一種新的過氧化氫電化學(xué)傳感器的制備方法

一種新的過氧化氫電化學(xué)傳感器的制備方法

1檢測低殘留過氧化氫的方法,提高食品的靈敏度和檢測限亞硝酸鹽是一種非常重要的食品加工添加劑。世界各國非常重視其生產(chǎn)和用途的開發(fā)。過氧化氫具有高效殺菌、氧化漂白的作用和易分解、低殘留的特點(diǎn),因此很多食品生產(chǎn)企業(yè)都通過添加過氧化氫來殺滅食品、包裝材料及食品機(jī)械設(shè)備中的微生物并分解其它殘留在機(jī)械設(shè)備中的食品原料。但殘留的過氫化氫進(jìn)入人體后副作用極大,它能直接刺激粘膜組織,若超量使用,還會大范圍地?fù)p害人體細(xì)胞,并且通過化學(xué)反應(yīng)釋放活性氧自由基導(dǎo)致人體細(xì)胞癌變,加速人體的衰老或誘發(fā)心血管疾病等。由于過氧化氫在經(jīng)過一系列的食品加工過程后(如高溫加熱),殘留量一般較低,因而急需發(fā)展靈敏的檢測低殘留過氧化氫的方法,確保食品中過氧化氫使用不超標(biāo),保證其對消費(fèi)者的健康不會造成任何危害。目前檢測低含量過氧化氫的方法主要有化學(xué)發(fā)光法、熒光法、分光光度法[3和電化學(xué)分析法等。電化學(xué)方法由于所需儀器簡單,靈敏、快速而受到廣泛重視。許多文獻(xiàn)報(bào)道采用辣根過氧化物酶修飾的電化學(xué)生物傳感器測定過氧化氫,但通常酶電極的制備過程復(fù)雜,且酶作為具有活性的生物大分子,對外界條件的變化比較敏感,容易失活變性,影響傳感器的壽命和測定結(jié)果的準(zhǔn)確性,因此使實(shí)際應(yīng)用受到一定的限制。發(fā)展無酶H2O2傳感器是重要的研究方向之一。張書圣等基于偶氮化反應(yīng)構(gòu)筑了無酶無試劑型過氧化氫傳感器。Guo等合成了超長的磁性MnOOH納米線并用其構(gòu)建無酶的過氧化氫傳感器。石墨烯(graphene)是碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀(honeycomb)晶格結(jié)構(gòu)的一種炭質(zhì)新材料,石墨晶體薄膜的厚度只有0.335nm,具有極大的比表面積和優(yōu)異光學(xué)、電學(xué)、熱穩(wěn)定性,因而可以提高傳感器的靈敏度和響應(yīng)電流,縮短響應(yīng)時(shí)間,提高檢出限。而金屬-石墨烯復(fù)合材料具有比石墨烯材料更優(yōu)異的催化性能,Chao等將貴金屬(Pt、Pd、Au)前驅(qū)物的水溶液和乙二醇加入到超聲后的氧化石墨烯水溶液中,制備了石墨烯∕金屬納米粒子復(fù)合材料。本文采用本實(shí)驗(yàn)室合成的氧化石墨烯(GO)修飾電極,然后通過電沉積法在氧化石墨烯上沉積Pt納米顆粒制得復(fù)合材料。利用其對過氧化氫的直接催化還原作用,研制了無酶過氧化氫傳感器,實(shí)現(xiàn)對過氧化氫的靈敏測定。該方法簡便、快速,電極使用壽命長,在食品工業(yè)上具有很好的實(shí)用價(jià)值。2實(shí)驗(yàn)部分2.1實(shí)驗(yàn)電極和試劑電化學(xué)實(shí)驗(yàn)在CHI660D電化學(xué)工作站(中國上海辰華儀器有限公司)上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)中采用三電極體系,其中工作電極為鉑納米顆粒/石墨烯修飾的玻碳電極;參比電極為飽和甘汞電極;對電極為鉑絲電極。所有電化學(xué)實(shí)驗(yàn)都在磷酸鹽緩沖溶液(pH7.0)中進(jìn)行(室溫),所有電位相對于飽和甘汞電極。氯鉑酸(H2PtCl66H2O,AR)購于昆明鉑銳金屬材料有限公司(昆明);H2O2(30.00%v/v水溶液)購于天津市大茂化學(xué)試劑廠(天津);石墨粉購于天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司(天津)。用磷酸二氫鈉和磷酸氫二鈉配制0.01mol/L磷酸鹽緩沖溶液(PB,pH7.0)為測定的支持電解質(zhì)溶液。硼氫化鈉(NaBH496%)購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。其余化學(xué)試劑均為分析純,水為二次蒸餾水。2.2電化學(xué)沉積xrd將玻碳電極(φ=3mm)在金相砂紙上仔細(xì)打磨,接著用Al2O3懸濁液將電極表面拋光成鏡面,再將電極依次放入(1:1)HNO3、CH3CH2OH及二次蒸餾水中各超聲5min,晾干。將5μL本實(shí)驗(yàn)室前期合成的氧化石墨烯分散液涂覆在預(yù)處理好的電極上,過夜。