一种基于有序介孔碳和聚苯胺的鲁米诺阴极电致化学发光激发新方法
【专利摘要】本发明公开一种基于有序介孔碳和聚苯胺的鲁米诺阴极电致化学发光激发新方法。通过循环伏安法将有机高分子聚合物?聚苯胺聚合到无机碳纳米材料?有序介孔碳上CMK?3形成有机无机杂化材料复合膜，并将其修饰到玻碳电极表面构建工作电极，磷酸缓冲溶液作为电解质缓冲体系，可激发鲁米诺获得在阴极电致化学发光通道上的灵敏、稳定的电致化学发光辐射信号。基于该传感系统可实现对过氧化氢的高灵敏检测，其线性响应范围为1.0×10?9?5.0×10?5 mol/L。本发明通过激发鲁米诺阴极电致化学发光，实现对过氧化氢的高灵敏检测，可用于实际样品的检测，在生物医学领域具有一定的应用前景。
【专利说明】
一种基于有序介孔碳和聚苯胺的鲁米诺阴极电致化学发光激发新方法
技术领域
[0001]本发明属于电化学发光分析技术领域，具体涉及一种基于有序介孔碳和聚苯胺的鲁米诺阴极电致化学发光激发新方法。
【背景技术】
[0002]近几年来，有序介孔材料(OMM)已经得到了越来越广泛的关注，其中，有序介孔碳(OCM)由于其独特的惊人的特性如良好的电子传导性能，具有电催化性能，可加速电子转移速度，对某些物质具有非常高的检测灵敏度、特殊的选择性、很好的稳定性，可以降低过电位，增加峰电流，改善分析性能，并具有极好的生物兼容性、可调的多孔性及大比表面积，将为新型电化学传感器的构制提供新的构制方法。
[0003]导电聚合膜如聚吡啶、聚噻吩或聚苯胺，含有共轭电子结构，从1970年开始就得到了广泛的关注及研究应用。其中，聚苯胺，具有本身独特的性质如简易的制备过程、良好的成型性能及溶解性能、稳定性好、特殊的物理化学特性，为研究应用最为广泛的一种导电聚合膜。由于聚苯胺的均一性、独特的氧化还原性、高电导率及对电极表面的强吸附力，聚苯胺已经成功作为固定各种生物分子如酶、蛋白质、DNA等的良好的固定材料构制电化学生物传感器并显示了极好的性能。
[0004]由有机材料及无机材料结合而成的有机无机杂化材料的制备方法的研发是近年来的一个研究热点。通过控制有机无机材料的组分可以很好地实现对有机无机材料的协同效应及其构制的固体界面性质的控制，这引起了研究者们的注意及广泛的应用。利用有机无机杂化材料修饰电极并构制电化学传感器，显示了其独特的优势如三维刚性结构、对电极表面的稳定及强力吸附。
[0005]在各种电致化学发光体系中，鲁米诺ECL体系，由于其较低的氧化电位、较廉价的发光试剂及较高的发光效率，是继Ru(bpy)32+ ECL体系应用最广泛的一个ECL体系。鲁米诺的电致化学发光行为取决于应用电压、电极材料及电极的表面状态。虽然鲁米诺在正电位及负电位下均有电致化学发光，但是大部分研究主要集中在修饰电极上被氧化的鲁米诺所引起的阳极电致化学发光。去质子化鲁米诺与溶解氧之间的还原反应和氧化层覆盖的电极及半导体电极发射的热电子是产生鲁米诺阴极方法的两种主要途径，然而对鲁米诺的阴极电致化学发光的研究只有少数几篇文献。因此通过各种化学修饰方法研究构制各种新型电致化学发光传感器的界面，实现鲁米诺阴极电致化学发光的灵敏度及稳定性的提高，将会是具有实际意义的研究工作。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种基于有序介孔碳和聚苯胺的鲁米诺阴极电致化学发光激发新方法和一种基于有机无机纳米复合膜的电化学发光传感器。通过循环伏安法将有机高分子聚合物-聚苯胺聚合到无机碳纳米材料-有序介孔碳上形成有机无机杂化材料复合膜，并将其修饰到玻碳电极表面构建工作电极，磷酸缓冲溶液作为电解质缓冲体系，可激发鲁米诺获得在阴极电致化学发光通道上的灵敏、稳定的电致化学发光辐射信号。
