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光电子调控的聚苯胺氧化还原反应用于铜离子可视化检测
English
Photoelectron-Regulated Redox Reaction of Polyaniline for Visual Detection of Trace Copper
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Key words:
- Visual detection
- / Photoelectric effect
- / Redox reaction
- / Polyaniline
- / Copper ion
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1. 引言
比色法作为一种简单易行、低成本、快速的检测技术,已被广泛用于临床检测。比色信号可以被肉眼简单识别,而无需其它昂贵的分析仪器或经过培训的操作人员[1]。目前,已经有许多基于染料分子的构象变化[2~4]、天然酶或模拟酶的酶促反应[5~7]、金纳米粒子的聚集[8~11]等不同颜色转变机制的比色研究,并应用于DNA、蛋白质和小分子的检测。例如基于Hg2+与氨基酸之间的亲和力诱导柠檬酸盐包裹的金纳米粒子聚集的简单的比色方法[8]; 利用生物催化反应和可再生的氧化铈纳米粒子作为信号传感界面,构建了一种免标记、可重置的比色逻辑网络[6]。
光电化学由于其低背景、高灵敏度等优势,已被广泛研究应用。基于识别目标分析物过程中的光电流变化,发展了一系列光电化学生物传感器[12~16]。然而,传统的光电化学传感器往往需要精确的电流检测设备,因此在实际应用中缺乏便携性。最近,Sambur等[17]利用空穴探针Amplex红的氧化或光电子探针天竺葵的还原,生成试卤灵荧光产物,实现了TiO2阳极光电流成像。受到上述成像技术的启发,本研究利用光活性材料受激发后在界面处生成的电子-空穴对,引发电化学活性染料分子的氧化还原的反应,构建了一种可视化检测系统。本课题组前期工作中,利用四唑硝基蓝(NBT)捕获量子点产生的光电子,发展了通过Cu2+的光电抑制作用沉淀NBT氧化产物的比色检测策略[18]。不同于染料的弱抗光漂白能力,本研究以聚苯胺为显色底物,构建了一种光致变色检测新平台。
聚苯胺是一种稳定且易合成的聚合物[19],被广泛应用于各个领域[20~23]。聚苯胺有多种价态,其还原态(LS-PANI)、中间价态(ES-PANI)和完全氧化态(PS-PANI)分别呈现浅黄色、墨绿色和深蓝色[24]。聚苯胺易被半导体材料,如ZnO、TiO2、CdS等在紫外光激发下产生光诱导空穴氧化[25~27]。同时,对智能超级电容器或电致变色电极施加恒电压时,聚苯胺会发生还原反应[28~30]。目前,基于聚苯胺颜色变化的可视化检测平台相关研究尚未见报道。
Cu2+毒性不仅来源于氧化应激,也与其容易在Cu2+和Cu+之间的转化有关,这一点使得Cu2+有别于其它金属离子。尽管已经有许多检测Cu2+相关研究报道[31~33],构建一种成本相对便宜,操作简单的传感器仍然十分必要。本研究结合光电化学和比色检测的优点,提出了利用ES-PANI和TiO2纳米粒子作为比色材料用于痕量铜(Ⅱ)可视化检测策略(图 1)。本研究所用ES-PANI是通过质子掺杂本征态聚苯胺(EB-PANI)得到的[34],从而避免了使用毒性较大的苯胺作为起始原料,也简化了合成步骤。未加入Cu2+时,ES-PANI会被TiO2在紫外光激发下产生的光生空穴氧化生成PS-PANI,导致溶液颜色变为深蓝色。随着Cu2+加入浓度升高,溶液颜色逐渐由深蓝色到墨绿色,再到浅黄色的转变。本研究证明了基于Cu2+/Cu+氧化还原电子对的比色检测机理。颜色变化可由肉眼直接分辨,也可利用Photoshop软件或酶标仪测定。此外,通过对比加入不同金属离子时的混合液颜色,证明了比色方法对Cu2+具有高选择性。这种光电子调控的比色策略为新的可视化检测提供了参考,具有良好的应用前景。
图 1
图 1. 基于光电子调控聚苯胺氧化还原反应的Cu2+可视化检测示意图Figure 1. Schematic illustration of photoelectron-regulated redox reaction of polyaniline for visual detection of Cu2+2. 实验部分
2.1 仪器与试剂
UV-3600紫外可见光谱、Model 680型酶标仪(日本Shimadzu公司); Nano-Z电位分析仪(英国Malvern公司); CHI 630D电化学工作站(上海辰华仪器公司),测试采用三电极系统,修饰的ITO电极为工作电极,饱和甘汞电极为参比电极,铂电极为对电极; Vector 22傅里叶变换红外光谱仪(德国Bruker公司); 365 nm紫外光源(益达公司); EOS 5D Mark Ⅲ相机(日本佳能公司)。
