一种基于杂化局域-电荷转移激发态材料水相固态传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及电化学发光领域，具体涉及一种基于杂化局域-电荷转移激发态材料水相固态传感器及其制备方法。

背景技术

电化学发光(Electrochemiluminescence或Electrogeneratedchemiluminescence，简称为ECL)是指电化学活性物质在电激发的驱动下产生的自由基离子通过高能电子转移反应产生激发态，激发态返回基态以光的形式辐射能量。与光致发光(FL)或化学发光(CL)方法相比，ECL的特殊优点显示多方面，如集成电化学激发和光子信号收集多维信号控制和分析，优越的单分子分辨率原位ECL成像超灵敏生物传感和催化活性分析等。经过研发，当前ECL理论和技术逐渐被建立起来，成为一种强有力的现代分析传感和检测手段，用于免疫分析、离子分析、核酸检测、水质检测等领域。与其他检测手段相比，电化学发光通过结合电化学调控手段，获得的背景信号更低、信息更丰富，在获取高灵敏度、高信噪比、特异性识别等方面，具有显著的技术优势。

基于工作电极表面修饰的固态ECL检测相较于液相ECL，具有结构更简单、更便捷和小型等优势。然而，报道过的有机分子固态ECL检测体系均属于传统的荧光体系，本质上这类材料中三重态激子回到基态往往是禁阻跃迁的。根据自旋量子统计理论，在电激发条件下，单重态和三重态上激子的生成比率大约为25％:75％，无论是湮灭ECL途径，还是共反应剂ECL途径，在这些发光材料上复合产生的三重态激子均无法得到利用，只有通过25％的单重态激子跃迁回基态发光(Angew.Chem.Int.Ed.2014,53,6993-6996.)。为此，现有有机小分子固态ECL检测体系均受限于它们共同的传统荧光物理属性，其ECL效率水平和应用受到理论和实际上的限制。

经典的全激子利用型材料热活化延迟荧光有机发光材料不同于传统意义上的荧光，效率受到理论和实际上的限制。通过环境的热活化，这类发光物质中的T1三重态激子将发生反向系间窜越(reverse intersystem crossing，RISC)过程，进而返回到最低激发单重态S1，最后跃迁回基态S0实现辐射出光。这意味着热活化延迟荧光TADF材料则能实现所有单重态和三重态激子的辐射利用，进而其发光效率可达到100％。近期有科研工作者采用纳米包覆的方式实现了TADF材料如4CzIPN的固态水相ECL发射(Chem.Commun.,2021,57,5262，专利202110033026.6)，以及PAPTC水溶性纳米粒子ECL应用(Analyst,2022,147,2442),采用包裹剂包裹有机染料以用作ECL的方法操作较为复杂，并且由于包裹剂如PMSA等惰性绝缘属性的物质的存在，不仅增加了阻隔层的厚度，并且会造成更大的空间位阻，从而阻碍电荷传输能力，很大程度影响材料的ECL性能。基于此，寻找简易方便的途径实现有机染料的水相ECL体系意义同样重大。

同样具有全激子利用能力的杂化局域-电荷转移激发态特征的有机发光分子，常称之为HLCT材料。该类材料由马於光等人最早提出，并在电致发光领域得到了广泛的发展。研究表明，该类材料由于具有特殊的电子能级特点，能够通过高能级的三线态(Tn,n≥2)向低能级的三线态(Sm,m≥1)发生十分快的RISC过程，进而实现三线态激子的辐射利用。因此，相比于TADF材料来说，一方面HLCT材料也具有100％利用激子辐射发光的能力，因此理论激子利用率可比拟。另一方面，由于HLCT材料的RISC及其快速，因此HLCT材料的激子辐射速率更加快速。受到环境中氧气和极性的影响更小，基于这一特点，HLCT材料也被广泛应用于电致发光的固态器件的研究当中。然而，基于HLCT机制的发光材料在ECL领域的应用仅有一例关于有机液相ECL的专利报导(202210708705.3)。尽管HLCT-ECL在有机相可实现，但水相HLCT-ECL仍未被实现。众所周知，实现水介质中的ECL具有重要意义，因为它真正满足生命科学和环境领域的实际传感或成像的要求。有机化合物可溶于有机溶剂，但在水中容易聚集(或沉淀)，并且存在水油界面阻隔电荷传输等诸多困难，因此现阶段HLCT的水相ECL尚未被报导实现。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于杂化局域-电荷转移激发态材料的水相固态传感器及其制备方法。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