用二次蒸餾水清洗,晾干。將此電極置于含有0.1MHClO4的H2PtCl6溶液(1%w/w)中進(jìn)行電沉積,電位設(shè)定為-0.40V.半小時(shí)后,停止電沉積。實(shí)驗(yàn)中,對照電極為普通鉑電極(直徑2mm)。電極不用時(shí),室溫保存。2.3工作電極系統(tǒng)取10mLPB緩沖溶液(pH7.0)于燒杯中,連接三電極系統(tǒng),工作電極為鉑納米顆粒/氧化石墨烯修飾的電極(PtNPs/GO/GC),待基線電流平穩(wěn)后,加入一定量的H2O2,記錄響應(yīng)電流值。3結(jié)果與討論3.1掃描速度tki對傳感器響應(yīng)電流的影響圖1為PtNPs/GO/GC電極在-0.4V到+0.6V之間,掃描速度為0.1Vs-1下的循環(huán)伏安行為。在10mL0.01mol/L的PB緩沖溶液中(pH7.0),當(dāng)未加入H2O2時(shí),電流較小。當(dāng)含有1.0mmol/LH2O2時(shí),其還原峰電流急劇增加,證實(shí)了復(fù)合材料對過氧化氫的還原有催化作用。實(shí)驗(yàn)中考察了掃描速度對傳感器響應(yīng)電流的影響,當(dāng)掃描速度從20增加到100mVs-1時(shí),PtNPs/GO/GC電極在含有1.0mmol/LH2O2的緩沖溶液(pH為7.0)中的循環(huán)伏安行為如圖2。還原峰電流隨著掃描速度的增大而增加。同時(shí)為了進(jìn)一步考察電流的特性,將峰電流對掃描速度的平方根作圖得一直線(見內(nèi)置圖),說明此電流受擴(kuò)散控制。3.2測量條件的選擇3.2.1影響工作場所的影響從圖3可以看出,隨著工作電位的減小,響應(yīng)電流逐漸增大。為避免更負(fù)電位下易還原物質(zhì)的干擾,本實(shí)驗(yàn)中采用-0.10V作為工作電位。3.2.2ph值對s/go/gc電極響應(yīng)的影響為了考察pH值對傳感器響應(yīng)電流的影響,測定了PtNPs/GO/GC電極在pH值范圍為5.96到8.04的響應(yīng)電流,從圖4可發(fā)現(xiàn),電極對H2O2的響應(yīng)在pH為7.0時(shí)最大。因此本文其它實(shí)驗(yàn)選擇在pH為7.0下條件下進(jìn)行。3.3ptnps/go/gc電極對過氧化氫酶活性的影響鉑是一種廣泛用于檢測過氧化氫的電極材料。圖5是在-0.1V電位下,普通鉑電極(a)、PtNPs/GC電極(b)和PtNPs/GO/GC電極(c)對持續(xù)加入0.01mmol/LH2O2的計(jì)時(shí)電流響應(yīng)圖。從圖中可以看到,PtNPs/GO/GC電極比普通鉑電極的靈敏度高10倍。而沒有石墨烯只有鉑納米顆粒修飾的電極(PtNPs/GC電極)線性范圍和穩(wěn)定性都不及PtNPs/GO/GC電極,說明鉑納米顆粒和石墨烯有協(xié)同催化效應(yīng),復(fù)合材料具有良好的電催化活性。PtNPs/GO/GC電極的響應(yīng)信號在5s內(nèi)可達(dá)到穩(wěn)定。圖6是PtNPs/GO/GC電極對過氧化氫響應(yīng)的工作曲線。從圖中看出,傳感器在4.00×10-5mol/L～6.11×10-3mol/L范圍內(nèi)有良好的線性關(guān)系。檢測下限為1.2×10-5mol/L.線性方程為:i=0.564+0.111C,i表示電流(10-4A),C表示濃度(mmol/L).相關(guān)系數(shù)為0.9722.3.4ptnps/go/gc電極的響應(yīng)實(shí)際樣品中的電活性物質(zhì)常常對過氧化氫的準(zhǔn)確測定產(chǎn)生影響。本實(shí)驗(yàn)中,在所選擇的測定條件下,測定了酒石酸、草酸、抗壞血酸、水楊酸、丙氨酸、檸檬酸、葡萄糖、谷氨酸等物質(zhì)對PtNPs/GO/GC電極的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些物質(zhì)對過氧化氫傳感器的響應(yīng)電流都沒有明顯干擾。3.5傳感器的壽命電極對過氧化氫的測定有很好的重現(xiàn)性,連續(xù)對1.0mmol/L的H2O2溶液測定5次,其R.S.D值為4.02%.電極在65d后測定1.0mmol/L的H2O2仍能保持原來響應(yīng)的98.7%.由于電極上不需要修飾辣根過氧化物酶,因此,電極的壽命明顯優(yōu)于基于辣根過氧化物酶的生物傳感器。電極不用時(shí),在室溫下放置保存。4高效電極傳感器本文利用氧化石墨烯修飾電極并采用電沉積法制備了氧化石墨烯/鉑納米顆粒復(fù)合材料,研制了直接測定過氧化氫的無酶電化學(xué)傳感器。電極的響應(yīng)性