本發(fā)明涉及一種電化學(xué)發(fā)光傳感器及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

電化學(xué)發(fā)光是化學(xué)發(fā)光與電化學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，基于電化學(xué)發(fā)光為機(jī)理的分析方法現(xiàn)已逐漸應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、藥品和食品分析等研究領(lǐng)域，主要是由于電化學(xué)發(fā)光既保留了化學(xué)發(fā)光分析法靈敏度高、線性范圍寬、設(shè)備簡單、操作方便、快速、易于實(shí)現(xiàn)自動化等優(yōu)點(diǎn)，又具有電化學(xué)分析法可控性強(qiáng)、可提供高活性的發(fā)光反應(yīng)物質(zhì)和節(jié)省試劑等優(yōu)勢。通過物理或化學(xué)的方法將直接或間接參與化學(xué)發(fā)光反應(yīng)的試劑固定在電極上，被稱為電化學(xué)發(fā)光傳感器。近年來，制備這種具有結(jié)構(gòu)簡單、檢測方便、選擇性好、價格低廉、使用壽命相對較長、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)的電化學(xué)發(fā)光生物傳感器，是個誘人的研究目標(biāo)，同時也是光化學(xué)領(lǐng)域倍受關(guān)注的重要研究課題之一。

隨著納米科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，研究發(fā)現(xiàn)，無機(jī)納米材料具有較好的電化學(xué)發(fā)光性能。然而，無機(jī)納米材料只能產(chǎn)生陰極電化學(xué)發(fā)光發(fā)射峰，因而由無機(jī)納米材料構(gòu)筑的電化學(xué)發(fā)光傳感器只能用于檢測過氧化氫和一些酶，限制了其在檢測容易被氧化的生物小分子方面的應(yīng)用。電化學(xué)發(fā)光研究工作者逐漸把目光投向了在陰極或陽極都具有電化學(xué)性質(zhì)的有機(jī)納米材料，利用有機(jī)納米材料構(gòu)筑的電化學(xué)發(fā)光傳感器可以拓展在生物小分子檢測中的應(yīng)用空間。有機(jī)材料種類繁多，熒光量子產(chǎn)率高，易于通過分子設(shè)計(jì)來改變其光功能，非常有希望發(fā)展成為一類性能優(yōu)異的電化學(xué)發(fā)光材料。研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)納米顆粒只有在共反應(yīng)劑存在的情況下才能產(chǎn)生穩(wěn)定但較弱的電化學(xué)發(fā)光，這就限制了其在電化學(xué)發(fā)光傳感領(lǐng)域中的應(yīng)用。因而，如何提高有機(jī)納米材料的電化學(xué)發(fā)光性能已經(jīng)成為一個亟待解決的研究課題。眾所周知，有機(jī)納米材料的弱電化學(xué)發(fā)光性能主要是根源在于有機(jī)材料的電荷傳遞速率低，這樣削弱了其電化學(xué)性能。綜上所述，現(xiàn)有的電化學(xué)發(fā)光傳感器制備過程比較繁瑣、造價高并且靈敏度低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種制備工藝簡單、操作方便、成本低、靈敏度高且適用性廣的晶相依賴有機(jī)半導(dǎo)體微納電化學(xué)發(fā)光傳感器及其應(yīng)用。本發(fā)明主要是利用簡單的再沉淀技術(shù)可控制備形貌與結(jié)構(gòu)可調(diào)的有機(jī)半導(dǎo)體微納結(jié)構(gòu)；構(gòu)筑電化學(xué)發(fā)光傳感器，將其應(yīng)用于痕量生物小分子檢測中。

本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

1、晶相依賴有機(jī)半導(dǎo)體微納電化學(xué)發(fā)光傳感器(簡稱ECL傳感器)，其是由負(fù)載有不同晶型電化學(xué)發(fā)光微納材料的導(dǎo)電玻璃做工作電極，由鉑絲電極做輔助電極，同時采用Ag/AgCl(飽和氯化鉀)電極做參比電極，它們分別插在電化學(xué)發(fā)光系統(tǒng)的檢測池接口上，在注樣口中注入1mL濃度為0.1mol/L的KCl做電解質(zhì)，組成三電極體系。其中，輔助電極即鉑絲電極和參比電極Ag/AgCl(飽和氯化鉀)電極均為現(xiàn)有技術(shù)，工作電極則為本發(fā)明電極。

