納米金檢測過氧化氫及其電流信號增強(qiáng)因素分析

馬　晶，靳浪平，盛　潔，蔣中英

(伊犁師范學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，新疆 伊寧 835000)

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納米金檢測過氧化氫及其電流信號增強(qiáng)因素分析

馬晶，靳浪平，盛潔，蔣中英

(伊犁師范學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，新疆 伊寧 835000)

對金納米顆粒與聚電解質(zhì)(PAH/PSS)進(jìn)行層層自組裝構(gòu)建了復(fù)合薄膜電極，將其用于過氧化氫檢測，并對影響過氧化氫電流信號增強(qiáng)的因素進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，隨著自組裝層數(shù)的增加，循環(huán)伏安電流明顯增大；以聚電解質(zhì)結(jié)合納米材料設(shè)計(jì)傳感器時(shí)，需考慮所合成材料的密度與局限性、顆粒之間的電子耦合、納米材料修飾配體等問題。

金納米顆粒；過氧化氫；層層自組裝；聚電解質(zhì)；電流信號增強(qiáng)

過氧化氫是一種低成本的消毒劑、氧化劑、漂白劑和脫氧劑，檢測過氧化氫對化工、食品安全、環(huán)保和衛(wèi)生等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。在醫(yī)療診斷方面，致癌性疾病、帕金森氏病、老年癡呆等都與體內(nèi)過氧化氫含量相關(guān)；在環(huán)境方面，過氧化氫含量超標(biāo)會引起各種污染或產(chǎn)生負(fù)面影響[1-2]；在臨床醫(yī)學(xué)方面，過氧化氫可作為檢測許多疾病最有效的標(biāo)志[3-4]。所以，構(gòu)建過氧化氫電化學(xué)傳感器、實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確靈敏的檢測具有十分重要的意義。納米材料合成技術(shù)、表面修飾技術(shù)為設(shè)計(jì)和構(gòu)建新一代電化學(xué)傳感器提供了新思路。過氧化氫的檢測方法有很多[5-6]，其中層層自組裝構(gòu)建復(fù)合薄膜電極的電化學(xué)檢測法能夠促進(jìn)過氧化氫與電極之間的電子轉(zhuǎn)移，提高整個體系的靈敏度、檢測限與催化活性[7-8]，但自組裝中的配體對納米材料表面的功能化或納米材料之間的自我修飾影響較大，且設(shè)計(jì)此類傳感器時(shí)需考慮合成材料的密度與局限性、顆粒之間的電子耦合、納米材料修飾配體的選用等問題。如，金納米顆粒與聚電解質(zhì)功能化的層層自組裝電極構(gòu)建的電化學(xué)生物傳感器的性能一般由金納米顆粒的表面結(jié)構(gòu)決定，尤其敏感于過氧化氫的電流信號，并且不同聚電解質(zhì)與金納米顆粒進(jìn)行層層自組裝時(shí)，電流信號會有不同的響應(yīng)。

鑒于此，作者構(gòu)建了一種金納米顆粒與聚電解質(zhì)(PAH/PSS)進(jìn)行層層自組裝的復(fù)合薄膜電極，將其用于檢測過氧化氫，并對影響過氧化氫電流信號增強(qiáng)的因素進(jìn)行了分析。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1試劑與儀器

過氧化氫(H2O2，30%)、鐵氰化鉀(K3[Fe(CN)6])，南京化學(xué)試劑有限公司；聚烯丙胺鹽酸鹽(PAH)、聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)，上海杰仁化工有限公司。

CHI660A型電化學(xué)工作站，上海辰華儀器有限公司；微量進(jìn)樣針(精度1%，10μL)，天津琛航可苑科技發(fā)展有限公司。

1.2方法

循環(huán)伏安曲線測定：電化學(xué)工作站初始電位設(shè)置為0 V，高電位設(shè)置為0.6 V，低電位設(shè)置為-0.1 V，掃描速率0.1 V ·s-1，負(fù)向掃描。

過氧化氫測定：采用電流時(shí)間法。每隔100 s用微量進(jìn)樣針往PBS緩沖液中注入10 μL過氧化氫(注入過程中不要抖動)，測定I-t曲線。

2　結(jié)果與討論

2.1ITO電極的表征

實(shí)驗(yàn)室利用K3[Fe(CN)6]作為探針來研究ITO電極的導(dǎo)電性、穩(wěn)定性和可逆性[9]。用ITO電極測得的不同濃度K3[Fe(CN)6]溶液的循環(huán)伏安曲線如圖1所示。

圖1　 ITO電極測得的不同濃度K3[Fe(CN)6]溶液的循環(huán)伏安曲線Fig.1　Cyclic voltammetry curves of different concentrations of K3[Fe(CN)6] solution by ITO electrode

