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石墨烯量子点纳米复合物基葡萄糖传感器的电化学发光性能

代汉琰 ,  张树纬 ,  曾涵 ,  牛剑飞

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引用本文: 代汉琰, 张树纬, 曾涵, 牛剑飞. 石墨烯量子点纳米复合物基葡萄糖传感器的电化学发光性能[J]. 无机化学学报, 2026, 42(11): 2475-2492. doi: 10.11862/CJIC.20260044 shu
Citation:  Hanyan DAI, Shuwei ZHANG, Han ZENG, Jianfei NIU. Electro-chemiluminescence performance of glucose sensor based on graphene quantum dot nano-complex[J]. Chinese Journal of Inorganic Chemistry, 2026, 42(11): 2475-2492. doi: 10.11862/CJIC.20260044 shu

石墨烯量子点纳米复合物基葡萄糖传感器的电化学发光性能

  • 新疆师范大学化学化工学院, 储能与光电催化材料重点实验室, 乌鲁木齐 830054

    • 通讯作者: 曾涵，E-mail：zenghan1289@163.com
  • 基金项目:

    新疆维吾尔自治区自然科学基金 2022D01A209

    新疆师范大学创新训练项目 X202510762046

摘要: 以包含金纳米粒子(AuNP)、二氧化硅(SiO2)、石墨烯量子点(GQD)和介孔二氧化硅(mSiO2)的核壳结构纳米复合物(AuNP@SiO2@GQD/mSiO2)为载体，构建了一种以壳聚糖(CTS)为成膜剂，涂覆于玻碳电极(GCE)表面，并固定葡萄糖氧化酶(GOx)的光电化学传感器AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE。实验结果表明，GOx与核壳结构纳米复合物的mSiO2外壳间有相对较弱的相互作用，主要包括静电作用、弱键合与氢键作用。这些作用有利于维持GOx分子固有的化学微环境，从而促进其对底物的催化氧化效能。在固酶光电化学传感器上，不仅观察到GQD表面电活性基团引发的不可逆氧化反应，还检测到一个典型的准可逆、涉及2个质子和2个电子转移的表面控制型电化学反应。该反应展现出优异的异相电荷转移性能，归一化速率常数达255.5 s-1。当溶液中存在共反应物时，GQD基电极在约-2.1 V处呈现出明显的电化学发光峰。优化该光电化学传感器的工作参数(包括共反应物浓度、溶液pH及扫描速率)后，评估了其对葡萄糖的传感性能。结果显示，该光电化学传感器具有较强且稳定的电化学发光信号，对底物呈现出较宽的线性响应范围(10-10~10-4 mol·L-1)和极低的检测限(8.55×10-11 mol·L-1)。

English

  • 0.   引言

    电化学发光(ECL)是指电生成的活性物种通过高能电子转移过程跃迁至激发态，进而产生光辐射的现象。相较于传统检测方法，集成纳米技术的ECL生物传感器具备操作简便、选择性高、检测限低、可实现实时分析与无标记检测，且对样本用量要求较低等优势。近年来，ECL生物传感器发展迅速，在生物传感和临床诊断等领域展现出广阔的应用前景，已成为当前备受关注的研究方向之一。在典型结构中，ECL生物传感器将化学发光试剂通过固定化技术修饰于电极表面，利用ECL信号的变化实现对目标物的定量或定性分析[1]。因此，该类传感器被视为一种功能强大的分析平台，广泛应用于医学诊断与预后、食品质量监控及环境污染物检测等领域[2-4]。常用的ECL发光体包括金属配合物与簇合物、有机分子、氯化钌(Ⅱ)-三(2，2′-联吡啶)氯化物及鲁米诺等。然而，生物相容性和环境友好性差限制了其在生物检测中的应用。

    传统金属半导体量子点虽极大推动了ECL技术在医疗诊断、环境检测及食品检测等领域的应用，但其存在价格昂贵、氧化还原电位高、毒性较强且水溶性差等缺陷。因此，开发环境友好型的新型量子点材料已成为当前研究的重要方向。近年来，非金属半导体量子点材料因其优异的光学性能而备受关注，相关研究取得了显著进展。以该类量子点为发光试剂，在共反应物的参与下构建ECL生物传感器，显著拓展了该领域的应用潜力。将具有特殊物理化学性质的纳米材料集成至ECL生物传感系统中，能大幅提升检测灵敏度和整体性能，被视为构建高灵敏度ECL生物传感器件的优选策略。石墨烯量子点(GQD)作为一种碳基零维材料，不仅保留了石墨烯的诸多优异特性，还因尺寸减小而呈现出可调的带隙，同时，由单原子层纳米石墨构成的GQD具有高比表面积、小尺寸等结构优势，并可通过共轭作用及表面基团修饰实现功能化接枝，从而赋予其优异的物理化学性质[5]。此外，GQD还可与其他材料复合，制备出性能优异的纳米复合材料，适用于设计不同转换模式的光学器件和生物传感器。研究者们在探索GQD本征性质和结构特征的基础上，持续致力于优化其合成方法和结构调控[6-7]。为了进一步增强光信号强度，可引入表面等离子体偶联电化学发光(SPC-ECL)生物传感策略。金纳米粒子(AuNP)具有强表面等离子体共振效应，能够有效增强量子点的ECL信号。然而，当量子点与AuNP距离过近时，会因电子转移而发生信号猝灭。为此，可通过固体SiO2层调节二者间距，该非导电层可有效阻隔电子转移；同时，外部介孔SiO2层(mSiO2)有利于促进量子点与共反应物之间的反应。该SPC-ECL策略可显著增强量子点/过二硫酸钾(K2S2O8)体系的ECL信号[6-9]。

    基于前述讨论与分析，我们探索了一种环境友好型的新型量子点纳米材料及其复合物，系统评估了其ECL性能及应用潜力。采用高温煅烧法制备GQD，所得产物无需透析等后续处理即可直接使用，操作简便且省时。对GQD的ECL性质进行表征，结果显示其在阴极产生ECL信号，加入K2S2O8作为共反应物后信号显著增强，而加入H2O2则表现出明显的抑制作用。此外，我们初步探讨了GQD的ECL发光机理。为进一步提高发光强度，基于SPC-ECL生物传感策略，成功制备了AuNP@SiO2@GQD/mSiO2纳米复合物，其ECL峰强度为单一GQD的3.2倍，且具备良好的稳定性。基于该复合物构建的葡萄糖检测ECL生物传感器，性能优异。本研究的开展，不仅有助于建立新型量子点纳米材料传感器的构效关系模型，也将推动其在荧光成像、传感、生物医学及太阳能电池等领域的广泛应用。

    1.   实验部分

    1.1   化学试剂

    葡萄糖氧化酶(GOx，源自Aspergillus niger，分子量约50 000 g·mol-1)、四水合四氯金酸(分析纯)和正硅酸乙酯(TEOS，分析纯)均购自美国Sigma化学试剂有限公司；硝酸(优级纯)和乙酸(分析纯，质量分数为3.0%)均购自四川西陇化工有限公司；过硫酸钾(优级纯)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB，分析纯)和3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES，分析纯)均购自Macklin生物技术有限公司；壳聚糖(CTS，脱乙酰度不小于90%，分子量约250 000 g·mol-1)购自国药集团化学试剂有限公司；铁氰化钾/亚铁氰化钾以及氯化钾均由天津市光复精细化工研究所提供；溴化钾(纯度大于99%)购自美国Sigma-Aldrich化学试剂有限公司。

