基于TiO₂ NRs@ZnIn₂S₄NSs復(fù)合材料的谷胱甘肽光電化學(xué)傳感器的構(gòu)建與應(yīng)用

唐小強(qiáng) 陳裕雲(yún) 羅燕妮 韋富存 杜方凱 譚學(xué)才

摘要：采用簡便的兩步水熱原位生長法，以FTO為基底制備了二氧化鈦納米棒（TiO2nanorods，TiO2NRs）/硫銦鋅納米片（ZnIn₂S₄nanosheets，ZnIn₂S₄NSs）復(fù)合材料（TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs/FTO），并基于此構(gòu)建了一種新型谷胱甘肽（GSH）光電化學(xué)傳感器。分別采用掃描電鏡（SEM）、X射線能譜儀（EDX）、X射線粉末衍射儀（XRD）和紫外-可見漫反射吸收光譜（UV-visDRS）對(duì)TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs/FTO復(fù)合材料的形貌、結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了表征，通過電流-時(shí)間法（i-t）和電化學(xué)阻抗法（EIS）研究了PEC傳感器的性能。結(jié)果表明，光電流大小與GSH濃度在1～130μmol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R=0.9919，檢出限為0.1μmol/L（S/N=3）。此傳感器具有較高的穩(wěn)定性和良好的選擇性及重現(xiàn)性，將其應(yīng)用于市售的谷胱甘肽片和注射用還原型谷胱甘肽的檢測，加標(biāo)回收率為99%～110%。

關(guān)鍵詞：二氧化鈦納米棒;硫銦鋅納米片;光電化學(xué)傳感器;谷胱甘肽

1引言

谷胱甘肽（Glutathione，GSH）是由谷氨酸、半胱氨酸及甘氨酸三種氨基酸組成的一種三肽化合物，具有解毒、抗氧化、護(hù)肝、維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)和增強(qiáng)免疫力等多種重要生理功能[1，2]。研究發(fā)現(xiàn)，帕金森綜合癥、阿爾茨海默氏癥等疾病的發(fā)生與谷胱甘肽在人體中的含量變化有關(guān)[3～5]。因此，開發(fā)靈敏檢測GSH含量的分析方法，具有十分重要的實(shí)際意義。目前，檢測谷胱甘肽的分析方法主要有表面增強(qiáng)拉曼光譜法[6]、高效液相色譜法[7]、毛細(xì)管電泳法[8]、電化學(xué)分析法[9]、熒光光譜法[10]和比色法[11]等，盡管這些分析方法各有優(yōu)點(diǎn)，但仍存在儀器設(shè)備昂貴、成本高或者樣品前處理復(fù)雜、耗時(shí)長等不足。光電化學(xué)（Photoelectrochemical，PEC）傳感器利用檢測物與光電化學(xué)活性材料之間的相互作用產(chǎn)生的光電流變化和檢測物濃度之間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)定量分析[12]。與傳統(tǒng)的光學(xué)和電化學(xué)方法相比，由于激發(fā)信號(hào)和檢測信號(hào)完全分離，PEC傳感器具有較低的背景信號(hào)和更高的靈敏度[13]。目前，大多數(shù)PEC傳感器都是基于半導(dǎo)體材料構(gòu)建，如TiO2[14，15]、CdS[16]和ZnO[17，18]等。其中，TiO2具有良好的光穩(wěn)定性、價(jià)格低廉且安全無毒等特性，成為研究最成熟的光電活性材料之一。然而，TiO2禁帶寬度較大（3.0～3.2eV），僅能吸收紫外光，且光生電子-空穴易發(fā)生復(fù)合，極大限制了其應(yīng)用范圍。ZnIn₂S₄是一種三元硫?qū)倩衔锇雽?dǎo)體材料，其帶隙為2.34～2.55eV，對(duì)可見光具有良好的吸收且化學(xué)穩(wěn)定性高[19，20]。將ZnIn₂S₄與TiO2復(fù)合構(gòu)筑異質(zhì)結(jié)構(gòu)，可以增強(qiáng)對(duì)可見光的吸收，有效抑制光生電子-空穴的復(fù)合，從而提高材料光催化活性[21]。目前，基于TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs復(fù)合材料構(gòu)建的PEC傳感器鮮有報(bào)道。

本研究采用簡單的兩步水熱反應(yīng)，在FTO電極上原位生長ZnIn₂S₄NSs包覆TiO2NRs復(fù)合材料（TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs/FTO），利用TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs材料優(yōu)異的光電化學(xué)性能，構(gòu)建了一種檢測谷胱甘肽的PEC傳感器。基于GSH可被光生空穴氧化生成氧化型谷胱甘肽（Glutathionedisulfide，GSSG），降低光生電子-空穴對(duì)復(fù)合率，從而增大光電流的原理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)GSH的靈敏檢測。傳感器制備及檢測原理如圖1所示。