第一方面，本发明提供一种基于杂化局域-电荷转移激发态材料水相固态传感器，其包括电极，所述电极表面具有杂化局域-电荷转移激发态材料合成的水溶性纳米粒子修饰层，所述杂化局域-电荷转移激发态材料为HLCT有机小分子，所述HLCT有机小分子的名称为BPTCz，其分子结构式为：

第二方面，本发明提供一种基于杂化局域-电荷转移激发态材料水相固态传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，有机纳米粒子的制备：

(1)前驱液的配制：将BPTCz溶解在THF中，得到前驱液；

(2)BPTCz有机纳米粒子的制备：在超声的辅助下，将前驱液注入到水中；之后通过旋蒸干燥以除去THF；过滤得到清液并定容，得到有机纳米粒子分散液；

步骤2，固态电化学发光传感器的制备：

(3)玻碳电极预处理：用氧化铝粉末打磨玻碳电极，再进行超声清洗，氮气吹干电极表面；

(4)纳米粒子修饰的玻碳电极的制备：吸取BPTCz纳米粒子分散液滴于处理好的玻碳电极表面，随后将其置于红外灯下烘干，待其干燥成膜后即得到BPTCz纳米粒子修饰的工作电极；

(5)传感器制备：采用三电极工作体系，负载有BPTCz纳米粒子的玻碳电极为工作电极，银-氯化银电极为参比电极，铂丝电极为对电极，将三电极体系浸入到PBS中。

优选地，所述步骤1中，前驱液的配置浓度为2mg/mL。

优选地，所述步骤1中，前驱液注入到水中的过程中，前驱液与水的体积比为1.25:8.75。

优选地，所述步骤1中，旋蒸干燥的温度是60℃，过滤是使用0.34μm的滤头过滤。

优选地，所述步骤1中，有机纳米粒子分散液的浓度是0.2mg/mL。

优选地，所述步骤2中，氧化铝粉末的粒径包括0.3μm和0.05μm，先使用0.3μm的氧化铝粉末打磨，再使用0.05μm的氧化铝粉末打磨。

优选地，所述步骤2中，超声清洗是依次按照超纯水-乙醇-超纯水的顺序进行超声清洗。

优选地，所述步骤2中，BPTCz纳米粒子分散液滴于处理好的玻碳电极表面的量为40μL。

本发明的有益效果为：

本发明采用直接沉淀以及纳米包覆的方法将HLCT有机小分子制备形成能溶于水的纳米粒子，将全激子利用的HLCT应用于水相电化学发光领域，思路先进；针对材料在水溶液中形成的自由基寿命短、电化学发光活性弱等问题，经过特殊设计，加入相应共反应助剂，制备形成了基于HLCT材料的固态水相ECL传感器，实现了HLCT材料在水相中强度高、稳定的ECL行为，为HLCT材料适应生命环境的测试技术需求奠定了重大基础。

本发明通过使用杂化局域电荷转移激发态材料修饰电极，可制成固态电化学发光传感器，ECL性能优异，发光效率高，用于免疫分析、离子分析、核酸检测、水质检测等分析检测领域。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1为本发明基于杂化局域-电荷转移激发态材料电化学发光的发光原理示意图；

