鎳氫氧化物薄膜修飾玻碳電極的制備及其對(duì)L-賴氨酸氧化的電催化活性研究

劉曉芹，郝 瑤，郭滿棟

(山西師范大學(xué) 化學(xué)與材料學(xué)學(xué)院，山西 臨汾 041004)

氨基酸作為人體第一營養(yǎng)素——蛋白質(zhì)的基本組成單位在許多神經(jīng)化學(xué)機(jī)制(如記憶、食欲、疼痛的控制和傳輸?shù)?中起到關(guān)鍵作用[1-2]. 這些化合物由于缺失天然生色團(tuán)和熒光團(tuán)而不能運(yùn)用光譜法和熒光法對(duì)其測定，因此運(yùn)用直接電化學(xué)法對(duì)氨基酸的測定引起人們的廣泛關(guān)注. 許多關(guān)于氨基酸電吸附、電氧化的研究主要是以貴重金屬(如鉑、金、銀)為基底[3-10]，這些研究的弊端是中間產(chǎn)物的聚積和吸附而引起的電極污染嚴(yán)重. 為了改善這一弱點(diǎn)，包括鎳及其氫氧化物在內(nèi)的修飾材料被引入.

鎳氫氧化物膜的形成理論上有多種方法：鎳金屬的電氧化，Ni(NO3)2在電解質(zhì)中的陰極沉積，微量含Ni2+溶液的揮發(fā)[11-12]等. 鎳的氫氧化物是一種多功能材料，它在電變色、氨基酸、糖類、醇類、雙氧水以及甲烷等的測定方面的廣泛應(yīng)用已有報(bào)道[13-17]. 如此廣泛的應(yīng)用與它的化學(xué)穩(wěn)定性、與電極的兼容性是分不開的. 鎳氫氧化物膜能強(qiáng)烈吸附有機(jī)物質(zhì)并對(duì)有機(jī)分子的氧化起到催化作用.

作者利用恒電位沉積法成功將鎳的氫氧化物沉積到玻碳電極表面，制備了穩(wěn)定性高、催化活性好的鎳氫氧化物膜修飾玻碳電極. 并對(duì)膜形成過程中的關(guān)鍵因素進(jìn)行了研究，確定了制備具有最佳催化活性鎳氫氧化物膜的方案. 將膜電極用于生物樣品L-賴氨酸的測定，發(fā)現(xiàn)此膜電極對(duì)L-賴氨酸在電極表面的電化學(xué)反應(yīng)具有明顯的催化作用. 據(jù)此制備了一種制備過程簡單、穩(wěn)定性好的電流型傳感器.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

LK2005A型電化學(xué)工作站(天津市蘭力科化學(xué)電子高技術(shù)有限公司)；雷磁PXSJ-216型離子計(jì)(上海精密科學(xué)儀器有限公司)；KQ-250B超聲波清洗器(昆山市超聲波儀器制造廠).

電化學(xué)實(shí)驗(yàn)采用三電極體系：Ag/AgCl(飽和KCl)電極為參比電極；鉑絲電極為輔助電極；空白玻碳電極和鎳氫氧化物膜修飾玻碳電極為工作電極.

NaOH,KCl,NiCl2(天津科密歐化學(xué)試劑開發(fā)中心)；制備了0.5×10-3～4.0×10-3mol/L不同濃度的NiCl2溶液.L-賴氨酸(鄭翔化學(xué)試劑研究所)，儲(chǔ)備液濃度為1.0×10-3mol/L，儲(chǔ)存于4 ℃待用. 所用玻璃儀器依次用HNO3、乙醇、二次蒸餾水清洗，晾干后使用；其余實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純；實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水；所有電化學(xué)試驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行.

1.2 修飾電極的制備

1.2.1 玻碳電極預(yù)處理

取玻碳電極,先后用0.3 μm Al2O3和0.05 μmAl2O3拋光成鏡面，依次用二次蒸餾水，HNO3溶液(體積比1∶1)，丙酮，二次蒸餾水超聲洗滌，各5 min，N2吹干備用.

1.2.2 鎳氫氧化物膜修飾過程

將預(yù)處理的玻碳電極浸入由1.0 mol/LKCl配制的0.3 mol/L的NiCl2溶液中，恒電位下富集310 s，隨后在-0.8 ～1.2 V范圍內(nèi)以100 mV/s的速率循環(huán)伏安掃描6圈，將電極移至0.1 mol/L的NaOH溶液中，在0.1 ～0.7 V電位范圍內(nèi)，掃速340 mV/s,循環(huán)伏安掃描直至曲線穩(wěn)定，即得到鎳氫氧化物膜修飾的玻碳電極. 用二次蒸餾水洗凈晾干備用.

