CN106248659A - 一种晶相依赖有机半导体微纳电化学发光传感器及其应用 - Google Patents

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Abstract

一种晶相依赖有机半导体微纳电化学发光传感器，其是由负载有不同晶型电化学发光微纳材料的导电玻璃做工作电极，由铂丝电极做辅助电极，同时采用Ag/AgCl(饱和氯化钾)电极做参比电极，它们分别插在电化学发光系统的检测池接口上，在注样口中注入1mL浓度为0.1mol/L的KCl做电解质，组成三电极体系。这种有机半导体微纳电化学发光传感器，不仅具有晶相的依赖性，而且其选择性高、操作简易，电化学发光的反应速率高。本发明的传感器制备方法工艺简单，操作方便、成本低、适用性广。本发明的传感器可用于对肌酸酐、多巴胺和亚甲基蓝等生物分子的检测。

Description

一种晶相依赖有机半导体微纳电化学发光传感器及其应用
技术领域
本发明涉及一种电化学发光传感器及其应用。
背景技术
电化学发光是化学发光与电化学相结合的产物，基于电化学发光为机理的分析方法现已逐渐应用于生物医学、环境监测、药品和食品分析等研究领域，主要是由于电化学发光既保留了化学发光分析法灵敏度高、线性范围宽、设备简单、操作方便、快速、易于实现自动化等优点，又具有电化学分析法可控性强、可提供高活性的发光反应物质和节省试剂等优势。通过物理或化学的方法将直接或间接参与化学发光反应的试剂固定在电极上，被称为电化学发光传感器。近年来，制备这种具有结构简单、检测方便、选择性好、价格低廉、使用寿命相对较长、应用范围广等优点的电化学发光生物传感器，是个诱人的研究目标，同时也是光化学领域倍受关注的重要研究课题之一。
随着纳米科学与技术的发展，研究发现，无机纳米材料具有较好的电化学发光性能。然而，无机纳米材料只能产生阴极电化学发光发射峰，因而由无机纳米材料构筑的电化学发光传感器只能用于检测过氧化氢和一些酶，限制了其在检测容易被氧化的生物小分子方面的应用。电化学发光研究工作者逐渐把目光投向了在阴极或阳极都具有电化学性质的有机纳米材料，利用有机纳米材料构筑的电化学发光传感器可以拓展在生物小分子检测中的应用空间。有机材料种类繁多，荧光量子产率高，易于通过分子设计来改变其光功能，非常有希望发展成为一类性能优异的电化学发光材料。研究发现，有机纳米颗粒只有在共反应剂存在的情况下才能产生稳定但较弱的电化学发光，这就限制了其在电化学发光传感领域中的应用。因而，如何提高有机纳米材料的电化学发光性能已经成为一个亟待解决的研究课题。众所周知，有机纳米材料的弱电化学发光性能主要是根源在于有机材料的电荷传递速率低，这样削弱了其电化学性能。综上所述，现有的电化学发光传感器制备过程比较繁琐、造价高并且灵敏度低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备工艺简单、操作方便、成本低、灵敏度高且适用性广的晶相依赖有机半导体微纳电化学发光传感器及其应用。本发明主要是利用简单的再沉淀技术可控制备形貌与结构可调的有机半导体微纳结构；构筑电化学发光传感器，将其应用于痕量生物小分子检测中。
本发明提供如下技术方案：
1、晶相依赖有机半导体微纳电化学发光传感器(简称ECL传感器)，其是由负载有不同晶型电化学发光微纳材料的导电玻璃做工作电极，由铂丝电极做辅助电极，同时采用Ag/AgCl(饱和氯化钾)电极做参比电极，它们分别插在电化学发光系统的检测池接口上，在注样口中注入1mL浓度为0.1mol/L的KCl做电解质，组成三电极体系。其中，辅助电极即铂丝电极和参比电极Ag/AgCl(饱和氯化钾)电极均为现有技术，工作电极则为本发明电极。