图2为本发明实施例1的HLCT NPs在真空和环境中的纳秒级荧光寿命曲线示意图，说明该材料在环境中的稳定性良好；

图3为本发明实施例1的HLCT材料BPTCz的氯苯溶液在环境中暴露不同时间的PL强度变化示意图；

图4为本发明实施例1基于杂化局域-电荷转移激发态材料BPTCz NPs的合成示意图；

图5为本发明实施例1的HLCT水相纳米粒子的固态ECL传感器示意图；

图6为本发明对比例1采用BPTCz NPs加入于水相电化学发光体系的电化学发光性能测试结果；

图7为本发明对比例1采用BPTCz NPs加入于水相电化学发光体系的电化学性能测试结果图，电流过小，稳定性差；

图8为本发明对比例2采用BPTCz NPs加入于水相电化学发光体系的电化学发光性能测试结果；

图9为本发明对比例2采用BPTCz NPs加入于水相电化学发光体系的电化学性能测试结果图；

图10为本发明对比例3采用BPTCz NPs加入于水相电化学发光体系的电化学发光性能测试结果；

图11为本发明对比例3采用BPTCz NPs加入于水相电化学发光体系的电化学性能测试结果图，稳定性差；

图12为本发明合成的未加包裹剂的BPTC NPs的透射电镜(TEM)图；

图13为本发明实施例1采用BPTCz NPs加入20mM TEA于水相电化学发光体系的电化学性能测试结果图；

图14为本发明实施例1中电化学反应的稳定性测试所得到的循环伏安曲线；

图15为本发明实施例1中不同电极环境下的电化学发光强度；

图16为本发明实施例1中BPTCz NPS在TEA存在条件下的电化学发光光谱；

图17为本发明实施例2中HLCT体系中加入30mMTEA的电化学发光反应的稳定性测试所得到的曲线；

图18为本发明实施例3中HLCT体系中加入50mMTEA的电化学发光反应的稳定性测试所得到的曲线；

图19为本发明实施例4中HLCT体系中加入70mMTEA的电化学发光反应的稳定性测试所得到的曲线；

图20为本发明实施例5中HLCT体系中加入50mMTPrA在0～1.5V电位下扫描的电化学发光反应的稳定性测试所得到的曲线；

图21为本发明实施例5中电化学反应的稳定性测试所得到的循环伏安曲线；

图22为实施例5中不同电极环境下的电化学发光强度；

图23为本发明实施例6中HLCT体系中加入50mMK2S2O8在0～-1.7V电位下扫描的电化学发光反应的稳定性测试所得到的曲线；

图24为本发明实施例6中电化学反应的稳定性测试所得到的循环伏安曲线；

图25为本发明实施例7中被包裹的BPTCz dots水溶液的制备流程图；

图26为本发明实施例7中被BPTCz：PMSA＝1:1的BPTCz dots在加入50mM TEA的PBS中扫描的电化学发光反应的稳定性测试所得到的曲线；

图27为本发明实施例7中电化学反应的稳定性测试所得到的循环伏安曲线；

图28为本发明实施例7中BPTCz和PMSA即材料和包裹剂不同质量配比获得的BPTCzdots测试的到的的电化学发光强度对比图。

具体实施方式

为了更清楚的说明本发明，对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

以下实施例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有已知方法得到。

实施例

本发明提供的具有杂化局域-电荷转移激发态纳米粒子的制备及其水相固态电化学发光传感器，所述杂化局域-电荷转移激发态材料为：4,7-二(4-(3,6-二-e-丁基-9H-咔唑-9-y)苯并[2,5-二硫代二唑]，简称BPTCz)。该材料是一种全激子利用型、并且不含任何金属元素，材料廉价易得、且毒性低，化学稳定性、环境稳定性好的HLCT有机小分子材料。

BPTCz的化学结构式如下所示：

结合以下具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

一种基于杂化局域-电荷转移激发态材料水相固态传感器，包括杂化局域-电荷转移激发态材料，所述杂化局域-电荷转移激发态材料为：4,7-二(4-(3,6-二-e-丁基-9H-咔唑-9-y)苯并[2,5-二硫代二唑]，简称BPTCz)。

将少量BPTCz溶于四氢呋喃(THF)，在超声的辅助下将一定体积的THF溶液与一定体积的水混合，并经过后处理得到有机纳米粒子的水溶液。其后对其进行电化学发光性质的研究，到目前为止未见此有机纳米粒子的水相电化学发光性质研究。

一种基于杂化局域-电荷转移激发态材料水相固态传感器的制备方法，其包括如下步骤：

一、有机纳米粒子的制备

1，前驱液的配制：将2mg BPTCz溶解在1mLTHF中，得到2mg/ml的前驱液。

2，BPTCz有机纳米粒子的制备：在超声的辅助下，将1.25mL前驱液注入到8.75mL水中；之后通过60℃旋蒸干燥以除去THF；使用0.34μm滤头过滤得到清液并定容，得到0.2mg/mL有机纳米粒子分散液。

二、固态电化学发光传感器的制备

3，玻碳电极预处理：用0.3μm和0.05μm氧化铝粉末打磨玻碳电极，再依次用超纯水，乙醇，超纯水进行超声清洗，氮气吹干电极表面。

4，纳米粒子修饰的玻碳电极的制备：通过移液枪吸取40μL的BPTCz纳米粒子分散液滴于处理好的玻碳电极表面，随后将其置于红外灯下烘干，待其干燥成膜后即得到BPTCz纳米粒子修饰的工作电极，作为固态电化学发光传感器。