    1.2   固酶纳米复合物的制备

    首先合成了AuNP、AuNP包覆SiO2核壳结构复合物(AuNP@SiO2)、GQD、含GQD核壳结构复合物(AuNP@SiO2@GQD/mSiO2)及固酶的GQD核壳结构复合物(AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx)。

    AuNP的合成：参考文献[10]，将5 mL 2.0 g·L-1四氯金酸溶液加入至95 mL超纯水中，加热至沸腾后，加入1.8 mL 1%柠檬酸三钠溶液，持续搅拌并加热。溶液颜色由无色迅速变为紫色，最终呈亮红色，反应持续8 min。冷却至室温后，以超纯水定容至100 mL，于4 ℃冰箱中保存备用。

    AuNP@SiO2的合成：采用改进的Stöber法[11]，将10 mL AuNP与59 mL异丙醇及2 mL水混合。超声处理30 min后，依次加入100 μL TEOS和2.0 mL质量分数为26%的氨水(NH3·H2O)，常温磁力搅拌10 h，产物经离心分离，水洗除去杂质后，重新分散于10 mL水中，即得AuNP@SiO2分散液。

    GQD的制备：参考文献[12]，将0.2 g柠檬酸研磨均匀后置于洁净坩埚中，于200 ℃恒温干燥箱中加热。约5 min后柠檬酸熔化为液体，继续反应15 min。冷却后，加入10 mg·mL-1 NaOH溶液，并以0.1 mol·L-1稀盐酸调整溶液pH值至近中性，冷冻干燥24 h后获得GQD粉末，将其收集于离心管中，于4 ℃冰箱中保存备用。

    AuNP@SiO2@GQD/mSiO2的制备：参照文献[13]，在搅拌条件下向100 mL圆底烧瓶中依次加入40 mL乙醇、15 mL超纯水、1.0 mL AuNP@SiO2和2 mL 1 mg·mL-1 GQD，搅拌30 min。随后依次注入600 μL TEOS、2 mL 0.2 mol·L-1 CTAB和400 μL氨水，避光搅拌反应12 h，再加入240 μL APTES，继续避光搅拌12 h。产物于6 500 r·min-1离心2 min，依次用乙醇和超纯水洗涤3次，并于550 ℃煅烧6 h以去除表面活性剂，得到AuNP@SiO2@GQD/mSiO2，于4 ℃冰箱中保存备用。

    AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx的制备：取6 mg AuNP@SiO2@GQD/mSiO2分散于3 mL磷酸盐缓冲液(PBS，pH=7.4)中，磁力搅拌1 h后加入30 mg的GOx，继续搅拌1 h，随后于4 ℃冰箱内冷藏12 h，即得AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx分散液。

    1.3   GOx基光电化学传感器的构筑

    采用常规滴涂法制备修饰玻碳电极(GCE)，移取10 μL AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx分散液，滴涂于经氧化铝粉末抛光并清洗干净的GCE表面。室温自然晾干后，再滴加2 μL壳聚糖(CTS)的3%(质量分数)乙酸溶液作为成膜剂，室温晾干形成均匀薄膜，该电极记为AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE(图 1)。为进行对照实验，采用相同方式制备4种电极：分别移取0.5 mg·mL-1 AuNP@SiO2@GQD/mSiO2、0.7 mg·mL AuNP@SiO2、1.0 mg·mL-1 AuNP及0.8 mg·mL-1 GQD分散液滴涂于预处理后的GCE表面，自然晾干后均滴加2 μL CTS溶液成膜，相应记为AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/CTS/GCE、AuNP@SiO2/CTS/GCE、AuNP/CTS/GCE、GQD/CTS/GCE；另以仅覆盖2 μL CTS溶液的GCE作为空白对照，记为CTS/GCE。

    图 1

    图 1.  AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE的构建工序示意图
    Figure 1.  Fabrication procedure diagram of AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE
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    1.4   表征和测试

    采用扫描电子显微镜(SEM，Merlin Compact型，德国蔡司公司，加速电压为5 kV)和透射电子显微镜(TEM，FEI Tecnai G2 F20型，美国FEI公司，加速电压为200 kV)测定样品的形貌及其固载蛋白质分子的聚集形态。配套的能量色散X射线能谱仪(英国Oxford仪器公司)用于对制备样品进行元素分析，以确认各组分是否成功整合至纳米复合物中。电镜样品制备方法：将目标材料研磨成粉末，以导电胶粘附于样品底座上待测。

    采用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR，BRUKER TENSOR-27型，德国布鲁克公司，波数范围为400~4 000 cm-1)对样品的分子结构进行表征。取适量干燥溴化钾与少量样品混合，充分研磨后压片，于室温下采集光谱。

    采用U-3310型紫外可见分光光度计(日本Hitachi公司，测定波长范围为190~800 nm，比色皿厚度为1 cm)测定样品的紫外可见(UV-Vis)吸收光谱。测试方法：将样品分散在水中，制备成均匀分散相，移取适量，转移至石英比色皿中进行测定。

    采用Cary Eclipse型荧光分光光度计(美国Varian公司)表征样品的荧光性质，狭缝宽度为5.0 nm，测试波长范围为100~700 nm，石英比色皿厚度为1.0 cm。将固酶纳米复合物分散于水中获得均匀分散液，取适量转移至石英比色皿中检测其荧光发射光谱。

    1.5   电化学行为及ECL性能

    采用循环伏安法(CV，电位范围为-1~1 V，扫描速率为0.1 V·s-1)和交流阻抗法(EIS，频率范围为0.1~105 Hz，振幅为5 mV)在CHI-660E型电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)和Zahner Zennium电化学工作站(德国Kronach公司)上进行电化学测试。采用传统三电极玻璃电解池[Ag/AgCl(饱和KCl)电极、铂丝电极及GCE，电解质溶液为N2饱和的PBS(pH=7)溶液(共同测试条件)]进行电化学测试，电解池内装PBS，并通过橡胶管与N2气源相连以维持无氧环境。采用CV法研究AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE的直接电化学行为。如无特殊说明，文中所示CV曲线均为该电极在不含任何电子介体的电解液中测得的电流(i)-电压(E)关系曲线。所有电化学测试均在室温[(24.5±0.6) ℃]及当地大气压(92.8 kPa)下进行。文中所涉及的电位，如未特别注明，均转为相对可逆氢电极(RHE)电位。采用RFL-1生物发光/超微弱化学发光检测仪(西安瑞迈分析仪器有限公司，扫描电位：-2.5~0 V，扫描速率：0.1 V·s-1，配备光电倍增管：PMT，电压：600 V)研究AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE在pH=7.4的PBS(0.1 mol·L-1)中的ECL性能。若无特别提示，ECL测试中，化学发光检测仪中光电倍增管的电压设置为600 V。在前述相同工作条件下，采用CV法进行电致发光葡萄糖检测，电压保持为600 V。采用ZY-460型全自动生化分析仪(上海科华生物工程股份有限公司，光源：卤素灯，波长：340~800 nm，波长准确度：±1 nm)测试葡萄糖浓度。