[0007]为实现发明目的，本发明采用如下技术方案:
本发明所述的一种基于有序介孔碳和聚苯胺的鲁米诺阴极电致化学发光激发新方法，其特征在于，包括以下步骤:
(1)玻碳电极的抛光:玻碳电极首先在铺有氧化铝粉末的麂皮上机械打磨抛光，用二次水洗去表面残留粉末，再移入超声水浴中清洗，直至清洗干净，最后依序用乙醇，稀酸和水彻底洗涤；
(2)有序介孔碳/聚苯胺复合膜修饰电极的制备:取一定体积的CMK-3溶液滴于干净的玻碳电极表面并让溶剂自然挥干;将干燥后的CMK修饰电极放置在含有苯胺的硫酸溶液中，在扫描电压范围-0.2?1.2V，扫速50 mV/ s下施加循环伏安循环数圈，制得有序介孔碳/聚苯胺复合膜修饰电极；
(3)采用三电极体系进行测试，以有序介孔碳/聚苯胺复合膜修饰电极为工作电极，铂丝电极为对电极，Ag/ AgCl为参比电极，将上述三电极插入含有鲁米诺的磷酸缓冲溶液，施加循环伏安扫描电压，工作电极表面产生电致化学发光辐射，获得鲁米诺的阴极电致化学发光通道，用光检测器采集溶液产生的光信号。
[0008]所述CMK-3溶液是采用CMK-3和二甲基甲酰胺溶剂配置而成的，CMK-3溶液浓度为0.5mg/ml，所用体积为2μ I。
[0009]在含有苯胺的硫酸溶液中苯胺溶液的溶度为0.lmol/ml，硫酸溶液的溶度为
0.5mol/ml。
[0010]上述聚苯胺的聚合圈数为循环伏安循环10圈。
[0011 ] 上述步骤(3)中磷酸缓冲溶液，其PH=6.0?9.0。
[0012]上述步骤(3)中循环伏安扫描施加电压范围为0.3V?一 1.0V。
[0013]上述步骤(3)中鲁米诺的电致化学发光通道为在-0.5V有一个阴极电致化学发光ECL0
[0014]上述步骤(3)中鲁米诺的浓度范围为1.0Χ10_7-5.0Χ10_5 mol/L。
[0015]本发明所述的一种基于有机无机纳米复合膜的电化学发光传感器，包括工作电极、铂丝电极为对电极和Ag/ AgCl为参比电极，其特征在于，所述的工作电极采用有序介孔碳/聚苯胺复合膜修饰电极，其由下述步骤的方法制备而成的，I)玻碳电极的抛光:玻碳电极首先在铺有氧化铝粉末的麂皮上机械打磨抛光，用二次水洗去表面残留粉末，再移入超声水浴中清洗，直至清洗干净，最后依序用乙醇，稀酸和水彻底洗涤;2)有序介孔碳/聚苯胺复合膜修饰电极的制备:取一定体积的CMK-3溶液滴于干净的玻碳电极表面并让溶剂自然挥干；将干燥后的CMK修饰电极放置在含有苯胺的硫酸溶液中，在扫描电压范围-0.2?1.2V，扫速为50 mV/ s下施加循环伏安循环数圈，制得有序介孔碳/聚苯胺复合膜修饰电极。
[0016]上述CMK-3溶液是采用CMK-3和二甲基甲酰胺溶剂配置而成的，CMK-3溶液浓度为
0.5mg/ml，所用体积为2μ1;在含有苯胺的硫酸溶液中苯胺溶液的溶度为0.lmol/ml，硫酸溶液的溶度为0.5mol/ml;聚苯胺的聚合圈数为循环伏安循环10圈。
[0017]上述磷酸缓冲溶液，其PH=6.0?9.0。循环伏安扫描施加电压范围为0.3V?一1.0Vo
[0018]上述鲁米诺的电致化学发光通道为在-0.5V有一个阴极电致化学发光ECL。
[0019]上述鲁米诺的浓度范围为1.0\10_7_5.0\10_5 mol/L。
[0020]本发明的优点为:
