基于层层组装电活性染料/LDH纳米片薄膜的先进双模电光传感

摘要

研究证实了有毒Al³⁺离子对人类神经系统及相关疾病（如阿尔茨海默症）的破坏性作用。针对Al³⁺检测，固态电极开发仍处于起步阶段。本研究设计制备了一种新型柔性ITO/PET基电化学固态传感器。通过层层组装(LbL)将Mg–Al LDH纳米片与茜素红S(ARS)构建为互联基质膜修饰电极表面。在电极感知基底分子设计中，ITO/PET层状(ARS/LDHs)_n基质中的电活性有机单元(ARS分子)暴露于目标分子(Al³⁺离子)时参与电化学反应，使新形成的Al-螯合体系电化学变化可被检测。该传感器实现Al³⁺的高灵敏选择性检测。LbL组装第5循环获得最小方阻、最佳形貌与高电催化活性。双模检测中，循环伏安法电化学检测下限达10.1 nM，线性范围[0.2–120 μM]，优于荧光光学法。

引言

层状双氢氧化物(LDHs)是通式为[M^II_1−xM^III_x(OH)₂]⁻(Aⁿ⁻)_x/n·mH₂O的二维阴离子粘土化合物(M^II、M^III为二三价金属，Aⁿ⁻为层间阴离子)[1]，因二维结构、柔韧性与离子交换性，配合层层组装(LbL)新法，可与有机分子规则层状排列形成有机/无机复合材料，广泛应用于多领域[5–7]。引入电活性客体分子可加速电化学反应物种与初始电极间的直接电子转移[8,9]。LDH纳米片及其表面结构改性在电子光电器件开发中应用广泛[10]。相关研究包括：Chen等利用单步法生长超薄多孔Ni–Co LDH杂化膜显著提升比电容[11]；Li等通过不同摩尔比双阴离子插层Mg–Al LDH获得蓝光发杂化材料[12]；Tian等利用LbL组装将金纳米簇(Au NCs)定位于二维LDH网格提升荧光[13]。LbL组装被视为制备高荧光效率荧光传感器的首要新法。精准分子与结构设计电极基底，可在设计网络内实现高灵敏电化学与光学变化检测显示。

透明电极因作为光电器件关键组件备受关注。柔性可拉伸电子光电技术飞速发展[14]，推动可穿戴电子与高便携设备。氧化铟锡(ITO)具优异光电特性，是目前最广泛使用的透明电极[15–17]。ITO涂覆聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底(ITO/PET)兼具良好柔韧性与高导电性，已广泛应用[18]。

我们此前报道了基于双重放大策略的LDH电化学传感器检测多巴胺与Fe(III)[19]。LbL组装中，电活性萘酰亚胺染料/LDH纳米片基质(NALD-n)依次沉积于GO/ITO/PET电极表面，显著增强传感器床荧光发射。高灵敏电子学如纳米传感器的分子工程结构设计是本研究工艺基础。

茜素红S(ARS，化学名1,2-二羟基-9,10-蒽醌)具平面杂环结构，广泛用于生物、光化学及毒性污染物环境研究[20,21]。因高荧光强度，ARS常用作金属离子与生物分子传感器[22,23]。

Al³⁺是有毒重金属离子，多工业应用。其对人体健康毒害作用经多研究证实，对神经系统破坏性最大，如诱发阿尔茨海默症[24]。生物环境样品中Al³⁺测定常用精密实验室法：电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)[25,26]、质谱(ICP-MS)[27]、石墨炉原子吸收光谱(GF-AAS)[28]、高分辨连续光源火焰原子吸收光谱(HR-CS)[29]、火焰原子吸收光谱(FAAS)[30]。这些方法虽标准有效，但存在严重基质干扰与准确性不足。不同测Al³⁺方法汇总见表1，检测限多在mg/L或μg/L级，部分需长时间前处理与分析。微量分析常需特定吸附剂预富集步骤。分子荧光法虽高灵敏低检出限，但响应时间长[31–37]。即使检测系统简单，灵敏度与选择性仍有弱点。光电结合传感器将具更优势：紧凑易小型化、低成本易用、具实时环境监测所需优异选择性与灵敏度。固态感知平台对传感器制备至关重要，化学试剂固定于固态基质中可提高稳定性，避免干扰与污染。