    2.   结果与讨论

    2.1   形貌与结构分析

    采用TEM对所制备样品的尺寸和结构进行了表征。如图 2A所示，GQDs的尺寸不同，分布相对均匀，平均直径约为3.0 nm。部分GQDs因疏水表面间的π-π堆积作用而聚集为较大尺寸的团簇。合成的AuNP形貌与尺寸各异，多数呈近球形，平均粒径约为19.8 nm；部分AuNP因表面疏水基团的非定向作用而聚集为形状不规则的大尺寸团簇(图 2B)。AuNP@SiO2呈现明显的核壳结构，内部为AuNP核，外部包覆致密SiO2壳层，壳层厚度约为70.0 nm(图 2C)。AuNP@SiO2@GQD/mSiO2复合物近似完美球形，平均直径约为1.5 μm(图 2D)。由于GQD尺寸较小，复合物的内外壳层在TEM图像中呈现连续形态，经计算可得，最外层的mSiO2厚度约为675 nm。其元素映射图(图 2D插图)中清晰显示出Au元素信号，证实AuNP已成功被包覆于复合物内部。

    图 2

    图 2.  GQD (A)、AuNP (B)、AuNP@SiO2 (C)和AuNP@SiO2@GQD/mSiO2 (D)的TEM图像
    Figure 2.  TEM images of GQD (A), AuNP (B), AuNP@SiO2 (C), and AuNP@SiO2@GQD/mSiO2 (D)

    Inset in panel B: particle size distribution plot of AuNP; Inset in panel D: the corresponding elemental mapping of AuNP@SiO2@GQD/mSiO2.

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    采用SEM观察AuNP@SiO2@GQD/mSiO2和AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx的形貌和表面聚集形态。如图 3A所示，前者颗粒虽尺寸不均，但整体呈球形；部分球体之间因mSiO2表面羟基等亲水基团间的氢键作用发生明显粘连，形成较大聚集体。相比之下，后者部分球体形貌消失，大尺寸聚集体边缘趋于模糊，表面被酶分子覆盖，呈现无规则团簇状结构(图 3B)。该变化可归因于核壳结构复合物外表面亲水基团与酶分子表面羧基、氨基等基团之间的氢键作用，导致酶蛋白在载体表面形成无定形覆盖层。

    图 3

    图 3.  AuNP@SiO2@GQD/mSiO2 (A)和AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx (B)的SEM图像
    Figure 3.  SEM images of AuNP@SiO2@GQD/mSiO2 (A) and AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx (B)
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    采用能量色散X射线谱(EDS)对GQD及AuNP@SiO2@GQD/mSiO2进行元素组成分析。如图 4A所示，GQD中含有C、N和O三种元素，分别对应于GQD的sp2杂化碳骨架、表面亲水基团(如羟基或羧基)以及合成过程中引入的含氮前驱体[12]。而在AuNP@SiO2@GQD/mSiO2的EDS谱图中清晰观察到Au、Si、O、C和N五种元素的特征信号峰，证实所制备的核壳结构复合物中同时存在mSiO2外壳和AuNP内核。

    图 4

    图 4.  GQD (A)和AuNP@SiO2@GQD/mSiO2 (B)的EDS谱图
    Figure 4.  EDS spectra of GQD (A) and AuNP@SiO2@GQD/mSiO2 (B)
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    为研究和分析不同分子间的相互作用，采用UV-Vis吸收光谱对各样品的官能团信息进行表征。如图 5所示，AuNP在520 nm处呈现典型的表面等离子共振吸收峰[14]；而AuNP@SiO2的表面等离子共振信号发生轻微的红移，移至约530 nm处，这可归因于SiO2包裹后局部折射率的变化[15-17]。GQD的UV-Vis吸收光谱在216和351 nm处分别出现2个明显吸收峰，归属于芳香族sp2结构的π-π*跃迁及C=O的n-π*跃迁[18-19]。游离GOx的光谱中，278 nm处强吸收峰源于多肽链骨架的π-π*跃迁，而382和462 nm处2个弱吸收峰则分别对应于氧化态黄素以及腺嘌呤的n-π*跃迁[20]。对于AuNP@SiO2@GQD/mSiO2复合物，由于外层mSiO2的显著屏蔽作用，GQD的电子跃迁信号和AuNP的表面等离子体共振吸收峰均未观察到。相比之下，AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx的UV-Vis吸收光谱中能检测到与GOx特定结构相关的3个吸收峰，其位置和形状与游离GOx基本一致，表明固载于该核壳结构复合物的GOx基本保留了其天然结构[21]。

    图 5

    图 5.  不同样品的UV-Vis吸收光谱图
    Figure 5.  UV-Vis absorption spectra of different samples

    Inset: full UV-Vis absorption spectrum of GQD.

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    采用FTIR表征样品的表面化学特征，并探究蛋白质和载体间相互作用对蛋白分子化学微环境的影响，结果如图 6所示。对于GQD，1 392和1 584 cm-1处的特征峰分别归属于羧基对称和不对称伸缩振动，2 925 cm-1处的特征峰归属于—CH2—的不对称伸缩振动，3 100~3 500 cm-1处的特征峰与羟基和—NH的伸缩振动相关[12]。这表明了GQD表面含有大量的羟基和羧基，有利于其在水中的均匀分散。对于AuNP@SiO2@GQD/mSiO2，其FTIR谱图中能观察到：3 289 cm-1附近的宽而散的吸收峰，归属于氢键缔合硅羟基；1 644 cm-1附近的尖锐吸收峰，对应于物理吸附水的H—O—H弯曲振动；位于1 078 cm-1附近的强而宽的吸收峰，对应于硅氧键的反对称伸缩振动；位于792 cm-1的中等强度尖锐吸收峰，归属于硅氧键对称伸缩振动；而GQD相应的重要特征峰已基本消失，这表明AuNP@SiO2@GQD/mSiO2的表面基本被mSiO2包覆，呈现出SiO2的结构特性。对于AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx，其FTIR谱图中出现了位于1 633 cm-1附近的酰胺Ⅰ吸收带(对应GOx分子中C=O的伸缩振动)，与游离GOx酰胺Ⅰ吸收带位置[22](1 653 cm-1)相比发生显著的红移，可归因于GOx表面羧基与SiO2表面羟基的氢键作用。此外，归属于GOx分子中N—H弯曲振动的酰胺II吸收带(1 535 cm-1)在该复合物谱图中消失；而N—H伸缩振动吸收带则由游离GOx的3 310 cm-1蓝移至3 430 cm-1附近；同时，在1 154 cm-1处出现对应于C—O—C伸缩振动的吸收峰。上述光谱变化与SiO2与GOx分子中不同化学环境的氨基之间的相互作用密切相关，包括氢键、静电作用(致使相关吸收峰发生蓝移或消失)以及化学键合(如SiO2表面羟基与GOx表面羧基形成酯键)。这些结果表明，SiO2与GOx间存在较为复杂的相互作用，使AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx的表面化学环境显著不同于游离GOx。

