生物模板法制備的PdPt合金納米管用于檢測H2O2

郭家旺　劉琴　栗大超　林園　王倩

摘 要 利用煙草花葉病毒 （TMV） 外表面的拓撲結(jié)構(gòu)以及均勻分布的精氨酸殘基， 基于生物模板法， 合成了鈀（Pd）納米管， 進一步通過溴離子（Br-）誘導的電置換方法合成了PdPt合金納米管 （TMV/PdPtNT）。TMV/Pd70Pt30NT的一維結(jié)構(gòu)和管狀結(jié)構(gòu)使此材料具有高電化學活性的比表面積和良好的導電性。這些結(jié)構(gòu)優(yōu)勢與PdPt雙金屬電子效應協(xié)同， 提高了PdPt合金的催化活性。采用TMV/Pd70Pt30NT修飾絲網(wǎng)印刷電極 （SPE/TMV/Pd70Pt30NT）， 檢測H2O2的線性范圍為8.8×10×10-3 mol/L， 檢出限為2.0×10-7 mol/L。本方法對H2O2的檢測靈敏度達到493 A/（cm2·mol）， 高于Pd納米管 （TMV/PdNT） 和商業(yè)Pt/C。

關(guān)鍵詞 煙草花葉病毒; 鈀鉑合金; 納米管; 過氧化氫; 電化學傳感器

1 引 言

過氧化氫 （H2O2） 是生命體內(nèi)的重要信號分子， 與人體內(nèi)的細胞凋亡、神經(jīng)干細胞的修復、白細胞的趨藥性和晝夜節(jié)律等生理活動息息相關(guān)[1]。然而， 過量的H2O2在細胞和組織內(nèi)聚集會產(chǎn)生氧化應激反應， 對蛋白質(zhì)、DNA和脂質(zhì)等生物分子產(chǎn)生破壞， 從而導致多種病理過程， 如癌癥、阿爾茲海默癥及自身免疫疾病等[2，3]。因此， 研發(fā)快速、靈敏、準確的H2O2檢測方法對于臨床醫(yī)學和基礎生物學研究具有非常重要的意義。

目前， 比色法、熒光法、電化學法等策略已被用于檢測H2O2[4～6]。電化學方法具有操作簡便、響應速度快、檢測限低、可連續(xù)監(jiān)測等優(yōu)勢， 在各個領域應用廣泛[7～9]。為了提高H2O2電化學傳感器的檢測靈敏度， 通常對電極表面進行修飾， 以增大電極的有效面積， 促進電子傳遞， 提高電化學反應速率[10]。近年來， 各種功能性納米材料被用于制備修飾電極， 其中， 基于鉑的納米催化劑 （Pt基催化劑） 因具有導電性好、催化活性高和過電勢低等優(yōu)勢， 已被用于制備H2O2、乳酸、乙酰膽堿等電化學生物傳感器[6，11～13]?？紤]到Pt在地殼的豐度低且價格昂貴， 研究者一直致力于調(diào)控Pt基納米催化劑的組分、尺寸和拓撲形貌等參數(shù)， 以優(yōu)化催化劑與反應物的結(jié)合能和提高Pt原子在催化劑表面的占比， 最終提高Pt基納米催化劑的活性[11，14～16]。Lu等[17]制備了鈀鉑 （PdPt） 合金多孔納米棒。Hong等[18]制備的AuPt和AuPtCu納米線， 既通過合金效應改變了Pt的電子結(jié)構(gòu)以優(yōu)化其對反應物的結(jié)合力， 又利用多孔結(jié)構(gòu)提高了表面原子的暴露比和物質(zhì)傳遞速率; 同時， 該材料還具有一維金屬納米材料的高比表面積、良好導電性的優(yōu)點， 極大地提高了催化劑的活性。