從圖1可以看到，ITO電極測得的不同濃度K3[Fe(CN)6]溶液的循環(huán)伏安曲線均比較完整，氧化峰和還原峰沒有二次出峰，表明ITO電極的可逆性和導(dǎo)電性較好。且隨著K3[Fe(CN)6]濃度的增加，氧化還原電流逐漸增大，但峰電流整體都偏向于擬合曲線，這可能是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)一些噪聲所致。

圖1中初始電位設(shè)置為0 V，沿負(fù)的電位掃描，當(dāng)電位至[Fe(CN)6]3-的析出電位時(shí)，將產(chǎn)生陰極電流，陰極反應(yīng)為：

[Fe(CN)6]3-+e-=[Fe(CN)6]4-

(1)

當(dāng)電位至-0.1 V處開始陽極掃描，電極電位正向變化至[Fe(CN)6]3-的析出電位時(shí)，聚集在電極表面的還原產(chǎn)物[Fe(CN)6]4-被氧化，陽極反應(yīng)為：

[Fe(CN)6]4--e-=[Fe(CN)6]3-

(2)

在該電極體系中，式(1)和式(2)中的電子轉(zhuǎn)移速率很快，而且通過循環(huán)伏安曲線中氧化峰電位和還原峰電位之間的差值可知該電極過程可逆。一般地，當(dāng)電極反應(yīng)的DEp(氧化峰值和還原峰值之間的距離)接近59 mV時(shí)，可判斷該反應(yīng)為Nernst反應(yīng)，即可逆反應(yīng)。圖1中，所有循環(huán)伏安曲線的DEp均接近59 mV，并且還原電流與氧化電流增加較快。這是因?yàn)?，在陰極掃描中，[Fe(CN)6]3-獲得電子還原成[Fe(CN)6]4-的速度較快，導(dǎo)致電極表面[Fe(CN)6]3-濃度不斷降低，但反應(yīng)電流卻在迅速增大，從而引起電極表面Nernst層恢復(fù)、Nernst平衡的傾向增加，在陰極掃描中出現(xiàn)峰值電流及峰值電位；反向掃描時(shí)，電極表面產(chǎn)物[Fe(CN)6]4-的濃度接近于[Fe(CN)6]3-的初始濃度，即反向掃描所獲得循環(huán)伏安曲線相當(dāng)于[Fe(CN)6]3-初始濃度相同的[Fe(CN)6]4-的陽極循環(huán)伏安曲線，故陰極峰與陽極峰基本對稱。

將不同濃度的K3[Fe(CN)6]溶液的循環(huán)伏安曲線進(jìn)行疊加，發(fā)現(xiàn)峰電流隨著濃度的增加而增大。對峰數(shù)據(jù)用標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行擬合處理，發(fā)現(xiàn)峰電流與K3[Fe(CN)6]濃度呈線性關(guān)系(圖2)。

圖2　K3[Fe(CN)6]濃度與氧化電流和還原電流的關(guān)系Fig.2　Relationship between K3[Fe(CN)6] concentration and oxidation current or reduction current

將不同掃描速率(0.1 V·s-1、0.2 V·s-1、0.3 V·s-1、0.4 V·s-1)下K3[Fe(CN)6]溶液的循環(huán)伏安曲線進(jìn)行疊加，擬合出氧化還原電流與掃描速率的線性曲線如圖3所示。

圖3　掃描速率與氧化電流和還原電流的關(guān)系Fig.3　Relationship between scanning rate and oxidation current or reduction current

從圖3可以看到，隨著掃描速率的加快，峰電流逐漸增大。根據(jù)電化學(xué)理論，對于擴(kuò)散控制的電極過程，峰電流與掃描速率的1/2次方呈正比關(guān)系：

Ip=2.69×105An3/2D1/2cv1/2

(3)

式中：Ip為峰電流，A；A為電極面積，cm2；n為電子轉(zhuǎn)移數(shù)；D為反應(yīng)物的擴(kuò)散系數(shù)；c為反應(yīng)物濃度，mmol·L-1；v為掃描速率，V·s-1。

對于表面吸附控制的電極反應(yīng)過程，Ip與v1/2呈正比關(guān)系，用標(biāo)準(zhǔn)曲線法進(jìn)行擬合處理，得出Ip與v1/2呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.99979。

