基于空殼鈀和納米金修飾的過氧化氫無酶傳感器的研究

甘思文，齊駿飛，徐清浩，黃杉生

（上海師范大學生命與環境科學學院，上海 200234）

基于空殼鈀和納米金修飾的過氧化氫無酶傳感器的研究

甘思文，齊駿飛，徐清浩，黃杉生*

（上海師范大學生命與環境科學學院，上海 200234）

制備并表征了空殼鈀納米粒子，將空殼鈀納米粒子和金納米粒子修飾在玻碳電極（GC）表面，構建了新型的過氧化氫無酶傳感器.通過循環伏安等電化學方法研究了修飾電極的電化學特性，結果表明：Pd／AuNPs／GC對過氧化氫（H2O2）的電極反應具有催化作用，空殼鈀和納米金在催化過氧化氫還原過程中表現出了良好的協同作用.過氧化氫的濃度在2～216 μmol／L（R＝0.9993）范圍內，與修飾電極的電流之間呈現出良好的線性關系，檢測限為0.2 μmol／L（S／N＝3）.該傳感器具有較好的穩定性、重現性、抗干擾性.

空殼鈀；協同作用；修飾電極；過氧化氫

過氧化氫作為許多酶反應的中間產物［1］，在許多領域中起著非常重要的作用，如：化學、生物、臨床控制、環境保護等.因此，能夠快速而又準確地檢測過氧化氫的方法引起人們的廣泛關注.目前，用于檢測過氧化氫的分析方法很多，主要包括：滴定分析法、光譜分析法［2］、熒光分析法［3］以及電化學傳感器［4］等方法.其中，電化學檢測因為其操作簡單、高靈敏度和選擇性好等優點被廣泛應用于檢測過氧化氫.Dong［5］通過金納米粒子自組裝在三維的網狀基底上制備了辣根過氧化物酶傳感器；Wang等［6］制備了一種基于辣根過氧化物酶固定在金膠上修飾的ITO電極用于過氧化氫的檢測.然而，酶電極存在一些缺點，例如：酶只能在一定適宜的條件下才能夠有效的催化底物，當溫度、酸堿性等條件發生變化時，酶很有可能失去催化活性.研究制備簡單的無酶電化學傳感器用于檢測過氧化氫無疑具有重要意義.

金屬納米粒子，特別是新型的金屬納米粒子因為比表面積大［7］、電子的快速傳遞［8］和良好的催化性能［9］被廣泛用于傳感器的制備.迄今，已有文獻報道以金納米線［10］、多孔納米金粒子［11］、金納米椎體［12］、金納米管［13］和金納米粒子［14］等作為制備過氧化氫無酶傳感器的底物.本文作者研究了一種基于空殼鈀和納米金修飾的過氧化氫無酶傳感器，合成了空殼鈀納米粒子并且通過TEM進行了表征，采用循環伏安法和計時電流法對修飾電極的性能進行了考察和表征.空殼鈀和金納米粒子在催化過氧化氫的過程中表現出了良好的協同作用.該傳感器制備簡單且表現出了良好穩定性、重現性和選擇性.

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

電化學工作站(CHI760C，上海辰華儀器公司），透射電子顯微鏡(JEM- 2010，日本）.實驗中采用三電極體系，工作電極為修飾后的玻碳電極，參比電極為飽和甘汞電極(SCE），對電極為鉑電極.

氯化鈀(PdCl2）和季磷鹽(Bu4PBr）購于百靈威公司，殼聚糖(Chit）、氯金酸(HAuCl4·4H2O）和硼氫化鈉(NaBH4）購于上海試劑有限公司，其余試劑購于國藥集團.磷酸緩沖溶液(PBS）的濃度為0.1 mol／L、pH為7.2.所有的化學試劑均為分析純，實驗用水均為超純水.