2實(shí)驗(yàn)部分

2.1儀器與試劑

CHI760D（上海辰華儀器有限公司）;PEAC200A型光電化學(xué)反應(yīng)儀（天津艾達(dá)恒晟科技發(fā)展有限公司）;NovaNanoSEM場發(fā)射掃描電子顯微鏡（荷蘭Philips公司）;U-3900紫外-可見吸收光譜儀（日本HITACHI公司）;FTO導(dǎo)電玻璃（華南湘城科技有限公司）。

鈦酸四丁酯（C16H36O4Ti）、三氯化銦（InCl3·4H2O）、硫代乙酰胺（CH3CSNH2，TAA）、無水NaSO4等均為分析純（上海麥克林生化科技有限公司）。谷胱甘肽片（0.1g，重慶藥友制藥有限責(zé)任公司）;注射用還原型谷胱甘肽（0.6g，重慶藥友制藥有限責(zé)任公司）。實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

2.2修飾電極的制備

FTO電極（5×0.8cm）預(yù)處理：將FTO依次用丙酮、無水乙醇、超純水超聲清洗20min，待自然晾干后，100℃干燥2h。

參照文獻(xiàn)＼[22]的方法制備TiO2NRs：在100mL燒杯中加入30mL水和30mL濃HCl，混合攪拌5min后，加入1mL鈦酸四丁酯，繼續(xù)攪拌25min，然后將5mL混合溶液移至25mL聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，將洗凈的FTO電極倚靠在反應(yīng)釜內(nèi)，150℃下反應(yīng)4h。待其自然冷卻后，依次用水和無水乙醇洗滌，室溫下晾干，然后在空氣氣氛下450℃煅燒60min（升溫速率5℃/min），即可制得TiO2NRs/FTO。

根據(jù)文獻(xiàn)＼[23，24]方法制備ZnIn₂S₄NSs：分別稱取71.89mgZnSO4·7H2O、146.62mgInCl3·4H2O和75.13mgTAA溶于10mL水中，混合攪拌30min，移取5mL混合溶液至25mL聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，然后將上述制得的TiO2NRs/FTO放入反應(yīng)釜中，150℃反應(yīng)60min，待自然冷卻后，依次用水和乙醇洗滌，60℃真空干燥12h，所得樣品記為TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs/FTO。

2.3實(shí)驗(yàn)方法

采用三電極體系，以TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs/FTO為工作電極，Ag/AgCl電極為參比電極，Pt電極為輔助電極。以白光為激發(fā)光源，無水NaSO4溶液（pH=7.0，0.1mol/L）為電解液，在0V偏壓下，采用電流-時(shí)間曲線法對(duì)GSH進(jìn)行光電化學(xué)檢測。

3結(jié)果與討論

3.1光電材料的表征

由TiO2NRs的掃描電鏡（SEM）圖（圖2A和2B）可見，在FTO電極表面水熱原位生長的TiO2為棒狀結(jié)構(gòu)。由TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs的SEM圖（圖2C）可見，TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs是由許多納米片相互交替分布而構(gòu)成的片狀結(jié)構(gòu)，均勻負(fù)載在TiO2NRs表面上。由TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs復(fù)合材料的X射線能譜（EDX，圖2D）可知，此復(fù)合材料中同時(shí)含有Ti、O、Zn、In和S等元素。

采用X射線衍射技術(shù)（XRD）對(duì)所制備樣品作進(jìn)一步表征。由不同修飾電極的XRD圖譜（圖3A）可見，與裸FTO電極（a線）相比，TiO2NRs/FTO在36.1°、41.3°、62.8°和69.8°處出現(xiàn)了4個(gè)明顯的衍射峰（b線），分別對(duì)應(yīng)于四方金紅石相TiO2（JCPDS21-1276）的（101）、（111）、（002）和（112）面，說明所制備的TiO2NRs為金紅石相[25]。對(duì)于TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs/FTO（c線），除了有源自FTO基底和TiO2NRs的衍射峰之外，還觀察到了明顯的、可歸屬于六方相結(jié)構(gòu)ZnIn₂S₄衍射信號(hào)（JCPDS65-2023）[26]。上述結(jié)果表明，在FTO基底上已成功制備了ZnIn₂S₄NSs包覆TiO2NRs的復(fù)合材料。

由圖3B可知，TiO2NRs光吸收波長位于﹤400nm的紫外光區(qū)，經(jīng)ZnIn₂S₄NSs包覆后，光吸收波長范圍紅移至可見光區(qū)，說明TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs復(fù)合材料可提高對(duì)可見光的吸收和利用率。

3.2不同修飾電極的光電性能和交流阻抗表征

不同修飾電極在外加電位為0V條件下所產(chǎn)生的光電流曲線如圖4A所示，裸FTO電極（曲線a）在光照射下幾乎不產(chǎn)生光電流，而TiO2NRs/FTO（曲線b）和TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs/FTO（曲線c）分別產(chǎn)生約6.6μA和55.4μA的光電流，TiO2NRs@ZnIn₂S₄NRs/FTO生成的光電流比TiO2NRs/FTO提高了8.4倍。此結(jié)果表明，TiO2NRs和ZnIn₂S₄NSs復(fù)合形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，有效增強(qiáng)了材料對(duì)可見光的吸收，顯著提高了光電轉(zhuǎn)換效率[27]。當(dāng)加入GSH溶液時(shí)，TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs/FTO電極的光電流得到進(jìn)一步提高（曲線d），這是由于可充當(dāng)電子供體的GSH被Znln₂S₄NSs的光生空穴氧化，生成GSSH，促進(jìn)了光生電子-空穴分離，降低了光生電子和空穴的復(fù)合量[28]。

