殼聚糖金屬?gòu)?fù)合物修飾電極制備及其在過(guò)氧化氫電化學(xué)檢測(cè)中的應(yīng)用*

劉玉堂,王小見(jiàn),劉承斌,唐艷紅

(1.湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410082;2.湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410082)

殼聚糖金屬?gòu)?fù)合物修飾電極制備及其在過(guò)氧化氫電化學(xué)檢測(cè)中的應(yīng)用*

劉玉堂1?,王小見(jiàn)1,劉承斌1,唐艷紅2

(1.湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410082;2.湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410082)

原位制備了羧甲基殼聚糖/銅復(fù)合物修飾電極、羧甲基殼聚糖/銀復(fù)合物修飾電極和殼聚糖/聚苯胺/鈀復(fù)合物修飾電極,金屬粒子均勻分散于聚合物薄膜中.3種修飾電極對(duì)H2O2均表現(xiàn)出了良好的檢測(cè)性能,它們對(duì)H2O2的線性響應(yīng)范圍依次為1.0μmol/L～10.0mmol/L,10 μmol/L～6.0mmol/L和10μmol/L～7.0mmol/L,相關(guān)系數(shù)依次為0.999 7,0.999 9和0.999 8,靈敏度依次為33μA?L?mmol-1?cm-2,37μA?L?mmol-1?cm-2和46μA?L?mmol-1?cm-2,檢測(cè)限依次為:1μmol/L,1 nmol/L和1μmol/L.

殼聚糖;原位制備;金屬粒子;修飾電極;H 2O2

殼聚糖分子結(jié)構(gòu)中富含氨基與羥基,能與許多金屬離子形成穩(wěn)定的螯合物,可以在痕量分析中作為金屬離子的吸附劑用于富集待測(cè)組分[1-2].水溶性殼聚糖如羧甲基殼聚糖更加豐富了殼聚糖的官能團(tuán),可以吸附更多的金屬離子,進(jìn)一步提高了殼聚糖基材料的性能及拓寬了材料的應(yīng)用范圍[3-4]

金屬納米粒子比金屬本體表現(xiàn)出更高的催化活性,將其修飾到電極表面引起了電化學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域的極大興趣[5-7],修飾電極的性能?chē)?yán)重依賴(lài)于粒子的尺寸和密度,已經(jīng)報(bào)道的修飾電極用金屬粒子都是用溶液法預(yù)先合成,修飾到電極表面后其尺寸和密度將難以再調(diào)控.

本文介紹了一種在電極表面直接制備金屬粒子的方法,即先在電極表面修飾一層羧甲基殼聚糖或殼聚糖/聚苯胺復(fù)合物薄膜,利用其豐富的官能團(tuán)吸附金屬離子,最后還原金屬離子成金屬粒子.這種制備方法簡(jiǎn)單,粒子分布均勻.雖然通過(guò)具有金屬配位能力的聚合物在溶液中作反應(yīng)器合成金屬粒子的方法已有報(bào)道[8],但將聚合物反應(yīng)器構(gòu)建于電極表面直接合成金屬粒子用于傳感器的報(bào)道卻很少.

過(guò)氧化氫(H 2O2)是多種酶催化反應(yīng)的產(chǎn)物,與生物過(guò)程密切相關(guān),也是許多工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中一種重要的中間體,因此靈敏、高效地檢測(cè)H 2 O2在工業(yè)、制藥、生物、環(huán)境檢測(cè)及臨床控制等領(lǐng)域具有重要的意義[9].

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

相對(duì)分子質(zhì)量6 000殼聚糖(浙江金殼生物化學(xué)有限公司,脫乙酰度95%,純度98%);苯胺(分析純,使用前減壓蒸餾兩次);氯化鈀(PdCl2,Sigma-A ldrich公司);1/15 mol/L磷酸鹽緩沖溶液(PBS, pH 6.98).其余試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純,使用時(shí)未經(jīng)進(jìn)一步提純.水為二次蒸餾水.