1.2 修飾電極的制備

空殼鈀按文獻［15］所述方法制備.直徑為3 mm的玻碳電極依次用1.0、0.3和0.05μm的氧化鋁粉末拋光，然后依次用1∶1的硝酸溶液和超純水超聲洗凈，在1 mmol／L的鐵氰化鉀溶液中進行循環伏安掃描，至氧化還原峰峰間距約小于100 mV.電極經水淋洗后用氮氣吹干備用.在室溫條件下將干凈的裸玻碳電極置于鍍金液(1 mmol／L HAuCl4·4H2O和0.2 mol／L Na2SO4）中，控制電壓恒定為-0.2 V，電沉積時間為300 s.電沉積結束后，用超純水清洗電極表面并置于干燥器中室溫晾干備用，此電極標記為AuNPs／GC.取1 mg空殼鈀納米粒子分散于1 mL 0.5%的殼聚糖溶液中，混合液經超聲1 h處理，取6μL此混合液滴涂到修飾電極(AuNPs／GC）表面，放入干燥器中室溫晾干，得到修飾電極(Pd／AuNPs／GC）.

2 結果與討論

2.1 空殼鈀的形貌表征通過透射電鏡(TEM）表征了空殼鈀納米粒子的形貌(圖1）.由圖1中可以觀察到，實驗所制備的納米粒子是空殼結構，空殼鈀納米粒子的直徑在50～100 nm之間且分散程度良好.

圖1 空殼鈀納米粒子的TEM圖

2.2 修飾電極的電化學特性圖2為不同修飾層的電極在10 mmol／L K3［Fe(CN）6］／K4［Fe(CN）6］(1∶ 1，含0.1 mol／L的KCl）中的循環伏安曲線.由圖2可以觀察到，裸GC的峰電流約為104μA；當電極修飾了金納米粒子后，峰電流增加到187μA，說明作為一個微電子傳遞中心的納米金可以有效的增強電極傳遞電子的能力.當空殼鈀修飾到電極(AuNPs／GC）上后，峰電流增大至220μA，說明空殼鈀也有利于電子的傳遞.峰電流的變化證明了金納米粒子和空殼鈀成功的修飾了電極上.電極的有效表面積可根據如下公式計算：其中，Ip是峰電流的數值，A是工作電極的有效表面積(cm2），n是在反應過程中傳遞電子數，D是擴散系數｛(6.70±0.02）×10-6cm2·s-1｝，c是活性探針的濃度，v是掃速.由圖2結果顯示Pd／AuNPs／GC的有效表面積約為裸GC的1.6倍.通常，電極的有效表面積越大，表示有越多的活性物質覆蓋在電極表面，傳感器的靈敏度更高.

圖2 不同修飾層電極在中的循環伏安圖

2.3 修飾電極對過氧化氫的還原表征

實驗考察了裸GC(a），AuNPs／GC(b），Pd／GC(c）和Pd／AuNPs／GC(d）在0.1 mol／L PBS(pH＝7.2）中是否含有H2O2時的循環伏安特性(圖3）.當底液中不含H2O2時，在裸GC和AuNPs／GC上只能觀察到背景電流，而在Pd／GC和Pd／AuNPs／GC上觀察到1對氧化還原峰，峰電位分別是-0.018 V和-0.319 V.因為在底液中不存在其他具有氧化還原特性的物質，所以這一對氧化還原峰歸因于空殼鈀在電極上發生的氧化還原反應.當H2O2加入到底液中后，可以看到在AuNPs／GC，Pd／GC和Pd／AuNPs／GC上出現了明顯的響應電流(圖3曲線b和c），即金納米粒子和空殼鈀均可以對H2O2產生明顯的催化作用.相比AuNPs／GC和Pd／GC，Pd／AuNPs／GC對H2O2的催化電流明顯的增大2～3倍，且能夠在更正的電位下產生催化作用.這一現象是歸功于空殼鈀納米粒子和金納米粒子在催化H2O2的電極反應過程中能夠產生良好的協同作用.且隨著H2O2濃度的不斷增大，產生的還原電流隨之增大，峰電位約為-0.3 V，響應電流和濃度呈現良好的線性關系(圖4）.

