一种超灵敏电致化学发光传感器的构筑及其在三硝基甲苯检测方面的应用的制作方法

本发明属于传感器制备技术领域，具体涉及一种超灵敏电致化学发光传感器，及其制备方法和应用，更具体地涉及一种超灵敏电致化学发光传感器，及其制备方法和在三硝基甲苯(tnt)检测方面的应用。

背景技术：

三硝基甲苯(tnt)是化学类爆炸物的典型代表，其已广泛应用于军事、工业、民用领域。然而，对植物、真菌、动物以及人类来说，tnt属于有毒物质，且由于军事活动与矿山作业，tnt已对土壤、水体造成了严重污染。此外，随着国际恐怖主义的蔓延和全球安全问题的日益严峻，对于tnt在机场、地铁、车站等公共场所的检测也变得越发重要和迫切。因此，从环境友好和公共安全的实际需求出发，人们对于快速、便捷、准确的tnt检测手段提出了更高的期望。

目前，已经有多种分析技术应用于tnt的检测，包括离子迁移率光谱法、x射线成像、质谱法和表面增强拉曼光谱。然而，这些检测方法存在许多限制，例如高成本、高检测限、复杂的预处理过程和庞大的设备，限制了其实际应用。

作为一种替代方法，电致化学发光(ecl)传感器由于其在灵敏度、选择性、成本、便利和响应时间等方面的独特优势受到了广泛的关注和重视。近些年来，在ecl的基础上科学家们又逐步发展出具有供体-受体的ecl共振能量转移(eret)传感器。相较于传统的检测手段，eret传感器具有灵敏度更高、信号更强；在分析过程中不需要外加激发光源；和，当采用染料分子作为供体或者受体时，不易发生光散射、光漂白等影响分析结果的现象的特点，是当前准确、快速检测tnt的理想手段。鲁米诺、量子点作为常见的ecl客体，其发光的能级与光谱互相匹配，因而易于组成鲁米诺-量子点的供-受体对；并且，当tnt加入鲁米诺-量子点反应体系后，对电化学发光过程会有明显的淬灭作用，使得鲁米诺和量子点的ecl强度有不同比例的下降。因此，构筑基于鲁米诺-量子点体系的eret传感器能够为tnt的检测开拓新的途径。

与此同时，水滑石类层状化合物(ldhs)作为一类常见的二维层状材料，具有稳定性好、功能丰富、无毒性等优点，并且ldhs的层间阴离子可调，正电层板可以和负电分子有序的结合，是一种理想的固态功能材料，已被广泛应用于检测传感器与智能响应器件的制备。

基于鲁米诺-量子点的eret体系对于tnt的灵敏响应，以及水滑石类层状化合物的结构和功能的可调控性，本发明寻求一种以水滑石为主体，发光分子鲁米诺和量子点为双客体，通过先插层后组装的方式制备具有双ecl信号的tnt检测传感器，进而实现对于tnt的灵敏、便捷、高效检测。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种超灵敏电致化学发光(ecl)传感器，及其制备方法和在tnt检测方面的应用。通过利用鲁米诺-量子点的供-受体对来实现eret体系，进而实现ecl信号的增强与双峰检测，增加tnt检测的灵敏度与准确性。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明制备ecl发光传感器的原理是：基于二维水滑石ldhs层间负离子可调控的特点，将负电小分子鲁米诺单钠盐(ams)插入水滑石层间，利用鲁米诺单钠盐插层的水滑石ams-ldhs的正电纳米颗粒与负电小分子量子点(cdteqds)通过静电引力层层自组装形成超分子薄膜，即ecl发光传感器，以得到基于鲁米诺-量子点的供-受体eret体系。

本发明所述的一种超灵敏电致化学发光传感器包括导电基片；和，在所述导电基片上涂覆的由供体插层的水滑石和受体交替层叠的多层薄膜。

所述供体为鲁米诺一价金属盐；所述受体为量子点；所述导电基片为掺锡氧化铟(ito)基片；所述水滑石由co1-xalx(oh)2(no3)x·mh2o表示，其中0.2≤x≤0.33，m为结晶水数量，取值范围为0.5-9；所述薄膜的层数为4-14层。