(1)本发明通过控制有机无机材料的组分很好地实现对有机无机材料的协同效应，利用有机无机杂化材料构制的电化学传感器显示了其独特的优势如三维刚性结构、电极表面的稳定性等；
(2)本发明借助于有机无机杂化材料修饰电极激发鲁米诺获得在阴极电致化学发光通道上的灵敏、稳定的电致化学发光辐射信号，将扩大其在分析化学领域的应用前景；
(3)本发明制备过程简单，制备的电致化学发光传感器具有良好的电化学发光性能，极好的生物兼容性，在新型电致化学发光传感器和生物医学领域具有一定的应用前景。
【附图说明】
[0021]图1为本发明所述的CMK/PAN复合膜电化学发光传感器的制备过程示意图。
[0022]图2A为CMK-3的TEM表征图。
[0023]图2B为CMK/PAN复合膜修饰玻碳电极的SEM表征图。
[0024]图3为pH 7.5磷酸缓冲溶液中，裸GCE(a)、CMK/GCE(b)、PAN/GCE(c)、CMK/PAN/GCE(d)在含有2 X 10—5 mol/L鲁米诺的I3BS 7.5溶液中的ECL行为图。
[0025]图4为pH 7.5磷酸缓冲溶液中，鲁米诺在裸GCE、PAN/GCE、CMK/PAN/GCE上的线性响应范围图，图中的a、b、c分别是鲁米诺在裸GCE、PAN/GCE、CMK/PAN/GCE上的线性响应范围图。
[0026]图5为pH7.5磷酸缓冲溶液中，过氧化氢在CMK/PAN复合膜修饰玻碳电极上的线性响应范围图。
【具体实施方式】
[0027]本发明用下列实施例来进一步说明本发明，但本发明的保护范围并不限于下列实施例。
[0028]下述实施例中的CMK-3为市售产品，可以采用南京先丰纳米材料科技有限公司供应的产品。
[0029]实施例1
(I)取1.0mgCMK-3分散于2ml二甲基甲酰胺DMF溶液中制备0.5mg/ml CMK-3溶液。图2A给出了有序介孔碳CMK-3在场发射透射电子扫描电镜仪(FE TEM)下所观察到的形貌及结构，从图2A中我们可以看出CMK-3是由碳纳米棒组成的有序的六边形阵列，显示了井然有序的多孔结构。
[0030](2)玻碳电极首先在铺有氧化铝粉末的麂皮上机械打磨抛光，用二次水洗去表面残留粉末，再移入超声水浴中清洗，每次2分钟，重复三次，直至清洗干净，最后用乙醇，稀酸和水彻底洗涤;取2yl 0.5mg/ml CMK-3溶液滴于干净的玻碳电极表面并让溶剂自然挥干形成干燥的CMK修饰电极;将干燥后的CMK修饰电极放置在含有0.1 mol/L苯胺的0.5 mol/L硫酸溶液中，在扫描电压范围-0.2?1.2V，扫速为50 mV/ s下施加循环伏安循环10圈，制得有CMK/PAN复合膜修饰电极。图2B显示了 CMK/PAN复合膜修饰玻碳电极在场发射电子扫描电镜仪(FE SEM)下的表面形貌，从图2B可以看出通过电聚合方法，聚苯胺已经均匀的分布在介孔碳修饰的电极表面。
[0031]实施例2
(1)玻碳电极的抛光及裸玻碳电极的制备:玻碳电极首先在铺有氧化铝粉末的麂皮上机械打磨抛光，用二次水洗去表面残留粉末，再移入超声水浴中清洗，每次2分钟，重复三次，直至清洗干净，最后用乙醇，稀酸和水彻底洗涤；
(2)有序介孔碳(CMK)膜修饰电极的制备:取2μ10.5mg/ml的CMK-3溶液(溶于DMF中)，滴于干净的裸玻碳电极表面并让溶剂自然挥干；
(3)聚苯胺(PAN)膜修饰电极的制备:干净的裸玻碳电极放置在含有0.1mol/L苯胺的
0.5 M H2SO4硫酸溶液中，使用循环伏安法，在扫描电压范围-0.2V?1.2V，扫速为50 mV/ s下循环10圈；
