极；

d.Cu²⁺的光电化学测定体系的构建：

如图1所示，11-叠氮-3，6，9-三氧十一烷-1-胺是通过1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺耦合反应固定到CdS量子点修饰的ITO电极上；室温下，首先将CdS量子点修饰电极浸没在包含20毫克左右1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐和10毫克左右N-羟基琥珀酰亚胺的1.0毫升蒸馏水中约一小时，然后用约10mM pH值为7.4磷酸缓冲液小心冲洗；随后，将20-30L 1mM的11-叠氮-3，6，9-三氧十一烷-1-胺滴在电极表面并且在4℃环境下放置8-12小时，用磷酸缓冲液冲洗电极去除未固定的11-叠氮-3，6，9-三氧十一烷-1-胺；然后将11-叠氮-3，6，9-三氧十一烷-1-胺修饰电极浸泡在1mM乙醇胺中，于4℃封闭2-3h，再用10mM磷酸缓冲液小心冲洗后，备用；接下来，将11-叠氮-3，6，9-三氧十一烷-1-胺修饰电极浸没在500L含有10mM抗坏血酸和不同浓度Cu²⁺的炔丙基官能化金纳米粒子DMF溶液中，在室温下反应10-12h，将炔丙基改性的金纳米粒子通过点击化学反应固定到ITO电极表面；然后，把处理过的金纳米粒子修饰电极依次用蒸馏水、乙醇、二氯甲烷漂洗，再浸泡在蒸馏水中约20分钟；最后，冲洗电极，在光电化学测试系统上测量各自的光电流强度；该测定条件：500W的氙灯作为激发光源，光通过单色器照射到工作电极上，入射光的强度通过辐照计测定，390nm波长处的光电流强度约为400μW/cm²；光电测试中采用三电极体系：工作电极为电极面积为0.25cm²的ITO电极，Pt丝电极作为对电极，Ag/AgCl电极(饱和KCl)作为参比电极，光电流由上海辰华仪器公司的CHI750a电化学工作站测定，光电流的测定均在0V恒定的电位及在pH值为7.4的含0.1M维生素C的0.1M磷酸缓冲液中进行，检测前通高纯氮气约15min除氧，测定时保持氮气氛。

2.根据权利要求1所述一种基于光电化学传感的Cu²⁺检测方法，其特征在于：步骤b中所述的CdS量子点为S/Cd为0.8、1.0和1.2各种比例的CdS量子点。

3.根据权利要求1所述一种基于光电化学传感的Cu²⁺检测方法，其特征在于：步骤d中所述的点击化学反应为Cu⁺催化的叠氮-炔基环加成反应。

4.根据权利要求1所述一种基于光电化学传感的Cu²⁺检测方法，其特征在于：步骤d中所述的点击化学反应中Cu⁺催化剂的产生是通过Cu²⁺与还原剂原位反应产生的，还原剂不仅仅局限于抗坏血酸。

5.根据权利要求1所述一种基于光电化学传感的Cu²⁺检测方法，其特征在于：步骤d中所述的在ITO电极上硫化镉量子点接近金纳米粒子的方法为点击化学反应方法。

6.根据权利要求1所述一种基于光电化学传感的Cu²⁺检测方法，其特征在于：步骤d中所述的降低光电流的方法是金纳米粒子接近硫化镉量子点后导致的电荷转移引起的。