MWCNTs/nano-CeO2/PANI修飾的H2O2傳感器*

章家立，甘 維，宋 琦，陳愛喜

（1.華東交通大學(xué) 基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)院 化學(xué)化工系，江西南昌 330013;2.華東交通大學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)院物理系，江西 南昌 330013）

0 引言

聚苯胺（PANI）由于具有與金屬相似的光電性質(zhì)，能夠應(yīng)用于超級(jí)電容器、防腐涂料、光發(fā)射二極管、分子導(dǎo)線、傳感器等。另外，由于對(duì)酶催化反應(yīng)信號(hào)具有調(diào)節(jié)作用，且與酶具有良好的相容性，因此，在生物傳感器領(lǐng)域顯示出了廣闊的應(yīng)用前景［1］。然而，PANI只有在酸性溶液中才具有良好的電化學(xué)活性，而在偏中性或堿性溶液中顯示出較弱的電活性甚至失活，這一特點(diǎn)極大地制約了PANI的使用。為改善這一缺陷通常采用下列2種方式:一是在離子液體中聚合［2］;二是與其他材料復(fù)合，以提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性能。碳納米管（CNTs）被廣泛應(yīng)用于生物傳感器，但在大多數(shù)溶劑中不溶的特點(diǎn)又給其應(yīng)用帶來了困難［3］。因此，在多數(shù)情況下，CNTs通過共價(jià)或非共價(jià)鍵合親水基團(tuán)或分子來改性，以達(dá)到改善溶解性的目的。本文研究了聚萘二胺通過π-π非共價(jià)鍵分散和固定CNTs。聚萘二胺膜不僅可以牢固地固定CNTs，而且還可以均勻地將其分散在聚合物膜上，形成網(wǎng)狀交織結(jié)構(gòu)，最終達(dá)到了增強(qiáng)電化學(xué)響應(yīng)的效果［4］。然而，該復(fù)合膜修飾電極在選擇性上還是存在一定的缺陷，阻礙了該類導(dǎo)電聚合物在生物傳感方面的應(yīng)用。為克服這一缺陷，添加一種輔助催化劑可達(dá)到這一目的。CeO2作為一種典型的稀土氧化物，它被廣泛應(yīng)用到生物傳感和電催化領(lǐng)域［5］。由于Ce易在三價(jià)（Ce3+）態(tài)和四價(jià)（Ce4+）態(tài)之間變化，使得CeO2具有較強(qiáng)的儲(chǔ)氧和釋氧能力，并且具有高溫快速氧空位擴(kuò)散能力［6］。更重要的是納米氧化鈰（nano-CeO2）在加速生物化學(xué)物質(zhì)的電子傳遞的同時(shí)，本身不發(fā)生任何電化學(xué)反應(yīng)［7］，而且CeO2納米晶的促進(jìn)作用表現(xiàn)出十分穩(wěn)定。而nano-CeO2本身存在電導(dǎo)率低、容易團(tuán)聚等方面的問題，給其研究和應(yīng)用帶來了一定的困難。復(fù)合是一種非常有效的方法，不但可以發(fā)揮復(fù)合材料中各組分的特性，兩者的結(jié)合還可能產(chǎn)生協(xié)同作用以提高該復(fù)合材料的性能［8］。nano-CeO2摻雜導(dǎo)電聚合物可以改善聚合物的性能［9］，但其是否能協(xié)助CNTs有效地固定酶，并在電化學(xué)中提高修飾電極響應(yīng)性的報(bào)道卻還比較少。本文以PANI為聚合基體，通過π-π非共價(jià)鍵分散和固定多壁碳納米管（MWCNTs），結(jié)合功能化的 MWCNTs負(fù)載nano-CeO2形成復(fù)合膜固定辣根H2O2酶修飾玻碳電極來探測(cè)溶液中H2O2濃度，同時(shí)對(duì)影響修飾電極各因素作了系統(tǒng)地研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 電極的制備

PANI膜的合成:GC電極浸入含有0.5 mol/L H2SO4和0.2 mol/L苯胺混合溶液中，于 -0.5～1.1 V 的電位范圍內(nèi)，以100 mV的掃描速率循環(huán)伏安電化學(xué)聚合，聚合完后用去離子水清洗工作電極，以除去未聚合的苯胺。

