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(1.平頂山學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,河南平頂山 467000；2.鄭州大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院,河南鄭州 450001)

多巴胺(DA)是存在于神經(jīng)組織中的兒茶酚胺類神經(jīng)遞質(zhì)，為人體腎上腺髓質(zhì)分泌的兒茶酚胺之一。人體內(nèi)多巴胺含量的異常變化會隨即引發(fā)一些臨床病癥，因此研究多巴胺含量的有效測定能夠有助于帕金森癥、心臟病、甲亢等疾病的進一步醫(yī)治[1]，在神經(jīng)生理功能研究、疾病診斷以及臨床應(yīng)用方面均具有重要意義。隨著對多巴胺的深入研究，研究者們已經(jīng)開發(fā)了分光光度法[2]、高效液相色譜法[3]、熒光法[4]、電化學(xué)方法[5]和電化學(xué)發(fā)光法(ECL)[6]等測定多巴胺含量的方法。呂弋課題組[7]合成(3-氨基丙基)三甲氧基硅包覆的ZnO量子點，利用多巴胺具有直接猝滅其熒光的效應(yīng)原理，檢測水中和血清中多巴胺，檢出限最低可達到12nmol/L。鐘新華課題組[8]構(gòu)建出基于腺苷包覆的CdSe/ZnS量子點熒光傳感器，用來檢測人體尿樣中多巴胺含量，檢出限達到29.3nmol/L。但是，生命體系中多巴胺濃度通常情況下大約是26～40nmol/L，甚至?xí)?。因此，發(fā)展靈敏性更好、選擇性更高的多巴胺熒光探針仍是當(dāng)前面臨的一項巨大挑戰(zhàn)。

電化學(xué)發(fā)光由于其高選擇性、低背景信號、重現(xiàn)性好以及操作簡單等優(yōu)點被廣泛使用[9]。量子點是一類新型的、最具發(fā)展?jié)摿Φ碾娀瘜W(xué)發(fā)光體[10]，自從硅量子點被用于電化學(xué)發(fā)光以后，量子點在該方面的應(yīng)用一直受到重視。本研究采用連續(xù)離子層吸附法制備CdS量子點，相對于經(jīng)典的化學(xué)發(fā)光試劑(魯米諾、三吡啶釕)，此方法制備得到的CdS量子點具有電化學(xué)發(fā)光強度強、穩(wěn)定性好等特點[11]。ZnO納米材料是一種寬禁帶型半導(dǎo)體納米材料，具有優(yōu)良的電學(xué)和光學(xué)性能，在光電化學(xué)、發(fā)光二極管、紫外探測器、氣敏傳感器和場效應(yīng)晶體管等納米器件中有著廣泛的潛在應(yīng)用[12]。本研究旨在構(gòu)建高電化學(xué)發(fā)光性能的工作電極，利用多巴胺猝滅其電化學(xué)發(fā)光用來檢測多巴胺。首先采用電化學(xué)沉積法制備ZnO納米片薄膜作為“種子”，通過水熱法二次生長ZnO納米棒獲得比表面積較大的ZnO納米片-納米棒復(fù)合結(jié)構(gòu)，利用SILAR技術(shù)敏化CdS量子點構(gòu)建具有高電化學(xué)發(fā)光強度的工作電極?；诙喟桶穼λ苽銫dS/ZnO納米片-納米棒電極的電化學(xué)發(fā)光具有猝滅效應(yīng)，課題組選用多巴胺為檢測物，考察了所制備復(fù)合電極的電化學(xué)發(fā)光性能，所制備工作電極不需要任何放大技術(shù)可以精確地、靈敏地檢測多巴胺，具有實際應(yīng)用價值。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

結(jié)構(gòu)形貌表征采用JSM-6700F型掃描電鏡(SEM)、JEM3100型透射電鏡(TEM)(日本，JEOL)；元素組成分析在能譜(EDS)儀(Oxford,INCA)上進行；材料的紫外-可見漫反射光譜由Cary300紫外-可見光譜儀(Varian,USA)測得。電化學(xué)性能測試通過CHI660B電化學(xué)工作站獲得(上海會華儀器有限公司)；采用MPI-E型電致化學(xué)發(fā)光分析儀(西安瑞邁分析儀器有限責(zé)任公司)進行電致發(fā)光測試。