新近研究引入电化学传感器精准检测Al³⁺[38]。由三维无机或二维有机/无机刚性网络构成的传感器拥有更大离子吸附界面面积，电催化反应性更高，从而提升灵敏度与选择性[39]。据我们所知，本文呈现的ITO/PET层状(ARS/LDHs)_n基质是首个用于铝监测的电光平台。

本研究设计新型电化学固态传感器精准检测Al³⁺，基于同时测量电化学与光学双模信号。传感器中ITO/PET LbL组装(ARS/LDHs)_n基质内的电活性有机单元(ARS分子)暴露于目标分子(Al³⁺)时参与电化学反应，新形成Al-螯合体系电化学变化可被检测；同时评估接触目标分子后传感器释放光量与质量。

材料与方法

材料

ITO/PET片(60 Ω·cm⁻¹)、茜素红S(3,4-二羟基-9,10-二氧代-2-蒽磺酸钠盐)、硝酸铝(III)(Al(NO₃)₃)、硝酸钴(II)(Co(NO₃)₂)、硝酸镍(II)(Ni(NO₃)₂)、硝酸钙(II)(Ca(NO₃)₂)、硝酸锶(II)(Sr(NO₃)₂)、硝酸铜(II)(Cu(NO₃)₂)、乙酸/碳酸钠缓冲液、氯化钾(KCl)均购自Sigma Aldrich。

仪器

电极方阻用Fluke欧姆表(1550B)测量。吸收光谱用单光束UV-Vis分光光度计(CECIL CE9200，200–800 nm)。扫描电镜(SEM，LEO 1455VP)与原子力显微镜(AFM，Micro Photonics Dual scope DS95-200E)表征样品形貌。荧光光谱仪(PerkinElmer LS55)测荧光强度。循环伏安(CV)用Zahner PP211电化学工作站三电极体系测试：制备电极作工作电极，铂作对电极，Ag/AgCl作参比电极。0.1 M KCl水溶液作电解液。CV扫描步长0.005 V，扫描速率0.05 V/s。文中每条伏安图为各实验最具代表性的循环。

ARS/LDHs膜修饰电极制备

Mg–Al LDH(含硝酸根)按ICRC研究组方法[40]合成。去离子水中配制1.0 g/L LDH纳米片胶体悬浮液，40 °C超声浴(Bandelin 510 h)超声4 h。为探究pH对LDH纳米片与ARS染料分子电极表面吸附行为影响，在3.5–11.5 pH范围(乙酸/碳酸盐缓冲液调节)中，ITO/PET电极浸入LDH悬浮液10 min，取出用蒸馏水冲洗，再浸入pH 7.0的1.0 g/L ARS水溶液，冲洗后25 °C氮气吹干2 min。此LbL过程重复5次。第5循环后取电极表面做UV-Vis分光光度测试(图1a)。选定LDH分散最佳pH后重复上述操作：电极浸入最佳pH LDH悬浮液10 min，冲洗干燥后浸入不同pH(3.0–7.0)ARS溶液(其余条件相同)，测电极表面UV-Vis(图1b)。随后在LDH悬浮液(最佳pH)与ARS溶液(最佳pH)间重复n次操作获多层(ARS/LDHs)_n膜(图1c)。LbL浸渍测试流程见Scheme 1。制备电极特性与代号见表2。

结果与讨论

为获固态电极上最佳ARS吸附，用UV-Vis分光光度法研究pH对LDH纳米片吸附行为影响。LDH与ARS在[260–360]与[400–600] nm区域分别显示特征吸收峰[24]。LDH胶体悬浮液与ARS溶液pH优化结果见图1。

结果显示：LDH纳米片与ARS分子吸附量在pH 3.5最小、pH 5.5最大。因LDH晶网中异构置换现象(Mg²⁺替代Al³⁺)及质子化/去质子化导致表面电荷随pH变化，LDH基面金属离子在强酸(pH<4)溶解致结构改变，其他pH不溶解[41–43]。零电荷点(PZC)为恒温压介质下异性电荷为零的pH[44]。LDH表面吸附质子电荷可改变介质pH，表面电荷亦随体系pH变化。LDH纳米片排列(基面与棱面)因静电键合效应在不同pH下对染料分子吸附倾向不同。强酸条件(pH<4)下基面金属离子溶解，吸附固态电极的稳定非溶解LDH纳米颗粒极少。转向全碱性条件下，LDH去质子化导致ARS吸附量降低。故LbL浸渍测试LDH胶体悬浮液最佳pH为5.5。图2b显示含LDH纳米片电极表面ARS吸附量在pH 4.0最高。似因形成了不适合与Al³⁺配位的中间体。显酸性条件(pH 4.0)下中间体化合物II(Scheme 2)结构更稳定，利于在LDH网络中与Al³⁺形成螯合。中性pH下ARS在LDH表面相对吸附量下降。Sathish[45]与Supian等[24]亦报道ARS在pH 4.0乙酸缓冲液中与Al³⁺形成配合物。故LbL浸渍测试ARS溶液最佳pH为4.0。图1c展示ARLD-5修饰电极吸收行为，全程LDH悬浮液pH 5.5、ARS溶液pH 4.0(文中原文为4.5，此处按上下文修正为4.0)。