聚苯胺和2, 9-二甲基-1, 10-菲咯啉半水合物(新亚铜试剂,天津希恩思生化科技有限公司); 二甲基亚砜(DMSO)、Cu(NO3)2·3H2O(上海新宝精细化工有限公司); TiO2(西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司)。实验用水为超纯水(≥18 MΩ·cm,Milli-Q水纯化系统,Millipore公司)。
2.2 聚苯胺掺杂
将EB-PANI溶解于DMSO中,得到1.0 mg/mL EB-PANI储备液。将250 μL 1.0 mg/mL EB-PANI与250 μL 1.0 mol/L HCl混合,并在35℃恒温振荡过夜,得到中间价态聚苯胺(墨绿色)。混合液在室温下以7000 r/min离心10 min,用超纯水重复洗涤离心两次,使溶液pH=7。加300 μL超纯水溶解ES-PANI,保存待用。
2.3 可视化检测Cu2+
配制1.0 mg/mL TiO2纳米粒子溶液,超声30 min。将5 μL TiO2与5 μL ES-PANI溶液混匀后注入到384孔板中,再加入10 μL不同浓度Cu(NO3)2·3H2O溶液,所加Cu2+浓度范围为0.04~400 μmol/L。将墨绿色混合液置于365 nm紫外光下,在35℃照射15 min。通过肉眼观察颜色变化,并拍摄384孔板颜色变化照片。采用Photoshop记录统计混合液的绿色通道平均强度值。所有实验均重复3次。
3. 结果与讨论
3.1 可行性验证
为了验证Cu2+可视化检测的可行性,利用Photoshop软件读取所拍摄照片的绿色通道平均强度值(Gavg),研究混合溶液颜色变化。如图 2所示,未加入Cu2+时,受紫外光激发,TiO2产生的光生空穴将ES-PANI氧化成PS-PANI,溶液颜色为深蓝色,混合液的Gavg=34(图 2a)。随着Cu2+的加入,在紫外光照射下,混合溶液向淡黄色转变,其Gavg值增加至157(图 2c)。并且,紫外光照射前的ES-PANI/TiO2和Cu2+混合溶液的初始颜色呈现墨绿色,Gavg≈93(如2b)。所拍摄照片直观地揭示了不同条件下的溶液颜色差异(图 2插图)。因此,可以通过软件读取Gavg值或肉眼监测溶液颜色变化。
图 2
图 2. ES-PANI/TiO2混合液的绿色通道值:(a)未加Cu2+,紫外光照射,(b)加入Cu2+,无紫外光照射,(c)加入Cu2+,紫外光照射。插图:对应溶液颜色照片Figure 2. Gavg values of emeraldine salt of polyaniline (ES-PANI)/TiO2 solution in the absence (a) and presence (b, c) of 0.4 mmol/L Cu2+ after (a, c) and before (b) UV light irradiation. Inset: Corresponded solution photographs in the plate wells3.2 可视化检测机理
为了研究可视化检测过程中Cu2+行为并验证可视化检测机理,引入新亚铜试剂(针对Cu+的特异性显色试剂)。当Cu+存在时,含新亚铜试剂的溶液由透明变为黄色。如图 3A所示,当加入新亚铜试剂时,在紫外光照射下,TiO2/Cu2+混合液颜色呈黄色(图 3A-a)。与此相对,未经紫外光照射的TiO2/Cu2+-新亚铜试剂混合液(图 3A-b)或未加入Cu2+(图 3A-c)时的TiO2-新亚铜试剂混合溶液均未变色。由此证明,TiO2/Cu2+混合液在紫外光照射下会产生Cu+[35]。
图 3
图 3. (A) 新亚铜试剂与TiO2的混合溶液颜色变化照片:(a)加入Cu2+,紫外光照射,(b)加入Cu2+,无紫外光照射,(c)未加Cu2+,紫外光照射; (B)ES-PANI/TiO2溶液与(a)0.1 mmol/L Cu2+,(b) 0.1 mmol/L Cu2+ + 10 mmol/L KBr,(c)10 mmol/L KBr混合后经紫外光照射后的颜色变化照片; (C)电子转移过程的能级图; (D)ES-PANI被还原为LS-PANI的光致变色机理示意图Figure 3. (A) Photographs of TiO2 solutions containing neocuproine (1 mg/mL) in the presence (a, b) and absence (c) of 0.1 mmol/L Cu2+ after (a, c) and before (b) UV light irradiation. (B) Photographs of ES-PANI/TiO2 solutions containing 0.1 mmol/L Cu2+ (a), 0.1 mmol/L Cu2+ + 10 mmol/L KBr (b), and 10 mmol/L KBr (c) under UV light irradiation. (C) Illustration of energy level for electron transfer process. (D) Schematic illustration of photochromic mechanism on the reduction of ES-PANI to leucoemeraldine salt (LS)-PANI另一方面,当加入过量KBr到ES-PANI/TiO2混合液时,Cu+会与Br-结合生成CuBr沉淀,由此可进一步验证反应机理(图 3B)。