花狀氧化鋅納米晶的制備及其電化學(xué)傳感研究

賈向東 陸 峰 劉 燕 朱俊杰＊,

(1南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，生命分析化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210093)

(2南京林業(yè)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)系，南京 210037)

花狀氧化鋅納米晶的制備及其電化學(xué)傳感研究

賈向東1,2陸 峰1劉 燕1朱俊杰＊,1

(1南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，生命分析化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210093)

(2南京林業(yè)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)系，南京 210037)

本文以丙三醇為反應(yīng)溶劑，在氫氧化鉀體系中制備了兩種花狀氧化鋅納米晶，討論了不同實(shí)驗(yàn)條件對氧化鋅納米晶形成影響，通過改變氫氧化鉀濃度、反應(yīng)溫度和體系中水含量等條件來調(diào)節(jié)材料形貌，探討了花狀氧化鋅納米晶可能的形成過程。用X射線粉末衍射、掃描電子顯微鏡、紫外可見光譜等分析技術(shù)對制備的氧化鋅納米晶進(jìn)行了表征。結(jié)果表明兩種花狀納米晶均具有六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，將血紅蛋白與花狀氧化鋅納米晶混合修飾到電極上構(gòu)建了新型生物傳感器，該傳感器能實(shí)現(xiàn)血紅蛋白的直接電子傳遞，對過氧化氫具有良好的響應(yīng)，在1×10-6～1.2×10-4mol·L-1濃度范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。

花狀氧化鋅；納米材料；直接電化學(xué)；生物傳感

0 引 言

寬禁帶和高激子束縛能是氧化鋅應(yīng)用的基礎(chǔ)，而氧化鋅納米晶的上述特性與體材料不同,原因在于納米晶擁有高比例的表面原子，這些鍵級缺失的高能量的表面原子是納米晶奇特性質(zhì)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。盡管氧化鋅納米晶的制備方法很多[1-2]，但液相化學(xué)合成方法以其低成本、反應(yīng)條件溫和、修飾方法簡便等諸多優(yōu)點(diǎn)成為研究者的優(yōu)先選擇。通過采用不同的前驅(qū)體、溶劑、pH可以合成不同形貌的氧化鋅納米晶[3]。合成分散性能良好的不同結(jié)構(gòu)的氧化鋅納米晶及其相關(guān)性質(zhì)的研究，將有助于氧化鋅納米材料的進(jìn)一步應(yīng)用[4]。

氧化鋅納米材料液相合成大致分為水相、有機(jī)相和混合溶劑體系。水相體系的合成常需要加入表面配體作為分散劑，不同的配體由于其結(jié)合的優(yōu)勢晶面不同使得制備的氧化鋅具有不同的形貌。常用的配體有油酸[5]、檸檬酸或草酸[6-7]，表面活性劑如烷基苯磺酸[8]等。但由于氧化鋅納米材料在水相體系的分散能力較差，得到的粒子多為單晶的組裝體。有機(jī)相體系通常為醇類[3,9-15]、二甲亞砜[16]或它們與水的混合物，有些體系也需要加入表面配體如三乙醇胺[3]、多乙烯多胺[10]以改進(jìn)分散性。因此，如何控制生長晶向、結(jié)晶速度對合成不同結(jié)構(gòu)的氧化鋅納米晶是非常重要的。

基于氧化還原蛋白或酶的直接電子傳遞所構(gòu)建的生物電化學(xué)傳感器一直以來吸引了科學(xué)工作者的廣泛關(guān)注，因?yàn)檫@類傳感器能夠很好地克服過高的實(shí)際應(yīng)用電位的缺陷以及避免各種干擾反應(yīng)的存在[17-18]。然而，氧化還原蛋白或酶與基底電極之間的直接電子傳遞往往是相當(dāng)困難的，一是因?yàn)槎鄶?shù)蛋白質(zhì)分子的電化學(xué)活性中心深藏在分子內(nèi)部，分子和電極之間的直接電子轉(zhuǎn)移往往比較困難，二是直接吸附在電極表面的生物分子其空間排布方式不利于電子傳導(dǎo)[19-20]。為此，相當(dāng)多的研究致力于改善氧化還原蛋白或酶的電活性中心與基底電極之間的電子傳輸效率。其中，將電子傳遞體植入蛋白結(jié)構(gòu)是一種非常有效的手段，能夠提供快速的電子傳遞速率[21-22]。但是，這種方法程序過于復(fù)雜，難免限制其在傳感器構(gòu)建中的廣泛及實(shí)際應(yīng)用。目前的研究表明，選擇特殊的電極材料固載氧化還原蛋白能夠促進(jìn)蛋白質(zhì)分子在電極上實(shí)現(xiàn)直接電子轉(zhuǎn)移，如類生物膜薄層[23]、聚合物膜[24]、中孔性二氧化硅[25]、碳納米管[26]、無機(jī)粘土[27]、半導(dǎo)體納米顆粒[28-29]等用以改善氧化還原蛋白或酶的異源性電子傳遞。