关于Mg–Al LDH纳米片对电极表面电导率影响，需确定浸渍循环数(n)。为此考察不同循环数下电极方阻变化。图2展示(ARS/LDHs)_n层状ITO/PET电极方阻变化。

图2显示：电极方阻至第5循环略有下降，第5循环后因LDH纳米片密度过度增加与电子传输路径延长导致方阻上升。LbL组装LDH纳米片可实现离子交换功能与稳健电子传输，故选第5循环为最佳，此时修饰电极阻抗最小、导电性最佳。总体而言，LbL组装LDH纳米片与ARS染料分子至第10循环前对电极电阻与导电性无显著影响。

图3、4分别展示制备电极SEM图像与三维AFM形貌图。

形貌与表面形貌扫描结果显示：随LbL循环数(n)增加，电极表面LDH层与ARS密度持续增加。第1至5循环表面粗糙度增加(AFM图像)，LDH纳米片与吸附ARS厚度急剧增加。

为研究ARS分子在LDH纳米片上吸附情况，用分子荧光光谱法研究吸附层光学行为。每次LbL浸渍循环后对固态电极表面做分子荧光测试，结果见图5。

结果显示：第1循环因电极表面吸附ARS与LDH量少，荧光发射微弱，弱发射峰约666 nm。随循环数增加，固态电极表面ARS层与LDH纳米片密度增加，荧光发射率持续上升。第5循环观测到最高荧光发射峰668 nm。因低浓度(10⁻⁴ M)去离子水中ARS溶液荧光发射谱微弱，该化合物夹在固态电极基底Mg–Al LDH层间时，因固相染料分子分子旋转减少、溶剂效应降低，荧光发射强度提升[46]。层数增加导致峰形变尖、半峰宽变窄，佐证此点。分子聚集或组装成晶格时荧光增强，非辐射能量转移与分子旋转减少效应显著降低或消除。但固体表面高聚集导致显著自猝灭。为减少发色团分子间相互作用，增加堆叠结构间距减少芳香核π-π重叠，可减弱荧光猝灭并获得强发射[47]。

ARS随溶液pH有三种平衡结构(Scheme 2)[48,49]。第二去质子化在pH>12.1生成蓝紫色二阴离子(III)。氧化型ARS 1与还原型ARS 7随实验条件呈现。pH<4时ARS 1为主组分，pH 5.5–10.5主ARS 2，pH>12主ARS 3。ARS离子形式具有互变异构结构，Scheme 2展示各物种还原形式与互变异构。

茜素(I)与ARS均知能与Al³⁺形成稳定配合物，称"湖色素"。V. Ya. Fain等基于电子吸收光谱深入研究茜素与茜素红金属配合物[50]，结论：二羟基蒽醌配位总在邻位或过羟基羰基，涉及互变蒽醌形式。茜素在ARS单阴离子形式(化合物II，Scheme 3)通过C=O M–O配位键在过羟基羰基位置配位，形成六元螯合环。碱性溶液中茜素以邻二酚形式与金属离子反应生成结构III。中性介质配位可解释为螯合环I中氢原子被金属离子取代后M–O键电离。茜素单阴离子1位电离羟基通过分子内氢键结合。形成II型配合物可有三种更多互变形式(IV–VI)。

酸性介质中O–M键保持共价，单核茜素酸盐电子吸收光谱与非电离茜素相同。弱碱性介质中茜素以单阴离子形式与金属离子配位。所有单阴离子结构中仅9-羟基-2-氧代-1,10-蒽醌含相邻羰基与氧基，故碱性介质形成的单核茜素酸盐应具有1,10-蒽醌结构VII及五元螯合环。