與納米線和納米棒相比， 納米管具有更高的比表面積和物質(zhì)傳遞效率， 以及相對更高的催化活性[15，19]。天然煙草花葉病毒顆粒 （TMV） 由2130個衣殼蛋白分子圍繞單個RNA分子組裝形成長為300 nm、外徑為18 nm、內(nèi)徑為4 nm的納米管[20，21]。在本研究組的前期工作中， 利用TMV外表面豐富且均勻分布的氨基酸殘基， 在其外表面均勻地沉積了粒徑為（2.0±0.5） nm的Pt納米顆粒[22]。在此基礎上， 本研究以TMV 為模板， 聯(lián)合電置換反應 （Galvanic replacement reaction）合成了PdPt合金納米管 （TMV/PdPtNT）， 制備了H2O2電化學傳感器。首先將Pd晶體種子密集且均勻地沉積于TMV的外表面， 獲得TMV/Pd 種子 （圖1a）， 利用Pd種子自催化Pd前體離子 （[PdCl4]2-），? 在TMV外表面原位還原并增長。由于在TMV表面的Pd種子間距小， 持續(xù)增長的Pd金屬最終形成連續(xù)的Pd納米管 （TMV/PdNT） （圖1b）。然后， 采用Br-誘導電置換反應， 用[PtCl6]2-將部分的Pd原子置換成Pt原子， 制備了PdPt合金納米管 （TMV/PdPtNT） （圖1c）。此材料的各向異性結(jié)構(gòu)和管狀結(jié)構(gòu)將協(xié)同提高催化劑表面原子的占比和物質(zhì)傳遞效率。同時， Pd金屬的引入將優(yōu)化Pt金屬的電子結(jié)構(gòu)， 進一步提高金屬的催化活性及穩(wěn)定性， 最終提升了H2O2電化學傳感器的綜合性能。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

TECNAI F20 EM 透射電子顯微鏡 （美國 FEI公司）; CHI 660D 電化學工作站 （上海辰華公司）; L-80XP 超速離心機（美國貝克曼公司）; XL30-ESEM 掃描電子顯微鏡 （荷蘭飛利浦公司）; Xseries II 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀 （美國賽默飛公司）; RODI 超純水機 （中國銳思捷公司）。

六氯鉑酸（H2PtCl6）、H2O2、KH2PO4、Na2HPO4、NaCl和KBr（分析純， 國藥集團化學試劑有限公司）;? 四氯鈀酸鈉 （Na2PdCl4， 99%， 伊諾凱公司）; 聚苯乙烯磺酸鈉 （PSS）、聚二烯丙基二甲基氯化銨 （PDDA， 美國Sigma-Aldrich公司）; 硼氫化鈉 （NaBH4， 98%）、L-抗壞血酸 （分析純， 阿拉丁公司）; 聚乙烯吡咯烷酮K30 （PVP， 日本梯希愛公司）; 全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物乙醇溶液（Nafion， 5%， 美國Sigma-Aldrich公司）。絲網(wǎng)印刷電極 （SPE， Xenslet工作室）， 工作電極（WE）直徑為2.5 mm。 實驗用水為超純水。

2.2 PdPt合金納米管的合成

2.2.1 TMV/Pd種子的制備 將1.5 mL TMV （2 mg/mL） 和30 mg PSS 加入到8.0 mL Na2PdCl4 溶液 （6.3 mmol/L） 中， 室溫攪拌30 min。快速加入10.0 mL NaBH4溶液 （5 mmol/L）， 繼續(xù)攪拌1 h， 7500 r/min離心20 min， 沉淀用超純水離心洗滌3次。

2.2.2 TMV/PdNT的合成 將50 mg PVP、1 mL Na2PdCl4溶液 （10.0 mmol/L） 依次加入到10 mL TMV/Pd 種子溶液中 （Pd濃度為15.0 μg/mL），? 攪拌均勻。取0.8 mL抗壞血酸 （100 mmol/L） 快速加入到上述溶液中， 室溫下持續(xù)攪拌12 h， 500 r/min離心5 min， 沉淀用超純水離心洗滌3次。