(4)CMK/PAN复合膜修饰电极的制备:取2μ1 0.5mg/ml CMK-3溶液(溶于DMF中)，滴于干净的裸玻碳电极表面并让溶剂自然挥干，将干燥后的CMK修饰电极放置在含有0.1 mol/L苯胺的0.5 M H2SO4硫酸溶液中，使用循环伏安法，在扫描电压范围-0.2V?1.2V，扫速为50mV/ s下循环10圈；
(5)采用三电极体系进行测试，以裸玻碳电极为工作电极，铂丝电极为对电极，Ag/AgCl为参比电极，将上述三电极插入含有2.0 X 10_5 mol/L鲁米诺pH 7.5磷酸缓冲溶液，施加循环伏安扫描电压，工作电极表面产生电致化学发光福射，得到裸GCE在含有鲁米诺的pH7.5磷酸缓冲溶液中的ECL行为(如图3中的a所示)；
(6)采用三电极体系进行测试，以CMK膜修饰电极为工作电极，铂丝电极为对电极，Ag/AgCl为参比电极，将上述三电极插入含有2.0 X 10_5 mol/L鲁米诺pH 7.5磷酸缓冲溶液，施加循环伏安扫描电压，工作电极表面产生电致化学发光福射，得到CMK膜修饰电极在含有鲁米诺的pH 7.5磷酸缓冲溶液的ECL行为(如图3中的b所示)，鲁米诺在介孔碳膜修饰GCE上的ECL强度几乎是其在裸玻碳电极上的3倍多，这主要是由于具有大比表面积的介孔碳的引入极大的改善了电极的表面结构使电极表面呈多孔性，有利于反应物在电极表面的传质过程；
(7)采用三电极体系进行测试，以PAN膜修饰电极为工作电极，铂丝电极为对电极，Ag/AgCl为参比电极，将上述三电极插入含有2.0 X 10_5 mol/L鲁米诺pH 7.5磷酸缓冲溶液，施加循环伏安扫描电压，工作电极表面产生电致化学发光福射，得到PAN膜修饰电极在含有鲁米诺的pH 7.5磷酸缓冲溶液中的ECL行为(如图3中的c所示)，鲁米诺在聚合膜修饰GCE上的ECL强度几乎是其在裸玻碳电极上的4倍多，这主要是由于具有良好导电性能的聚苯胺的引入极大的改善了电极的传导性，对溶解氧的还原具有一定的催化作用；
(8)采用三电极体系进行测试，以CMK/PAN复合膜修饰电极为工作电极，铂丝电极为对电极，Ag/ AgCl为参比电极，将上述三电极插入含有2.0 X 10_5 mol/L鲁米诺pH 7.5磷酸缓冲溶液，施加循环伏安扫描电压，工作电极表面产生电致化学发光福射，CMK/PAN复合膜修饰电极在含有鲁米诺的PH 7.5磷酸缓冲溶液中的ECL行为(如图3中的d所示)，由于聚苯胺及介孔碳杂化后的协同作用，鲁米诺的阴极ECL强度进一步增强。
[0032]实施例3 (1)玻碳电极的抛光及裸玻碳电极的制备:玻碳电极首先在铺有氧化铝粉末的麂皮上机械打磨抛光，用二次水洗去表面残留粉末，再移入超声水浴中清洗，每次2分钟，重复三次，直至清洗干净，最后用乙醇，稀酸和水彻底洗涤；
(2)聚苯胺(PAN)膜修饰电极的制备:干净的裸玻碳电极放置在含有0.1mol/L苯胺的
0.5 mol/L H2SO4硫酸溶液中，使用循环伏安法，在扫描电压范围-0.2V?1.2V，扫速为50mV/ s下循环10圈；
(3)CMK/PAN复合膜修饰电极的制备:取2μ1 0.5mg/ml CMK-3溶液(溶于DMF中)，滴于干净的玻碳电极表面并让溶剂自然挥干，将干燥后的CMK修饰电极放置在含有0.1 mol/L苯胺的0.5 mol/L H2SO4硫酸溶液中，使用循环伏安法，在扫描电压范围-0.2V?1.2V，扫速为50 mV/ s下循环10圈;