三、BPTCz NPs修饰的电化学发光传感器的电化学发光强度测试

5，BPTCz NPs的电化学发光性能测试：采用三电极工作体系，负载有40ulBPTCzNPs的玻碳电极为工作电极，银-氯化银电极为参比电极，铂丝电极为对电极，将三电极体系浸入到3mL的PBS中分别测试正负电位下的ECL强度。

6，以三乙醇胺(TEA)为共反应助剂的BPTCz NPs电化学发光性能的测试：将特定量的TEA其溶于0.1M的PBS(pH 7.42)溶液中，其中TEA作为作为BPTCz NPs的正电位扫描下的电化学发光共反应助剂，PBS溶液作为电解质溶液。采用三电极工作体系，玻碳电极为工作电极，银-氯化银电极为参比电极，铂丝电极为对电极，将三电极体系浸入到3mL的含有20mMTEA的PBS溶液中。

用MPI-EII型电化学发光分析仪通过循环伏安法检测其电化学发光性能，光电倍增管设为700V，初始电压设置为0V，高电压设置为1.5V，低电压设置为0V。测试其正电位扫描下的电化学发光。

实施例2

本实施例与实施例1基本上相同，其不同之处在于，仅将20mM TEA的PBS溶液替换为30mM TEA的PBS溶液。

用MPI-EII型电化学发光分析仪通过循环伏安法检测其电化学发光性能，光电倍增管设为700V，初始电压设置为0V，高电压设置为1.5V，低电压设置为0V。测试其正电位扫描下的电化学发光。

实施例3

本实施例与实施例1基本上相同，其不同之处在于，仅将20mM TEA的PBS溶液替换为50mM TEA的PBS溶液。

用MPI-EII型电化学发光分析仪通过循环伏安法检测其电化学发光性能，光电倍增管设为700V，初始电压设置为0V，高电压设置为1.5V，低电压设置为0V。测试其正电位扫描下的电化学发光。

实施例4

本实施例与实施例1基本上相同，其不同之处在于，仅将20mM TEA的PBS溶液替换为70mM TEA的PBS溶液。

用MPI-EII型电化学发光分析仪通过循环伏安法检测其电化学发光性能，光电倍增管设为700V，初始电压设置为0V，高电压设置为1.5V，低电压设置为0V。测试其正电位扫描下的电化学发光。

实施例5

本实施例是在实施例1的基础上，其不同之处在于，

三丙胺(C

在实施例1的基础上，以三丙胺(TPrA)为共反应助剂的BPTCz NPs电化学发光性能的测试：将特定量的TPrA其溶于0.1M的磷酸盐缓冲液(PBS)(pH 7.42)溶液中，得到TPrA浓度为50mM的PBS电解液，其中TPrA作为BPTCz NPs的正电位扫描下的电化学发光共反应助剂，PBS溶液作为电解质溶液。采用三电极工作体系，玻碳电极为工作电极，银-氯化银电极为参比电极，铂丝电极为对电极，将三电极体系浸入到3mL的含有50mM TEA的PBS溶液中，用MPI-EII型电化学发光分析仪通过循环伏安法检测其电化学发光性能，光电倍增管设为800V，初始电压设置为0V，高电压设置为1.5V，低电压设置为0V。测试其正电位扫描下的电化学发光。

实施例6

本实施例是在实施例1的基础上，其不同之处在于，

过硫酸钾(K

在实施例1的基础上，以过硫酸钾为共反应助剂的BPTCzNPs电化学发光性能的测试：将特定量的K2S2O8其溶于0.1M的磷酸盐缓冲液(PBS)(pH 7.42)溶液中，得到K2S2O8浓度为50mM的PBS电解液，将K2S2O8作为BPTCz NPs的电化学发光的负电位下扫描的共反应助剂，PBS溶液作为电解质溶液。采用三电极工作体系，玻碳电极为工作电极，银-氯化银电极为参比电极，铂丝电极为对电极，将三电极体系浸入到3mL的含有50mM TEA的PBS溶液中，用MPI-EII型电化学发光分析仪通过循环伏安法检测其电化学发光性能，光电倍增管设为800V，初始电压设置为0V，高电压设置为0V，低电压设置为-1.7V。测试其负电位下扫描的电化学发光。

实施例7

本实施例与实施例1基本上相同，其不同之处在于，使用包裹剂包裹HLCT纳米粒子(BPTCz dots)。

本实施例基于HLCT材料应用于电化学发光领域，选择的HLCT分子为：4,7-二(4-(3,6-二-e-丁基-9H-咔唑-9-y)苯并[2,5-二硫代二唑]，简称BPTCz。