Zn(NO3)2·6H2O、Cd(NO3)2、Na2S、 六次甲基四胺等試劑均為分析純，來自于一般商業(yè)途徑。實驗用水均為超純水。

1.2 實驗方法

1.2.1ZnO納米片的制備采用三電極體系：工作電極為ITO導(dǎo)電玻璃，參比電極為Ag/AgCl標(biāo)準(zhǔn)電極，對電極為鉑電極，設(shè)置沉積電壓為-1.0 V，電解液為0.05 mol/L Zn(NO3)2和0.1 mol/L KCl，恒定水浴70 ℃的條件下電沉積60 min，制備出白色的納米薄膜，立即用超純水沖洗表面，放入烘箱中烘干。最后將此薄膜置于管式爐中，于450 ℃下晶化30 min即可產(chǎn)生多孔狀ZnO納米片，制備若干ZnO納米片備用[12]。

1.2.2ZnO納米片-納米棒復(fù)合結(jié)構(gòu)制備配制0.005 mol/L的Zn(NO3)2和六次甲基四胺作為反應(yīng)物前驅(qū)液，置于以聚四氟乙烯為內(nèi)襯的反應(yīng)釜內(nèi)，將“種子層”多孔ZnO納米片傾斜放入內(nèi)襯中，密封高壓反應(yīng)釜，油浴溫度調(diào)至90 ℃，為得到較好形貌的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，考察水熱反應(yīng)時間(4 h、6 h、8 h)對其形貌的影響。停止加熱后使其自然冷卻，取出樣品，用大量的超純水沖洗，最后放入真空干燥箱內(nèi)50 ℃恒溫干燥。為了提高材料結(jié)晶度，將材料置于管式爐450 ℃晶化30 min備用。

1.2.3CdS/ZnO納米片-納米棒的制備配制0.05 mol/L Cd(NO3)2和0.05 mol/L Na2S水溶液，用移液槍各精確移取4 mL于兩個離心管內(nèi)(標(biāo)號A和B)，制備CdS/ZnO納米片-納米棒復(fù)合物所用的方法為連續(xù)離子層吸附法。其中A為鎘源即陽離子源，B為硫源即為陰離子源。室溫下，將已制備的ZnO納米片-納米棒浸泡A中30 s后取出，用超純水清洗自然晾干，再浸泡B中30 s，用超純水清洗晾干，此為1個循環(huán)。循環(huán)次數(shù)決定不同包裹層數(shù)的CdS量子點敏化的ZnO納米片-納米棒復(fù)合結(jié)構(gòu)。

1.2.4CdS/ZnO納米片-納米棒的電化學(xué)發(fā)光性能測試通過電化學(xué)工作站進行電極的電化學(xué)測試，電化學(xué)發(fā)光性能的測試在MPI-E型電化學(xué)發(fā)光分析儀的暗箱中進行。采用三電極體系，工作電極為所制備CdS/ZnO納米片-納米棒電極(1×2 cm)，參比電極為Ag/AgCl標(biāo)準(zhǔn)電極，鉑片為對電極即輔助電極，測得電極的電化學(xué)發(fā)光信號和循環(huán)伏安曲線[11]。

樣品池中加入12 mL測試液(含0.1 mol/L KCl和0.1 mol/L K2S2O8的pH=7.4的0.1 mol/L磷酸鹽緩沖液)，設(shè)置循環(huán)伏安法為測試方法，掃描速度為100 mV/s，掃描電位范圍為-1.6～0 V，光電倍增管偏壓600 V。為了獲得較為可信更穩(wěn)定的電化學(xué)發(fā)光信號，待1 min后收集數(shù)據(jù)。