    图 6

    图 6.  GQD、AuNP@SiO2@GQD/mSiO2和AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx的FTIR谱图
    Figure 6.  FTIR spectra of GQD, AuNP@SiO2@GQD/mSiO2, and AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx
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    荧光光谱可用于监测分子构象变化、探测微环境的物理化学性质，以及揭示不同分子间相互作用的类型和强度。AuNP@SiO2@GQD/mSiO2在不同激发波长下的荧光发射光谱图及对应的归一化谱图如图 7所示。结果表明，当激发波长从较低值增大时，荧光发射峰位置基本保持不变，而荧光强度显著增强；然而，当激发波长继续增加至400 nm时，荧光强度逐渐减弱，同时发射峰波长发生明显红移。这种依赖激发波长的发射行为，可能与GQD的粒径分布及其表面钝化所导致的不同发射位点或缺陷态有关[12]。换言之，该现象可归因于AuNP@ SiO2@GQD/mSiO2的分子异质性，以及激发态弛豫与能隙之间的相互作用。

    图 7

    图 7.  AuNP@SiO2@GQD/mSiO2在不同激发波长下的荧光发射光谱图和归一化谱图(插图)
    Figure 7.  Fluorescence emission spectra and normalized spectra (inset) of AuNP@SiO2@GQD/mSiO2 under variable excitation wavelengths
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    2.2   直接电化学行为

    为评估不同电极的电荷转移性能，在含有电化学探针物种和支持电解质的溶液中，对CTS/GCE、AuNP/CTS/GCE、AuNP@SiO2/CTS/GCE、AuNP@GQD/mSiO2/CTS/GCE及AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE分别进行了EIS和CV测试，结果如图 8所示，图 8A插图为AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE的等效电路图和对应EIS的局部放大图。由图 8A可知，AuNP/CTS/GCE的电荷转移电阻(Rct)为137.6 Ω，显著低于CTS/GCE(Rct=372.9 Ω)，可归因于AuNP良好的导电性。该结果与CV曲线一致：探针的氧化还原峰电位基本不变，而峰电流明显增大(图 8B)。相比之下，AuNP@SiO2/CTS/GCE的Rct增至898.0 Ω，远高于AuNP/CTS/GCE，表明SiO2层的引入降低了电极导电性，阻碍了电子转移；其CV曲线亦显示探针氧化还原峰电流显著减小。值得注意的是，AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/CTS/GCE的Rct为584.3 Ω，小于AuNP@SiO2/CTS/GCE，这得益于GQD的良好导电性。该结果与CV分析一致：氧化还原峰间距明显减小，而峰强度几乎不变，表明在电化学活性位点数量未发生显著变化的前提下，电子转移速率明显加快。相比之下，AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE的Rct高达10 044.0 Ω，远大于前述所有电极，这是由于非导电性GOx对界面电荷传递过程产生了强烈的阻碍效应。其CV曲线也显示，探针的氧化还原峰显著变宽，峰电流大幅减弱，几乎无法辨别。补充的UV-Vis测试结果表明[20, 22]，探针物种并未与固载于复合物表面的GOx结合生成新的中间物种，表现为GOx特征峰在相应波长范围内未被显著削弱，且未观察到新吸收峰的出现。由此可合理推断，GOx被包裹于mSiO2层内，产生的空间阻隔效应使其难以与电化学探针物种或其他电子介体结合，从而有利于保持其固有配位构型，并发挥其催化活性。

    图 8

    图 8.  不同电极在2.5 mmol·L-1 K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6+0.1 mol·L-1 KCl电解液中的EIS (A)和CV曲线(B)
    Figure 8.  EIS (A) and CV curves (B) of different electrodes in an electrolyte solution of 2.5 mmol·L-1 K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6+ 0.1 mol·L-1 KCl

    Inset: equivalent circuit diagram of AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE and the corresponding magnified views of EIS.

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    采用CV表征电极的电化学特性，包括评估活性位点与导电基体间的直接电子转移性能，以及计算不同活性位点的表面覆盖率。对AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE、AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/CTS/GCE的直接电化学行为进行CV表征。如图 9所示，AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/CTS/GCE的CV曲线中在0.205 V(vs RHE)附近出现一个宽而弱的氧化峰，该峰归属于GQD表面电化学活性基团的不可逆氧化过程，表明AuNP@SiO2表面已成功修饰了具有不可逆氧化特性的GQD。相比之下，AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE的CV曲线则表现出明显不同的特征：除上述单一的宽而散的氧化峰外，在-0.430 V(vs RHE)附近还出现一对相对对称的氧化还原峰。该对准可逆的氧化还原峰的半波电位与文献[22]报道的固载GOx辅因子核黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)的形式电位(-0.41 V)相近。据此可推断，这对氧化还原峰归属于AuNP@SiO2@ GQD/mSiO2所固载GOx分子中FAD的电子转移过程。此外，两体系中固载GOx的FAD半波电位存在差异，可归因于GQD与蛋白质分子间氢键与疏水-疏水相互作用的协同效应。

    图 9

    图 9.  不同电极在N2饱和的PBS (pH=7)中的CV曲线
    Figure 9.  CV curves of different electrodes in N2-saturated PBS (pH=7)
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    根据不同电位扫描速率(v)下的CV及其对应的氧化/还原峰电流和电位扫描速率关系，既可判断电极表面的电子转移模式，也可定量评估异相电荷转移动力学性能。图 10A为AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE在无氧中性PBS中于不同电位扫描速率下测得的CV曲线。图 10B则展示了实现直接电子转移的酶活性中心FAD的氧化/还原峰电流与电位扫描速率的线性拟合结果。如图 10A所示，随着扫描速率的变化，GOx活性中心FAD的氧化峰和还原峰电位均未发生明显偏移。图 10B进一步显示，氧化峰电流(ip, a)和还原峰电流(ip, c)在测试扫描速率范围内均与扫描速率呈良好线性关系，说明固载于该复合电极上的GOx活性中心FAD所涉及的电子转移过程属于典型的表面控制型氧化还原反应。类似地，AuNP@SiO2@GQD/mSiO2表面电化学活性位点的单向氧化过程亦呈现相似特征，同样归属于表面控制型得失电子过程。值得注意的是，随着扫描速率增大，氧化峰电流与还原峰电流之比(ip, a/ip, c)从1.067降低至1.013，表明电荷转移的可逆性有所增强。这一改善可归因于GQD与GOx之间多种相互作用(如氢键和疏水-疏水作用)的协同效应，该效应有助于维持酶活性中心的固有配位构型。根据Marcus异相电荷迁移理论[23]，此类协同作用有利于降低酶-底物接触时构型转变所需的吉布斯自由能，从而提升异相电荷转移效率。此外，图 10C展示了高扫描速率(100~500 mV·s-1)下，实现直接电子转移的固载GOx活性中心FAD的峰电位(EP)与扫描速率自然对数(ln v)之间的拟合关系。基于GOx辅因子FAD涉及两电子转移过程[22]，并依据Laviron方程对表面控制型氧化还原反应中峰电位与扫描速率关系的描述[22]，可估算出该体系的电子转移系数为0.45，表观异相电荷转移速率为255.5 s-1。