CHI 660C電化學(xué)工作站(上海辰華儀器公司),電化學(xué)檢測(cè)采用三電極系統(tǒng):鉑片電極為對(duì)電極,飽和甘汞電極(SCE)為參比電極,修飾電極為工作電極;薄膜形貌用JEOL JSM-6700掃描電子顯微鏡(SEM)表征.

1.2 可溶性羧甲基殼聚糖的制備

圓底燒瓶中加入3.0 g殼聚糖、15.0 g氫氧化鈉、100m L含有異丙醇的水溶液(體積比,V異丙醇∶V水= 80∶20),于50℃條件下攪拌堿化1.5 h后移入冰水浴中冷卻,并緩慢滴加含有一氯乙酸的20 mL異丙醇溶液(0.75 g/m L,15 g),在室溫下繼續(xù)反應(yīng)0.5 h,再將其移入55℃的油浴中繼續(xù)反應(yīng)5 h,反應(yīng)完全后加入200m L無(wú)水乙醇終止反應(yīng).反應(yīng)產(chǎn)物用蒸餾水溶解,過(guò)濾,濾液用相對(duì)分子質(zhì)量2 000的透析袋透析3 d,以除去無(wú)機(jī)小分子.溶液濃縮后進(jìn)行冷凍干燥得羧甲基殼聚糖2.8 g(產(chǎn)率90.5%).

1.3 電極的預(yù)處理

玻碳電極(d=4 mm)分別用0.3μm和0.05 μm的A 12 O3糊拋光至鏡面,每次拋光后用蒸餾水沖洗干凈,再分別在0.1 m ol/L HNO3、無(wú)水乙醇、蒸餾水中超聲2min.金電極(d=2mm)采用同樣的方法處理,之后用piranha試劑(V濃硫酸∶V30%H 2O2 =7∶3)浸泡15 min,用二次水沖洗數(shù)次,再在0.5mol/L的酸中循環(huán)掃描(-0.2～1.6 V, 0.1 V/s)至出現(xiàn)穩(wěn)定的金特征峰.

1.4 修飾電極的制備

在0.01%的羧甲基殼聚糖溶液中,采用恒電位(-1.0 V,300 s)沉積方法在電極表面制備羧甲基殼聚糖薄膜.將羧甲基殼聚糖修飾電極浸入5.0 mmol/L的硫酸銅溶液或1%的硝酸銀溶液中吸附金屬離子10 min,用濾紙吸干電極表面殘留的液體,然后在電極表面滴加20μL 2.0 mmol/L水合肼溶液,室溫下放置10 min將金屬離子還原成零價(jià)金屬.用二次水沖洗電極數(shù)次以去除吸附不牢固的金屬粒子,分別得到羧甲基殼聚糖/銅復(fù)合物修飾的玻碳電極和羧甲基殼聚糖/銀復(fù)合物修飾的玻碳電極.

取200μL苯胺和0.5 m L 2%殼聚糖溶液,用0.5 mol/L的鹽酸配成10 m L的混合液,超聲30 min,使殼聚糖與苯胺混合均勻.將預(yù)處理過(guò)的金電極放入上述溶液中恒電位沉積(+0.9 V,200 s),用二次水沖洗以除去不牢固的附著物及單體,得到殼聚糖/聚苯胺復(fù)合物修飾的金電極.將該電極浸入1.0mmol/L的PdCl2溶液中吸附金屬離子10m in,用濾紙吸干電極表面殘留的液體,然后在電極表面滴加20μL 2.0 mmol/L水合肼溶液,室溫下放置10 min將鈀離子還原成零價(jià)鈀.用二次水沖洗電極數(shù)次以去除吸附不牢固的鈀粒子,得到殼聚糖/聚苯胺/鈀復(fù)合物修飾的金電極.