2、工作电极的制备方法如下：
1)合成不同晶型且具有特定电化学发光性质的有机半导体微纳材料；
①取红荧烯(5，6，11，12-四苯基并四苯，化学式C42H28)溶解在其良溶剂中，制成浓度为30mmol/L的红荧烯良溶剂溶液，该良溶剂为三氯甲烷、二氯甲烷、苯或二硫化碳等。
②取步骤①配制的溶液，快速(≤2秒)加入到不良溶剂中，并且溶液与不良溶剂的体积比为1：2-30，该不良溶剂为甲醇、乙醇或乙腈等，溶液在不良溶剂中快速扩散后，澄清的单体溶液逐渐变色，静置20分钟-120分钟，在混合溶液中出现微纳晶体。
2)微纳材料修饰电极
①将导电玻璃(ITO)切成大小为2.0×4.5cm2的长方形；
②清洗导电玻璃，最优的清洗步骤为：第一步，把导电玻璃浸泡在加入洗涤剂的自来水中，并将其放到超声波清洗器(53MHz)进行超声清洗20min；第二步，用大量的自来水冲洗导电玻璃表面的洗涤剂，直至没有泡沫为止；第三步，用无水乙醇以及超纯水分别对其淋洗4次；第四步，利用高纯氩气将其吹干；
③用微量注射器取步骤1)制备的微纳材料20-50μL滴在干净的导电玻璃块上，溶剂挥发后微纳材料负载在导电玻璃块上，作为ECL传感器的工作电极。
3、ECL传感器的应用
将具有特定电化学发光特性的有机半导体微纳材料修饰在ITO电极上，组装好样品池，加入1mL、0.1mol/L的KCl充当电解质，1mL、500μmol/L的TPrA充当共反应剂，然后在注样口中注入不同浓度的生物分子,本发明的传感器可用于对肌酸酐、多巴胺和亚甲基蓝等生物分子的检测。具体是：再把其放在仪器的PMT上方，连好工作电极(负载有不同晶型红荧烯微纳材料的导电玻璃)、辅助电极(铂丝电极)、及参比电极(银/氯化银电极)，开启仪器，设置光电倍增管电压，然后把测量方法设置为循环伏安法，再设定测量的参数，由电化学发光软件记录相应的电化学发光信号。
本发明的工作原理大致如下：所述有机微纳材料为典型的有机电化学发光材料红荧烯，红荧烯微纳材料由再沉淀法制备，良溶剂与不良溶剂的快速混合，瞬间改变了红荧烯分子所处的溶剂环境，诱导红荧烯微纳材料的成核与生长，最终形成了不同晶型以及不同形貌的红荧烯微纳材料。不同晶型的红荧烯微纳材料修饰的导电玻璃电极的电极活性面积对电化学发光的性能有一定的影响。其中红荧烯纳米线能显著增强电极的电活性表面积，且红荧烯纳米线比红荧烯纳米片的电极的电活性表面积更加大。红荧烯纳米线极大增加了导电玻璃的活性表面积和单斜红荧烯纳米片相比，三斜红荧烯纳米线修饰的导电玻璃电极能为分析物提供更多结合位点，有效增强电化学发光性能。
本发明的晶相依赖有机半导体微纳电化学发光传感器，经过电化学氧化与还原的纳米材料在电极表面能与共反应剂发生反应，产生电化学发光，由电化学发光软件记录相应的电化学发光信号即可得到检测结果。
本发明相比现有技术具有如下优点：
1)本发明制备的传感器性能优异、价格低廉、电化学发光的反应速率快、灵敏度高。
2)本发明制备的传感器制备工艺简单，操作方便，成本低、适用性广且环境友好。
3)本发明制备的传感器可用于有机小分子的检测，具有良好的机械操作性，可以在不同领域中应用。
4)本发明大大拓展传感器的选材范围，也为有机半导体微纳材料作为构筑传感器材料的研究提供一种思路。
附图说明
图1是本发明实验室合成红荧稀微纳材料的流程示意简图。
图2是本发明单斜晶型红荧烯微纳材料的扫描电子显微镜照片图。