加入Cu2+时,在紫外光照射下,PANI/TiO2混合溶液为浅黄色(图 3B-a)。当加入过量KBr时,混合液颜色变为深蓝色(图 3B-b)。上述现象证明,Cu+将ES-PANI还原为LS-PANI。因此,未加入KBr时,混合液呈现LS-PANI的颜色,即淡黄色。反之,当KBr被引入体系中时,Br-可结合溶液中的Cu+形成CuBr沉淀,此时PANI/TiO2溶液呈现深蓝色,与未加入Cu2+时溶液颜色(图 3B-c)相同。综上所述,验证了基于Cu2+调控聚苯胺氧化还原反应的可视化检测机理。
推测的TiO2,Cu+和ES-PANI之间的电子转移过程如图 3C所示,TiO2纳米粒子的导带(CB)和价带(VB)能级分别为-4.26和-7.36 eV[36]。Cu+(-4.35 eV)能级位于ES-PANI的HOMO能级(-4.75 eV)和TiO2的CB之间[37]。因此,在紫外光激发下,TiO2产生的光生电子首先转移至Cu+,然后顺序转移至ES-PANI的HOMO能级,此电子转移图辅证了所提出的变色机理。
基于上述实验结果和能级关系,可以推断Cu2+检测机理如下(图 3D):Cu2+在紫外光照射下与TiO2相互作用生成Cu+,Cu+将ES-PANI还原为LS-PANI,其本身再次被氧化为Cu2+,使得溶液颜色呈现淡黄色。然而,若加入过量的KBr与Cu+反应生成CuBr沉淀,ES-PANI的还原反应会被阻断。所以,混合溶液颜色对应Cu2+调控下不同价态的PANI。
3.3 聚苯胺性质表征
利用红外光谱(图 4A)和紫外吸收光谱(图 4B)表征了ES-PANI。红外光谱图可以看出,掺杂后的ES-PANI(图 4A,曲线b)与EB-PANI(图 4A,曲线a)相比,吸收峰向短波长移动,与文献[38]相一致。ES-PANI在800 cm-1附近的峰由N—H面外弯曲震动产生。1055 cm-1附近的强吸收峰和1233 cm-1的峰分别来源于C—C拉伸和C—C扭曲。1292 cm-1处的峰归因于C—N拉伸。在1455 cm-1处可观察到芳族化合物的C=C拉伸吸收。592和668 cm-1处的峰是C—Cl拉伸峰,上述证明了ES-PANI的成功掺杂[39]。同时,观察到EB-PANI在320和640 nm附近有两个紫外吸收峰(图 4B,曲线a)。质子化后,在350、426和760 nm附近出现3个不同的ES-PANI吸收峰(图 4B,曲线b),与文献报道[40]相一致。
图 4
在0.1 mol/L Na2SO4溶液中,以100 mV/s速度在-0.2~1.0 V间扫CV曲线,可以得到EB-与ES-PANI的导电率差异。如图 4C所示,在0.24和0.56 V附近观察到ES-PANI两个明显的氧化峰(图 4C,曲线b)。CV曲线表明盐酸掺杂后聚苯胺的电导率有显着提高,也间接证明了EB-到ES-PANI的成功转变。
对掺杂前后聚苯胺的Zeta电位进行了表征(图 4D),HCl掺杂后ES-PANI上形成=NH+—基团,导致Zeta电位从17.8 mV显着增加到51.0 mV。因此,Zeta电位的大幅度增加表明ES-PANI的成功制备。此外,ES-PANI的Zeta电位值高达51.0 mV,说明其具有良好的分散稳定性。
3.4 检测条件优化
为了获得最佳比色效果,对HCl掺杂浓度、振荡时间、光照反应温度和光照时间进行了条件优化(图 5)。由于颜色变化直接与检测灵敏度相关,所以用溶液在光照前后的颜色变化差值,即ΔGavg值作为评价标准,并对ΔGavg值做归一化处理。如图 5A所示,ΔGavg值不断升高并在HCl浓度为0.5 mol/L时达到平台,因此选择0.5 mol/L HCl为掺杂的最佳浓度。如图 5B所示,当HCl浓度为0.5 mol/L时,ΔGavg值在振荡时间为15 h时达到最大值,然后随振荡时间延长而降低。因此选择最佳振荡时间为15 h。此外,光照反应温度对ΔGavg值的影响如图 5C所示,随着反应温度的升高,ΔGavg值迅速升高,在反应温度35℃时达到平台,继续升温对ΔGavg值影响不大,推测可能与溶液不断蒸发有关。因此,选择35℃为最佳反应温度。在反应温度为35℃时,随着光照时间的增加,ΔGavg值不断升高,并在光照15 min时达到最大(图 5D),因此选择15 min为最佳光照时间。
