纳米复合材料修饰玻碳电极检测过氧化氢

纳米复合材料修饰玻碳电极检测过氧化氢

在化学、药物、临床诊断和环境保护等方面，h2的分析和检测起着非常重要的作用。而且H2O2广泛存在于食物中,高浓度时对人体眼睛、皮肤等都具有较大的伤害。H2O2也是人体内多种反应的代谢中间物,其浓度可用于间接测定多种目标物质的浓度。因此,对H2O2的分析检测一直吸引着广大研究工作者的兴趣。目前,H2O2的检测方法主要有光谱测量、滴定分析、荧光分析和电化学分析等,其中电化学分析方法具有制备简单、灵敏度高、选择性好、便于操作等优点。早期的电化学分析方法是利用酶对底物专一性响应的特点,通过不同材料将酶固定在电极上,构建高灵敏的过氧化氢传感器。但是如何保持传感器酶的生物活性以及提高酶与电极之间的电子传递,仍然是酶传感器制备过程中的难点问题。近年来,由金属纳米粒子制备的纳米复合膜无酶传感器对H2O2显示出优良的还原效果。已有文献报道Ag纳米粒子对H2O2的还原有很强的催化作用。Cui等将Ag纳米粒子固定在网状DNA上制备修饰电极,并用于H2O2的检测且取得了较好的结果,但是H2O2的检测电位为-0.4V,在该电位下,尿酸,抗坏血酸等物质对H2O2的检测会造成干扰。Lu等利用层层自组装的方法制备了聚合高分子银纳米粒子复合材料无酶传感器,结果显示该传感器对H2O2有良好的催化活性,检测上限达到110mmol/L,但其检测灵敏度较低,且制备过程繁琐。导电聚(3,4-乙烯基二氧噻吩)(PEDOT)因其具有低的氧化电位,良好的光学特性、高的导电性、快速的掺杂与去掺杂过程、良好的热稳定性和化学稳定性引起了众多研究者的关注。而且PEDOT可以在室温水溶液中合成,为酶、抗体、DNA和蛋白质等生物分子与导电聚合物复合材料的合成提供了良好的途径。固定生物分子有多种途径:在聚合前通过聚合物的单体分子键合来固定生物分子;在聚合的过程中利用聚合物的包埋作用将生物分子包在聚合物膜内;在聚合物合成后通过聚合物与生物分子的共轭作用或物理吸附作用固定生物分子。Keith等利用PEDOT固定病毒分子制备了生物传感器,进而研究了传感器的某些电化学性质。Julien等研究发现DNA与PEDOT之间不仅有DNA分子上带负电的磷酸基团与带正电的PEDOT之间的静电作用,还有非特定的相互作用。我们课题组已经将DNA电沉积到PEDOT膜表面,得到了比表面积大、导电性强、稳定性高的复合膜,并对NO-2进行了分析检测,获得了较好的分析结果。本实验利用导电聚合物良好的生物相容性,将DNA固定在PEDOT膜上,利用DNA分子特有的双螺旋结构,将Ag纳米粒子电沉积到DNA分子上,得到分散性和催化活性更高的Ag纳米材料复合膜修饰电极,试图利用Ag纳米粒子高的电催化活性实现对H2O2的电催化还原。实验结果显示,工作电位为-0.3V时,H2O2在修饰电极上的催化还原电流与H2O2浓度在10μmol/L～16mmol/L范围内呈现良好的线性关系,可以作为无酶传感器检测H2O2,检出限达2.36μmol/L(S/N=3),而且工作电位为-0.3V,有效的避免了尿酸(UA),抗坏血酸(AA),葡萄糖(Glucose)的干扰,结果令人满意。1实验部分1.1修饰电极的制备3,4-乙烯基二氧噻吩(EDOT)(苏州贝利医药原料有限公司),十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)(天津科密欧化学试剂有限公司),H2O2(天津市光复精细化工研究所),DNA钠盐(百灵威科技有限公司),氯化钾,磷酸二氢钠,磷酸氢二钠等都为分析纯,实验室用水均为二次蒸馏水。修饰电极的制备在273A恒电位/恒电流仪(EGandGUSA)上进行,循环伏安法,计时电流法实验均在CHI660b电化学工作站(CHInc.上海辰华仪器公司)上进行,扫描电子显微镜(SEM,日本JSM-6380LV),SK3300L型超声波清洗器(上海科导超声波仪器厂),pHs-3型酸度计。分析测试所用体系为三电极体系:玻碳电极(GCE)为工作电极,Ag/AgCl(sat.KCl)为参比电极,铂丝为对电极。实验中所有电位都是相对于参比电极。1.2nano-ag/d-dna/peat/gce的制备先将玻碳电极(Φ=3.0mm)在金相砂纸上打磨成镜面,然后用0.3μm和0.05μm湿润的Al2O3在抛光布上抛光,用二次蒸馏水冲洗干净,再分别在乙醇和二次蒸馏水中超声1min,用氮气吹干。