2.2.3 TMV/PdPtNT的制備 將17 mg PVP、150 mg KBr和0.5 mL TMV/PdNT分散液 （17.6 mmol/L）加入到10 mL水中， 攪拌均勻， 加熱至 90℃。取2 mL不同濃度的H2PtCl6溶液加入到上述溶液中， 攪拌12 h，? 500 r/min離心5 min， 沉淀用超純水離心洗滌3次。

2.3 電化學傳感器的制備及電化學表征

SPE的WE和對電極 （CE） 均為碳電極， 參比電極 （RE） 為Ag/AgCl （飽和KCl溶液） 電極， WE的直徑為2.5 mm。將SPE插入0.5 mol/L H2SO4中， 在-0.25Symbol～A@1.5 V范圍內(nèi)， 用循環(huán)伏安法掃描100 次， 進行電化學清潔， 掃描速率為0.2 V/s， 然后用超純水沖洗干凈， N2氣吹干。吸取4.0 μL Pt/C或TMV/PtPdNT分散液 （Pt濃度為2.0 mg/mL） 滴在WE電極表面， 自然晾干。吸取2 μL 0.05%（w/w） Nafion乙醇溶液滴于WE電極表面， 自然晾干。

采用電化學工作站測試循環(huán)伏安曲線 （CV） 和計時電流響應。電化學活性比表面積 （ECSA） 由金屬納米材料表面在0.5 mol/L H2SO4溶液中CV曲線上氫的脫/吸附峰的積分面積確定， 掃描速度為50 mV/s。電化學傳感器對H2O2的響應在氮氣飽和的0.1 mol/L磷酸鹽緩沖液 （pH 7.4） 中測定。

3 結(jié)果與討論

3.1 TMV/PdPtNT的合成與表征

本研究以TMV為模板， 利用其表面的精氨酸殘基富集鈀前體離子 （[PdCl4]2-）， 加入還原劑NaBH4后， 將Pd納米顆粒沉積在TMV外表面而獲得TMV/Pd 種子。如圖2A所示， TMV擁有管狀一維結(jié)構(gòu)， 沉積Pd后所獲的TMV/Pd種子依然保持著TMV的一維結(jié)構(gòu) （圖 2B）。由于TMV具有均一的物理性質(zhì)和拓撲結(jié)構(gòu)， 以及均勻分布的精氨酸， Pd納米顆粒均勻地沉積在TMV的外表面， 大小為（2.7±0.6） nm（圖2C和2D）。

在增長液中， Pd納米顆?？勺源呋箟难?（AA） 還原[PdCl4]2-，生成Pd原子， 并誘導其在TMV表面增長成Pd納米管 （TMV/PdNT） （圖3A和3E）。然后， 采用Br-誘導的電置換反應， 用[PtCl6]2-置換Pd原子， 生成Pt原子， 并原位沉積在Pd納米管的表面， 最終形成管狀結(jié)構(gòu)的PdPt合金， 如圖3A～3H所示。由TMV/Pd70Pt30的高分辨透射電鏡圖 （HRTEM， 圖3I）可見， 其晶面間距為0.225 nm， 這與PdPt合金的晶面間距相符。為了確認Pd和Pt元素在TMV/Pd70Pt30納米管上的分布， 對其進行元素掃描分析， 如圖3J、3K和3L所示， TMV/Pd70Pt30NT均勻分布著Pd和Pt元素， 說明形成了PdPt合金。

3.2 電極的電化學活性

將不同的金屬納米材料修飾在SPE表面， 考察不同材料對H2O2的電化學催化活性。H2O2電化學氧化還原是在催化劑表面進行的， 因此，催化劑的比表面積是評價催化性能的重要參數(shù)。單層氫在金屬催化劑表面脫/吸附峰的總電荷量可由傳感器在0.5 mol/L H2SO4中CV曲線上-0.21～0.1 V之間的峰面積測得。參考文獻[23]中扣除雙電層充電電量后氫的脫/吸附電量210 μC/cm2， 可計算出電化學活性比表面積 （ECSA）。 PdPt合金納米管的ECSA隨著Pt含量的提高而增大， 其中TMV/Pd70Pt30最高 （80.8 m2/g）， 是TMV/PdNT的1.7倍， 與商業(yè)Pt/C相當 （圖4A）。結(jié)合圖3的TEM圖分析， 推測這是由于Pt原子置換TMV/PdNT的Pd原子后， 形成粗糙結(jié)構(gòu)， 導致電化學比表面積增加。