電化學(xué)阻抗譜技術(shù)（EIS）是研究電極表面性質(zhì)的一種有效方法，Nyquist阻抗譜圖中，位于高頻區(qū)的半圓直徑大小相當(dāng)于電子傳遞阻抗（Ret）。如圖4B所示，裸FTO電極的阻抗值最小（Ret=35Ω，曲線a），說明＼[Fe（CN）6]3Symbolm@@/4Symbolm@@在裸FTO電極界面上電子傳遞阻力較小;TiO2NRs/FTO電極的阻抗值明顯增大（Ret=170Ω，曲線b），這可能是由于負(fù)載的TiO2NRs阻礙了探針＼[Fe（CN）6]3Symbolm@@/4Symbolm@@在電極表面的電子轉(zhuǎn)移所致;TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs/FTO的阻抗值最大（Ret=325Ω，c線），這是由于經(jīng)ZnIn₂S₄NSs包覆，＼[Fe（CN）6]3Symbolm@@/4Symbolm@@的電子轉(zhuǎn)移阻力進(jìn)一步地增大，導(dǎo)致其阻抗值繼續(xù)增加。

3.3實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

3.3.1水熱反應(yīng)條件對(duì)光電流值的影響考察了水熱反應(yīng)的時(shí)間和溫度對(duì)ZnIn₂S₄NSs包覆TiO2NRs復(fù)合材料的光電化學(xué)性能的影響。在15～90min反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs/FTO的光電流值隨著反應(yīng)時(shí)間的延長而增大，反應(yīng)時(shí)間為60min時(shí)，其光電流值達(dá)到最大值。在6個(gè)不同反應(yīng)溫度（110、130、150、170、190、210℃）中，150℃時(shí)TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs/FTO的光電流最大。因此，選取60min和150℃為水熱反應(yīng)的最佳時(shí)間和溫度。

3.3.2工作電位對(duì)光電流值的影響如圖5所示，在Symbolm@@0.2～+0.2V范圍內(nèi)，TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs/FTO光電流值隨著電位的增加而增大，0V時(shí)光電流大小相當(dāng)于+0.2V處產(chǎn)生光電流值的85%。但是，過高的正電位可能會(huì)將GSH氧化生成GSSG，影響測定結(jié)果。此外，低電位有利于消除共存于真實(shí)樣品中的其它還原物質(zhì)的干擾[29]。因此，綜合考慮傳感器的選擇性和靈敏度，采用0V作為此PEC傳感器的工作電位。

3.4光電化學(xué)傳感器檢測GSH的性能

圖6A為此PEC傳感器檢測不同濃度的GSH的光電流響應(yīng)圖，圖6B為TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs/FTO光電響應(yīng)值與GSH濃度的線性關(guān)系曲線，二者在1～130μmol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，線性方程為I（μA）=60.41+0.51C（μmol/L），相關(guān)系數(shù)為0.9919，檢出限為0.1μmol/L（S/N=3）。與相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道的檢測GSH方法相比（表1），所構(gòu)建的PEC傳感器具有較低的檢出限。

3.5電極的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性和選擇性

在相同的優(yōu)化條件下，分別制備5根TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs/FTO電極，用于GSH溶液的測定，其光電流的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為1.9%。采用同一根電極對(duì)50μmol/LGSH溶液連續(xù)測定10次（圖7A），其光響應(yīng)電流未見明顯變化，RSD=3.4%。此外，將同一批制備好的工作電極于室溫條件下封存，每隔一天取出，對(duì)50μmol/LGSH溶液進(jìn)行光電流測試，9d后其光電流響應(yīng)值降到初始值的93%（圖7B）。上述結(jié)果說明此修飾電極具有良好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。

選擇幾種常見的氨基酸以及樣品組分作為干擾成分，加入到60μmol/LGSH溶液中進(jìn)行檢測。在誤差允許范圍內(nèi)，50倍的谷氨酸、賴氨酸、甘氨酸、亮氨酸、精氨酸，100倍的水楊酸、檸檬酸、葡萄糖、蔗糖、甘露醇、Zn2+、Mg2+、ClSymbolm@@、CO2Symbolm@@3、NOSymbolm@@3對(duì)測定沒有影響，表明此傳感器對(duì)GSH具有較好的選擇性。

3.6實(shí)際樣品分析

采用本方法測定市售的谷胱甘肽片和注射用還原型谷胱甘肽中的GSH，結(jié)果如表2所示，加標(biāo)回收率分別為100%～110%和99%～101%，平行測定5次，樣品相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）均小于5%，說明本分析方法具有較好的準(zhǔn)確度。

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