图 5
图 5. 检测条件的优化:(A)HCl掺杂浓度; (B)振荡时间; (C)光照反应温度和(D)光照时间,其中ΔGavg代表ES-PANI/TiO2混合液在Cu2+浓度为0与400 μmol/L时的Gavg差值Figure 5. Effects of (A) HCl concentration, (B) agitating time, (C) incubation temperature, and (D) irradiation time on ΔGavg (the difference of Gavg value of ES-PANI/TiO2 mixtures with and without 400 μmol/L Cu2+ under UV light irradiation)3.5 Cu2+的可视化检测
在最优条件下对Cu2+进行可视化检测,其中Cu2+溶液浓度为0.04~400 μmol/L。在紫外线照射下,未加入Cu2+时,混合液中的ES-PANI被氧化为PS-PANI,混合液由墨绿色变为深蓝色。加入Cu2+后,ES-PANI被还原为LS-PANI,混合液颜色向淡黄色转变。因此,两个相反的颜色变化叠加作用,在紫外光照射下,ES-PANI/TiO2混合液颜色随着Cu2+的浓度增加而呈现由深蓝色到墨绿色,再到浅黄色的梯度变化(图 6)。当加入0.4 μmol/L Cu2+时,用肉眼可以区分出混合液的颜色变化。因此,Cu2+可视化检出限为0.4 μmol/L。
图 6
图 6. Cu2+的比色检测颜色变化与线性关系图,其中Cu2+浓度为(1~10):0, 0.04, 0.1, 0.4, 1.0, 4.0, 10, 40, 100和400 μmol/LFigure 6. Photographs for the optimized colorimetric detection of Cu2+ with the naked eyes in the plate wells, and linear relationship between Gavg value and logarithm of Cu2+ concentration (from 1 to 10): 0, 0.04, 0.1, 0.4, 1.0, 4.0, 10, 40, 100 and 400 μmol/L根据拍摄的ES-PANI/TiO2混合液颜色随Cu2+浓度变化的图片,采用Photoshop读取混合液绿色通道平均强度Gavg。选择统一尺寸圆形区域,读取区域内Gavg值。Gavg与Cu2+浓度在0.04~400 μmol/L范围内线性关系良好,线性回归系数为0.998。由3σ规则计算检出限为39 nmol/L。与其它Cu2+可视化检测的研究相比[41, 42],本方法表现出了相对高的灵敏度、宽的线性范围,检测时间短,应用前景良好。
3.6 酶标仪吸光度测量
利用酶标仪记录384孔板混合液在600 nm处的吸收值,得到混合液随Cu2+变化的吸收曲线。由于混合液在Cu2+浓度范围为0~40 μmol/L时,吸收差值在600 nm处最大,因此选择600 nm作为检测波长。混合液吸收值与Cu2+浓度线性关系良好,范围线性为0.04~400 μmol/L(图 7A),线性回归相关系数为0.993。
图 7
3.7 稳定性实验
为了研究ES-PANI的稳定性,将ES-PANI溶液暴露于空气中2、10、24和72 h,混合液未观察到明显的颜色变化。此外,通过颜色变化与循环伏安曲线,考察了ES-PANI在pH值为3、7和9时的稳定性(图 7B)。可知,ES-PANI在空气中或酸/中性条件下均表现出优异的稳定性。
3.8 选择性实验
选择了一些常见的离子(Cd2+、Co2+、Ca2+、Pb2+、Mg2+、Ag+、K+、Zn2+、Fe3+、Hg2+、Mn2+、Al3+、Ni2+),在同一条件下进行实验。其中,干扰离子和Cu2+浓度分别为4与0.4 mmol/L。结果表明,此可视化检测平台对Cu2+有较高的选择性(图 8),在复杂样品中具有良好的应用前景。
图 8
3.9 实际样品测定
为了评估方法的可靠性和实用性,对人类头发样品进行了分析检测。用本方法检测头发中Cu元素含量为11.6 μg/g,与原子吸收光谱测得结果(10.8 μg/g)相近。加入1.0、3.0和9.0 μmol/L Cu2+标准储备液,回收率分别为94.1% ± 3.5%、105.8% ± 1.9%和102.1% ± 3.0%。上述结果证明了本可视化检测平台的可靠性。
4. 结论