使用的包裹剂为(苯乙烯-co-马来酸酐)PMSA，是一种具有亲水亲油双基团的表面活性剂，亲油端连接有机分子，亲水端保证水溶性，可用作不溶性有机材料的包裹剂。其余可选择包裹剂还有二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺-聚乙二醇2000(DSPE-PEG2000)等。PMSA结构式如下：

本实施例基于HLCT材料应用于电化学发光领域的制备方法，包括以下步骤：

(1)储备溶液的配置：称量0.002g HLCT材料BPTCz、以及包裹剂聚(苯乙烯-co-马来酸酐)PMSA溶在2mL四氢呋喃中，超声分散30分钟至完全溶解，分别得到2mg/ml的BPTCz母液和2mg/ml的PMSA母液。

(2)分别将取200ul BPTCz母液分别和200ul、1000ul、67ulPMSA母液混合再加入定量THF溶剂使得混合得到总体积为1.25mL，分别得到质量比BPTCz：PMSA分别为1:1、1:5、3:1的混合液。将混合溶液在常温下超声20min得到均一澄清的溶液。之后，在超声的辅助下将1.25mL混合溶液快速加入8.75mL超纯水中并继续维持超声3min。

(3)使用真空旋转蒸发仪除去水中的THF，浓缩溶液至2mL。最后使用0.22μm的注射过滤器(聚(醚砜)，PES)过滤除去聚集的大颗粒，得到被包裹的BPTCz dots水溶液。制备流程如图25。

(4)玻碳电极预处理：用0.3μm和0.05μm氧化铝粉末打磨玻碳电极，再依次用超纯水，乙醇，超纯水进行超声清洗，氮气吹干电极表面，取母液40ul滴至直径为4mm的玻碳电极上，红外灯照灯使其干燥成膜。

BPTCz dots的电化学发光性能的测试：采用三电极工作体系，玻碳电极为工作电极，其上负载有被包裹的BPTCz dots，Ag/Agcl电极为参比电极，铂丝电极为对电极，0.1M的磷酸盐缓冲液(PBS)作为电解液。在PBS中加入50mMTEA，将三电极体系浸入PBS中，用MPI-EII型电化学发光分析仪检测其电化学发光性能，光电倍增光设置为700v，初始电压设置为0V，低电压设置为0V，高电压设置为+1.5V。检测施加单向正电位条件下被包裹的HLCT材料的电化学发光强度。

对比例1

与实施例1基本上相同，区别是：用MPI-EII型电化学发光分析仪通过循环伏安法检测其电化学发光性能，光电倍增管设为700V，初始电压为0V，高电压设置为1.5V,低电压设置为-1.5V。在正负电压反复扫描情况下测试其电化学发光。

对比例2

与实施例1基本上相同，区别是：用MPI-EII型电化学发光分析仪通过循环伏安法检测其电化学发光性能，光电倍增管设为700V，初始电压设置为0V，高电压设置为0V，低电压设置为1.5V。测试其负电位下的电化学发光。

对比例3

与实施例1基本上相同，区别是：用MPI-EII型电化学发光分析仪通过循环伏安法检测其电化学发光性能，光电倍增管设为700V，初始电压设置为0V，高电压设置为1.5V，低电压设置为0V。测试其正电位下的电化学发光。

基于以上对比例和实施例说明，可采用直接沉淀得到纳米粒子，或者选取多种包裹剂纳米包覆的方法将HLCT有机小分子制备形成能水溶性纳米粒子以适应水相介质的应用条件之一；但水溶性HLCT的纳米粒子由于水相中阴阳离子自由基寿命匹配程度差导致电化学发光性能差，本发明选取了几种共反应助剂以对应解了决材料阴阳离子自由基寿命的各自适配问题；经过系列特殊设计，将全激子利用的HLCT完美应用于水相电化学发光领域，思路先进；制备形成了基于HLCT材料的固态水相ECL传感器，实现了HLCT材料在水相中强度高、稳定的ECL行为，为HLCT材料适应生命环境的测试技术需求奠定了重大基础。

本发明上述实施例，重点是通过使用杂化局域电荷转移激发态材料修饰电极，可制成固态电化学发光传感器，ECL性能优异，发光效率高，用于免疫分析、离子分析、核酸检测、水质检测等分析检测领域。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。