所述鲁米诺一价金属盐为鲁米诺单钠盐；所述量子点为cdte。

本发明所述的一种超灵敏电致化学发光传感器的制备方法包括：

制备由供体插层的水滑石的胶体溶液和配制受体溶液；和，

将制备的由供体插层的水滑石胶体溶液和配制的受体溶液交替涂覆在导电基片上，重复多次，以获得为多层薄膜的电致化学发光传感器。

制备由供体插层的水滑石包括：

制备水滑石，所述水滑石由co1-xalx(oh)2(no3)x·mh2o表示，其中0.2≤x≤0.33，m为结晶水数量，取值范围为0.5-9；和，

将供体插入水滑石的层间。

制备水滑石包括利用cocl2·6h2o、al(no3)3·6h2o和尿素的混合液在加热搅拌的条件下制得水滑石中间体，然后利用水滑石中间体与硝酸钠制得硝酸根插层水滑石；

将供体插入水滑石的层间包括：将硝酸根插层水滑石和供体溶于脱co2水中，在氮气保护下搅拌反应48-51h，所得产物用去co2水进行离心、洗涤，上层清液即为由供体插层的水滑石的胶体溶液，沉淀进行干燥24-26h。

所述交替涂覆的步骤包括：将导电基片在量子点溶液中浸泡8-20min，再由供体插层的水滑石胶体溶液中浸泡8-20min；

所述导电基片在涂覆前需要进行预组装处理，所述预组装处理包括对导电基片进行亲水化处理，并将亲水化处理后的导电基片置于1g/ml的pdda溶液中浸泡30-35min，以使得导电基片负载一层正电荷。

所述供体为鲁米诺一价金属盐；所述受体溶液为量子点溶液；所述导电基片为掺锡氧化铟(ito)基片；所述薄膜的层数为4-14层。

所述鲁米诺一价金属盐为鲁米诺单钠盐；所述量子点溶液为cdte溶液，其浓度为1.0mg/ml。

上述电致化学发光传感器用于三硝基甲苯(tnt)的检测。

本发明的有益效果如下：

1、本发明的ecl传感器采用无激发光检测方法，和传统的发射光检测方法相比，该方法避免了激发光对于客体分子的光漂白和光散射，进而提高了检测的准确性和稳定性。

2、本发明的ecl传感器对tnt的检测为双峰检测，并通过ecl共振能量转移(eret)的方法使得鲁米诺-量子点的ecl信号显著增强，大大提高了tnt检测的准确性，实现了tnt的快捷、灵敏检测。

3、构建固态eret体系(即薄膜)的水滑石层板稳定、无毒、生物相容性良好与聚合物载体相比不易老化，保存时间长；并且薄膜还保持了水滑石的这些特点。此外，水滑石层板可以保持客体鲁米诺-量子点最大程度的分散，有效阻止因客体分子团聚导致的荧光淬灭现象，从而使eret体系保持了较好的光学稳定性和热稳定性。

4、该ecl传感器体积小巧、便于携带、灵敏度高、试剂的损耗量小，可以满足现阶段人们对于tnt检测的需要。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为实施例1中水滑石前体中间体coal-co3ldhs、水滑石前体coal-no3ldhs和鲁米诺单钠盐(ams)插层的水滑石ams-coalldhs的x射线粉末衍射图(xrd)；其中横坐标为2θ值，单位：度；纵坐标为强度；a为水滑石前体中间体(简写为coal-co3ldhs)，b为水滑石前体(简称为coal-no3ldhs)，c为鲁米诺单钠盐插层的水滑石(简称为ams-coalldhs)。

图2为实施例1中ams插层前的coal-no3ldhs前体和插层后的ams-coalldhs胶体的扫描电镜(sem)图片；a为coal-no3ldhs前体，b为ams-coalldhs胶体。

图3为实施例1中组装的不同层数的ams-coalldhs/cdteqds)n复合薄膜或ecl传感器的xrd图；其中横坐标为2θ值，单位：度；纵坐标为强度。

图4为实施例1中制备好的ams-coalldhs胶体溶液、cdteqds(量子点)溶液、(ams-coalldhs/cdteqds)n复合薄膜的ecl强度图谱；其中横坐标为时间，单位：秒；纵坐标为强度。