2 結(jié)果與討論

2.1 修飾電極的SEM表征

圖1(a)為羧甲基殼聚糖修飾電極的表面形貌,從圖1(a)中可以看出,電極表面形成一層致密的薄膜.薄膜中還存在不規(guī)則的碎片,該碎片可能為未完全溶解的羧甲基殼聚糖分子在電沉積過(guò)程中被夾帶到了電極表面所致.圖1(b)為該分子膜吸附銅離子并進(jìn)行化學(xué)還原后的形貌,從圖1(b)中可以發(fā)現(xiàn),有大量的顆粒狀物質(zhì)出現(xiàn),這些顆粒狀物質(zhì)是還原后得到的銅納米顆粒.圖1(c)為分子膜吸附銀離子并進(jìn)行化學(xué)還原后的形貌,可以清楚地看到銀納米粒子簇的形成.殼聚糖/聚苯胺復(fù)合物修飾電極的表面形貌如圖1(d)所示,電極表面形成一層多孔薄膜,圖1(e)顯示鈀粒子均勻分散于該復(fù)合薄膜中.這些SEM圖直接證明了金屬粒子在電極表面的原位生成及均勻分散.

2.2 修飾電極對(duì)H2O2的檢測(cè)性能

2.2.1 羧甲基殼聚糖/銅修飾電極

在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)下,羧甲基殼聚糖/銅修飾電極對(duì)不同濃度H2 O2的計(jì)時(shí)電流曲線及線性關(guān)系如圖2所示,圖中電位為-0.3 V,數(shù)字1～11依次代表濃度為1,2,3,5,10,20,50,100,200,500和1 000 μmol/L.從圖中可以看出,每滴加一次H2O2,還原電流迅速增大,并在10 s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定,具有快的響應(yīng)速度.電極的還原電流在1～10 mm ol/L的濃度范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系.線性回歸方程為:i (μA)=-0.582-4.17[H2O2](mmo l/L),相關(guān)系數(shù)r=0.999 7(n=19),靈敏度為33μA?L?mmo l-1?cm-2,檢測(cè)下限為1μmol/L.

圖1 不同復(fù)合物電極表面電鏡圖Fig.1 SEM images of the different compositemodified electrode

2.2.2 羧甲基殼聚糖/銀修飾電極

圖3為羧甲基殼聚糖/銀修飾電極在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)條件下(掃描速度4mV/s,脈沖寬度0.2 s,脈沖幅度50 mV)對(duì)不同濃度的H2 O2的差分脈沖伏安曲線及相應(yīng)的線性關(guān)系曲線,曲線1～14分別表示濃度:0,10,20,50,100,160,400,700,1 000, 2 000,3 000,4 000,5 000和6 000μmo l/L.從圖中可以看出,隨著H 2 O2濃度的增加,響應(yīng)電流不斷增大.在10μm ol/L～6 mmol/L之間,該修飾電極的響應(yīng)電流與H 2O2濃度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系.線性回歸方程為:i(μA)=-8.97-4.64[H2O2] (mmol/L),相關(guān)系數(shù)r=0.999 9(n=13),靈敏度為37μA?L?mm ol-1?cm-2.圖4為羧甲基殼聚糖/銀修飾電極連續(xù)兩次分別在PBS (1/15 mol/L,pH 6.98)中不加H2 O2(曲線1)及加入1 nmol/L H 2O2(曲線2)時(shí)的差分脈沖伏安法曲線,從中可以看出:與修飾電極在PBS中的曲線對(duì)比,電極對(duì)1 nm ol/L濃度的H2O2響應(yīng)明顯,故該修飾電極對(duì)H 2O2的檢測(cè)下限至少可達(dá)1 nmol/L.

圖2 羧甲基殼聚糖/銅修飾電極對(duì)H2 O2的電流響應(yīng)Fig.2 Current responses to H2 O2 for carboxymethyl chitosan/Cu com positemodified electrode

圖3 羧甲基殼聚糖/銀修飾電極對(duì)H2 O2的電流響應(yīng)Fig.3 Current responses to H2 O2 for carboxymethyl chitosan/Ag compositemodified electrode

從相關(guān)系數(shù)及檢測(cè)限的數(shù)值可以看出,用差分脈沖伏安法獲得的線性方程的線性關(guān)系比計(jì)時(shí)電流法獲得的線性關(guān)系好,而且檢測(cè)限更低,這是因?yàn)椴罘置}沖伏安法背景干擾小,使靈敏度更高.