其中MWCNTs羥基化見參考文獻(xiàn)［10］，nano-CeO2的制備見參考文獻(xiàn)［11］。將羥基化的MWCNTs和nano-CeO2按照適量的質(zhì)量比混合，并且往混合溶液中加入DMF分散，超聲4h，使之得到高分散的混合懸浮液待用，取4μL滴涂到聚合PANI的修飾電極表面，在常溫下待溶劑揮發(fā)后，再用去離子水清洗，干燥后待用。取2μL，用pH=6.4的磷酸緩沖溶液配置的5 mg/mL的HRP滴涂到上述電極表面，干燥后用去離子水清洗未固定的酶，晾干得到HRP/MWCNTs/nano-CeO2/PANI/GC修飾電極。

1.2 電化學(xué)測(cè)試

所有的電化學(xué)測(cè)量都是采用三電極體系，Pt絲電極為對(duì)電極，Ag/AgCl（飽和KCl）為參比電極，以GC或修飾GC為工作電極。其中，交流阻抗的測(cè)量是在CHI660C電化學(xué)工作站上實(shí)施，循環(huán)伏安法和計(jì)時(shí)電流法等是在CHI430b上進(jìn)行。所有的實(shí)驗(yàn)在室溫25±2℃下進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面形貌表征

圖1（a）是PANI/MWCNTs/nano-CeO2/ITO復(fù)合膜的SEM形貌圖，從圖1（a）不難發(fā)現(xiàn)MWCNTs是以網(wǎng)狀交織結(jié)構(gòu)均勻地覆蓋在PANI膜上，并且在MWCNTs的末端有白色的物質(zhì)附著在上面，nano-CeO2可能吸附在MWCNTs上，這一現(xiàn)象在圖1（b）中表現(xiàn)得更加明顯。圖1（b）是在復(fù)合膜上滴加辣根H2O2酶后的SEM形貌圖。當(dāng)在CNTs表面上覆蓋一層辣根H2O2酶后，原來疏松多孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)已經(jīng)消失，表明HRP已固定到電極表面。同時(shí)在復(fù)合膜中白色亮點(diǎn)更加清晰可見，這進(jìn)一步驗(yàn)證了nano-CeO2已成功地吸附在CNTs極上。

圖1 掃描電鏡圖Fig 1 SEM

2.2 PANI的聚合圈數(shù)的影響

復(fù)合膜修飾電極的電化學(xué)活性與膜的厚度有關(guān)，膜的厚度直接影響修飾電極的導(dǎo)電性和催化活性。復(fù)合膜的厚度主要取決于PANI掃描圈數(shù)。圖2是利用循環(huán)伏安法制備PANI不同聚合圈數(shù)對(duì)修飾電極在0.1 mol/L PBS（pH=6.4）中的還原峰的峰電流響應(yīng)圖，從圖2可以看出:當(dāng)聚合圈數(shù)為25圈時(shí)，峰電流達(dá)到最大。因此，在本研究中，采用固定CNTs和辣根H2O2酶的聚苯胺最佳的聚合圈數(shù)為25圈。

圖2 不同的聚合圈數(shù)對(duì)修飾電極還原峰的峰電流活性的影響Fig 2 Effect of different polymerization cycles on activity of reduction peak current of modified electrode

2.3 pH 值

由于PANI的電導(dǎo)率受摻雜和去摻雜的影響，因此，更高的酸性有利于電化學(xué)響應(yīng)，然而高的酸性又會(huì)使酶失去活性。結(jié)合酶的生物活性，通常pH的選擇范圍在6.0～8.0之間，研究此范圍內(nèi)pH對(duì)修飾膜的活性影響。圖3（a）是HRP/PANI/CNTs/nano-CeO2/GC在pH 為6.0～8.0范圍內(nèi)的循環(huán)伏安曲線，從圖3（a）能夠發(fā)現(xiàn)，pH=6.4時(shí)峰電流達(dá)到最大值。為確保酶具有較高的催化效率，探測(cè)H2O2應(yīng)該選擇pH=6.4的緩沖溶液更合適。

2.4 掃 速

圖4（a）修飾電極HRP/PANI/MWCNT/nano-CeO2/GC在含有0.1 mmol/L H2O2的PBS（pH=6.4）緩沖溶液中掃速50～900 mV/s的循環(huán)伏安圖，從圖4（a）中可以看出它們的氧化還原峰電流均與掃速呈很好的線性關(guān)系，見圖4（b），氧化峰的線性方程為Ipa（μA）=108.533+6.45V（mV/s），R=0.994;還原峰的線性方程為Ipc（μA）=-123.42+8.72V（mV/s），R=0.996。這一事實(shí)說明此電極上的反應(yīng)是一個(gè)典型的表面控制過程［12］。由此可以知道，修飾電極的表面直接承擔(dān)著電子轉(zhuǎn)移交換反應(yīng)。