图5为实施例1中不同层数的(ams-coalldhs/cdteqds)n复合薄膜的ecl信号强度变化；其中横坐标为层数，纵坐标为强度。

图6为实施例1中不同ph值下(ams-coalldhs/cdteqds)14复合薄膜的ecl信号强度变化；其中横坐标为ph值，纵坐标为强度。

图7为实施例1中制备的(ams-coalldhs/cdteqds)14复合薄膜传感器在ph＝7.5条件下对不同浓度tnt检测的ecl谱图。其中横坐标为时间，单位：秒；纵坐标为ecl强度值；tnt的浓度依次为0,10^-3,10^-2,10^-1,1,10μg/ml(a-f)。其中插图为其线性关系图，横坐标为tnt浓度的对数，单位：μg/ml；纵坐标为ecl强度值。

图8为实施例1中制备的(ams-coalldhs/cdteqds)14复合薄膜传感器在室温下存放十天后的ecl谱图，其中横坐标为时间，单位：秒；纵坐标为ecl强度值。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

(1)制备水滑石前体：称取2.33gcocl2·6h2o(10mm)，1.90gal(no3)3·6h2o(5mm)及3.0g尿素(30mm)溶于800ml去离子水中以得到三种化学药品的混合液a，将混合液a倒入三口瓶中，在97℃的油浴锅中加热搅拌48h，并且进行冷凝回流，以得到反应后的溶液b。然后，将反应后的溶液b进行多次离心、洗涤，直至上清液的ph值小于8，而后将经过离心、洗涤所得的沉淀物r1在70℃下干燥24小时后，得到水滑石中间体coal-co3ldhs。之后，称取0.5gcoal-co3ldhs与127.5gnano3混合于0.225ml去co2水中以获得混合液c，将混合液c置于三口烧瓶中，向其中加入0.225ml的浓hno3，在氮气保护下，剧烈搅拌反应48h进行离子交换，所得产物用脱co2去离子水进行离心、分离、洗涤直至上清液ph值小于8。最后将用脱co2去离子水进行离心分离所得的沉淀物r2置于70℃烘箱中干燥24小时，得到水滑石前体coal-no3ldhs，然后将coal-no3ldhs在研钵中研磨至粉末状备用。

(2)制备鲁米诺单钠盐(ams)插层的coal-no3ldhs：首先称取0.5gcoal-no3ldhs和0.149g的鲁米诺单钠盐(ams)共同溶于100ml脱co2水中，以获得混合溶液d，将混合溶液d置于150ml三口瓶中，在氮气保护下搅拌反应48h，得到的产物用去co2水进行离心以得到沉淀物r3，然后利用去co2水洗涤沉淀物r3，离心后上层得到ams-coalldhs胶体溶液，得到的沉淀物r3置于70℃烘箱中干燥24h，得到ams插层的coal-no3ldhs样品ams-coalldhs，

(3)配制浓度为1.0mg/ml的量子点(cdteqds)溶液；配制浓度为1g/mlpdda溶液，分别避光保存在容量瓶中。

(4)取3cm×1cm大小的掺锡氧化铟(ito)片(10ω/每平方)，依次使用丙酮、乙醇和水分别超声清洗10分钟，以获得处理好的ito片。应当指出，处理好的ito片表面是亲水的并且带负电荷，并且该处理好的ito片在使用前被储存在去离子水中。在使用时，将处理好的ito片置于步骤(3)中配制的pdda溶液中浸泡30min，取出后用去离子水冲洗并在室温下吹干，以获得负载有一层正电荷的ito片。应当理解，此过程为预组装处理。

(5)将步骤(4)得到的负载有一层正电荷的ito片放入步骤(3)配制的cdteqds溶液中浸泡10min，取出后用去离子水清洗并在室温下吹干；然后置于步骤(2)制备的ams-coalldhs胶体溶液中浸泡10min，取出后用去离子水清洗并在室温下吹干。

(6)重复步骤(5)4-14次得到组装4-14层的复合薄膜(ams-coalldhs/cdteqds)n，其中n＝4-14，即为tnt浓度测定ecl传感器。

实施例2

(1)同实施例1，制备水滑石前体(coal-no3ldhs).