图3是本发明三斜晶型红荧烯微纳材料的扫描电子显微镜照片图。
图4是本发明红荧烯微纳材料的XRD谱图。
图5是本发明实验室微纳材料修饰电极的流程示意简图。
图6是本发明实验室制备的ECL传感器实物图。
图7是本发明不同晶型红荧烯微纳材料的电化学发光图，
a为单斜晶型的红荧烯的电化学发光曲线，b为三斜晶型的红荧烯的电化学发光曲线。
图8是本发明电化学发光机理图。
图9是本发明不同晶型红荧烯微纳电化学发光传感器检测不同浓度肌酸酐电化学发光强度与肌酸酐浓度的线性关系图，
A为三斜晶型，B为单斜晶型，插图为发光强度随肌酸酐浓度变化的曲线图，
肌酸酐的浓度从a到f分别为0mol/L，1×10-13mol/L、1×10-11mol/L、1×10-9mol/L、1×10-7mol/L、1×10-5mol/L。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1、不同晶型和形貌的有机半导体电化学发光微纳材料的制备
在图1所示的实验室合成红荧稀微纳材料的流程示意简图中，
a取红荧烯粉末(5，6，11，12-四苯基并四苯，化学式C42H28)溶解在三氯甲烷中，制成浓度为30mmol/L的红荧烯三氯甲烷溶液1，用微量注射器2取50μL配制好的溶液，快速(≤2秒)加入到0.1mL的甲醇中，溶液在不良溶剂中快速扩散后，澄清的单体溶液逐渐变色，静置2小时，在混合溶液中出现微纳晶体，最终得到红荧烯微纳材料3。
b取红荧烯粉末(5，6，11，12-四苯基并四苯，化学式C42H28)溶解在三氯甲烷中，制成浓度为30m mol/L的红荧烯三氯甲烷溶液，用微量注射器取50μL配制好的溶液，快速(≤2秒)加入到1.5mL的甲醇中，溶液在不良溶剂中快速扩散后，澄清的单体溶液逐渐变色，静置2小时，在混合溶液中出现微纳晶体，最终得到红荧烯微纳材料。
图2为上述实验室制备的50μL浓度为30m mol/L的红荧烯的氯仿溶液加入0.1mL甲醇中得到的红荧烯微纳材料的扫描电子显微镜照片，由图可知该红荧烯微纳材料的形貌为六边形。
图3为上述实验室制备的50μL浓度为30mM的红荧烯的氯仿溶液加入1.5mL甲醇中得到的红荧烯微纳材料的扫描电子显微镜照片，由图可知该红荧烯微纳材料的形貌为线。
图4为上述实验室制备的红荧烯微纳材料的XRD曲线及标准单斜晶型和三斜晶型红荧烯微纳材料的XRD曲线，由图可知上述制备的两种红荧烯的微纳材料的晶型不同，形貌为六边形的红荧烯的微纳材料为单斜晶型，形貌为线的红荧烯微纳材料为三斜晶型。
实施例2、有机微纳半导体电化学发光传感器的构筑。
在图5所示的实验室微纳材料修饰电极的流程示意简图中，将导电玻璃(ITO)4切成大小为2.0×4.5cm2的长方形；然后清洗导电玻璃块，其清洗步骤为：第一步，把导电玻璃浸泡在加入洗涤剂的自来水中，并将其放到超声波清洗器(53MHz)进行超声清洗20min；第二步，用大量的自来水冲洗导电玻璃表面的洗涤剂，直至没有泡沫为止；第三步，用无水乙醇以及超纯水分别对其淋洗4次；第四步，利用高纯氩气将其吹干；将采用图1流程制备的单斜晶型的微纳材料30μL滴在干净的导电玻璃块5上，溶剂挥发后微纳材料6负载在导电玻璃块上，作为ECL传感器的工作电极。
在图6所示的本发明实验室制备的ECL传感器实物图中，其是由负载有不同晶型红荧烯微纳材料的导电玻璃做工作电极7，由铂丝电极做辅助电极8，同时采用Ag/AgCl(饱和氯化钾)电极做参比电极9，它们分别插在电化学发光系统的检测池接口上，在注样口10中注入1mL、0.1mol/L的KCl作电解质，组成三电极体系，最终得到ECL传感器。