1.2.3 樣品測定

采用三電極體系(鎳氫氧化物膜修飾電極為工作電極，Ag/AgCl(飽和KCl)為參比電極，鉑絲電極為輔助電極)，在KCl-NaOH緩沖溶液中對(duì)L-賴氨酸進(jìn)行測定.

2 結(jié)果與討論

2.1 鎳氫氧化物膜的形成

2.1.1 鎳氫氧化物膜的制備

圖1是在鎳氫氧化物膜形成過程中，鎳離子在1.0 mol/LKCl溶液中在玻碳電極上發(fā)生反應(yīng)的循環(huán)伏安圖. 圖中出現(xiàn)了一個(gè)陰極峰和兩個(gè)陽極峰，對(duì)應(yīng)的電位分別是0.420、0.726、1.064 V. 推測這是由于在負(fù)向掃描的過程中，已經(jīng)富集的Ni2+被還原成鎳膜沉積到玻碳電極上，在正向掃描時(shí)鎳又被氧化且與溶液中的Cl-形成不同配位數(shù)的鎳氯配合物，與兩個(gè)陽極峰相對(duì)應(yīng).

將電極移至0.1 mol/L的NaOH溶液中，其沉積的循環(huán)伏安圖見圖2.由圖可見隨著掃描圈數(shù)的增加，氧化峰與還原峰間的電位差(ΔE=Epa-Epc)逐漸增大，表明反應(yīng)的可逆性逐漸變差. 峰電流也隨之增大并趨于穩(wěn)定，推測是由于鎳氫氧化物膜逐漸沉積，使OH-的濃度逐漸降低，擴(kuò)散到電極表面參加反應(yīng)的OH-越來越少. 具體反應(yīng)過程表示為：

制備好的鎳氫氧化物膜修飾電極用二次蒸餾水洗凈、晾干.

圖1 1.0 mol/L KCl溶液中的鎳離子在玻碳電極上的循環(huán)伏安圖 掃描速度：0.1 V/sFig.1 CV of 1.0×10-3 mol/L nickel ion on the bare CPE in 1.0 mol/L KCl at a scan rate of 0.1 V/s

圖2 鎳氫氧化物膜在0.1 mol/L的NaOH溶液中沉積過程的循環(huán)伏安圖掃描速度：0.34 V/sFig.2 CV of electrodeposition of nickel hydroxide film on the bare GCE in 0.1 mol/L NaOH at a scan rate of 0.34 V/s

2.1.2 鎳氫氧化物膜制備條件優(yōu)化

為了得到均勻的、電流響應(yīng)高的鎳氫氧化物膜電極，對(duì)恒電位沉積過程中的富集時(shí)間t(s)以及鎳離子濃度進(jìn)行了研究. 研究了沉積時(shí)間在200 ～360 s范圍內(nèi)，所形成的鎳氫氧化物膜電極對(duì)L-賴氨酸催化活性的影響. 通過測量還原峰電流的大小來表征催化活性的高低. 富集時(shí)間很短時(shí)，形成的鎳氫氧化物膜較薄，參與反應(yīng)的活性位點(diǎn)少，電流響應(yīng)低；隨著富集時(shí)間的增加氫氧化物膜越來越厚，參加反應(yīng)的活性位點(diǎn)隨之增多，電流響應(yīng)高；當(dāng)沉積時(shí)間過長時(shí)，沉積的鎳氫氧化物膜過厚，電子傳遞阻力增大，使電流響應(yīng)降低. 優(yōu)化結(jié)果如圖3所示，可知優(yōu)化富集時(shí)間為310 s.

圖3 富集時(shí)間對(duì)鎳氫氧化物膜催化活性的影響Fig.3 The plot of reductive peak currents vs. accumulation time

圖4 鎳離子濃度對(duì)鎳氫氧化物膜修飾電極催化活性的影響Fig.4 The plot of reductive peak currents vs. concentration of nickel ion

圖4所示是鎳氫氧化物膜修飾電極催化活性隨鎳離子濃度變化關(guān)系圖. 由圖4可見在一定范圍內(nèi)，鎳離子濃度越大，所成膜的活性越高，并在1.0×10-3mol/L達(dá)到最高. 當(dāng)鎳離子濃度再繼續(xù)增大時(shí)，所成膜的傳質(zhì)阻力也隨之增大，而使膜的催化活性降低.

圖5為在0.1 mol/L的NaOH溶液中，鎳氫氧化物膜修飾電極在不同掃描速度下的循環(huán)伏安圖. a～i,a′～i′表示掃描速率分別為160、180、220、240、260、280、300、320、340 mV/s.