綜上，可判斷該電極體系穩(wěn)定且可逆，以ITO作為工作電極可實(shí)現(xiàn)檢測物的定量分析。

2.2復(fù)合薄膜電極的表征

通過金納米顆粒與聚電解質(zhì)(PAH/PSS)層層自組裝膜(PAH/PSS/PAH/Au)修飾ITO電極構(gòu)建復(fù)合薄膜電極ITO/PAH/PSS/PAH/Au-n(n為層數(shù))，可明顯加快電極界面的電子轉(zhuǎn)移；利用金納米顆粒與聚電解質(zhì)PAH、PSS之間的相互交聯(lián)提高過氧化氫電流信號的檢測靈敏度。復(fù)合薄膜電極ITO/PAH/PSS/PAH/Au的幾何模型如圖4所示，圖5是采用復(fù)合薄膜電極測得的過氧化氫的I-t曲線及過氧化氫濃度與電流線性表征圖。

圖4　復(fù)合薄膜電極ITO/PAH/PSS/PAH/Au的幾何模型Fig.4　Genometric model of composite film electrode ITO/PAH/PSS/PAH/Au

該復(fù)合薄膜電極可利用傳統(tǒng)的電化學(xué)探針[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-來表征循環(huán)伏安響應(yīng)，如圖6所示。

從圖6可以看出，隨著自組裝層數(shù)的增加，循環(huán)伏安電流明顯增大。這主要是因?yàn)椋S著自組裝層數(shù)的增加，PAH/PSS/PAH/Au膜的厚度增加，膜選擇性相應(yīng)提高；另一方面，由于聚電解質(zhì)的親水性減小了聚電解質(zhì)正負(fù)離子基團(tuán)和水分子之間的作用力，加快了探針溶液通過膜的速度，因此循環(huán)伏安曲線中的氧化還原電流增大。

為優(yōu)化過氧化氫檢測，將金納米顆粒嵌入到電極界面構(gòu)建電化學(xué)傳感平臺。在過氧化氫的氧化電壓為0.65 V時(shí)，每隔100 s往電解體系中注入10 μL的過氧化氫，經(jīng)計(jì)算每次攪拌時(shí)濃度會增加0.1 mmol·L-1，采用復(fù)合薄膜電極測得的過氧化氫的I-t曲線如圖7所示。

從圖7可以看到，隨著自組裝層數(shù)的增加，電流信號明顯增強(qiáng)。用ITO/PAH/PSS/PAH/Au-1時(shí)，首次滴定過氧化氫于25 mmol·L-1的PBS緩沖液中，過氧化氫產(chǎn)生陽極電流約為0.008 μA；用ITO/PAH/PSS/PAH/Au-2時(shí)，約為0.22 μA；用ITO/PAH/PSS/PAH/Au-3時(shí)，約為0.8 μA。即滴定相同量過氧化氫時(shí)，自組裝三層比自組裝一層的陽極電流增大了100倍，表明隨著自組裝層數(shù)的增加，電極界面響應(yīng)也更加靈敏。

a～k：H2O2濃度(mmol·L-1)：0.9,1.0,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.7,1.8,1.9

圖5過氧化氫的I-t曲線(a)及過氧化氫濃度與電流線性表征圖(b)

Fig.5I-tcurve of hydrogen peroxide(a) and relationship curve between H2O2concentration and current(b)

圖6　采用不同復(fù)合薄膜電極測得的 K3[Fe(CN)6]溶液的循環(huán)伏安曲線Fig.6　Cyclic voltammetry curves of K3[Fe(CN)6] solution by different composite film electrodes

圖8是不同復(fù)合薄膜電極的靈敏度校準(zhǔn)曲線。

圖7采用不同復(fù)合薄膜電極測得的過氧化氫的I-t曲線

Fig 7I-tcurves of hydrogen peroxide by different composite film electrodes

圖8　不同復(fù)合薄膜電極的靈敏度校準(zhǔn)曲線Fig.8　Sensitivity calibration curves of different composite film electrodes

從圖8可以看出，復(fù)合薄膜電極ITO/PAH/PSS/PAH/Au-3的電流響應(yīng)靈敏度最高。

2.3影響過氧化氫電流信號增強(qiáng)的因素

據(jù)報(bào)道，電流信號增強(qiáng)直接歸因于多層膜內(nèi)納米粒子的存在，但是相對于ITO電極的界面響應(yīng)，多層膜信號增強(qiáng)與納米粒子的密度沒有直接關(guān)系，而是膜與膜之間的充電電荷或者電容能力增加所致。不同聚電解質(zhì)電流增強(qiáng)效應(yīng)的耗散表明所觀察到的函數(shù)不一定是納米金網(wǎng)絡(luò)的簡單函數(shù)，而是工作電極表面的延伸，如果自組裝膜可有效地?cái)U(kuò)展工作電極表面到溶液體系中，會導(dǎo)致電流響應(yīng)沒有增強(qiáng)反而減弱。