Scheme 2显示ARS具有可逆氧化还原行为，其金属配合物亦具电活性与不同氧化还原特性，适合电化学分析应用。其配位速率相对常见金属离子配体较快。ARS与ARS-Al氧化还原峰电位不同，故向游离ARS添加Al³⁺时，与ARS-Al氧化还原相关的新峰在不同电位生长，峰高与Al³⁺浓度成正比。为提升ARS基传感器灵敏度与适用性引入多种稳定平台。ARS与其配合物在固态均具电活性。

用循环伏安法研究制备电极电化学行为，结果见图6。

图6a显示：裸ITO/PET电极在0.1 M KCl中伏安图为低电流窄宽噪声图，显示电极电催化活性弱。电极表面经(ARS/LDHs)_n LbL组装修饰后，CV图形趋向更宽对称循环，随浸渍循环增加电流区间增大、曲面更宽广，第5循环(n=5)峰值电流最高、图形最宽。图6b显示：ARLD-5电极在0.1 M KCl中无Al³⁺时，CV测得近似"可逆"峰，阳极与阴极电流约在0.25 V(vs Ag/AgCl)因修饰电极表面游离ARS氧化/还原产生。存在Al³⁺时(图6c)，在约0.58 V(vs Ag/AgCl)检测到准可逆峰爆发，对应修饰电极表面茜素-铝配合物氧化峰，ARLD-5上氧化峰检测尖锐清晰。伏安图结果显示：随LbL浸渍层数增加，修饰电极电催化活性随电子向电极外表面传输而改善；Scheme 3中(ARS-Al)配合物还原反应在电极表面亦得到改善，ARLD-5电极展现最佳电催化活性[24]。

考虑pH对染料结构模型与(ARS-Al)配合物形成的重要性，所有CV实验在中性pH(=7.0，0.1 M KCl水溶液)进行，使电极表面所有电化学与光学变化仅由Al³⁺浓度变化控制检测。

Al³⁺电化学检测

添加不同浓度Al³⁺后循环伏安图变化见图7，所有结果为加入Al³⁺至电解液后10 s获得。

图7结果显示：随Al³⁺浓度增加，氧化峰电流强度在峰电位(E_pa)=0.58 V(vs Ag/AgCl)处受控连续增强，表明ARLD-5电极表面形成ARS-Al³⁺配合物，氧化电位约0.58 V。因ARS与Al³⁺配合物形成力强，配合物形成氧化峰为准可逆[51]。本研究结果接近其他研究：线性扫描显示大峰0.27 V对应游离茜素氧化，Al配位茜素氧化在不同扫描速率给出0.58 V峰[52]。图7b展示ARLD-5电极检测Al³⁺电催化行为。阳极峰电流变化随Al³⁺浓度增强呈线性增强。线性响应范围[0.2–120 μM]，回归方程i_pa(μA)=0.0282C(10⁻⁶ M)+0.0608，r²=0.991，Al³⁺检测限10.1 nM。

此外，同条件下(ARLD-5作工作电极，0.1 M KCl中120 μM干扰离子测CV)考察Co²⁺、Ni²⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Cu²⁺干扰离子。添加干扰离子后ARLD-5电极循环伏安图见图8。

图8显示修饰电极对Al³⁺具良好选择性。用乙酸/碳酸钠缓冲液将0.1 M KCl(含15 μM Al³⁺)pH从2.0调至12.0，CV结果见图9。

图9显示：pH 5.0–7.5范围图形形状与氧化峰电流差异小。但较酸性条件(pH 5–6.5)下，因电解液中氢离子浓度较高，固态电极表面化合物II(Scheme 4)形成概率增加从而与铝离子螯合，致ARS-Al配合物氧化峰电流增加[38]。因严酸(pH<5.0)与强碱(pH>8.0)致电极表面吸附LDH纳米片结构变化，不建议在此pH范围外应用。

Al³⁺光学检测

ARS常用作显色剂建立分光光度法。蒽醌-金属配合物显强荧光。金属-ARS配合物荧光受阳离子场能量影响[53]，故Al-ARS配合物最大激发荧光波长对与分光光度法测Al的其他干扰金属离子显著不同。分子荧光测铝原理基于向游离ARS添加Al³⁺时荧光强度增强。本文ARS吸附于固态LDH平台使其更刚性并提升强度，从而增强灵敏度。