本文以丙三醇為溶劑體系，制備了兩種花狀氧化鋅納米晶，并討論了不同實(shí)驗(yàn)條件對氧化鋅納米晶形成的影響，分析了花狀氧化鋅納米晶可能的形成過程。進(jìn)一步地，將血紅蛋白與花狀氧化鋅納米晶混合修飾到電極上構(gòu)建了新型生物傳感器，該傳感器實(shí)現(xiàn)了血紅蛋白的直接電子傳遞，對過氧化氫具有良好的響應(yīng)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

氯化鋅(ZnCl2)，上海實(shí)意化學(xué)試劑有限公司；氫氧化鉀(KOH)、丙三醇((HOCH2CH(OH)CH2OH)，西隴化工股份有限公司；過氧化氫水溶液(H2O2，30wt%)，上海試劑公司；磷酸二氫鈉(NaH2PO4·12H2O)，磷酸氫二鈉(Na2HPO4·2H2O)，南京化學(xué)試劑有限公司；血紅蛋白(Hb)，Sigma公司。以上純試劑均為分析純，使用之前沒有經(jīng)過再處理。

電化學(xué)實(shí)驗(yàn)是在CHI 760C(上海辰華公司)上完成的，反應(yīng)使用三電極系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)中玻碳電極作為工作電極，飽和甘汞電極作為參比電極，鉑絲電極作為對電極。電解液在實(shí)驗(yàn)之前通氮除氧20 min，實(shí)驗(yàn)過程中保持氮?dú)夥諊?/p>

1.2 花狀氧化鋅納米晶的合成

首先制備0.4 mol·L-1的ZnCl2和不同濃度的KOH丙三醇溶液。強(qiáng)力攪拌30 min后將ZnCl2溶液滴加到氫氧化鉀溶液中，然后以10℃·h-1的速度緩慢升溫，加熱至80℃后保持30 min。冷至室溫后，在水泵減壓下緩慢升溫至100℃保持30 min以蒸出體系中的水，制得的產(chǎn)品為乳白色溶膠，以水將溶膠分散液稀釋3倍，將底部沉淀以水洗滌至中性，再用無水乙醇洗滌3次，60℃烘干待用。將KOH濃度為0.9 mol·L-1未減壓蒸餾的樣品記S1，KOH濃度為1.8 mol·L-1的減壓蒸餾的樣品記為S2，KOH濃度為1.8 mol·L-1未減壓蒸餾的樣品記為S3。

1.3 花狀氧化鋅納米晶的表征

紫外可見光譜在Shimadtsu UV-4350紫外光譜儀上測量；X射線粉末衍射在Shimadzu XRD-600上進(jìn)行，X-射線源為Cu Kα線，波長0.15418 nm，掃描速率5°·min-1，掃描范圍20°～80°；掃描電子顯微鏡在Hitachi S-4800上進(jìn)行，加速電壓為5 kV。

1.4 花狀氧化鋅納米晶的電化學(xué)傳感研究

1.4.1 ZnO/Hb修飾電極的制備

玻碳電極分別在1.0 μm和0.3 μm Al2O3的麂皮上拋光成鏡面,并用超純水和乙醇超聲清洗,干燥待用。將花狀ZnO材料(S1)用超純水稀釋至2 mg· mL-1，稱取一定量的Hb溶于0.1 mol·L-1的PBS (pH=7.0)制備成濃度為2 mg·mL-1的溶液，保存在4℃冰箱中備用。將上述ZnO懸浮液和Hb溶液等體積混合，充分?jǐn)嚢韬笥?7℃振蕩2 h，取出后放入冰箱靜置過夜。將上述混合液10 μL滴至已拋光的玻碳電極表面，得到ZnO/Hb修飾的玻碳電極，室溫干燥。然后在修飾的電極表面滴加10 μL(0.5%)的Nafion溶液，待完全干燥后用超純水沖洗并用于電化學(xué)傳感研究。1.4.2 ZnO/Hb/GCE修飾電極的循環(huán)伏安實(shí)驗(yàn)