    图 10

    图 10.  在不含氧的PBS (pH=7)中，AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE在不同扫描速率(50、100、150、200、250、300、350、400、450和500 mV·s-1)下的CV曲线(A)、电流与扫描速率之间的线性关系(B)及Ep与ln v之间的线性关系(C)
    Figure 10.  CV curves (A), linear relationship plots of current against scan rate (B) and linear relationship plot between Ep and ln v (C) of AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE recorded at different scan rates (50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, and 500 mV·s-1) in deaerated PBS (pH=7)
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    通过分析不同pH条件下电极CV曲线中氧化还原峰电位与pH的关系，可以确定电极表面电化学反应的特征，包括参与反应的质子与电子数量比及其质子数。在无氧且不同pH的PBS中，以相同扫描速率(100.0 mV·s-1)测定AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE的CV曲线，结果如图 11所示，其插图呈现了固载GOx活性中心FAD的式电位与pH之间的拟合关系。由图 11插图可见，随着pH升高，固载GOx活性中心FAD的式电位显著负移，该变化符合Nernst方程的预期。其线性拟合结果表明，该直接电子转移过程具有典型的质子耦合氧化还原反应特征。拟合直线的斜率为-56 mV，显示质子数(x)与电子数(n)之比约为1∶1，由此推断参与反应的质子数为2，这与FAD相关结构单元在氧化还原过程中需质子参与的事实一致[24]。此外，GQD表面电化学活性基团的不可逆氧化峰电位与pH关系曲线的斜率为-55 mV，亦符合x∶n=1∶1的电子转移规律，说明在GQD表面含氧官能团单向氧化过程中，质子亦参与反应，即失去电子的同时伴随质子离去。

    图 11

    图 11.  AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE在不同pH PBS中的CV曲线
    Figure 11.  CV curves of AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE in PBS with pH modulation

    Inset: linear-fitting plots of Ep against pH value of PBS.

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    2.3   发光机理

    为探究GQD的发光机理并优化发光条件，我们考察了共反应物(K2S2O8、H2O2)对GQD ECL峰强度的影响，并据此分析其发光机理。为此，在近中性PBS(0.1 mol·L-1，pH=7.4)中，分别在不含及含有K2S2O8的条件下，测定了GQD/CTS/GCE电极的ECL响应。如图 12A所示，在-2.5~0 V的电位范围内，不含K2S2O8时，GQD几乎未产生显著的ECL信号；而加入K2S2O8后，在约-2.1 V处出现明显增强的ECL峰。K2S2O8诱导GQD基电极ECL信号增强的机制[25]可归纳如下：

    $ \mathrm{S}_2 \mathrm{O}_8{ }^{2-}+\mathrm{e}^{-} \rightarrow \mathrm{SO}_4{ }^{2-}+\mathrm{SO}_4{ }^{•-} $

    		(1)

    $ \text { GQD+e }{ }^{-} \rightarrow \text { GQD }{ }^{•-} $

    		(2)

    $ \mathrm{SO}_4{ }^{•-}+\mathrm{GQD}^{•-} \rightarrow \mathrm{GQD}^*+\mathrm{SO}_4{ }^{2-} $

    		(3)

    $ \mathrm{GQD}^* \rightarrow \mathrm{GQD}+h \nu $

    		(4)

    $ 2 \mathrm{SO}_4{ }^{•-}+\mathrm{H}_2 \mathrm{O}_2 \rightarrow \mathrm{O}_2+2 \mathrm{SO}_4{ }^{2-}+2 \mathrm{H}^{+} $

    		(5)

    发光稳定性是评估葡萄糖传感器性能的重要指标与技术前提。图 12B展示了GQD/CTS/GCE在含有K2S2O8的近中性PBS中的ECL峰强度随时间变化的曲线。如图所示，经连续扫描10个周期，ECL峰强度基本保持恒定，表明所制备的GQD具有良好的发光稳定性。鉴于该GQD修饰电极拟用于葡萄糖的检测，进一步评估其对底物H2O2的敏感性。图 12C展示了GQD修饰电极在含K2S2O8的近中性PBS中，ECL峰强度随H2O2浓度变化的曲线。结果表明，随着H2O2浓度的增加，ECL信号强度逐渐降低，说明该电极对溶液中H2O2具有较高的敏感性。这一猝灭效应可归因于H2O2及其分解产物与激发态的量子点之间发生电子转移反应，使其非辐射弛豫回基态，从而抑制光子发射。另一方面，GQD可催化或诱导S2O82-活化生成强氧化性的硫酸根自由基(SO4•-)。该催化活性源自GQD表面的含氧官能团(如羧基、羰基等)，这些位点可向过二硫酸根提供电子，使其发生O—O键均裂。同时，被氧化的GQD可从环境或底物氧化过程中重新获得电子，恢复催化性能，从而形成一个有效的催化循环。

    图 12

    图 12.  GQD/CTS/GCE在0.1 mol·L-1 PBS (pH=7.4)中的ECL响应: 有无K2S2O8存在时的ECL响应对比(A); 含K2S2O8时的ECL稳定性(B); 含K2S2O8时对不同浓度H2O2的ECL响应(C)
    Figure 12.  ECL responses of GQD/CTS/GCE in 0.1 mol·L-1 PBS (pH=7.4): Comparison of ECL responses with and without K2S2O8 (A); ECL stability containing K2S2O8 (B); ECL responses to different concentrations of H2O2 containing K2S2O8 (C)

    Inset: the corresponding enlarged view.

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    为优化基于AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx传感器的使用性能，考察了共反应物K2S2O8浓度、电解液pH以及扫描速率等关键实验参数对GQD/CTS/GCE传感性能的影响。图 13A展示了GQD/CTS/GCE的ECL峰强度随K2S2O8浓度的变化。在适宜的K2S2O8浓度范围内，由于GQD•-与SO4•-反应生成更多的GQD*，ECL峰强度随K2S2O8浓度的增加而增强；但浓度超过该范围后，过量S2O82-反而抑制GQD*的形成。原因在于，S2O82-消耗反应中生成的SO42-可促使激发态GQD*发生逆反应，从而减缓GQD*的生成速率，导致ECL峰强度降低。

    图 13

    图 13.  GQD/CTS/GCE对K2S2O8浓度(A)、电解液pH (B)和扫描速率(C)的ECL响应
    Figure 13.  ECL responses of GQD/CTS/GCE to K2S2O8 concentration (A), electrolyte pH (B), and scan rate (C)

    Experimental conditions: pH=7.4, 100 mV·s-1 (A); 0.1 mol·L-1 K2S2O8, 100 mV·s-1 (B); 0.1 mol·L-1 K2S2O8, pH=7.4 (C). All measurements were performed on GQD/CTS/GCE in PBS (without H2O2), and the relative standard deviations (RSDs) for the three groups were all 0.9%.