1.2.5多巴胺的檢測在相同的測試條件下，工作電極為CdS/ZnO納米片-納米棒電極，以12 mL含有10 μL濃度不同的多巴胺待測液為測試液，測得每個濃度對應(yīng)的電化學(xué)發(fā)光強度。檢測多巴胺時PMT偏壓為600 V，目的防止信號溢出，其他的參數(shù)值設(shè)定同上。

2 結(jié)果與討論

2.1 材料表征

2.1.1CdS/ZnO納米片-納米棒的表征圖1所示為材料的形貌表征，圖1A為已晶化的ZnO納米片，呈多孔狀，厚度大約為300 nm。圖1B所示為ZnO納米片-納米棒復(fù)合材料，在ZnO納米片上逐漸長滿了具有齒狀的納米棒，隨后形成為納米片-納米棒復(fù)合結(jié)構(gòu)。與ZnO納米片相比較，這種復(fù)合結(jié)構(gòu)為負載更多的CdS量子點提供機會。通過離子層吸附反應(yīng)將CdS量子點敏化在ZnO納米片-納米棒上形成復(fù)合材料(圖1C)，厚度約為600 nm。能譜分析(EDS)(圖1D)證實所制備的材料里面僅含有Zn、O、Cd、S元素。由此可證明所制備的材料具有良好的純度。圖1E和1F為所制備材料的透射電鏡及高分辨圖，從圖中可得CdS量子點修飾在ZnO納米片-納米棒材料上，其中圖2E為CdS敏化ZnO納米棒-納米片的碎片，將圖1E(園形部分)放大，即可獲得CdS敏化ZnO納米片-納米棒的高分辨圖(圖1F)，如圖所示，晶格間距為0.26 nm的位置對應(yīng)于ZnO(0001)晶面，0.321 nm則對應(yīng)CdS(111)晶面(JCPDS 80-0019)。

圖1 ZnO納米片(A)、ZnO納米片-納米棒(B)、CdS/ZnO納米片-納米棒(C)的掃描電鏡(SEM)；CdS/ZnO納米片-納米棒能譜(EDS)(D)；CdS/ZnO納米片-納米棒的透射電鏡(TEM)(E)及其HRTEM(F)Fig.1 SEM images of ZnO nanosheets (A),ZnO nanosheet-nanorods (B),CdS/ZnO nanosheet-nanorods (C);(D) the EDS spectrum of CdS/ZnO nanosheet-nanorods(D)；TEM (E) and HRTEM (F) images of CdS/ZnO nanosheet-nanorods

2.1.2CdS/ZnO納米片-納米棒的X-射線衍射分析ZnO納米片-納米棒復(fù)合結(jié)構(gòu)的X射線衍射(XRD)分析如圖2，曲線a與ZnO的標(biāo)準(zhǔn)PDF卡相比，吻合度較高，對應(yīng)的2θ分別為32.84°(100)、34.50°(002)、36.3°(101)、47.65°(102)、56.73°(110)、63.02°(103)、66.54°(200)、68.12°(112)，證實所制備的材料具有很好的六方纖鋅礦構(gòu)型，且特征峰(002)晶面和(101)晶面都很尖銳，表明ZnO納米片-納米棒的結(jié)晶度完好。圖中ZnO2的特征峰較為明顯，但未出現(xiàn)CdS的特征峰，原因可能為CdS分散良好或者CdS含量較低，可能低于XRD的檢出限。曲線b與CdS的標(biāo)準(zhǔn)PDF卡(65-2887)相比較，2θ為30.8°是CdS的(111)晶面特征峰，其余晶面沒有清晰看到，符合其閃鋅礦構(gòu)型。但在一定程度上，說明CdS量子點已經(jīng)很好的負載到了ZnO納米片-納米棒上。

2.1.3紫外-可見漫反射光譜分析圖3所示為材料的紫外-可見漫反射光譜(UV-Vis DRS)。紫外-可見漫反射吸收曲線可以很好的表征半導(dǎo)體材料的能級結(jié)構(gòu)及光吸收性能[12]。其中曲線a為ZnO納米片-納米棒，可以明顯的觀察到ZnO納米片-納米棒在波長為370 nm 左右的紫外區(qū)域有很強的吸收；當(dāng)負載CdS量子點形成CdS/ZnO納米片-納米棒復(fù)合結(jié)構(gòu)后(曲線b)，光吸收波長起點明顯拓展到了可見光區(qū)(400～500 nm)，因此證實復(fù)合材料提高了光的利用效率。同時依據(jù)文獻報道[13]，CdS量子點的紫外吸收峰在400～500 nm，對比可得CdS量子點已經(jīng)較好的負載在ZnO納米片-納米棒上。