在氮?dú)獗Ｗo(hù)的0.1 mol·L-1PBS(pH=7.0)溶液中分別以ZnO/Hb/Nafion/GCE和 ZnO/Nafion/GCE作為工作電極進(jìn)行循環(huán)伏安掃描。在ZnO/Hb/Nafion/ GCE作為工作電極的體系中加入 20、40、60、80、100、120和140 μmol·L-1過氧化氫，并進(jìn)行循環(huán)伏安掃描，掃描速率100 mV·s-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 花狀氧化鋅納米晶的XRD分析

圖1 ZnO納米晶的XRD圖Fig.1 XRD patterns of ZnO nanocrystals

制得的3種ZnO樣品用X射線粉末衍射儀進(jìn)行了表征，如圖1所示。結(jié)果表明S1和S2均屬于六方晶系纖鋅礦結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)卡片(PDF No.79-2205)相吻合。這些納米晶有較寬的衍射峰，通過徳拜-謝勒公式對S1和S2樣品的(101)峰進(jìn)行計(jì)算，它們的晶粒大小約為20 nm，說明這些納米晶都是由較小的初級納米顆粒組成的。S3的XRD圖顯示產(chǎn)物有氧化鋅，但還有許多類似氫氧化鋅的吸收峰，說明樣品中不純，含有較多的雜質(zhì)。

2.2 氧化鋅納米晶的紫外光譜分析

樣品S1的紫外吸收光譜，與文獻(xiàn)[30]脈沖激光燒蝕法獲得的氧化鋅類似。制備的氧化鋅溶膠在210 nm左右有1個(gè)強(qiáng)的吸收峰，而在266與309 nm的2個(gè)弱吸收峰。由久保公式推斷[31]，對于某種特定的納米材料，隨著納米材料尺寸的減小其能帶寬度會(huì)增加，從而導(dǎo)致紫外吸收峰向低波長偏移。因此210 nm處的強(qiáng)吸收峰是初級氧化鋅粒子表面電子的激發(fā)躍遷產(chǎn)生的，2個(gè)弱吸收峰為激子的共振吸收[30]。

2.3 氧化鋅納米晶的形貌分析

圖2 ZnO納米晶的掃描電鏡圖Fig.2 SEM images of ZnO nanocrystals

圖2為氧化鋅納米晶S1和S2的SEM照片。從圖2A，B可以看出S1樣品是直徑約2 μm花狀聚集體結(jié)構(gòu)，它是由花瓣?duì)畹膯卧M成的緊密堆積體，而這些花瓣?duì)顔卧质怯筛〉念w粒組成，這些顆粒粒徑大約20 nm，與XRD計(jì)算得到的結(jié)果一致。從圖2C，D可以發(fā)現(xiàn)，樣品S2樣品也是直徑約2.5 μm花狀聚集體結(jié)構(gòu)，但它是由厚度均一的納米片層組裝而成的，且這些片層又由更小的顆粒構(gòu)成，與XRD的結(jié)果相吻合?；钛趸\晶體文獻(xiàn)已有報(bào)道了[7-8,32-33]，但本文報(bào)道的兩種產(chǎn)物二次粒子小，花瓣之間或片之間結(jié)構(gòu)緊密，分散性好。

2.4 機(jī)理探討

圖3為S3的SEM照片，S3為S2未減壓蒸餾的樣品。圖3中S3無明顯形貌，另外從XRD分析可以發(fā)現(xiàn)S3有很多類似于氫氧化鋅的物質(zhì)，這些物質(zhì)可能是在較高堿濃度下產(chǎn)生的，我們通過減壓蒸餾的操作使這些氫氧化鋅雜質(zhì)脫水從而轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸\。從圖2可以發(fā)現(xiàn)，在較低堿濃度的情況下，得到的氧化鋅是由花瓣單元組成的花狀結(jié)構(gòu)，而在較高堿濃度時(shí)得到氧化鋅的是片狀單元組成的花狀結(jié)構(gòu)，堿的濃度對樣品的結(jié)構(gòu)與形貌有影響。丙三醇作為配體能夠在不同堿濃度下，限制特定晶面的生長，從而促使優(yōu)勢晶面的生長。另外，XRD結(jié)果表明，這兩種氧化鋅都是由20 nm左右的晶粒構(gòu)成的，在相似的條件下氧化鋅在水溶液中通常形成大尺度的棒狀結(jié)構(gòu)[8,15]，所以這些形貌的形成可能與丙三醇的性質(zhì)有關(guān)，由于丙三醇與晶粒表面的Zn2+形成螯合的六元環(huán)從而補(bǔ)償了較高的表面能，另外丙三醇的高粘度阻止了晶粒的繼續(xù)生長。根據(jù)這些現(xiàn)象我們推測氧化鋅形成的機(jī)理可能是，氯化鋅和氫氧化鉀在丙三醇中先形成氫氧化鋅，然后在加熱的條件下逐漸脫水形成氧化鋅的初級小尺寸納米顆粒，這些小顆粒在不同的氫氧化鉀濃度下會(huì)沿著不同的方向組裝生長，從而形成花瓣?duì)詈推瑺顑煞N不同的形狀單元，由于沒有穩(wěn)定劑的存在，這些形狀單元又會(huì)結(jié)合在一起形成花狀簇狀團(tuán)聚體，從而得到了S1和S2兩種不同形貌的花狀氧化鋅。