(4)采用三电极体系进行测试，以裸玻碳电极为工作电极，铂丝电极为对电极，Ag/AgCl为参比电极，将上述三电极插入含有不同浓度(浓度范围为5.0X 1(Γ6-5.0X Kr5 mol/L)的鲁米诺pH 7.5磷酸缓冲溶液，施加循环伏安扫描电压，工作电极表面产生电致化学发光辐射，得到鲁米诺在裸GCE线性响应范围(如图4中的a所示)；
(5)采用三电极体系进行测试，以PAN膜修饰电极为工作电极，铂丝电极为对电极，Ag/AgCl为参比电极，将上述三电极插入含有不同浓度(浓度范围为1.0 X 1(Γ6-5.0 X Kr5 mol/L)的鲁米诺pH 7.5磷酸缓冲溶液，施加循环伏安扫描电压，工作电极表面产生电致化学发光辐射，得到鲁米诺在PAN膜修饰玻碳电极上的线性响应范围(如图4中的b所示)；
(6)采用三电极体系进行测试，以CMK/PAN复合膜修饰电极为工作电极，铂丝电极为对电极，Ag/ AgCl为参比电极，将上述三电极插入含有不同浓度(浓度范围为1.0X10~7-5.0XΙΟ'5 mol/L)的鲁米诺pH 7.5磷酸缓冲溶液，施加循环伏安扫描电压，工作电极表面产生电致化学发光辐射，得到鲁米诺在CMK/PAN复合膜修饰玻碳电极上的线性响应范围(如图4中的c所示)，CMK/PAN复合膜修饰GCE对鲁米诺显示了最强的ECL强度及最宽的线性响应范围，表明了由聚苯胺及介孔碳杂化而成的有机无机杂化材料修饰膜所构制的ECL传感器表现出较高的性能。
[0033]实施例4
(1)玻碳电极的抛光:玻碳电极首先在铺有氧化铝粉末的麂皮上机械打磨抛光，用二次水洗去表面残留粉末，再移入超声水浴中清洗，每次2-3分钟，重复三次，直至清洗干净，最后用乙醇，稀酸和水彻底洗涤；
(2)CMK/PAN复合膜修饰电极的制备:取2μ10.5mg/mlCMK_3溶液(溶于DMF中)，滴于干净的玻碳电极表面并让溶剂自然挥干，将干燥后的CMK修饰电极放置在含有0.1 mol/L苯胺的0.5 mol/L H2SO4硫酸溶液中，使用循环伏安法，在扫描电压范围_0.2V?1.2V，扫速为50mV/ s下循环10圈。
[0034](3)采用三电极体系进行测试，以CMK/PAN复合膜修饰电极为工作电极，铂丝电极为对电极，Ag/ AgCl为参比电极，将上述三电极插入含2 X 10—5 mol/L鲁米诺及不同浓度(浓度范围为1.0 X 10_9-5.0 X 10_5 mol/L)的过氧化氢的pH 7.5磷酸缓冲溶液中，基于鲁米诺的电致化学发光通道，施加循环伏安扫描电压，用光检测器采集溶液产生的光信号。在鲁米诺的高浓度1.0 X 10_7?1.0 X 10_5 mol/L范围内，过氧化氢的浓度与鲁米诺的ECL强度成线性关系，其线性相关方程为I = IXlOloC + 1864(妒=0.999);而在鲁米诺的低浓度1.0父10_9?1.0X 10_7 mol/L范围内，过氧化氢的浓度的对数与鲁米诺的ECL强度的对数成线性关系，其线性相关方程为1g(I) = 0.211og(C) + 4.634(R2=0.998)，其中I为鲁米诺的ECL强度，C为过氧化氢的浓度。
【主权项】