2、工作電極的制備方法如下：

1)合成不同晶型且具有特定電化學(xué)發(fā)光性質(zhì)的有機(jī)半導(dǎo)體微納材料；

①取紅熒烯(5，6，11，12-四苯基并四苯，化學(xué)式C₄₂H₂₈)溶解在其良溶劑中，制成濃度為30mmol/L的紅熒烯良溶劑溶液，該良溶劑為三氯甲烷、二氯甲烷、苯或二硫化碳等。

②取步驟①配制的溶液，快速(≤2秒)加入到不良溶劑中，并且溶液與不良溶劑的體積比為1：2-30，該不良溶劑為甲醇、乙醇或乙腈等，溶液在不良溶劑中快速擴(kuò)散后，澄清的單體溶液逐漸變色，靜置20分鐘-120分鐘，在混合溶液中出現(xiàn)微納晶體。

2)微納材料修飾電極

①將導(dǎo)電玻璃(ITO)切成大小為2.0×4.5cm²的長方形；

②清洗導(dǎo)電玻璃，最優(yōu)的清洗步驟為：第一步，把導(dǎo)電玻璃浸泡在加入洗滌劑的自來水中，并將其放到超聲波清洗器(53MHz)進(jìn)行超聲清洗20min；第二步，用大量的自來水沖洗導(dǎo)電玻璃表面的洗滌劑，直至沒有泡沫為止；第三步，用無水乙醇以及超純水分別對其淋洗4次；第四步，利用高純氬氣將其吹干；

③用微量注射器取步驟1)制備的微納材料20-50μL滴在干凈的導(dǎo)電玻璃塊上，溶劑揮發(fā)后微納材料負(fù)載在導(dǎo)電玻璃塊上，作為ECL傳感器的工作電極。

3、ECL傳感器的應(yīng)用

將具有特定電化學(xué)發(fā)光特性的有機(jī)半導(dǎo)體微納材料修飾在ITO電極上，組裝好樣品池，加入1mL、0.1mol/L的KCl充當(dāng)電解質(zhì)，1mL、500μmol/L的TPrA充當(dāng)共反應(yīng)劑，然后在注樣口中注入不同濃度的生物分子,本發(fā)明的傳感器可用于對肌酸酐、多巴胺和亞甲基藍(lán)等生物分子的檢測。具體是：再把其放在儀器的PMT上方，連好工作電極(負(fù)載有不同晶型紅熒烯微納材料的導(dǎo)電玻璃)、輔助電極(鉑絲電極)、及參比電極(銀/氯化銀電極)，開啟儀器，設(shè)置光電倍增管電壓，然后把測量方法設(shè)置為循環(huán)伏安法，再設(shè)定測量的參數(shù)，由電化學(xué)發(fā)光軟件記錄相應(yīng)的電化學(xué)發(fā)光信號。

本發(fā)明的工作原理大致如下：所述有機(jī)微納材料為典型的有機(jī)電化學(xué)發(fā)光材料紅熒烯，紅熒烯微納材料由再沉淀法制備，良溶劑與不良溶劑的快速混合，瞬間改變了紅熒烯分子所處的溶劑環(huán)境，誘導(dǎo)紅熒烯微納材料的成核與生長，最終形成了不同晶型以及不同形貌的紅熒烯微納材料。不同晶型的紅熒烯微納材料修飾的導(dǎo)電玻璃電極的電極活性面積對電化學(xué)發(fā)光的性能有一定的影響。其中紅熒烯納米線能顯著增強(qiáng)電極的電活性表面積，且紅熒烯納米線比紅熒烯納米片的電極的電活性表面積更加大。紅熒烯納米線極大增加了導(dǎo)電玻璃的活性表面積和單斜紅熒烯納米片相比，三斜紅熒烯納米線修飾的導(dǎo)電玻璃電極能為分析物提供更多結(jié)合位點(diǎn)，有效增強(qiáng)電化學(xué)發(fā)光性能。

本發(fā)明的晶相依賴有機(jī)半導(dǎo)體微納電化學(xué)發(fā)光傳感器，經(jīng)過電化學(xué)氧化與還原的納米材料在電極表面能與共反應(yīng)劑發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生電化學(xué)發(fā)光，由電化學(xué)發(fā)光軟件記錄相應(yīng)的電化學(xué)發(fā)光信號即可得到檢測結(jié)果。