实施例3、不同晶型红荧烯微纳材料的电化学发光。
在图7所示的本发明制备的两种晶型的红荧烯微纳材料的电化学发光图中，由图可知三斜晶型的红荧烯微纳材料的电化学发光强度更强，约是单斜晶型红荧烯微纳材料的3倍。
在图8所示的本发明电化学发光机理图中，在通电时红荧烯和三丙胺分别被氧化为红荧烯正离子自由基和三丙胺正离子自由基。之后，三丙胺正离子自由基失去质子形成三丙胺自由基，三丙胺自由基有很强的还原性，能将红荧烯正离子自由基还原为激发态的红荧烯，激发态的红荧烯返回基态时，发出红色的光。
实施例4、晶相依赖的有机半导体微纳材料传感器痕量检测肌酸酐。
在图9所示的本发明实验室检测肌酸酐电化学发光强度和肌酸酐浓度的线性关系图中，将上述制备的两种晶型的红荧烯微纳材料修饰在导电玻璃上，组装好样品池，向其中加入1mL浓度为0.1mol/L的KCL充当电解质、1mL浓度为500μmol/L的TPrA充当共反应剂，并向其中加入1mL浓度为2×10-10mol/L的肌酸酐，再把其放在仪器的PMT上方，连好工作电极(负载有单斜晶型红荧烯的导电玻璃)、辅助电极(铂丝电极)及参比电极(银/氯化银电极)，开启仪器，设置好仪器的参数，记录相应的电化学发光信号强度，再在同样的条件下重复上述实验，测定不同肌酸酐浓度时电化学发光强度，拟合得到电化学发光强度和肌酸酐浓度之间的线性曲线，插图表现的是三斜晶型红荧烯微纳材料检测不同浓度肌酸酐所对应的电化学发光强度。曲线a-f所对应的肌酸酐的浓度分别为0mol/L、1×10-13mol/L、1×10-11mol/L、1×10-9mol/L、1×10-7mol/L和1×10-5mol/L。我们检测了肌酸酐浓度从3×10-13mol/L到3×10-3mol/L时电化学发光强度的变化趋势。在检测范围内肌酸酐的浓度越大所对应的电化学发光强度越强。这个图也说明电化学发光强度对肌酸酐的浓度有很宽的动态响应范围，其跨度大约有10个数量级，即从1.0×10-13mol/L到3×10-3mol/L。此结果说明我们制备的电化学发光传感器能够检测较低浓度的肌酸酐。所以，我们制备的电化学发光传感器能对肌酸酐进行痕量分析。
实施例5、晶相依赖的有机半导体微纳材料传感器痕量检测多巴胺。
将上述制备的两种晶型的红荧烯微纳材料修饰在导电玻璃上，组装好样品池，向其中加入1mL浓度为0.1mol/L的KCL充当电解质，1mL浓度为500μmol/L的TPrA充当共反应剂，在同样的实验条件下逐级加入1mL不同浓度的多巴胺，再把其放在仪器的PMT上方，连好工作电极(负载有单斜晶型红荧烯的导电玻璃)、辅助电极(铂丝电极)及参比电极(银/氯化银电极)，开启仪器，设置好仪器的参数，记录相应的电化学发光信号强度，从而测定不同多巴胺浓度时电化学发光强度，拟合电化学发光强度和多巴胺浓度之间的线性曲线，结果显示多巴胺的浓度越大反而电化学强度越小，我们检测的多巴胺浓度从3×10-12mol/L到3×10-7mol/L时电化学发光强度的变化趋势。这其跨度大约为5个数量级，即从3.0×10-12mol/L到3.0×10-7mol/L。此结果说明该有机半导体微纳电化学发光传感器能够检测较低浓度的多巴胺比其他的传感器得到的结果更加的灵敏。所以，我们制备的电化学发光传感器能对多巴胺进行痕量分析。
实施例6、晶相依赖的有机半导体微纳材料传感器痕量检测亚甲基蓝。