1.一种基于有序介孔碳和聚苯胺的鲁米诺阴极电致化学发光激发新方法，其特征在于，包括以下步骤: 玻碳电极的抛光:玻碳电极首先在铺有氧化铝粉末的麂皮上机械打磨抛光，用二次水洗去表面残留粉末，再移入超声水浴中清洗，直至清洗干净，最后依序用乙醇，稀酸和水彻底洗涤； 有序介孔碳/聚苯胺复合膜修饰电极的制备:取一定体积的CMK-3溶液滴于干净的玻碳电极表面并让溶剂自然挥干;将干燥后的CMK修饰电极放置在含有苯胺的硫酸溶液中，在扫描电压范围-0.2?1.2V，扫速50 mV/ s下施加循环伏安循环数圈，制得有序介孔碳/聚苯胺复合膜修饰电极； 采用三电极体系进行测试，以有序介孔碳/聚苯胺复合膜修饰电极为工作电极，铂丝电极为对电极，Ag/ AgCl为参比电极，将上述三电极插入含有鲁米诺的磷酸缓冲溶液，施加循环伏安扫描电压，工作电极表面产生电致化学发光辐射，获得鲁米诺的阴极电致化学发光通道，用光检测器采集溶液产生的光信号。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述CMK-3溶液是采用CMK-3和二甲基甲酰胺溶剂配置而成的，CMK-3溶液浓度为0.5mg/ml，所用体积为2μ1。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在含有苯胺的硫酸溶液中苯胺溶液的溶度为0.lmol/ml，硫酸溶液的溶度为0.5mol/ml。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，聚苯胺的聚合圈数为循环伏安循环10圈。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(3)中磷酸缓冲溶液，其PH=6.0?9.0。6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(3)中循环伏安扫描施加电压范围为0.3V ?一1-OV07.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(3)中鲁米诺的电致化学发光通道为在-0.5V有一个阴极电致化学发光ECL。8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(3)中鲁米诺的浓度范围为1.0X10_7-5.0X 1'5 mol/Lo9.一种基于有机无机纳米复合膜的电化学发光传感器，包括工作电极、铂丝电极为对电极和Ag/ AgCl为参比电极，其特征在于，所述的工作电极采用有序介孔碳/聚苯胺复合膜修饰电极，其由下述步骤的方法制备而成的，I)玻碳电极的抛光:玻碳电极首先在铺有氧化铝粉末的麂皮上机械打磨抛光，用二次水洗去表面残留粉末，再移入超声水浴中清洗，直至清洗干净，最后依序用乙醇，稀酸和水彻底洗涤;2)有序介孔碳/聚苯胺复合膜修饰电极的制备:取一定体积的CMK-3溶液滴于干净的玻碳电极表面并让溶剂自然挥干;将干燥后的CMK修饰电极放置在含有苯胺的硫酸溶液中，在扫描电压范围-0.2?1.2V，扫速为50 mV/s下施加循环伏安循环数圈，制得有序介孔碳/聚苯胺复合膜修饰电极。10.根据权利要求9所述的电化学发光传感器，其特征在于，所述CMK-3溶液是采用CMK-3和二甲基甲酰胺溶剂配置而成的，CMK-3溶液浓度为0.5mg/ml，所用体积为2μ1;在含有苯胺的硫酸溶液中苯胺溶液的溶度为0.lmol/ml，硫酸溶液的溶度为0.5mol/ml;聚苯胺的聚合圈数为循环伏安循环10圈。
【文档编号】G01N27/48GK105938100SQ201610230378
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年4月14日
【发明人】林燕语, 戴宏, 张书培
【申请人】福建师范大学