由圖5可見在160～340 mV/s范圍內(nèi)，隨著掃速的增加，所成膜的電化學(xué)響應(yīng)增高，并在340 mV/s時(shí)達(dá)到最大. 如圖6所示，在掃速160～340 mV/s范圍內(nèi)，氧化峰電流與掃速的平方根成正比，線性方程為Ipa(μA)=-96.379v1/2(V/s)+7.290 5. 表明鎳氫氧化物膜在玻碳電極表面的電化學(xué)反應(yīng)是受擴(kuò)散控制的.

圖5 鎳氫氧化物膜修飾電極在0.1 mol/L NaOH中，在不同掃描速率下的循環(huán)伏安圖Fig.5 CV of nickel hydroxide with different scan rate on GCE in 0.1 mol/L NaOH

圖6 氧化峰電流與掃描速度平方根關(guān)系Fig.6 The plot of anodic peak currents vs. square root of scan rates

2.2 電極的表征

用循環(huán)伏安法對(duì)修飾過程中電極表面的變化進(jìn)行表征，圖7為裸電極和鎳氫氧化物膜修飾電極在含有0.4 mol/LKNO3,4.0×10-4mol/L K3Fe(CN)6液溶中的循環(huán)伏安圖. 曲線a中可見一對(duì)較弱的氧化還原峰，且可逆性較差，而在曲線b中氧化峰電流和還原峰電流均明顯增大，峰間距縮小，可逆性變好，表明鎳氫氧化物膜促進(jìn)了電子在電極表面的傳遞速度. 這可能與電極表面電化學(xué)反應(yīng)Ni(OH)2/NiOOH促進(jìn)了電子轉(zhuǎn)移有關(guān).

2.3 鎳氫氧化物膜修飾電極的電化學(xué)行為

圖8為裸玻碳電極和鎳氫氧化物膜修飾玻碳電極在含1 mmol/L的L-賴氨酸的0.1 mol/L的NaOH溶液中的循環(huán)伏安圖. 由曲線a可以看出，L-賴氨酸在裸玻碳電極上沒有響應(yīng)，表明L-賴氨酸在此電化學(xué)窗口(0.1～0.7 VvsAg/AgCl)下是穩(wěn)定的. 但是在鎳氫氧化物膜修飾電極上，可以看到一對(duì)明顯的氧化還原峰，表明鎳氫氧化物膜電極對(duì)L-賴氨酸具有電催化作用. 且Epa和Epc分別為0.427 V和0.334 V, ΔE=0.083 V，氧化峰和還原峰電流之比Ipa/Ipc= 2.36 ≠1，表明L-賴氨酸在鎳氫氧化物膜修飾電極上發(fā)生了不可逆的電化學(xué)反應(yīng)，鎳氫氧化物膜對(duì)L-賴氨酸在玻碳電極上的電化學(xué)反應(yīng)具有催化作用.

圖7 兩種電極在探針分子K3[Fe(CN)6]溶液中的CV圖(a)裸玻碳電極(b)鎳氫氧化物膜修飾電極Fig.7 CV of blank glass carbon electrode(a) and modified glass carbon electrode (b) by nickel hydroxide film in K3 [Fe(CN)6] solution

(a)裸電極(b)鎳氫氧化物膜修飾電極圖8 兩種電極在含1mmol/L L-賴氨酸的0.1 mol/L的KCl-NaOH溶液中的CV曲線Fig.8 CV of two electrode in 0.1 mol/L KCl-NaOH solution containing 1 mmol/L L-lysine

(a)不含L-賴氨酸的KCl- NaOH溶液(b)含1mmol/L L-賴氨酸的KCl-NaOH溶液圖9 鎳氫氧化物膜修飾電極在兩種溶液中的循環(huán)伏安圖Fig.9 CV of modified glass carbon electrode by nickel hydroxide film in KCl-NaOH solution(a)and KCl-NaOH solution containing 1 mmol/L L-lysine(b)

圖9為鎳氫氧化物膜修飾電極在緩沖溶液(pH= 12.6的KCl-NaOH溶液)和含1 mmol/LL-賴氨酸的底液中的循環(huán)伏安圖. 由曲線a可以看出鎳氫氧化物膜修飾電極在緩沖溶液中有一對(duì)明顯的氧化還原峰，當(dāng)緩沖溶液中加入1 mmol/L的L-賴氨酸以后，電流響應(yīng)明顯降低，原因推測為L-賴氨酸中的-COOH在堿性條件下去質(zhì)子化，與帶負(fù)電的鎳氫氧化物膜表面存在排斥作用，使電流響應(yīng)降低.

2.4 實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化

2.4.1 pH的影響

鎳氫氧化物膜修飾電極在不同pH(12.0～13.0)的KCl-NaOH緩沖溶液中對(duì)L-賴氨酸的催化作用不同，具體情況如圖10所示.