據(jù)報(bào)道[10-13]，納米顆粒之間的通信(如電子耦合)也是影響過氧化氫電流信號增強(qiáng)的因素。研究發(fā)現(xiàn)，顆粒之間的電子耦合較小會減弱過氧化氫的電流信號。因此，對于過氧化氫的電流信號檢測，顆粒與膜之間以及顆粒與顆粒之間的電子耦合是影響其靈敏度的一個重要因素。

在任何以擴(kuò)散為基礎(chǔ)的電化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，分析物(如過氧化氫)到電極界面的大量傳輸對電流響應(yīng)有顯著影響。通常利用滲透率來標(biāo)定其影響程度，滲透率定義為0.1 mmol·L-1的過氧化氫在修飾電極上產(chǎn)生的電流與裸電極產(chǎn)生的電流之比。本研究中，過氧化氫分子可能是被氧化在納米金薄膜內(nèi)且伴隨電子傳輸信號，然后以電子跳躍機(jī)制快速轉(zhuǎn)換到工作電極上，從而產(chǎn)生電流信號[14]。

此外，納米顆粒的修飾配體也對過氧化氫電流信號的增強(qiáng)有顯著影響。據(jù)報(bào)道[15]，硫醇基修飾金納米顆粒時(shí)，過氧化氫的界面響應(yīng)可能被抑制，因?yàn)樾揎椗潴w相當(dāng)于一個烷硫醇屏障，阻止了過氧化氫到金納米顆粒表面的電子傳輸，或者說電子傳輸依賴于動力學(xué)的運(yùn)動距離。

2.4討論

基于金納米顆粒與聚電解質(zhì)的層層自組裝構(gòu)建了一種高敏感度的傳感器平臺，可有效增強(qiáng)過氧化氫的電流信號，在構(gòu)建傳感器時(shí)需要考慮以下因素：(1)金納米顆粒的密度和局限性；(2)顆粒之間電子耦合和膜組裝以及電極本身；(3)過氧化氫分析物在電極與金納米顆粒之間的滲透率；(4)納米顆粒的修飾配體。另外，為了增強(qiáng)過氧化氫的電流響應(yīng)，納米顆粒的保護(hù)層需要由小的芳香族羧基分子組成，雖然硫醇保護(hù)的納米金(如MPA-NPs和MBA-NPs)對整個傳感系統(tǒng)可提供更大程度的穩(wěn)定，但是結(jié)合納米粒子保護(hù)硫醇的鏈長必須足夠短，以防止引入電子傳輸距離或引入對過氧化氫的傳輸屏障。

3　結(jié)論

對金納米顆粒與聚電解質(zhì)(PAH/PSS)進(jìn)行層層自組裝構(gòu)建了復(fù)合薄膜電極。隨著自組裝層數(shù)的增加，循環(huán)伏安電流明顯增大。以聚電解質(zhì)結(jié)合納米材料設(shè)計(jì)傳感器時(shí)，需考慮所合成材料的密度與局限性、顆粒之間的電子耦合、納米材料修飾配體等問題。通過調(diào)整金納米顆粒尺寸、形狀和多孔性及聚電解質(zhì)側(cè)鏈的疏水性，優(yōu)化傳感器構(gòu)建方案，使該類傳感器有更好的應(yīng)用前景。

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Detection of Hydrogen Peroxide by Gold Nanoparticles and Analysis of Its Current Signal Enhancement Factors

MA Jing,JIN Lang-ping,SHENG Jie,JIANG Zhong-ying

(SchoolofElectronicandInformationEngineering,YiliNormalUniversity,Yining835000,China)

Todetecthydrogenperoxide,acompositefilmelectrodewasconstructedbygoldnanoparticlesandpolyelectrolyte(PAH/PSS) vialayerbylayerself-assemblytechnique.Andthecurrentsignalenhancementfactorsofhydrogenperoxidewereanalyzed.Resultsindicatedthat,withtheincreaseofself-assemblylayer,thecyclicvoltammetrycurrentwasobviouslyincreased.Aseriesofproblemssuchasdensityandlimitationsofmaterials,electroniccouplingofnanoparticles,modifiedligandofnanocompositesneedtobeconsideredwhenconstructingsensorbypolyelectrolytecombinedwithnanocomposites.

goldnanoparticle;hydrogenperoxide;layerbylayerself-assembly;polyelectrolyte;currentsignalenhancement

伊犁師范學(xué)院微納電傳感技術(shù)與仿生器械校級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(2016WNZD01)，伊犁師范學(xué)院一般資助項(xiàng)目(2013YSYB19)

10.3969/j.issn.1672-5425.2016.10.015

O 657.1

A

1672-5425(2016)10-0065-05

馬晶，靳浪平，盛潔，等.納米金檢測過氧化氫及其電流信號增強(qiáng)因素分析[J].化學(xué)與生物工程，2016，33(10)：65-69.