圖3 pH的影響Fig 3 Effect of pH

圖4 掃速Fig 4 Scan rate

2.5 修飾電極的電化學(xué)表征

不同修飾電極不僅會(huì)影響電極的循環(huán)伏安，而且還會(huì)影響其交流阻抗。圖5（a）是不同修飾電極在0.2 mol/L PBS（pH=6.4）緩沖溶液中的循環(huán)伏安圖，對(duì)比5種不同修飾電極的循環(huán)伏安圖，圖5（a）曲線 a，b，c這 3種采用MWCNTs修飾電極的峰電流都增加，表明MWCNTs的加入有利于復(fù)合膜的電子傳遞，這可能是因?yàn)榈瓮吭赑ANI膜上的CNTs能形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)，MWCNTs可以使復(fù)合膜的比表面積增大，提高反應(yīng)活性物質(zhì)在電極表面的吸附。與圖5（a）c相比，圖5（a）曲線a的峰電流明顯增加，表明nano-CeO2的加入，提高了修飾電極的電化學(xué)響應(yīng)。但當(dāng)將HRP固定在修飾電極上時(shí)，氧化還原峰電流都有所下降，可能是由于絕緣體HRP固定在修飾電極上對(duì)電子的傳遞有一定的阻礙作用，這一現(xiàn)象說明HRP已經(jīng)被固定在電極上，這與圖1（b）的SEM形貌圖是相吻合的，不過nano-CeO2的加入從整體上來說提高了修飾電極的電化學(xué)響應(yīng)，表明nano-CeO2具有促進(jìn)電子的傳輸作用。為進(jìn)一步研究界面對(duì)修飾電極所帶來的影響，交流阻抗（EIS）可以為電極制備過程中修飾電極界面性質(zhì)的改變提供更多的信息。圖5（b）為各種修飾電極在 0.5 mol/L KCl，2.0 mmol/L K3［Fe（CN）6］/K4［Fe（CN）6］（1︰1）水溶液中的交流阻抗圖。根據(jù)Nyquist的EIS圖，在高頻率的半圓圖與電子的轉(zhuǎn)移有關(guān)，在低頻率的線性部分與電子的擴(kuò)散有關(guān)，半圓的直徑等于電極的轉(zhuǎn)移阻抗Ret［13］。從圖5（b）中可以看出:c，d，e曲線出現(xiàn)一個(gè)小的半圓，并且半圓的直徑依次增大，表明玻碳電極分別被PANI和PANI/MWCNTs復(fù)合膜修飾后電阻逐漸減小。如果在CNTs上附載nano-CeO2時(shí)，見圖（b）曲線a，b，它們的阻抗圖幾乎成一條直線，表明 nano-CeO2具有加速電子傳遞作用，最終使復(fù)合膜的電阻降低。但當(dāng)固定HRP在修飾電極上時(shí)，其阻抗圖的斜率變小，表明電阻有所增大，這一結(jié)果與圖5（a）相符。

圖5 電化學(xué)表征曲線Fig 5 Curve of electrochemical characterization

2.6 MWCNTs和 nano-CeO2的質(zhì)量比

將MWCNTs和nano-CeO2應(yīng)用到生物傳感器中主要是利用了MWCNTs的導(dǎo)電性能和nano-CeO2加速電子的傳輸作用。然而，由于CeO2是一種N型半導(dǎo)體材料，如果nano-CeO2的含量過高，會(huì)降低修飾電極的導(dǎo)電性能;相反，如果nano-CeO2含量過少，催化性能又不太明顯。因此，修飾電極的催化性能受MWCNTs和nano-CeO2的質(zhì)量比影響，采用配置不同質(zhì)量比（MWCNTs︰nano-CeO2）的懸濁液，取相同的量滴涂到PANI膜上，利用計(jì)時(shí)電流法來測(cè)試不同MWCNTs和nano-CeO2質(zhì)量比修飾的電極對(duì)H2O2的電流響應(yīng)。圖6可以看出:當(dāng) MWCNTs與nano-CeO2的質(zhì)量比達(dá)到了15︰1時(shí)（見圖6曲線d），響應(yīng)電流達(dá)到最大。因此，選擇MWCNTs與nano-CeO2的質(zhì)量比15︰1修飾電極來探測(cè)H2O2。