本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)本發(fā)明制備的傳感器性能優(yōu)異、價格低廉、電化學(xué)發(fā)光的反應(yīng)速率快、靈敏度高。

2)本發(fā)明制備的傳感器制備工藝簡單，操作方便，成本低、適用性廣且環(huán)境友好。

3)本發(fā)明制備的傳感器可用于有機(jī)小分子的檢測，具有良好的機(jī)械操作性，可以在不同領(lǐng)域中應(yīng)用。

4)本發(fā)明大大拓展傳感器的選材范圍，也為有機(jī)半導(dǎo)體微納材料作為構(gòu)筑傳感器材料的研究提供一種思路。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)驗(yàn)室合成紅熒稀微納材料的流程示意簡圖。

圖2是本發(fā)明單斜晶型紅熒烯微納材料的掃描電子顯微鏡照片圖。

圖3是本發(fā)明三斜晶型紅熒烯微納材料的掃描電子顯微鏡照片圖。

圖4是本發(fā)明紅熒烯微納材料的XRD譜圖。

圖5是本發(fā)明實(shí)驗(yàn)室微納材料修飾電極的流程示意簡圖。

圖6是本發(fā)明實(shí)驗(yàn)室制備的ECL傳感器實(shí)物圖。

圖7是本發(fā)明不同晶型紅熒烯微納材料的電化學(xué)發(fā)光圖，

a為單斜晶型的紅熒烯的電化學(xué)發(fā)光曲線，b為三斜晶型的紅熒烯的電化學(xué)發(fā)光曲線。

圖8是本發(fā)明電化學(xué)發(fā)光機(jī)理圖。

圖9是本發(fā)明不同晶型紅熒烯微納電化學(xué)發(fā)光傳感器檢測不同濃度肌酸酐電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度與肌酸酐濃度的線性關(guān)系圖，

A為三斜晶型，B為單斜晶型，插圖為發(fā)光強(qiáng)度隨肌酸酐濃度變化的曲線圖，

肌酸酐的濃度從a到f分別為0mol/L，1×10^-13mol/L、1×10^-11mol/L、1×10^-9mol/L、1×10^-7mol/L、1×10^-5mol/L。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。

下述實(shí)施例中所用的材料、試劑等，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑得到。

實(shí)施例1、不同晶型和形貌的有機(jī)半導(dǎo)體電化學(xué)發(fā)光微納材料的制備

在圖1所示的實(shí)驗(yàn)室合成紅熒稀微納材料的流程示意簡圖中，

a取紅熒烯粉末(5，6，11，12-四苯基并四苯，化學(xué)式C₄₂H₂₈)溶解在三氯甲烷中，制成濃度為30mmol/L的紅熒烯三氯甲烷溶液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，溶液在不良溶劑中快速擴(kuò)散后，澄清的單體溶液逐漸變色，靜置2小時，在混合溶液中出現(xiàn)微納晶體，最終得到紅熒烯微納材料3。

b取紅熒烯粉末(5，6，11，12-四苯基并四苯，化學(xué)式C₄₂H₂₈)溶解在三氯甲烷中，制成濃度為30m mol/L的紅熒烯三氯甲烷溶液，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，溶液在不良溶劑中快速擴(kuò)散后，澄清的單體溶液逐漸變色，靜置2小時，在混合溶液中出現(xiàn)微納晶體，最終得到紅熒烯微納材料。

圖2為上述實(shí)驗(yàn)室制備的50μL濃度為30m mol/L的紅熒烯的氯仿溶液加入0.1mL甲醇中得到的紅熒烯微納材料的掃描電子顯微鏡照片，由圖可知該紅熒烯微納材料的形貌為六邊形。

圖3為上述實(shí)驗(yàn)室制備的50μL濃度為30mM的紅熒烯的氯仿溶液加入1.5mL甲醇中得到的紅熒烯微納材料的掃描電子顯微鏡照片，由圖可知該紅熒烯微納材料的形貌為線。