建立了一种基于PANI/TiO2光电子调控的比色检测平台,并应用于痕量Cu2+的可视化检测。利用具有良好抗光漂白能力的聚苯胺,作为信号转换的显色底物,应用于可视化检测平台。同时,证实了PANI/TiO2混合液从深蓝色变为墨绿色,最终变成浅黄色的变色机理,其颜色分别对应光致变色过程中由Cu2+调控的不同价态聚苯胺。由痕量Cu2+引起的颜色差异用肉眼即可直接分辨。此外,Photoshop软件和酶标仪都可以被用来定量分析颜色的变化。通过3种信号读出方式,实现了痕量Cu2+的高灵敏和高选择性检测。通过人体头发实际样品的测定,验证了方法的可靠性。这种可视化检测平台无需昂贵的仪器或经过专业培训的操作人员,因此,本工作提供了一种操作简单且低成本的痕量Cu2+检测方法。这种由光电子调控的聚合物作为显色底物的可视化检测平台,在生物检测和环境监测中具有良好应用前景。
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图 2 ES-PANI/TiO2混合液的绿色通道值:(a)未加Cu2+,紫外光照射,(b)加入Cu2+,无紫外光照射,(c)加入Cu2+,紫外光照射。插图:对应溶液颜色照片
Figure 2 Gavg values of emeraldine salt of polyaniline (ES-PANI)/TiO2 solution in the absence (a) and presence (b, c) of 0.4 mmol/L Cu2+ after (a, c) and before (b) UV light irradiation. Inset: Corresponded solution photographs in the plate wells
图 3 (A) 新亚铜试剂与TiO2的混合溶液颜色变化照片:(a)加入Cu2+,紫外光照射,(b)加入Cu2+,无紫外光照射,(c)未加Cu2+,紫外光照射; (B)ES-PANI/TiO2溶液与(a)0.1 mmol/L Cu2+,(b) 0.1 mmol/L Cu2+ + 10 mmol/L KBr,(c)10 mmol/L KBr混合后经紫外光照射后的颜色变化照片; (C)电子转移过程的能级图; (D)ES-PANI被还原为LS-PANI的光致变色机理示意图
Figure 3 (A) Photographs of TiO2 solutions containing neocuproine (1 mg/mL) in the presence (a, b) and absence (c) of 0.1 mmol/L Cu2+ after (a, c) and before (b) UV light irradiation. (B) Photographs of ES-PANI/TiO2 solutions containing 0.1 mmol/L Cu2+ (a), 0.1 mmol/L Cu2+ + 10 mmol/L KBr (b), and 10 mmol/L KBr (c) under UV light irradiation. (C) Illustration of energy level for electron transfer process. (D) Schematic illustration of photochromic mechanism on the reduction of ES-PANI to leucoemeraldine salt (LS)-PANI
图 5 检测条件的优化:(A)HCl掺杂浓度; (B)振荡时间; (C)光照反应温度和(D)光照时间,其中ΔGavg代表ES-PANI/TiO2混合液在Cu2+浓度为0与400 μmol/L时的Gavg差值
Figure 5 Effects of (A) HCl concentration, (B) agitating time, (C) incubation temperature, and (D) irradiation time on ΔGavg (the difference of Gavg value of ES-PANI/TiO2 mixtures with and without 400 μmol/L Cu2+ under UV light irradiation)
图 6 Cu2+的比色检测颜色变化与线性关系图,其中Cu2+浓度为(1~10):0, 0.04, 0.1, 0.4, 1.0, 4.0, 10, 40, 100和400 μmol/L
Figure 6 Photographs for the optimized colorimetric detection of Cu2+ with the naked eyes in the plate wells, and linear relationship between Gavg value and logarithm of Cu2+ concentration (from 1 to 10): 0, 0.04, 0.1, 0.4, 1.0, 4.0, 10, 40, 100 and 400 μmol/L
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