圖3 ZnO(S3)納米顆粒的掃描電鏡圖Fig.3 SEM images of ZnO nanocrystals(S3)

2.5 氧化鋅納米晶的電化學(xué)傳感研究

2.5.1 ZnO/Hb/GCE修飾電極的直接電化學(xué)

由圖4可見，ZnO/Nafion/GCE電極沒有出現(xiàn)氧化還原峰，說明在所選擇的電位范圍內(nèi)呈電化學(xué)惰性，而ZnO/Hb/Nafion/GCE電極則出現(xiàn)了一對較明顯的氧化還原峰，表明Hb在ZnO納米晶上的固定有利于Hb與電極之間的直接電子傳遞。

圖4 ZnO(S1)修飾電極在氮?dú)怙柡偷?.1 mol·L-1PBS (pH=7.0)溶液中的循環(huán)伏安圖，掃描速率：100 mV·s-1Fig.4 Cyclic voltammograms with saturated N2in 0.1 mol·L-1PBS solution(pH=7.0)for ZnO modified electrodes at a scan rate of 100 mV·s-1

2.5.2 ZnO/Hb/GCE修飾電極對過氧化氫的催化

圖5 ZnO/Hb/Nafion/GCE電極在氮?dú)獗Ｗo(hù)的0.1 mol· L-1PBS(pH=7.0)中分別加入20、40、60、80、100、120和140 μmol·L-1過氧化氫的循環(huán)伏安圖，掃描速率：100 mV·s-1Fig.5 Cyclic voltammograms with saturated N2in 0.1 mol ·L-1PBS(pH=7)solution for ZnO/Hb/Nafion/GCE modified electrode with the concentration of H2O2 20,40,60,80,100,120 and 140 μmol·L-1, respectively,at a scan rate of 100 mV·s-1

圖5為在pH 7.0的磷酸鹽緩沖液中加入過氧化氫前后ZnO/Hb/Nafion/GCE修飾電極的循環(huán)伏安曲線，其還原電流隨著過氧化氫的加入增大，在最佳條件下，如圖6，ZnO/Hb/Nafion/GCE修飾電極對過氧化氫的響應(yīng)線性范圍為1～120 μmol·L-1，線性擬合方程為icat(μA)=0.09249c(μmol·L-1)+4.045，相關(guān)系數(shù)為0.991。當(dāng)H2O2濃度高于120 μmol·L-1時(shí)，催化電流值幾乎不變，這是典型的米氏動(dòng)力學(xué)的特征。

圖6 催化電流與過氧化氫濃度的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between current and concentration of H2O2

3 結(jié) 論

以氯化鋅和氫氧化鉀為原料，在丙三醇體系中合成了2種花狀氧化鋅納米晶。在較低堿濃度時(shí)得到的氧化鋅是由花瓣單元組成的花狀結(jié)構(gòu)，而在較高堿濃度時(shí)得到的氧化鋅是片狀單元組成的花狀結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，將血紅蛋白與花狀氧化鋅納米晶混合修飾到電極上構(gòu)建了新型生物傳感器，該傳感器能實(shí)現(xiàn)血紅蛋白的直接電子傳遞，對過氧化氫具有良好的響應(yīng)。

[1]Przybyszewska M,Zaborski M.Przemysl Chemiczny,2009, 88:154-161

[2]DENG Chong-Hai(鄧崇海),HU Han-Mei(胡寒梅),HUANG Xian-Huai(黃顯懷).Chinese J.Inorg.Chem.(Wuji Huaxue Xuebao),2009,25(3):469-473