圖4為上述實(shí)驗(yàn)室制備的紅熒烯微納材料的XRD曲線及標(biāo)準(zhǔn)單斜晶型和三斜晶型紅熒烯微納材料的XRD曲線，由圖可知上述制備的兩種紅熒烯的微納材料的晶型不同，形貌為六邊形的紅熒烯的微納材料為單斜晶型，形貌為線的紅熒烯微納材料為三斜晶型。

實(shí)施例2、有機(jī)微納半導(dǎo)體電化學(xué)發(fā)光傳感器的構(gòu)筑。

在圖5所示的實(shí)驗(yàn)室微納材料修飾電極的流程示意簡圖中，將導(dǎo)電玻璃(ITO)4切成大小為2.0×4.5cm²的長方形；然后清洗導(dǎo)電玻璃塊，其清洗步驟為：第一步，把導(dǎo)電玻璃浸泡在加入洗滌劑的自來水中，并將其放到超聲波清洗器(53MHz)進(jìn)行超聲清洗20min；第二步，用大量的自來水沖洗導(dǎo)電玻璃表面的洗滌劑，直至沒有泡沫為止；第三步，用無水乙醇以及超純水分別對其淋洗4次；第四步，利用高純氬氣將其吹干；將采用圖1流程制備的單斜晶型的微納材料30μL滴在干凈的導(dǎo)電玻璃塊5上，溶劑揮發(fā)后微納材料6負(fù)載在導(dǎo)電玻璃塊上，作為ECL傳感器的工作電極。

在圖6所示的本發(fā)明實(shí)驗(yàn)室制備的ECL傳感器實(shí)物圖中，其是由負(fù)載有不同晶型紅熒烯微納材料的導(dǎo)電玻璃做工作電極7，由鉑絲電極做輔助電極8，同時采用Ag/AgCl(飽和氯化鉀)電極做參比電極9，它們分別插在電化學(xué)發(fā)光系統(tǒng)的檢測池接口上，在注樣口10中注入1mL、0.1mol/L的KCl作電解質(zhì)，組成三電極體系，最終得到ECL傳感器。

實(shí)施例3、不同晶型紅熒烯微納材料的電化學(xué)發(fā)光。

在圖7所示的本發(fā)明制備的兩種晶型的紅熒烯微納材料的電化學(xué)發(fā)光圖中，由圖可知三斜晶型的紅熒烯微納材料的電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度更強(qiáng)，約是單斜晶型紅熒烯微納材料的3倍。

在圖8所示的本發(fā)明電化學(xué)發(fā)光機(jī)理圖中，在通電時紅熒烯和三丙胺分別被氧化為紅熒烯正離子自由基和三丙胺正離子自由基。之后，三丙胺正離子自由基失去質(zhì)子形成三丙胺自由基，三丙胺自由基有很強(qiáng)的還原性，能將紅熒烯正離子自由基還原為激發(fā)態(tài)的紅熒烯，激發(fā)態(tài)的紅熒烯返回基態(tài)時，發(fā)出紅色的光。

實(shí)施例4、晶相依賴的有機(jī)半導(dǎo)體微納材料傳感器痕量檢測肌酸酐。

在圖9所示的本發(fā)明實(shí)驗(yàn)室檢測肌酸酐電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度和肌酸酐濃度的線性關(guān)系圖中，將上述制備的兩種晶型的紅熒烯微納材料修飾在導(dǎo)電玻璃上，組裝好樣品池，向其中加入1mL濃度為0.1mol/L的KCL充當(dāng)電解質(zhì)、1mL濃度為500μmol/L的TPrA充當(dāng)共反應(yīng)劑，并向其中加入1mL濃度為2×10^-10mol/L的肌酸酐，再把其放在儀器的PMT上方，連好工作電極(負(fù)載有單斜晶型紅熒烯的導(dǎo)電玻璃)、輔助電極(鉑絲電極)及參比電極(銀/氯化銀電極)，開啟儀器，設(shè)置好儀器的參數(shù)，記錄相應(yīng)的電化學(xué)發(fā)光信號強(qiáng)度，再在同樣的條件下重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，測定不同肌酸酐濃度時電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度，擬合得到電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度和肌酸酐濃度之間的線性曲線，插圖表現(xiàn)的是三斜晶型紅熒烯微納材料檢測不同濃度肌酸酐所對應(yīng)的電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度。曲線a-f所對應(yīng)的肌酸酐的濃度分別為0mol/L、1×10^-13mol/L、1×10^-11mol/L、1×10^-9mol/L、1×10^-7mol/L和1×10^-5mol/L。我們檢測了肌酸酐濃度從3×10^-13mol/L到3×10^-3mol/L時電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的變化趨勢。在檢測范圍內(nèi)肌酸酐的濃度越大所對應(yīng)的電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度越強(qiáng)。這個圖也說明電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度對肌酸酐的濃度有很寬的動態(tài)響應(yīng)范圍，其跨度大約有10個數(shù)量級，即從1.0×10^-13mol/L到3×10^-3mol/L。此結(jié)果說明我們制備的電化學(xué)發(fā)光傳感器能夠檢測較低濃度的肌酸酐。所以，我們制備的電化學(xué)發(fā)光傳感器能對肌酸酐進(jìn)行痕量分析。