圖4 羧甲基殼聚糖/銀修飾電極在PBS中伏安曲線Fig.4 DPVs o f a carboxymethy l chitosan/Ag compositemodified electrode in PBS

2.2.3 殼聚糖/聚苯胺/鈀修飾電極

圖5為殼聚糖/聚苯胺/鈀修飾電極在含不同濃度H2O2的PBS(1/15 mol/L,pH 6.98)中的差分脈沖伏安曲線及其線性關(guān)系曲線,圖中掃描速度4m V/s,脈沖寬度0.2 s,脈沖幅度50mV,曲線1～14分別表示濃度:0,10,20,50,80,150,250,400, 550,1 000,2 000,3 000,5 000和7 000μmol/L.從圖中可以看出,隨著過(guò)氧化氫濃度的增加,響應(yīng)電流不斷增大.修飾電極在H2O2濃度為10～7 000 μmol/L之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,線性回歸方程為:i(μA)=-2.33-1.44[H2O2](mm ol/L),相關(guān)系數(shù)r=0.999 8(n=13),靈敏度為46μA?L?mmol-1?cm-2.圖6為低濃度時(shí)的差分脈沖伏安曲線,曲線1～6分別對(duì)應(yīng)1～6 m ol/L H2O2.從中可以看出,修飾電極對(duì)低濃度H 2 O2有很好的響應(yīng),在加入1μmol/LH 2O2時(shí),電流增加明顯,因此該修飾電極對(duì)H2 O2的最低檢測(cè)濃度至少為1 μmol/L.

圖5 殼聚糖/聚苯胺/鈀修飾電極在PBS中伏安曲線和線性關(guān)系Fig.5 DPVs of a chitosan/po lyaniline/Pd compositemodified electrode in PBS and the corresponding calibration curve

圖6 殼聚糖/聚苯胺/銀修飾電極對(duì)低濃度H2 O2差分脈沖伏安曲線Fig.6 DPVs of the chitosan/po lyaniline/Pd composite modified electrode to low concentrations of H2 O2

3 結(jié) 論

研究了一種原位制備金屬粒子修飾電極的方法,制備了殼聚糖分別與銅、銀和鈀的金屬粒子復(fù)合物修飾電極,金屬離子在聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中得到充分分散,而且金屬粒子的尺寸可通過(guò)復(fù)合膜金屬離子的含量來(lái)控制.該3種電極對(duì)H2 O2均表現(xiàn)出了很好的檢測(cè)性能.用該方法可構(gòu)筑多種化學(xué)傳感電極,并可用于多種物質(zhì)的檢測(cè).

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Chitosanmetal Composite Modified Electrodes:Preparation and Their Application in the Electrochemical Detection of Hydrogen Peroxide

LIU Yu-tang1?,WANG Xiao-jian1,LIU Cheng-bin1,TANG Yan-hong2

(1.Co llege of Chemistry and Chem ica l Engineering,Hunan Univ,Changsha,Hunan 410082,China;
2.College of Materials Science and Engineering,H unan Univ,Changsha,H unan 410082,China)

Carboxymethy l chitosan/Cu composite,carboxymethy l chitosan/Ag composite and chitosan/polyaniline/Pd com positemodified electrodes were prepared through in situ electrodeposition.The resultantmetal particlesw ere uniform ly dispersed in the polymer film s.The three electrodes showed good analytic performances to H2 O2 w ith the linear H 2O2 concentration ranges of 1.0 mol/L～10.0 mmol/L, 10 mo l/L～6.0 mmol/L,10 mol/L～7.0 mmol/L,the related coefficients corresponding to 0.999 7, 0.999 9 and 0.999 8,the sensitivities corresponding to 33,37 and 46μA?L?mm ol-1?cm-2,and the detection limits corresponding to 1μmol/L,1 nmol/L and 1μmol/L,respectively.

Chitosan;in situ preparation;metal particles;modified electrode;H 2O2

Q657.1

A *

2010-10-09

湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(10JJ5051);湖南省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2010WK 3033)

劉玉堂(1971-),男,湖北監(jiān)利人,湖南大學(xué)副研究員

?通訊聯(lián)系人,E-mail:liuyutang@126.com

1674-2974(2011)04-0057-04