干净的电解池中配置含10mmol/L3,4-乙烯基二氧噻吩(EDOT)、0.75cmc十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)(1cmc=0.87mmol/L)和0.05mol/LKCl的水溶液,聚合前通高纯氮气10min除去溶液中的氧气,在273A恒电位/恒电流仪上使用恒电流法,以0.4mA/cm2的电流密度电聚合160s,取出后依次用丙酮和二次蒸馏水冲洗3次以除去未聚合的单体和电极表面的CTAB。再将电极转移到0.1mol/LpH7.0的磷酸盐缓冲溶液中(PBS),以循环伏安法在-0.2V～0.6V范围内扫描10圈至得到稳定的伏安曲线,制得PEDOT/GCE修饰电极,然后将该修饰电极置于含2mg/mLds-DNA钠盐的0.1mol/LKCl溶液中,在+1.5V恒电位电沉积30min,即得到ds-DNA/PEDOT/GCE,将修饰电极取出后用二次蒸馏水冲洗,放入0.1mol/LpH7.0PBS中,在0～0.6V范围内扫描至稳定,再转移到含3mmol/LAgNO3的0.1mol/LKNO3溶液中,在-0.2V下恒电位电沉积120s,得到Nano-Ag/ds-DNA/PEDOT/GCE。电极不用时于4℃冰箱保存。2结果与讨论2.1修饰电极的制备导电聚合物膜的结构与厚度对修饰电极性能具有很大的影响,为了获得导电性高,性能优良的导电PEDOT膜,对PEDOT膜制备过程中阳离子表面活性剂CTAB的浓度,聚合时电流密度等实验条件进行了优化。我们选择含有0.1mol/LKNO3作支持电解质的1.0mmol/LK3Fe(CN)6为探针分子进行实验,通过测定3-/4-探针在导电PEDOT膜表面的CV曲线,比较CV曲线的还原峰电流来确定膜对探针的导电性。因为EDOT在水中溶解度约为15mmol/L(2.1g/L20℃),所以我们选择10mmol/LEDOT,0.05mol/LKCl和不同浓度的CTAB。因为在不同电流密度下制备的膜表面形态不同,所以导电性也有所不同。另外,在水溶液中,EDOT电聚合比较困难,加入阳离子胶束可以降低EDOT的氧化电位,加入阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂和一定的有机化合物结合可以使溶液中有机单体形成微乳相,能够提高EDOT在水中的溶解度,从而在电化学聚合EDOT时可以提高其导电性和可加工性。图1(a)为固定电流密度,在含有不同浓度CTAB的溶液中电聚合制备的PEDOT薄膜在探针溶液中的实验结果,图1(b)为固定CTAB浓度,在不同电流密度下电聚合制备的PEDOT在探针溶液中的实验结果。可见,当CTAB浓度为0.75cmc(0.69mmol/L),电流密度为0.4mA/cm2时所得到的PEDOT膜对探针K3Fe(CN)6导电性最高,有利于反应物在膜电极表面的电子传递。为了得到对H2O2电催化能力强的复合膜,我们通过改变EDOT的电聚合时间来控制膜的厚度,从而制备了不同的修饰电极,电聚合时间与H2O2电催化还原电流的关系如图2所示。结果表明,电聚合时间为160s时,制备的修饰电极对H2O2催化能力最强,所以选择聚合EDOT的时间为160s。根据文献,电沉积DNA的电位为+1.5V。实验发现,在含0.1mol/LKCl的DNA钠盐水溶液中采用恒电位法电沉积DNA,沉积时间30min得到的ds-DNA-PEDOT膜较稳定,且制备的复合膜对H2O2的电催化还原能力最好。Ag纳米粒子的电沉积按照文献方法,选用3mmol/LAgNO3溶液,在-0.2V下恒电位电沉积120s。2.2pefig电沉积dna进行膜表面形貌变化图3(a)为制备的导电PEDOT的扫描电镜图,由图中可以看出,PEDOT膜表面粗糙,增大了膜的比表面积,有利于电子传递。PEDOT电沉积DNA后,膜的表面形貌变化不大(未给出)。图3(b)为PEDOT沉积DNA和纳米Ag后的复合膜表面形态,可以看出,膜的表面形态发生了明显的变化,膜表面的颗粒变得比较均匀,这可能与DNA的存在有关系。2.3ag纳米粒子的电化学表征图4(a)为不同电极在1mmol/LK3Fe(CN)6中的循环伏安曲线。从图中可以看出,3-/4-电对在裸玻碳电极上有一对很好的氧化还原峰(曲线a),峰电位差为72mV。