實(shí)施例5、晶相依賴的有機(jī)半導(dǎo)體微納材料傳感器痕量檢測多巴胺。

將上述制備的兩種晶型的紅熒烯微納材料修飾在導(dǎo)電玻璃上，組裝好樣品池，向其中加入1mL濃度為0.1mol/L的KCL充當(dāng)電解質(zhì)，1mL濃度為500μmol/L的TPrA充當(dāng)共反應(yīng)劑，在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下逐級加入1mL不同濃度的多巴胺，再把其放在儀器的PMT上方，連好工作電極(負(fù)載有單斜晶型紅熒烯的導(dǎo)電玻璃)、輔助電極(鉑絲電極)及參比電極(銀/氯化銀電極)，開啟儀器，設(shè)置好儀器的參數(shù)，記錄相應(yīng)的電化學(xué)發(fā)光信號強(qiáng)度，從而測定不同多巴胺濃度時電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度，擬合電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度和多巴胺濃度之間的線性曲線，結(jié)果顯示多巴胺的濃度越大反而電化學(xué)強(qiáng)度越小，我們檢測的多巴胺濃度從3×10^-12mol/L到3×10^-7mol/L時電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的變化趨勢。這其跨度大約為5個數(shù)量級，即從3.0×10^-12mol/L到3.0×10^-7mol/L。此結(jié)果說明該有機(jī)半導(dǎo)體微納電化學(xué)發(fā)光傳感器能夠檢測較低濃度的多巴胺比其他的傳感器得到的結(jié)果更加的靈敏。所以，我們制備的電化學(xué)發(fā)光傳感器能對多巴胺進(jìn)行痕量分析。

實(shí)施例6、晶相依賴的有機(jī)半導(dǎo)體微納材料傳感器痕量檢測亞甲基藍(lán)。

將上述制備的兩種晶型的紅熒烯微納材料修飾在導(dǎo)電玻璃上，組裝好樣品池，向其中加入1mL濃度為0.1mol/L的KCL充當(dāng)電解質(zhì)，1mL濃度為500μmol/L的TPrA充當(dāng)共反應(yīng)劑，在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下向其中逐級加入1mL不同濃度的亞甲基藍(lán)，再把其放在儀器的PMT上方，連好工作電極(負(fù)載有單斜晶型紅熒烯的導(dǎo)電玻璃)、輔助電極(鉑絲電極)、及參比電極(銀/氯化銀電極)，開啟儀器，設(shè)置好儀器的參數(shù)，記錄相應(yīng)的電化學(xué)發(fā)光信號強(qiáng)度，再在同樣的條件下重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，測定不同亞甲基藍(lán)濃度時電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度，擬合電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度和亞甲基藍(lán)濃度之間的線性曲線，結(jié)果顯示亞甲基藍(lán)的濃度越大反而電化學(xué)強(qiáng)度越小，我們檢測的亞甲基藍(lán)濃度從3×10^-9mol/L到1×10^-4mol/L時電化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的變化趨勢。這其跨度大約為5個數(shù)量級，即從3.0×10^-9mol/L到1.0×10^-4mol/L。此結(jié)果說明該有機(jī)半導(dǎo)體微納電化學(xué)發(fā)光傳感器同樣能夠檢測較低濃度的亞甲基藍(lán)比其他的傳感器得到的結(jié)果更加的靈敏。所以，我們制備的電化學(xué)發(fā)光傳感器能對亞甲基藍(lán)進(jìn)行痕量分析。