(2)制备鲁米诺单钠盐(ams)插层的coal-no3ldhs：首先称取0.51gcoal-no3ldhs和0.152g的ams共同溶于102ml脱co2水中，以获得混合溶液d，将混合溶液d置于150ml三口瓶中，在氮气保护下搅拌反应50h，得到的产物用去co2水进行离心以得到沉淀物r3，然后利用去co2水洗涤沉淀物r3，离心后上层得到ams-coalldhs胶体溶液，得到的沉淀物r3置于70℃烘箱中干燥26h，得到ams-coalldhs样品。

(3)配制浓度为1.0mg/ml的cdteqds溶液；配制浓度为1g/mlpdda溶液，分别避光保存在容量瓶中。

(4)取3cm×1cm大小的掺锡氧化铟(ito)片(10ω/sq)，依次使用丙酮、乙醇和水分别超声清洗12分钟，以获得处理好的ito片。应当指出，处理好的ito片表面是亲水的并且带负电荷，并且该处理好的ito片在使用前被储存在去离子水中。在使用时，将处理好的ito片置于步骤(3)中配制的pdda溶液中浸泡35min，取出后用去离子水冲洗并在室温下吹干，以获得负载有一层正电荷的ito片。应当理解，此过程为预组装处理。

(5)将步骤(4)得到的负载有一层正电荷的ito片放入步骤(3)配制的cdteqds溶液中浸泡10min，取出后用去离子水清洗并在室温下吹干；然后置于步骤(2)制备的ams-coalldhs胶体溶液中浸泡11min，取出后用去离子水清洗并在室温下吹干。

(6)重复步骤(5)10次，得到组装10层的复合薄膜(ams-coalldhs/cdteqds)n，其中n＝10，即为tnt浓度测定ecl传感器。

实施例3

(1)同实施例1，制备水滑石前体coal-no3ldhs。

(2)制备鲁米诺单钠盐(ams)插层的coal-no3ldhs：首先称取0.50gcoal-no3ldhs和0.148g的ams共同溶于101ml脱co2水中，以获得混合溶液d，将混合溶液d置于150ml三口瓶中，在氮气保护下搅拌反应51h，得到的产物用去co2水进行离心以得到沉淀物r3，然后利用去co2水洗涤沉淀物r3，离心后上层得到ams-coalldhs胶体溶液，得到的沉淀物r3置于70℃烘箱中干燥24h，得到ams-coalldhs样品。

(3)配制浓度为1.0mg/ml的cdteqds溶液；配制浓度为1g/ml的pdda溶液，分别避光保存在容量瓶中。

(4)取3cm×1cm大小的ito片，依次使用丙酮、乙醇和水分别超声清洗15分钟，以获得处理好的ito片。应当指出，处理好的ito片表面是亲水的并且带负电荷，并且该处理好的ito片在使用前被储存在去离子水中。在使用时，将处理好的ito片置于步骤(3)中配制的pdda溶液中浸泡30min，取出后用去离子水冲洗并在室温下吹干，以获得负载有一层正电荷的ito片。应当理解，此过程为预组装处理。

(5)将步骤(4)得到的负载有一层正电荷的ito片放入步骤(3)配制的cdteqds溶液中浸泡10min，取出后用去离子水清洗并在室温下吹干；然后置于步骤(2)制备的ams-coalldhs胶体溶液中浸泡12min，取出后用去离子水清洗并在室温下吹干。

(6)重复步骤(5)10次，得到组装10层的复合薄膜(ams-coalldhs/cdteqds)n，其中n＝10，即为tnt浓度测定ecl传感器。

ecl传感器性能测试：

(1)不同组装层数的(ams-coalldhs/cdteqds)n复合薄膜ecl的强度测定：

将组装层数为4，6，8，10，12，14的复合薄膜置于ecl检测器的样品池中，以磷酸氢二钾作为电解液，h2o2作为共反应剂分别测其在鲁米诺、量子点位置处的ecl信号，考察其ecl图谱变化并记录。

(2)(ams-coalldhs/cdteqds)10复合薄膜在不同ph值条件下的ecl强度变化测定：

将组装层数为10的(ams-coalldhs/cdteqds)10复合薄膜置于ecl检测器的样品池中，并调节溶液ph值分别为6.5、7、7.5、8、8.5，考查其ecl强度变化并记录。