圖2 ZnO納米片-納米棒(a)和CdS/ZnO納米片-納米棒(b)的X射線衍射(XRD)圖Fig.2 XRD patterns of ZnO nanosheet-nanorods (a) and CdS/ZnO nanosheet-nanorods (b)

圖3 CdS/ZnO納米片-納米棒的紫外-可見(UV-Vis)漫反射光譜圖Fig.3 UV-Vis DRS spectra of CdS/ZnO nanosheet-nanorods

2.2 CdS/ZnO納米片-納米棒復(fù)合電極的循環(huán)伏安及電化學(xué)發(fā)光性能

由圖4A可得，CdS/ZnO納米片-納米棒復(fù)合電極在-1.6～0 V電位區(qū)間的循環(huán)伏安(CV)曲線，從圖中可知CdS/ZnO納米片-納米棒復(fù)合電極在-1.4～-1.0 V有一明顯的還原反應(yīng)峰，此時電化學(xué)發(fā)光信號最大。圖4B是復(fù)合材料的電化學(xué)發(fā)光強度隨時間變化圖，a是ITO本身的峰，發(fā)光強度很弱。當(dāng)在其表面上生長ZnO納米片-納米棒時(b)，發(fā)光強度明顯增強，大約是a的2倍。負載CdS量子點形成CdS/ZnO納米片-納米棒復(fù)合材料后，發(fā)光強度與ZnO納米片-納米棒相比增強3倍(c)，這說明CdS量子點對電化學(xué)發(fā)光信號的貢獻較大。并且較高的電化學(xué)發(fā)光強度為后續(xù)的檢測應(yīng)用打下堅實的基礎(chǔ)。參考相關(guān)文獻報道[14]，反應(yīng)的電化學(xué)發(fā)光機理如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

圖4 CdS/ZnO納米片-納米棒的循環(huán)伏安圖(A)及電化學(xué)發(fā)光強度與時間曲線(B)Fig.4 Cyclic voltammograms of CdS/ZnO nanosheet-nanorods (A),and ECL emission(B)(ITO (a),ZnO nanosheet-nanorods (b) and CdS/ZnO nanosheet-nanorods (c))

圖5 CdS/ZnO納米片-納米棒電極循環(huán)掃描13圈的電化學(xué)發(fā)光圖(A)，以及不同的CdS/ZnO納米片-納米棒電極之間的電化學(xué)發(fā)光圖(B)Fig.5 Time-dependent ECL of CdS/ZnO nanosheet-nanorods collected 13 cycles (A)，and different CdS/ZnO nanosheet-nanorod electrodes (B)

2.3 CdS/ZnO納米片-納米棒復(fù)合電極的重現(xiàn)性研究

CdS QDs的厚度通過對連續(xù)離子層吸附法的循環(huán)次數(shù)進行優(yōu)化獲得，當(dāng)循環(huán)次數(shù)為5時，電化學(xué)發(fā)光強度達到最大。如圖5所示，當(dāng)將最優(yōu)的CdS/ZnO納米片-納米棒電極放入含有0.1 mol/L K2S2O8共反應(yīng)劑的0.1 mol/L磷酸鹽電解質(zhì)中測試其電化學(xué)發(fā)光信號時，在連續(xù)的陰極循環(huán)電壓掃描下，采集到的13個循環(huán)的電化學(xué)發(fā)光強度基本可以保持在同一強度(圖5A)，為考察不同電極之間的電化學(xué)發(fā)光性能，在同一條件下，測試5個所制備的CdS/ZnO納米片-納米棒電極的電化學(xué)發(fā)光，所得到的電化學(xué)發(fā)光強度基本相同(圖5B)。因此說明所制備電極有著較好的重現(xiàn)性、穩(wěn)定性，可以滿足進一步的分析檢測。