将上述制备的两种晶型的红荧烯微纳材料修饰在导电玻璃上，组装好样品池，向其中加入1mL浓度为0.1mol/L的KCL充当电解质，1mL浓度为500μmol/L的TPrA充当共反应剂，在同样的实验条件下向其中逐级加入1mL不同浓度的亚甲基蓝，再把其放在仪器的PMT上方，连好工作电极(负载有单斜晶型红荧烯的导电玻璃)、辅助电极(铂丝电极)、及参比电极(银/氯化银电极)，开启仪器，设置好仪器的参数，记录相应的电化学发光信号强度，再在同样的条件下重复上述实验，测定不同亚甲基蓝浓度时电化学发光强度，拟合电化学发光强度和亚甲基蓝浓度之间的线性曲线，结果显示亚甲基蓝的浓度越大反而电化学强度越小，我们检测的亚甲基蓝浓度从3×10-9mol/L到1×10-4mol/L时电化学发光强度的变化趋势。这其跨度大约为5个数量级，即从3.0×10-9mol/L到1.0×10-4mol/L。此结果说明该有机半导体微纳电化学发光传感器同样能够检测较低浓度的亚甲基蓝比其他的传感器得到的结果更加的灵敏。所以，我们制备的电化学发光传感器能对亚甲基蓝进行痕量分析。

Claims (5)

1.一种晶相依赖有机半导体微纳电化学发光传感器，其特征在于：其是由负载有不同晶型电化学发光微纳材料的导电玻璃做工作电极，由铂丝电极做辅助电极，同时采用Ag/AgCl(饱和氯化钾)电极做参比电极，它们分别插在电化学发光系统的检测池接口上，在注样口中注入1mL浓度为0.1mol/L的KCl做电解质，组成三电极体系。
2.根据权利要求1所述的晶相依赖有机半导体微纳电化学发光传感器，其特征在于：工作电极的制备方法如下：
1)合成不同晶型且具有特定电化学发光性质的有机半导体微纳材料；
①取红荧烯5，6，11，12-四苯基并四苯，化学式C42H28溶解在其良溶剂中，制成浓度为30mmol/L的红荧烯良溶剂溶液，该良溶剂为三氯甲烷、二氯甲烷、苯或二硫化碳，
②取步骤①配制的溶液，快速≤2秒加入到不良溶剂中，并且溶液与不良溶剂的体积比为1：2-30，该不良溶剂为甲醇、乙醇或乙腈，溶液在不良溶剂中快速扩散后，澄清的单体溶液逐渐变色，静置20分钟-120分钟，在混合溶液中出现微纳晶体；
2)微纳材料修饰电极
①将导电玻璃切成大小为2.0×4.5cm2的长方形；
②清洗导电玻璃；
③用微量注射器取步骤1)制备的微纳材料20-50μL滴在干净的导电玻璃块上，溶剂挥发后微纳材料负载在导电玻璃块上，作为ECL传感器的工作电极。
3.根据权利要求2所述的晶相依赖有机半导体微纳电化学发光传感器，其特征在于：导电玻璃的清洗步骤为：第一步，把导电玻璃浸泡在加入洗涤剂的自来水中，并将其放到超声波清洗器进行超声清洗20min；第二步，用大量的自来水冲洗导电玻璃表面的洗涤剂，直至没有泡沫为止；第三步，用无水乙醇以及超纯水分别对其淋洗4次；第四步，利用高纯氩气将其吹干。
4.权利要求1的晶相依赖有机半导体微纳电化学发光传感器的应用，其特征在于：将晶相依赖有机半导体微纳电化学发光传感器用于对肌酸酐、多巴胺和亚甲基蓝等生物分子的检测。
5.根据权利要求4的晶相依赖有机半导体微纳电化学发光传感器的应用，其特征在于：组装好样品池，加入1mL、0.1mol/L的KCl充当电解质，1mL、500μmol/L的TPrA充当共反应剂，然后在注样口中注入不同浓度的生物分子，再把其放在仪器的PMT上方，连好工作电极即负载有不同晶型红荧烯微纳材料的导电玻璃、辅助电极即铂丝电极及参比电极即银/氯化银电极，开启仪器，设置光电倍增管电压，然后把测量方法设置为循环伏安法，再设定测量的参数，由电化学发光软件记录相应的电化学发光信号。
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