(3)对不同浓度(0，10^-3，10^-2,10^-1,1,10μg/ml)tnt溶液的ecl响应值变化测定：

将组装层数为10的(ams-coalldhs/cdteqds)10复合薄膜置于液体池中(ph＝7.5)，测其初始(即，tnt溶液浓度为0μg/ml)的ecl强度值；用微量进样器量取配制好的tnt溶液使液体池中tnt浓度达到10^-3μg/ml，考察其ecl图谱变化并记录；然后依次测量浓度为10^-2,10^-1,1,10μg/ml的tnt溶液，考察其荧光图谱变化并记录。

ecl传感器性能测试结果：

对实施例1所制得的ecl传感器性能进行测试，结果如图1-8所示。

其中，图1为实施例1中coal-co3ldhs、coal-no3ldhs和插层后的ams-coalldhs的x射线粉末衍射图(xrd)；其中a为coal-co3ldhs，b为coal-no3ldhs，c为插层后的ams-coalldhs。图2为实施例1中ams插层前的coal-no3ldhs前体和插层后的ams-coalldhs胶体的扫描电镜(sem)图片；a为coal-no3ldhs前体，b为ams-coalldhs胶体。图1和图2证明：ams插层成功。

图3为实施例1中组装的不同层数(ams-coalldhs/cdteqds)n复合薄膜的xrd图。图4为实施例1中制备好的ams-coalldhs胶体溶液、cdteqds溶液、(ams-coalldhs/cdteqds)n薄膜的ecl强度图谱。图3、4表明，插层后的胶体，ldhs与cdteqds组装成功；并且由图4可见，相比于其他两种样品，(ams-coalldhs/cdteqds)n复合薄膜在鲁米诺和量子点位置都展现了明显的ecl信号增强，进而说明了该复合薄膜体系具有有效的eret效果。

图5为实施例1中不同层数的(ams-coalldhs/cdteqds)n复合薄膜的ecl信号强度变化。由图5的ecl图谱可以看出，随着组装层数的增加，ecl信号先增强后减弱，在n＝10时达到峰值。证明当n＝10时该复合薄膜有最佳的ecl强度信号。

图6为实施例1中不同ph值下(ams-coalldhs/cdteqds)14复合薄膜的ecl信号强度变化。由图6的ecl图谱可以看出，随着ph值的增加ecl信号先增强后减弱，ph值在7.5时达到峰值。表明，当ph＝7.5时该复合薄膜具有最佳的ecl强度信号。

图7为实施例1中制备的(ams-coalldhs/cdteqds)14复合薄膜传感器在ph＝7.5条件下对不同浓度tnt检测的ecl谱图。其中tnt的浓度依次为0,10^-3,10^-2,10^-1,1,10μg/ml(a-f)。图7的插图为其线性关系图，横坐标为tnt浓度的对数，单位：μg/ml；纵坐标为ecl强度值。由图7的ecl图谱可以看出，加入tnt后，荧光值明显减弱，并且其浓度的对数与强度呈现线性变化。

图8为实施例1中制备的(ams-coalldhs/cdteqds)14复合薄膜传感器在室温下存放十天后的ecl谱图。图8表明：该传感器具有良好的稳定性。

通过以上的测试结果表明：ams插层成功；插层后的胶体ams-coalldhs与cdteqds组装成功。elc传感器的最佳的环境的ph值为7.5，组装的最佳层数为10层；对于tnt的检测范围为10^-3-10μg/ml，检测限为0.65ppm。此外，该种传感器具有良好的稳定性，在室温下保存十天测试五次后其相对标准偏差约为5.8％。因此，所制备的elc传感器实现了eret效果，可被用于高效、准确tnt检测。

应当指出，虽然实验结果显示，elc传感器的最佳环境的ph值为7.5，组装的最佳层数为10层，但是elc传感器选取其他ph值，组装成其他层数时对于检测tnt也具有较好的效果。本发明中，多层(ams-coalldhs/cdteqds)n复合薄膜传感器的制备和处理参数也可以为处理类似的薄膜传感器的参数，其制备参数也可以在一定范围内作相应调整。多层(ams-coalldhs/cdteqds)n复合薄膜传感器的制备和处理方法也可以用于处理其他结构相似的传感器，其方法不限于层层自组装技术，原料不限于鲁米诺单钠盐和cdte，其他性质相似的供体如鲁米诺盐类和受体如量子点均可以使用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限定本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。