[FeCN6]3-/4-在傳感器表面進行的準可逆單電子氧化還原反應常被用于研究電極的電子傳遞速率[24，25]。由圖4B可見各電極的氧化峰和還原峰的電位差 （ΔEp）：空白SPE電極為477 mV， SPE/TMV/PdNT為163 mV， SPE/TMV/Pd95Pt5NT為97 mV，? SPE/TMV/Pd88Pt12NT為100 mV，? SPE/TMV/Pd70Pt30NT為93 mV， SPE/Pt/C為117 mV。上述結(jié)果表明， 修飾了金屬納米催化劑后的電極ΔEp遠小于空白SPE， 說明電極的電子傳遞速率得到了極大的提高。與Pt/C和其它納米管相比， SPE/TMV/Pd70Pt30NT的ΔEp最小， 表明SPE/TMV/Pd70Pt30NT具有較高的電子傳遞速率。

3.3 修飾電極對H2O2的催化還原

如圖5所示， 金屬催化劑修飾的SPE電極在電位0.1 V時出現(xiàn)H2O2的還原峰， 且電流值遠高于空白SPE。與其它納米管和商業(yè)Pt/C相比， TMV/Pd70Pt30NT具有較高的還原電流。因此， TMV/Pd70Pt30NT的一維結(jié)構(gòu)和雙金屬效應協(xié)同作用， 提高了其對H2O2的催化活性。同時發(fā)現(xiàn)， TMV/Pd70Pt30NT的CV曲線的還原峰電流與H2O2濃度呈良好的線性關(guān)系 （圖6A和6B）。考察了H2O2存在下， 不同降低， 還原峰的電流值減小 （圖6C）。還原峰電流 （I） 與掃描速度的平方根 （v1/2） 呈線性關(guān)系， 說明H2O2在SPE/TMV/Pd70Pt30NT表面的還原是擴散控制的不可逆過程 （圖6D）[10]。

3.4 電極對H2O2的計時電流響應

在工作電位分別為-0.3、-0.2、-0.1、0和0.1 V時， 考察了電極對H2O2計時電流響應和檢測靈敏度。結(jié)果表明， 在工作電位為-0.2 V時， SPE/TMV/Pd70Pt30NT的檢測靈敏度最高， 如圖7A所示。工作電位-0.2 V時， 對比了不同電極的靈敏度。金屬納米催化劑修飾的SPE電極的靈敏度遠高于空白SPE電極。TMV/PdPtNT修飾的電極中， SEP/TMV/Pd70Pt30NT的靈敏度最高， 且優(yōu)于SPE/TMV/Pt/C， 此結(jié)果與圖5的實驗結(jié)果相符， 同時也說明SEP/TMV/Pd70Pt30NT更適于H2O2的檢測 （圖7B）。

向N2飽和的磷酸鹽緩沖液中持續(xù)加入不同量的H2O2， 考察了SPE/TMV/Pd70Pt30NT對H2O2的檢測性能。如圖8A所示， 加入H2O2后， 電流可在5 s內(nèi)達到平衡。H2O2的濃度與電流值呈良好的線性關(guān)系， 線性范圍為8.8×10-7～1.0×10-3 mol/L， 檢出限 （LOD） 為2.0 × 10-7 mol/L （S/N=3） （圖8B）。與文獻報道的其它H2O2電化學傳感器相比， 本傳感器線性范圍和檢出限與文獻報道的傳感器相當或者更優(yōu)（表1）。在生理條件下檢測H2O2時， 常會存在其它電化學活性物質(zhì)的干擾。選擇常見的電化學活性物質(zhì)， 如葡萄糖 （Glu）、多巴胺（DA）和抗壞血酸 （AA） 等， 測試了SPE/TMV/Pd70Pt30NT對H2O2響應的選擇性。在加入H2O2后， SPE/TMV/Pd70Pt30NT的電流值迅速降低; 而加入Glu、DA和AA時， 電流值均未有明顯變化; 再次加入H2O2， 電流值則繼續(xù)降低， 說明SPE/TMV/Pd70Pt30NT對H2O2具有良好的選擇性（圖8C）。