2.7 nano-CeO2的催化性能

為進(jìn)一步證實(shí)nano-CeO2在修飾電極中具有加速電子的傳輸能力，對(duì)比nano-CeO2修飾和未修飾的電極在工作電位為-0.12 V的PBS（pH=6.4）的緩沖溶液中探測(cè)H2O2的計(jì)時(shí)電流。從圖7（a）可以看出:響應(yīng)電流隨著緩沖溶液中H2O2濃度的增加而逐級(jí)增加，而加入nano-CeO2的修飾電極具有更大的響應(yīng)電流，響應(yīng)電流達(dá)到95%時(shí)的時(shí)間不到5 s。表明nano-CeO2能夠加速電子的傳輸能力，從而提高辣根H2O2酶的催化效果。根據(jù)H2O2與還原電流的線性關(guān)系，可以評(píng)價(jià)修飾電極的靈敏度。圖7（b）是H2O2的加入量與還原電流之間的校正曲線圖，加入nano-CeO2的修飾電極其 H2O2濃度在5.0×10-6～3.95×10-4mol/L的范圍內(nèi)呈現(xiàn)出良好的線性相關(guān)性，線性回歸方程為I（μA）=16.56795+0.07824X（1 ×10-6mol/L），其線性相關(guān)系數(shù)為 0.998 1，靈敏度為 0.078 24（A·mol/L），檢測(cè)限為7.6×10-7mol/L（S/N=3 dB）。比較兩修飾電極的結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，加入nano-CeO2后修飾電極不但可以提高電流響應(yīng)，而且其靈敏度也可提高2.29倍，表明nano-CeO2在修飾電極中能夠加速電子的傳輸能力。

圖6 不同質(zhì)量比（MWCNTs︰nano-CeO2）的修飾電極對(duì)H2O2的計(jì)時(shí)電流響應(yīng)圖Fig 6 Chronoamperometric responses of modified electrode with different mass ratio of MWCNTs︰nano-CeO2on H2O2

圖7 生物傳感器探測(cè)H2O2曲線Fig 7 H2O2curve detected by bio-sensor

在0.025 mmol/L H2O2中平行測(cè)定10次，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.2%。將HRP/PANI/MWCNTs/nano-CeO2修飾的電極置于0.2 mol/L pH=6.4的緩沖溶液中的4℃冰箱中考察其穩(wěn)定性，采用每隔7天測(cè)定一次。發(fā)現(xiàn)1個(gè)星期后電流響應(yīng)沒有變化，2個(gè)星期后電流響應(yīng)下降不到7%，當(dāng)放置1個(gè)月后仍保留響應(yīng)電流的86%，表明該電極具有較好的穩(wěn)定性。

2.8 抗干擾能力和回收率

選擇性是衡量修飾電極性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。采用計(jì)時(shí)電流法研究了修飾電極在-0.12 V的電位下對(duì)甘氨酸（0.05 mmol/L）、酪氨酸（0.05 mmol/L）、葡萄糖（0.5 mmol/L）、抗壞血酸（0.5 mmol/L）和尿酸（0.5 mmol/L）幾種物質(zhì)的抗干擾能力，發(fā)現(xiàn)添加物對(duì)傳感器的測(cè)定均完全沒有響應(yīng)，說明干擾物質(zhì)的存在不會(huì)抑制H2O2的測(cè)定。

為了檢測(cè)摻入nano-CeO2修飾電極的實(shí)用性，回收率也是一個(gè)重要的指標(biāo)。在20 mL 0.2 mol/L PBS（pH=6.4）的測(cè)試底液中對(duì)修飾電極的回收率進(jìn)行測(cè)試，最終測(cè)得回收率在95.23%～107.52%（見表1）之間，表明該修飾電極測(cè)定H2O2具有較高的回收率較高。

表1 H2O2的回收率Tab 1 Recovery rate for H2O2

3 結(jié)論

本文采用循環(huán)伏安和滴涂方法成功地制備了表面分散均勻且具有較高電活性的PANI/MWCNT/nano-CeO2復(fù)合膜修飾電極。通過對(duì)復(fù)合膜各影響因素的研究得出結(jié)論:以PANI聚合25圈、溶液pH值為6.4以及 CNTs與 nano-CeO2的質(zhì)量比為15︰1制備的復(fù)合膜具有很好的電活性。在固定HRP時(shí)，nano-CeO2在復(fù)合膜在修飾電極中具有能夠加速電子的傳輸能力，相比于沒有摻雜nano-CeO2的修飾電極具有更大的響應(yīng)電流，更高的靈敏度，而且其檢測(cè)極限可達(dá)7.6×10-7mol/L。

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