而在导电PEDOT修饰电极上的氧化还原峰形较好,峰电流明显增加,且背景电流也较大(曲线b),原因是导电PEDOT本身带正电,有利于3-/4-电对在膜与电极表面的电子传递,背景电流增大则是由于PEDOT膜的充电电流所致。曲线c为在PEDOT膜上沉积DNA后的循环伏安曲线,可以看出ds-DNA/PEDOT修饰电极背景电流明显降低,没有氧化还原峰出现,这是因为带正电的PEDOT和带负电的DNA通过强烈的静电作用可以形成稳定的DNA-PEDOT膜,而且DNA分子改变了PEDOT膜的性质,阻碍了3-/4-探针分子在膜上的电子传递。当DNA上沉积纳米Ag后,3-/4-的氧化还原峰电流有所增加(曲线d),说明有Ag纳米粒子膜的形成,但在含有KCl的铁氰化钾溶液会对修饰电极上的银纳米粒子膜造成损害,我们记录的是第一圈扫描曲线。该实验结束后复合膜修饰电极需要重新制备。电化学阻抗也是表征修饰电极的有效手段之一,图4(b)给出了不同电极阻抗图。由图可见,裸电极表面经过修饰后,阻抗图发生明显变化,导电PEDOT由于具有高的导电性,且带有正电荷,有利于探针分子的电子传递,图谱呈一直线(曲线b),在导电PEDOT表面修饰DNA后,阻抗显著增大(曲线c),原因是DNA链上带负电的磷酸基团与探针分子发生排斥作用,同时也说明DNA成功修饰在电极表面。当在DNA表面沉积上一层Ag纳米粒子时,复合膜的阻抗值稍大于裸电极的阻抗值(曲线d),小于修饰有DNA-PEDOT膜的阻抗值,说明Ag纳米粒子沉积到了电极上,与循环伏安法表征的结果一致。我们用循环伏安法研究了不同修饰电极上的Ag纳米粒子在PBS中的氧化还原行为,结果如图5所示。由图可见,沉积在玻碳电极表面、PEDOT膜上以及ds-DNA-PEDOT膜上的Ag纳米粒子都在+0.5V出现一个氧化峰,在+0.15V处出现一还原峰,为Ag+还原为Ag纳米粒子的还原峰。可见,Ag纳米粒子电沉积在PEDOT膜表面比沉积在玻碳电极表面的氧化还原峰电流有着明显的提高,显示出更好的氧化还原能力,这是Ag纳米粒子同PEDOT上硫原子协同作用的结果,而在ds-DNA-PEDOT膜表面,Ag纳米粒子氧化还原峰电流最大,这是由于DNA的特有的双螺旋结构能够使沉积的Ag纳米粒子的量更大,Ag纳米粒子更加均一,更加稳定。2.4nano-ag/ds-dna/pefig/gce的电化学还原能力图6为1mmol/LH2O2在不同修饰电极上的循环伏安响应曲线(a～d)。图中曲线d′为Nano-Ag/ds-DNA/PEDOT/GCE在不含H2O2的底液中的循环伏安曲线。通过对比可以看出,没有加入H2O2时,循环伏安曲线还原电流峰很小(曲线d′),当加入1mmol/L的H2O2后,Nano-Ag/ds-DNA/PEDOT/GCE修饰电极产生的还原电流峰(曲线d)比其他几个修饰电极上的还原电流峰都要大(曲线a,b,c),说明复合膜修饰电极较其他修饰电极对H2O2有更好的电催化还原作用,且曲线d的峰电位在-0.3V,比曲线a的峰电位(-0.45V)正移了150mV,在这个电位下,H2O2的催化还原电流较大,背景电流较小,有着较好的信噪比,而且在测定过程中能够有效避免溶液中其他电活性物质的干扰。虽然ds-DNA/GCE上也有较大的还原电流,但直接沉积在GCE上的DNA稳定性较差,容易脱落,造成电化学响应逐渐减小。Nano-Ag/ds-DNA/PEDOT/GCE对H2O2有着更强的电催化还原能力,是因为PEDOT具有良好的生物相容性和导电性,为DNA的附载和电子的传递提供了一个良好的环境,有利于Ag纳米粒子沉积在DNA表面,而且修饰电极表面较为均匀,利用电沉积的方法可以快速的形成稳定的Nano-Ag/ds-DNA/PEDOT复合膜,而且DNA的特殊结构可以沉积更多且分散性较好的Ag纳米粒子,从而有效的促进H2O2的电化学还原。因此,该修饰电极可以作为无酶传感器用于H2O2的检测。2.5电催化还原电流如图7(a)为利用Nano-Ag/ds-DNA/PEDOT/GCE作为传感器检测H2O2时的安培响应曲线,可见,当连续加入一定浓度H2O2溶液后,传感器对H2O2的电催化还原电流呈阶梯形增长,达到95%稳定电流的响应时间小于5s,说明该传感器对H2O2的催化还原具有较快的电流响应。图7(b)为传感器的电流响应与H2O2浓度的线性关系曲线,结果表明,催化还原电流与H2O2浓度在10μmol/L～16mmol/L范围内呈线性关系,线性回归方程为:Ipc/μA=1.01+15.