2.4 電化學(xué)發(fā)光檢測多巴胺

多巴胺對量子點的電化學(xué)發(fā)光具有猝滅作用，原因是由于多巴胺將電子轉(zhuǎn)移到CdS量子點，導(dǎo)致量子點負電荷處于“關(guān)閉”狀態(tài)，如果表面捕獲的電子與非輻射路徑中的光生空穴相互作用，這種狀態(tài)就有可能是永久的非輻射狀態(tài)。因此以多巴胺為分析物，發(fā)展一種高靈敏的檢測多巴胺的方法[15]。如圖6A所示，當(dāng)多巴胺加入到待測液中時，電化學(xué)發(fā)光強度降低，說明多巴胺對材料的陰極電化學(xué)發(fā)光有猝滅作用。電化學(xué)發(fā)光的強度隨著溶液中多巴胺濃度的增加而呈現(xiàn)下降趨勢。圖6A中曲線a至i表示體系中多巴胺濃度，依次為0、0.01、1.0、5.0、10.0、20.0、30.0、40.0、50.0 μmol/L，電極的電化學(xué)發(fā)光強度由9 000降低到3 700，信號減弱了近3倍。該猝滅過程在多巴胺的0.01～50 μmol/L水平上符合熒光猝滅理論中的Stern-Volmer方程[16]：I0/I=1+KSV[Q]。方程中I0代表原始電化學(xué)發(fā)光強度，I為加入待測物的濃度為[Q]時的電化學(xué)發(fā)光強度，KSV是猝滅常數(shù)。通過計算可得KSV=8.66×105mol/L-1(R=0.9946)，猝滅常數(shù)很大，表明該檢測方法對多巴胺具有很高的靈敏度。多巴胺濃度與電化學(xué)發(fā)光強度比值I0/I的關(guān)系如圖6B，其檢測限為0.01 μmol/L。本研究所得到的檢出限與其他工作相比檢測限較低。Liu等[1]利用CdSe量子點的電化學(xué)發(fā)光方法檢測多巴胺，檢出限為0.5 μmol/L；Yuan等[17]通過構(gòu)建石墨烯-金剛石復(fù)合電極，采用電化學(xué)生物傳感方法檢測多巴胺，檢出限為0.2 μmol/L，故本研究具有較好的應(yīng)用前景。

圖6 (A) CdS/ZnO納米片-納米棒的ECL強度與DA濃度關(guān)系；(B) I/I0與DA濃度的線性關(guān)系Fig.6 (A) ECL intensity of CdS/ZnO nanosheet-nanorods in the absence (a) and presence (b-i) of different concentrations of dopamine(DA);(B) Linear relationship between concentration of DA and ECL intensity ratio of I0/I

3 結(jié)論

近幾年來，研究者們越來越關(guān)注ZnO納米材料的形貌結(jié)構(gòu)。目前，很多研究傾向于對ZnO薄膜表面進行一系列的改性來增加其比表面積，最有效的方法就是在ZnO薄膜上控制生長納米或者微米結(jié)構(gòu)。本研究通過電化學(xué)沉積法制備多孔ZnO納米片薄膜，以此作為“種子”，利用低溫水熱法二次生長合成ZnO納米棒，兩種方法相結(jié)合，從而開發(fā)出擁有較大比表面積的ZnO納米片-納米棒復(fù)合結(jié)構(gòu)，為負載更多的量子點提供基礎(chǔ)。隨后采用連續(xù)離子層吸附法于ZnO納米片-納米棒上負載CdS量子點，從而獲得具有較高的電化學(xué)發(fā)光性能的復(fù)合電極材料。最后利用多巴胺具有猝滅所制備CdS/ZnO納米片-納米棒復(fù)合納米材料的電化學(xué)發(fā)光特性，實現(xiàn)對多巴胺的靈敏檢測，在實際應(yīng)用領(lǐng)域有較好的參考價值。