當(dāng)12.0< pH <12.6時(shí)，氧化峰電流隨著pH增大而增大，當(dāng)12.6< pH <13.0時(shí)，氧化峰電流隨pH增大而減小. 當(dāng)pH=12.6時(shí)，L-賴氨酸在KCl-NaOH緩沖溶液中的氧化還原峰峰形好，峰電流響應(yīng)最高，所以pH=12.6被選做本實(shí)驗(yàn)的最佳pH. 取氧化峰與還原峰電位的平均值做式量電位E0′，圖11研究了式量電位與pH的關(guān)系，當(dāng)12.0

圖10 氧化峰電流與pH關(guān)系圖Fig.10 The plot of anodic peak currents vs.pH

圖11 式量電位與pH的關(guān)系圖Fig.11 The plot of E0′ vs. pH

2.4.2 掃描速率的影響

如圖12所示，掃描速率在0.16 ～0.34 V/s范圍內(nèi)，氧化峰電位隨掃描速率的增大而向正電位方向移動(dòng)，E-logv(V/s)的線性方程為：E=0.059 7 logv(V/s)+0.466 7斜率2.303RT/ɑnF=0.059 7，代入求的ɑn=0.99，ɑ=0.5，n≈2, 表明L-賴氨酸在鎳氫氧化物膜修飾電極上發(fā)生的反應(yīng)有兩個(gè)電子參加.

圖13是氧化峰電流與掃描速率線性關(guān)系圖，線性方程是Ipa(μA)=-146.88v(V/s)+6.8427，R2=0.995 5. 表明L-賴氨酸在鎳氫氧化物膜修飾電極上發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)主要受表面吸附控制.

2.4.3 線性范圍與檢出限

用差示脈沖伏安法研究了鎳氫氧化物膜修飾電極對(duì)生物樣品L-賴氨酸的電化學(xué)響應(yīng)，結(jié)果如圖14所示. 圖15是氧化峰電流與L-賴氨酸濃度在1.0 ×10-5～1.0×10-4mol/L范圍內(nèi)的線性關(guān)系圖，L-賴氨酸濃度在1.0 ×10-6～1.0×10-5mol/L，4.0 ×10-7～1.0×10-6mol/L范圍內(nèi)與峰電流均呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，線性回歸方程和相關(guān)系數(shù)如下：

ip=0.949 9c-41.293(ip:μA，c:1.0 ×10-5mol/L)r=0.993;

ip=0.937 5c-50.228(ip:μA，c:1.0 ×10-6mol/L)r=0.995;

ip=0.706 8c-80.592(ip:μA，c:1.0 ×10-7mol/L)r=0.976;

檢出限為4.0×10-7mol/L.

圖12 不同掃描速率下3.0×10-4mol/L 的L-賴氨酸在鎳氫氧化物膜修飾電極上的CV圖Fig.12 CV of 3.0×10-4mol/L L-lysine solution on glass carbon electrode modified by nickel hydroxide film with different scan rate

圖13 氧化峰電流與掃描速率關(guān)系圖Fig.13 The plot of anodic peak currents vs. scan rates

(a) 9.0×10-5 (b)8.0×10-5 (c) 7.0×10-5 (d)6.0×10-5(e)5.0×10-5(f) 4.0×10-5 (g) 3.0×10-5(h) 2.0×10-5 mol/L圖14 修飾電極在不同濃度的L-賴氨酸下的差示脈沖伏安圖Fig.14 DPV of different concentrations of L-lysine at The Ni(OH)2/GCE

圖15 還原峰電流與L-賴氨酸濃度的線性關(guān)系圖Fig.15 The plot of reductive peak currents vs. concentration of L-lysine

2.4.4 穩(wěn)定性和重現(xiàn)性

在相同條件下，制備同一批鎳氫氧化物膜修飾電極5根，分別對(duì)1 mmol/L的L-賴氨酸測定5次，不同電極之間，計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD為4.9%，同一電極不同次測定的標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD為4.7%. 表明鎳氫氧化物膜修飾電極的重現(xiàn)性較好. 制備修飾電極3根，放于室溫下7 d，電極響應(yīng)性能為初始值的94%, 20d后，電極響應(yīng)性能為初始值的82.9%，表明鎳氫氧化物膜修飾電極具有一定的穩(wěn)定性. 電極不用時(shí)，于冰箱中-4 ℃保存?zhèn)溆?

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)利用恒電位沉積法制備了鎳氫氧化物膜修飾電極，并對(duì)膜形成過程中的影響因素進(jìn)行了研究，確定了當(dāng)鎳離子的濃度為1.0×10-3mol/L，富集時(shí)間為310 s時(shí)，所形成的鎳氫氧化物膜具有最佳催化活性；且此膜形成過程受擴(kuò)散控制. 將膜電極用于生物樣品L-賴氨酸的測定，確定了膜電極在最佳實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)L-賴氨酸具有明顯的催化活性，檢測限達(dá)4.0×10-7mol/L.

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