4 結(jié) 論

利用TMV外表面均一的拓撲形貌和豐富且均勻分布的精氨酸殘基， 采用模板法和Br-誘導的電置換法， 合成了PdPt合金納米管 （TMV/PdPtNT）。TMV/Pd70Pt30NT的HRTEM和元素分布圖均驗證了Pd和Pt形成了合金結(jié)構(gòu)。TMV/Pd70Pt30NT的一維納米管狀結(jié)構(gòu)提高了Pt材料的電化學活性比表面積和導電性， 并與PdPt雙金屬效應協(xié)同， 提高了Pt催化劑對H2O2的催化活性。將此材料用于制備H2O2電化學傳感器 （SPE/TMV/Pd70Pt30NT） 并對其性能進行表征， 傳感器的檢測靈敏度達到493 A/（cm2 mol）， 高于以Pd納米管 （TMV/PdNT） 和商業(yè)Pt/C為催化劑的傳感器。另外， 此傳感器具有寬線性范圍（8.8 × 10-7～1.0 × 10-3 mol/L）和低檢出限（2.0 × 10-7 mol/L）， 以及良好的選擇性。

References

1 Dickinson B C， Chang C J. Nat. Chem. Biol.，? 2011， 7： 504-511

2 Hampton M B， Vick K A， Skoko J J， Neumann C A. Antioxid. Redox Sign.，? 2017，? 28（7）： 591-608

3 Christine C Winterbourn. Antioxid.Redox Sign.，? 2018，? 29（6）： 541-551

4 Wen F， Dong Y， Feng L， Wang S， Zhang S， Zhang X. Anal. Chem.，? 2011，? 83（4）： 1193-1196

5 Shi Q， Song Y， Zhu C， Yang H， Du D， Lin Y. ACS Appl. Mater. Interfaces，? 2015，? 7（43）： 24288-24295

6 Zhang Y， Bai X， Wang X， Shiu K K， Zhu Y， Jiang H. Anal. Chem.，? 2014，? 86（19）： 9459-9465

7 Guan H， Liu Y， Bai Z， Zhang J， Yuan S， Zhang B. Mater. Chem. Phys.，? 2018，? 213： 335-342

8 Zhang R， Chen W. Biosens. Bioelectron，? 2017，? 89（1）： 249-268

9 Xiao T， Wu F， Hao， Zhang M， Yu P， Mao L. Anal. Chem.，? 2017，? 89（1）： 300-313

10 Ju J， Chen W. Anal. Chem.，? 2015，? 87（3）： 1903-1910

11 Li H， Zhao H， He H， Shi L， Cai X， Lan M. Sens. Actuators B，? 2018，? 260： 174-182

12 Sardesai N P， Ganesana M， Karimi A， Leiter J C， Andreescu S. Anal. Chem.，? 2015，? 87（5）： 2996-3003

13 Kergoat L， Piro B， Simon D T， Pham M C， Nol V， Berggren M. Adv. Mater.，? 2014，? 26： 5658-5664

14 Lv H， Chen X， Xu D， Hu Y， Zheng H， Suib S L， Liu B. Appl. Catal. B，? 2018，? 238： 525-532

15 Liu H， Liu K， Zhong P， Qi J， Bian J， Fan Q， Ren K， Zheng H， Han L， Yin Y， Gao C. Chem. Mater.，? 2018，? 30（21）： 7744-7751