[3]Fu Y S,Du X W,Sun J,et al.J.Alloys Compd.,2008,461: 527-531

[4]Wang G,Chen D,Zhang H,et al.J.Phys.Chem.C,2008, 112:8850-8855

[5]Li M G,Bala H,Lv X T,et al.Mater.Lett.,2007,61:690-693

[6]Akhtar M S,Khan M A,Jeon M S,et al.Electrochim.Acta, 2008,53:7869-7874

[7]Wu C L,Qiao X L,Chen J G,et al.Mater.Chem.Phys., 2007,102:7-12

[8]Xie J,Li P,Li Y T,et al.Mater.Chem.Phys.,2009,114: 943-947

[9]Singla M L,Shafeeq M M,Kumar M.J.Lumin.,2009,129: 434-438

[10]Krishnan B,Irimpan L,Nampoor V P N,et al.Physica E, 2008,40:2787-2790

[11]Rani S,Suri P,Shishodia P K,et al.Sol.Energy Mater.Sol. Cells,2008,92:1639-1645

[12]Uekawa N,Iahii S,Kojima T,et al.Mater.Lett.,2007,61: 1729-1734

[13]Zhang H X,Feng J,Wang J,et al.Mater.Lett.,2007,61: 5202-5205

[14]Bitenc M,Orel Z C.Mater.Res.Bull.,2009,44:381-387

[15]Lee S,Jeong S,Kim D,et al.Superlattices Microstruct., 2008,43:330-339

[16]He S,Maeda H,Uehara M,et al.Mater.Lett.,2007,61:626-628

[17]Gorton L,Lindgren A,Larsson T,et al.Anal.Chim.Acta, 1999,400:91-108

[18]Ghindilis A L,Atanasov P,Wilkins E.Electroanalysis,1997, 9:661-674

[19]Heller A.Acc.Chem.Res.,1990,23:128-134

[20]Armstrong F A,Hill H A O,Walton N J.Acc.Chem.Res., 1988,21:407-413

[21]WillnerI,KatzE.Angew.Chem.Int.Ed.,2000,39:1180-1218

[22]Xiao Y,Patolsky F,Katz E,et al.Science,2003,299:1877-1881

[23]Han X,Huang W,Jia J,et al.Biosens.Bioelectron.,2002, 17:741-746

[24]Lu Q,Zhou T,Hu S.Biosens.Bioelectron.,2007,22:899-904

[25]Dai Z,Liu S,Ju H,et al.Biosens.Bioelectron.,2004,19: 861-867

[26]Lu X B,Zhou J H,Lu W,et al.Biosens.Bioelectron.,2008, 23:1236-1243

[27]Mousty C.Applied Clay Sci.,2004,27:159-177

[28]Lu X B,Wen Z H,Li J H.Biomaterials,2006,27:5740-5747

[29]QIAO Ya-Fen(喬亞芬),ZHANG Jun-Song(張俊松),LU Tian-Hong(陸天虹),et al.Chinese J.Inorg.Chem.(Wuji Huaxue Xuebao),2006,22:1282-1284

[30]Chen Q H,Zhang W G.J.Non-Cryst.Solids,2007,353:374-378

[31]Kubo R.Phys.Soc.Jpn.,1962,17:975-986

[32]Jitianu M,Goia D V.Materials Chemistry and Physics,2008, 112:393-397

[33]Wahab R,Ansari S G,Seo H,et al.Solid State Sciences, 2009,11:439-443

Synthesis of Flower-Like Zinc Oxide Nanocrystals and Their Electrochemical Biosensing

JIA Xiang-Dong1,2LU Feng1LIU Yan1ZHU Jun-Jie＊,1
(1School of Chemistry and Chemical Engineering,Key Lab of Analytical Chemistry for Life Science(MOE),Nanjing University,Nanjing210093,China)
(2Department of Chemistry and Material Science,Nanjing Forestry University,Nanjing210037,China)

Flower-like zinc oxide nanocrystals were synthesized by mixing KOH and ZnCl2in glycerol solution.The experimental parameters that affected the formation of the nanocrystals were selected,and possible mechanism was discussed.The obtained products were characterized with XRD,SEM techniques and UV-Vis spectroscopy.The results indicated that the flower-like nanocrystals were hexagonal wurtzite structure.In addition,the direct electron transfer between hemoglobin(Hb)and the electrode was realized by immobilizing the protein onto the ZnO nanocrystals.The results showed that the as-fabricated biosensor had a good linear amperometric response to H2O2in the concentration range from 1×10-6to 1.2×10-4mol·L-1.

flower-like zinc oxide;nanomaterials;direct electrochemistry;biosensing

O614.24+1；O613.3；O657.1

A

1001-4861(2011)06-1150-05

2011-04-08。收修改稿日期：2011-04-23。

國家自然科學(xué)基金(No.50972058)資助項(xiàng)目。

＊通訊聯(lián)系人。E-mail：jjzhu@nju.edu.cn