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    图 13B展示了GQD/CTS/GCE的ECL峰强度随电解液pH的变化。在适宜的pH范围内，ECL峰强度随PBS溶液pH升高而增强，于pH=7.4时达到最大值，超过该值后呈下降趋势。这一变化可解释为：酸性条件下，负电位扫描过程中质子易被还原，抑制GQD的电还原过程；而碱性条件下，OH-竞争消耗更多的SO4•-[26-27]。

    在固定K2S2O8浓度为0.1 mol·L-1，pH为7.4的条件下，进一步分析了GQD/CTS/GCE的ECL峰强度与扫描速率间的关系。如图 13C所示，当扫描速率为100 mV·s-1时，ECL信号达到最大值，进一步增大扫描速率则导致ECL峰强度下降。该电极的ECL峰强度由激发态物种的形成速率和K2S2O8的扩散速率共同决定[28]。在适宜的扫描速率范围内，扫描速率越快，产生的激发态GQD越多，ECL信号越强。当扫描速率低于100 mV·s-1时，反应中间体有充足的时间通过副反应或者扩散过程离开反应区，导致有效碰撞生成激发态的概率降低，进而使ECL信号减弱；而当扫描速率高于100 mV·s-1时，电位变化速率远高于反应物从溶液本体向电极表面扩散的速率，致使电极表面反应物浓度迅速下降，无法维持足够的法拉第电流，也难以生成足量的电化学活性中间体。此外，高扫描速率下，用于双电层充电的非法拉第电流在总电流中所占比例显著增大。这部分电流虽属于“背景噪音”，不直接产生发光活性中心，但会稀释法拉第反应中的电荷比例，从而降低ECL反应的整体效率。

    2.4   电化学发光行为

    为进一步考察AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE的ECL性能，在含0.1 mol·L-1 K2S2O8的PBS(pH=7.4)中进行测试，并与GQD/CTS/GCE和AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/CTS/GCE进行对比，系统分析ECL性能差异与电极结构及组成之间的关系。如图 14A所示，GQD/CTS/GCE与AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/CTS/GCE的最大ECL峰强度出现在相近电位，但后者的信号强度约为前者的3.2倍。这可归因于AuNP的表面等离子体共振效应产生的局域电磁场增强[29-31]，从而有效激发GQD的发光行为，增强ECL信号。二者最大ECL峰强度所对应的电位相近，可归结为以下两方面原因：一方面，ECL发光机制主要由GQD本身的氧化还原能级决定。当GQD与AuNP、mSiO2等材料构成核壳结构纳米复合物时，只要GQD的能级结构未发生本质改变，其ECL反应电位便不会出现明显偏移；另一方面，复合物中GQD的电子结构保持相对稳定性，其仍作为主要的ECL发光中心，而AuNP和mSiO2分别发挥增强电子传输、提高稳定性和放大ECL信号的作用。进一步从图 14A和14B可见，当AuNP@SiO2@GQD/mSiO2固载GOx后，ECL峰电位显著负移，峰强度明显降低。该变化由多种因素协同作用所致，其核心在于电极/溶液界面性质的改变，具体可归纳为以下几方面：首先，界面电荷转移阻力增加是主要因素，反应过程转为动力学主导。GOx作为绝缘或半绝缘性蛋白质，在AuNP@SiO2@GQD/mSiO2表面形成一层致密膜，显著增大电子从电极向GQD传输的阻力，导致ECL峰强度下降。为克服这层额外阻力，需要施加更高的过电位以驱动相同的电化学反应，使能垒升高。其次，蛋白质层的存在改变了局部微环境及扩散场，阻碍共反应物向电极表面GQD附近扩散，因此，需要施加更负的电位以增强电场驱动力，弥补传质不足。此外，GOx与GQD之间可能存在的弱非共价相互作用，也会轻微扰动GQD表面的电子云密度，进而对其最高占据分子轨道(HOMO)/最低未占据分子轨道(LUMO)能级产生影响。同时，酶分子对GQD的包裹会导致部分活性位点被屏蔽，使GQD的电子得失过程变得更加困难，因而需要更负的电位才能引发电化学反应。

    图 14

    图 14.  三种电极的ECL峰强度-电位曲线(A)和ECL峰强度对比(B); AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE的ECL稳定性(C)
    Figure 14.  ECL intensity-potential dependence curves (A) and comparison of ECL intensities (B) of three electrodes; ECL stability for AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE (C)
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    信号稳定性是评估葡萄糖传感器实际应用性能的重要参数。如图 14C所示，AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE在峰电位下连续扫描10圈，ECL峰强度基本恒定，表明该固载GOx纳米复合物基电极具有良好的发光稳定性。此优异性能归因于以下协同因素：首先，GQD凭借高比表面积、优异电子传输性能及稳定的光物理性质，其表面及边缘的羧基和羟基可通过化学键固载蛋白质分子，增强结构稳定性；其次，固载蛋白质分子通过疏水作用与有序组装减少GQD聚集，并形成保护性包覆层，有效抑制杂质吸附或副反应；再者，GOx与GQD间的界面耦合促进了高效电子转移，降低了能量损失，提高了ECL的重现性。同时，复合结构可抑制电极钝化及中间体不可逆沉积，保持活性位点长期有效；且稳定的电化学界面能防止扫描过程中活性物质脱落。进一步的常规旋光法验证了该结论：将涂敷该复合物膜的电极置于无底物的PBS中，在900 r·min-1下旋转3 min后，向体系中加入葡萄糖溶液(1.0 g·L-1)，未观测到旋光度变化，表明在剪切力下脱落的酶量相对于固载总量可忽略不计，与文献[20]报道一致。

    2.5   传感器对葡萄糖的检测

    在优化GQD/CTS/GCE操作参数(0.1 mol·L-1 K2S2O8，pH=7.4，扫描速率为100 mV·s-1)的基础上，进一步考察AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE ECL传感器对葡萄糖的检测性能。如图 15A所示，随葡萄糖浓度的升高，该电极的ECL峰强度逐渐降低[葡萄糖浓度为0、10-10、10-9、10-8、10-7、10-6、10-5和10-4 mol·L-1时对应的相对标准偏差(RSD)分别为：0.3%、1.0%、0.6%、1.3%、0.7%、0.6%、1.5%和0.6%]，说明GQD与S2O82-构建ECL共反应体系受到葡萄糖及其氧化产物的干扰。无葡萄糖时，体系遵循典型的“共反应剂”ECL路径；施加氧化电位后，葡萄糖氧化产物与关键活性物种SO42-快速反应，削弱其参与激发态GQD*生成的效率，导致发光效率显著下降。分析表明，传感器ECL相对强度与葡萄糖浓度的对数(lg c)呈反比。在选定浓度范围内，ECL相对强度(ΔI，ΔI=I-I0，其中I0为无葡萄糖时的ECL相对强度，I为含葡萄糖时的ECL相对强度)与葡萄糖浓度呈现良好的线性关系(图 15B)。为计算该ECL生物传感器对葡萄糖的检出限(LOD)，进一步测定低浓度水平下的ECL响应(图 15C和15D)。根据公式LOD=3Sb/S(其中，Sb为空白样品的标准偏差，S为标准曲线的斜率), 计算得出AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE对葡萄糖的检出限为8.55×10-11 mol·L-1(葡萄糖浓度为1.0×10-10、3.0×10-10、5.0×10-10、7.0×10-10和1.0×10-10 mol·L-1时对应的RSD分别为：1.1%、0.2%、0.5%、0.4%、0.3%)。为验证该传感器的检测可靠性并评估其实际应用潜力，将其性能与近年报道的其他葡萄糖生物传感器对比，结果见表 1。在线性范围与检出限方面，本工作所构建的传感器综合性能优势明显。