制备电极作三电极电化学池工作电极，电解液为0.1 M KCl水溶液。向电解液加入不同浓度Al³⁺，每次CV测试后定期对电极表面做分子荧光测试，结果见图10。

(ARS/LDHs)₅基质修饰ITO/PET电极在Al³⁺存在下显示强荧光发射谱。图10展示加入Al³⁺(0.2–120 μM)后ARLD-5荧光逐渐增强，表明ARS与Al³⁺形成静态加合物。发现加入Al³⁺后10 s内ARLD-5荧光强度增加，故荧光增强相对与孵育时间无关。上述结果表明ARLD-5对Al³⁺具高灵敏高效荧光发射。

计算光学传感器检测限与标定曲线：先得荧光强度差比值，再作该比值与目标浓度倒数关系图。按公式(1)[54]，用拟合线斜率确定检测限。结果见图10c。

$$(F_{\max} - F_{0})/(F_{c} - F_{0}) = 1 + (KC)^{-1}$$ (1)

图10b显示荧光强度变化随Al³⁺浓度增加线性增强，线性范围[0.2–120 μM]。绘制荧光强度与浓度倒数关系，回归方程Y=0.6994X+0.5445，r²=0.986，Al³⁺检测限23 nM。

为测定传感器对Al³⁺选择性，配制120 μM干扰离子(Co²⁺、Ni²⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Cu²⁺)。向电解液加入干扰离子后对电极表面做分子荧光测试，结果见图11。图11a显示加入干扰离子未引起电极表面荧光发射显著差异，Al³⁺引起荧光发射差异最大，表明传感器对Al³⁺高选择性。为更准确测定修饰电极对Al³⁺选择性，制备六份完全相同条件下10⁻⁴ M ARS水溶液，分别加入120 μM Al³⁺与各干扰离子混合均匀。图11b展示366 nm激发波长下UV舱内各溶液图像。如荧光测试结果，加入Al³⁺的ARS溶液显著荧光，初始ARS溶液及含干扰离子溶液在UV舱无荧光发射。

为更好理解电极表面电化学机制，加入120 μM Al³⁺并做CV测试前后对电极表面做UV-Vis分光光度研究。同时制备10⁻⁴ M ARS去离子水溶液，加入120 μM Al³⁺混合均匀，对两溶液做UV-Vis测试，结果见图12。

图12结果：向ARS溶液加入铝离子后，最大吸收波长577 nm处出现尖峰，表明ARS-Al³⁺配合物形成后吸收波长红移至577 nm且发色团吸光度增强[24]。有趣的是，电解液加入Al³⁺并测CV后ARLD-5吸收图在590 nm呈尖峰，证实固态电极表面形成ARS-Al³⁺配合物。Supian等[24]测得ARS-Al³⁺配合物最大吸收波长为488 nm。

传感器稳定性

此外，修饰电极对0.2 μM Al³⁺十次重复测量得可重现电流与最大荧光强度，相对标准偏差(RSD)分别为2.5%与2.6%；同法制备六个独立修饰电极测0.2 μM Al³⁺，RSD为1.9%，展现优异重复性与再现性。长期与高柔韧性通过弯曲测试(圆柱方式弯90°)修饰ITO/PET电极90次、历时1月后测0.2 μM Al³⁺电流响应，回收率96%，表明柔性修饰电极长寿命稳定性。

图13展示电化学传感器电化学/光学响应随Al³⁺浓度变化，显示该传感器对目标分子电化学与光学响应完美显著吻合。

本文检测限与前人工作对比详见表3。

表3汇总其他方法多基于溶出条纹伏安法(ASV)，通常需较长检测时间及每次测量重复抛光电极步骤。而本研究设计电化学传感器系统简单，除准确定量检测微量目标分子电化学信号外，还具光学信号。荧光光谱测试中光信号随Al³⁺浓度变化，使传感器应用对生物学家极便利。该设计结构被认为极适合未来生物技术应用。

结论

本研究设计制备新型柔性ITO/PET基电化学传感器，通过LbL组装技术以(ARS/LDHs)_n基质网格修饰表面，获得对Al³⁺高灵敏选择性传感器。结果显示：LDH纳米片与电活性染料分子(ARS) LbL组装至5循环形成均匀形貌拓扑导电基质网络。第5循环获最小方阻与高电催化功能。双模检测中，CV电化学法获更低检测限10.1 nM及宽线性范围[0.2–120 μM]，优于荧光光学法。虽电化学技术灵敏度比光学法高约2.27倍，但因不同Al³⁺浓度下光学响应分辨明确，光学应用将引发生物学家对生物技术诊断的兴趣。