16 Zhang B W， Yang H L， Wang Y X， Dou S X， Liu H K. Adv. Energy Mater.，? 2018，? 8： 1703597

17 Lu Y， Jiang Y， Chen W. Nano Energy，? 2013，? 2（5）： 836-844

18 Hong W， Wang J， Wang E. Small，? 2014，? 10（16）： 3262-3265

19 Li Y， Niu X， Tang J， Lan M， Zhao M. Electrochim. Acta， 2014， 130： 1-8

20 Bruckman M A， Kaur G， Lee L A， Xie F， Sepulveda J， Breitenkamp R， Zhang X， Joralemon M， Russell T P， Emrick T， Wang Q. ChemBioChem，? 2008，? 9： 519-523

21 Zhao X， Chen L， Luckanagul J A， Zhang X， Lin Y， Wang Q. ChemBioChem，? 2015，? 16： 1279-1283

22 Guo J， Zhao X， Hu J， Lin Y， Wang Q. Mol. Pharmaceut.，? 2018，? 15（8）： 2946-2953

23 He J， Niu Z， Tangirala R， Wang J Y， Wei X， Kaur G， Wang Q， Jutz G， Bker A， Lee B， Pingali S V， Thiyagarajan P， Emrick T， Russell T P. Langmuir，? 2009，? 25（9）： 4979-4987

24 Yang X， Yang Q， Xu J， Lee C S. J. Mater. Chem.，? 2012，? 22： 8057-8062

25 Sawant T V， McKone J R. J. Phys. Chem. C，? 2019，? 123（1）： 144-152

26 Guo S， Wen D， Zhai Y， Dong S， Wang E. ACS Nano，? 2010，? 4（7）： 3959-3968

27 Liu W， Hiekel K， Hübner R， Sun H， Ferancova A， Sillanp M. Sens. Actuators B，? 2018，? 255（2）： 1325-1334

28 Wen Z， Ci S， Li J. J. Phys. Chem. C，? 2009，? 113（31）： 13482-13487

29 Xu F， Sun Y， Zhang Y， Shi Y， Wen Z， Li Z. Electrochem. Commun.，? 2011，? 13（10）： 1131-1134

30 Liu Y， Wang D， Xu L， Hou H， You T. Biosens. Bioelectron，? 2011，? 26（11）： 4585-4590

Synthesis of PdPt Nanotubes Using Biotemplate and

Their Application in Detection of H2O2

GUO Jia-Wang1，2， LIU Qin1，2， LI Da-Chao3， LIN Yuan， WANG Qian1，2，4

1（The State Key Laboratory of Polymer Physics and Chemistry，

Changchun Institute of Applied Chemistry， Chinese Academy of Sciences， Changchun 130022， China）

2（University of Science and Technology of China， Hefei 230026， China）

3（Tianjin University， Tianjin 300072， China）

4（Department of Chemistry and Biochemistry， University of South Carolina， Columbia， South Carolina 29208， USA）

Abstract Utilizing the well-defined topography and uniformly distributed arginine resides on tobacco mosaic virus （TMV） exterior surface， we demonstrated a combined strategy of the biotemplate- and bromide ion induced galvanic replacement method to synthesize one tubular dimension （1D） PdPt alloy. The 1D and tubular structure of TMV/Pd70Pt30NT resulted in the improvement of electrochemically active specific surface area （ECSA） and conductivity. These advantages and PdPt bimetallic electronic effects synergistically led to high electrochemical catalytic activity of TMV/Pd70Pt30NT toward H2O2. The modified screen-printed electrode modified by TMV/Pd70Pt30NT （SPE/TMV/Pd70Pt30NT） had high sensitivity （493 A/（cm2·mol））， which was higher than the SPE modified by Pd nanotube （TMV/PdNT） and commercial Pt/C. Additionally， the electrodes have wide linear detection range of 8.8 ×10-7-1.0 ×10-3 mol/L for detection of H2O2， with low detection limit of 2.0 × 10-7 mol/L（S/N=3）.

Keywords Tobacco mosaic virus; Platinum-palladium Alloy; Nanotube; Peroxide hydrogen; Electrochemical sensor