    图 15

    图 15.  传感器对不同浓度葡萄糖的ECL响应(A)及ΔI与lg c的线性关系(B)、对低浓度区间(1.0×10-10~10.0×10-10 mol·L-1)的ECL响应(C)及ΔI与c的线性拟合(D); 传感器的长期稳定性(葡萄糖浓度: 1.0×10-9 mol·L-1) (E)和对葡萄糖及干扰物的ECL响应对比(F)
    Figure 15.  ECL responses to different concentrations of glucose (A) and linear relationship between ΔI and lg c (B), ECL responses at low concentrations (1.0×10-10-10.0×10-10 mol·L-1) (C) and linear relationship ΔI and c (D) of the sensor; Long-term stability (glucose concentration: 1.0×10-9 mol·L-1) (E) and comparison of ECL responses for glucose and interferents (F) of the sensor
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    表 1

    表 1  AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE与其他葡萄糖传感器的性能对比
    Table 1.  Performance comparison between AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE and other glucose sensors
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    Assay method Linearity range / (mol·L-1) LOD / (mol·L-1) Ref.
    ECL 10-6-10-3 9.5×10-8 [32]
    Surface plasmon resonance n.d.* 2.5×0-6 [33]
    ECL 1.0×10-4-1.8×10-2 5.9×10-6 [34]
    Fluorescence 10-6-10-3 9×10-7 [35]
    Colorimetry 5×10-6-1.0×10-4 1.2×10-6 [36]
    ECL 10-10-10-4 8.55×10-11 This work
    * n.d.: not described.

    长期发光稳定性是决定AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE应用价值的关键，也是推动其实际产业化的重要前提。图 15E显示了该电极ECL峰强度随储存时间的变化。由图可见，储存初期，ECL活性相对稳定，仅略有下降；但超过7 d后急剧衰减，至第16 d仅保留初始值的约70%。该结果表明，该电极具有较好的长期稳定性，归因于核壳结构的物理保护、GQD的自身稳定性、酶分子的固定化及其微环境稳定、核壳结构协同增强的电子与传质效率以及对电极表面污染和钝化的有效抑制。

    抗干扰性能是决定ECL传感器实际应用价值的另一核心指标。图 15F对比了该电极分别在葡萄糖与多种干扰物(抗坏血酸、甘露糖、乳酸、L-半胱氨酸及乙酰水杨酸，浓度均为1.0×10-10 mol·L-1)存在时的ECL响应。结果表明，电极对葡萄糖呈现良好的特异响应，所有干扰物产生的ECL信号均未超过葡萄糖信号的十分之一。这一优异抗干扰能力可归因于以下几点：首先，GOx对葡萄糖具有高度专一的酶催化特性，确保了底物识别的选择性；其次，ECL信号强烈依赖于葡萄糖氧化酶促反应生成的H2O2，而干扰物无法或仅能极少量产生H2O2，因此其背景信号可忽略；第三，核壳结构提供的传质屏障与保护作用有助于维持电极界面的稳定性，减少干扰物的影响；最后，GQD及核壳结构表面可有效抑制干扰物的非特异性吸附，从而避免由此产生的微弱背景干扰。

    需要指出的是，AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE对葡萄糖表现出优异的检测性能，主要归因于AuNP@SiO2@GQD/mSiO2与GOx间相互作用较弱，不足以改变GOx固有的化学微环境，这与前述UV-Vis分析结果一致。为进一步验证该弱相互作用，在固定GOx质量浓度(0.25 mg·mL-1)、改变AuNP@SiO2@GQD/mSiO2含量的分散体系中测定其荧光发射光谱。如图 16所示，随着AuNP@SiO2@ GQD/mSiO2含量的增加，位于335 nm处(归属于GOx表面酪氨酸、色氨酸和苯丙氨酸等氨基酸残基的发射峰)的荧光强度略有下降，峰位基本保持不变。根据Stern-Volmer方程估算[20]，归一化荧光猝灭常数为4.9×107 L·mol-1·s-1，远低于多数荧光猝灭试剂对生物大分子的荧光猝灭常数上限[37](2.0×1010 L·mol-1·s-1)。由此可推断，该猝灭过程属于典型的动态猝灭模式，源于固载酶分子与SiO2间复杂相互作用导致的能量交换。这一结果进一步表明，两者间的弱相互作用不足以改变固载GOx的固有构型与构象，也不会对酶分子的化学性质和催化活性产生显著影响。

    图 16

    图 16.  不同AuNP@SiO2@GQD/mSiO2含量下分散体系的荧光发射光谱图
    Figure 16.  Fluorescence emission spectra of the dispersion systems with different AuNP@SiO2@GQD/mSiO2 contents
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    为验证AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE传感器检测葡萄糖结果的准确性，将本ECL法与己糖激酶法(葡萄糖检测金标准方法)对比测定人体静脉血浆中的葡萄糖含量，结果列于表 2。己糖激酶法基于两步偶联酶反应，最终生成的NADPH(还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸)的量与葡萄糖浓度成正比，通过测定340 nm处吸光度进行定量。由表 2可知，2种方法的测定结果无显著差异，表明本ECL检测方法具有较高的可信度。

    表 2

    表 2  已糖激酶法和本ECL法测定人血浆葡萄糖浓度的结果对比
    Table 2.  Result comparison of glucose concentration in venous plasma determined by the hexokinase method and this ECL method
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    Sample number Glucose concentration / (mmol·L-1) RSD / %
    ECL method* Hexokinase method
    1# 4.8 4.94 2.8
    2# 5.6 5.47 2.4
    3# 7.5 7.76 3.4
    *The samples were all diluted 20-fold for the determination of glucose concentration by ECL method.

    3.   结论

    以AuNP为内核，mSiO2为外壳，GQD夹于其中的核壳结构纳米复合物为载体，通过氢键、静电相互作用及键合等多种协同作用，成功构建了固载GOx基ECL传感器(AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE)。系统考察了该传感器的直接电化学行为及ECL性能。在优化共反应物K2S2O8浓度、缓冲液pH及电位扫描速率等操作参数的基础上，评估了其对葡萄糖的检测性能。结果表明，AuNP@SiO2@GQD/mSiO2中mSiO2壳层与GOx之间的较弱相互作用有助于维持酶分子的固有化学微环境，从而提升传感器对葡萄糖的灵敏度，并降低检测限。该电极可实现固载酶分子与导电基体间的直接电子转移，电极反应为典型的准可逆、表面控制型氧化还原过程，涉及2个质子和2个电子，归一化异相电荷转移速率常数为255.5 s-1。此外，该电极展现出良好的ECL稳定性，其ECL峰强度随H2O2加入量的增加而逐渐减弱，归因于H2O2及其分解产物与激发态量子点之间的电子转移淬灭作用。在优化K2S2O8浓度、缓冲液pH及电位扫描速率条件下，利用AuNP的表面等离子体共振效应，显著增强AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE的ECL峰强度，有效降低了传感器的检测限。该传感器对葡萄糖表现出较高的敏感性，其ECL信号随底物浓度升高而降低，检出限达8.55×10-11 mol·L-1。研究表明，mSiO2外壳的合理厚度不仅可防止GQD与AuNP之间的电子转移，同时有利于GQD与共反应物的有效反应，从而增强ECL峰强度，拓宽线性响应范围，降低检测限，全面提升传感器的分析性能。


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  • 图 1  AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE的构建工序示意图

    Figure 1  Fabrication procedure diagram of AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE

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    图 2  GQD (A)、AuNP (B)、AuNP@SiO2 (C)和AuNP@SiO2@GQD/mSiO2 (D)的TEM图像

    Figure 2  TEM images of GQD (A), AuNP (B), AuNP@SiO2 (C), and AuNP@SiO2@GQD/mSiO2 (D)

    Inset in panel B: particle size distribution plot of AuNP; Inset in panel D: the corresponding elemental mapping of AuNP@SiO2@GQD/mSiO2.

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    图 3  AuNP@SiO2@GQD/mSiO2 (A)和AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx (B)的SEM图像

    Figure 3  SEM images of AuNP@SiO2@GQD/mSiO2 (A) and AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx (B)

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    图 4  GQD (A)和AuNP@SiO2@GQD/mSiO2 (B)的EDS谱图

    Figure 4  EDS spectra of GQD (A) and AuNP@SiO2@GQD/mSiO2 (B)

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    图 5  不同样品的UV-Vis吸收光谱图

    Figure 5  UV-Vis absorption spectra of different samples

    Inset: full UV-Vis absorption spectrum of GQD.

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    图 6  GQD、AuNP@SiO2@GQD/mSiO2和AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx的FTIR谱图

    Figure 6  FTIR spectra of GQD, AuNP@SiO2@GQD/mSiO2, and AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx

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    图 7  AuNP@SiO2@GQD/mSiO2在不同激发波长下的荧光发射光谱图和归一化谱图(插图)

    Figure 7  Fluorescence emission spectra and normalized spectra (inset) of AuNP@SiO2@GQD/mSiO2 under variable excitation wavelengths

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    图 8  不同电极在2.5 mmol·L-1 K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6+0.1 mol·L-1 KCl电解液中的EIS (A)和CV曲线(B)

    Figure 8  EIS (A) and CV curves (B) of different electrodes in an electrolyte solution of 2.5 mmol·L-1 K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6+ 0.1 mol·L-1 KCl

    Inset: equivalent circuit diagram of AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE and the corresponding magnified views of EIS.

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    图 9  不同电极在N2饱和的PBS (pH=7)中的CV曲线

    Figure 9  CV curves of different electrodes in N2-saturated PBS (pH=7)

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    图 10  在不含氧的PBS (pH=7)中，AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE在不同扫描速率(50、100、150、200、250、300、350、400、450和500 mV·s-1)下的CV曲线(A)、电流与扫描速率之间的线性关系(B)及Ep与ln v之间的线性关系(C)

    Figure 10  CV curves (A), linear relationship plots of current against scan rate (B) and linear relationship plot between Ep and ln v (C) of AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE recorded at different scan rates (50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, and 500 mV·s-1) in deaerated PBS (pH=7)

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    图 11  AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE在不同pH PBS中的CV曲线

    Figure 11  CV curves of AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE in PBS with pH modulation

    Inset: linear-fitting plots of Ep against pH value of PBS.

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    图 12  GQD/CTS/GCE在0.1 mol·L-1 PBS (pH=7.4)中的ECL响应: 有无K2S2O8存在时的ECL响应对比(A); 含K2S2O8时的ECL稳定性(B); 含K2S2O8时对不同浓度H2O2的ECL响应(C)

    Figure 12  ECL responses of GQD/CTS/GCE in 0.1 mol·L-1 PBS (pH=7.4): Comparison of ECL responses with and without K2S2O8 (A); ECL stability containing K2S2O8 (B); ECL responses to different concentrations of H2O2 containing K2S2O8 (C)

    Inset: the corresponding enlarged view.

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    图 13  GQD/CTS/GCE对K2S2O8浓度(A)、电解液pH (B)和扫描速率(C)的ECL响应

    Figure 13  ECL responses of GQD/CTS/GCE to K2S2O8 concentration (A), electrolyte pH (B), and scan rate (C)

    Experimental conditions: pH=7.4, 100 mV·s-1 (A); 0.1 mol·L-1 K2S2O8, 100 mV·s-1 (B); 0.1 mol·L-1 K2S2O8, pH=7.4 (C). All measurements were performed on GQD/CTS/GCE in PBS (without H2O2), and the relative standard deviations (RSDs) for the three groups were all 0.9%.

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    图 14  三种电极的ECL峰强度-电位曲线(A)和ECL峰强度对比(B); AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE的ECL稳定性(C)

    Figure 14  ECL intensity-potential dependence curves (A) and comparison of ECL intensities (B) of three electrodes; ECL stability for AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE (C)

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    图 15  传感器对不同浓度葡萄糖的ECL响应(A)及ΔI与lg c的线性关系(B)、对低浓度区间(1.0×10-10~10.0×10-10 mol·L-1)的ECL响应(C)及ΔI与c的线性拟合(D); 传感器的长期稳定性(葡萄糖浓度: 1.0×10-9 mol·L-1) (E)和对葡萄糖及干扰物的ECL响应对比(F)

    Figure 15  ECL responses to different concentrations of glucose (A) and linear relationship between ΔI and lg c (B), ECL responses at low concentrations (1.0×10-10-10.0×10-10 mol·L-1) (C) and linear relationship ΔI and c (D) of the sensor; Long-term stability (glucose concentration: 1.0×10-9 mol·L-1) (E) and comparison of ECL responses for glucose and interferents (F) of the sensor

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    图 16  不同AuNP@SiO2@GQD/mSiO2含量下分散体系的荧光发射光谱图

    Figure 16  Fluorescence emission spectra of the dispersion systems with different AuNP@SiO2@GQD/mSiO2 contents

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    表 1  AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE与其他葡萄糖传感器的性能对比

    Table 1.  Performance comparison between AuNP@SiO2@GQD/mSiO2/GOx/CTS/GCE and other glucose sensors

    Assay method Linearity range / (mol·L-1) LOD / (mol·L-1) Ref.
    ECL 10-6-10-3 9.5×10-8 [32]
    Surface plasmon resonance n.d.* 2.5×0-6 [33]
    ECL 1.0×10-4-1.8×10-2 5.9×10-6 [34]
    Fluorescence 10-6-10-3 9×10-7 [35]
    Colorimetry 5×10-6-1.0×10-4 1.2×10-6 [36]
    ECL 10-10-10-4 8.55×10-11 This work
    * n.d.: not described.
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    表 2  已糖激酶法和本ECL法测定人血浆葡萄糖浓度的结果对比

    Table 2.  Result comparison of glucose concentration in venous plasma determined by the hexokinase method and this ECL method

    Sample number Glucose concentration / (mmol·L-1) RSD / %
    ECL method* Hexokinase method
    1# 4.8 4.94 2.8
    2# 5.6 5.47 2.4
    3# 7.5 7.76 3.4
    *The samples were all diluted 20-fold for the determination of glucose concentration by ECL method.
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  • 发布日期:  2026-11-10
  • 收稿日期:  2026-02-07
  • 修回日期:  2026-09-14
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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