圖3 H2O2在不同修飾電極上反應的循環伏安圖

圖4 H2O2在Pd／AuNPs／GC上的響應

2.4 實驗條件的優化

實驗探討了金納米粒子電沉積時間對響應電流的影響.電沉積時間在0 s～300 s之間時，響應電流隨著電沉積時間的增加而增大，在電沉積時間為300 s時響應電流達到最大值，當電沉積時間超過300 s時，響應電流隨著電沉積時間的增加反而減小.出現這一實驗現象的原因可能是因為開始時隨著電沉積時間的增加，電極表面的活性位點會不斷增多，響應電流隨之增大；但是，當電沉積時間過長時，則會形成較大形貌的金納米粒子，從而導致活性位點的減小，所以響應電流也會隨之減小，為此，實驗選擇300 s作為金納米粒子的電沉積時間.工作電位也是影響傳感器響應電流大小的一個重要因素，在-0.2～-0.6 V之間，修飾電極均可以對過氧化氫產生催化還原作用.在-0.3 V時，響應電流和過氧化氫的濃度之間呈現良好的線性相關性.當電位低于-0.3 V時，響應電流較小；當電位高于-0.3 V時，響應電流和過氧化氫的濃度之間的線性關系降低，且在較高的電位下會有較多的物質對測定產生干擾.綜上所述，實驗中選擇-0.3 V作為最優的工作電位.

2.5 修飾電極Pd／AuNPs／GC對過氧化氫的計時電流響應

圖5A為在0.1 mol·L-1PBS(pH＝7.2）底液中連續加入H2O2時，Pd／AuNPs／GC的計時電流響應圖，工作電位是-0.3 V.從圖5可以看到，當H2O2加入到底液后，電極在不到2 s的時間內響應電流達到最大值.修飾電極的快速響應歸功于空殼鈀的空殼結構能夠充分與過氧化氫接觸.圖5內插圖為相應的線性校準曲線，在H2O2濃度在2～216μmol／L范圍內，響應電流和H2O2濃度之間呈良好的線性關系.線性相關方程是：I＝6.83＋0.144c，線性相關系數為0. 9993，檢測限是0.2μmol／L(3倍信噪比）.結果顯示，該傳感器的性能良好，具備較低的檢測限和較寬的線性范圍.

2.6 修飾電極的抗干擾性，穩定性和重現性

實驗考察了該修飾電極測定H2O2時對常見電活性的物質的抗干擾性.固定過氧化氫的濃度為2μmol／L，采用計時電流響應的方法，分別向底液(0.1 mol／L PBS，pH＝7.2）中加入1 mmol／L的尿酸、抗壞血酸、葡萄糖和乙醇，測定其電流響應(圖6）.從圖6可見，這些物質基本不產生干擾，說明傳感器的選擇性良好.

在含100μmol／L H2O2的10 mL 0.1 mol／L PBS(pH＝7.2）的溶液中，連續測定7次，得到相對標準偏差(RSD）為6.4%；用3支不同的修飾電極分別檢測相同濃度的H2O2，每支電極測3次，相對標準偏差(RSD）為4.4%，說明該傳感器有較好的重現性.當該傳感器不用時，置于4℃的PBS(pH＝7.2）溶液中保存.1周后，該傳感器響應電流為初始的94.9%，1個月后響應電流為原來的91.1%，說明此電極具有良好的穩定性.

圖5 H2O2在Pd／AuNPs／GC上的計時電流響應圖

圖6 修飾電極的抗干擾性

2.7 實際樣品及回收率的測定

取市售的醫用雙氧水作為實際樣品，首先對其進行稀釋，測定其過氧化氫含量.然后取3份醫用雙氧水稀釋液，分別向3份實際樣品中加入100μmol／L過氧化氫標準溶液，進行回收率的測定.結果列于表 1，回收率為96%～102.6%.說明該過氧化氫無酶傳感器有一定的實際應用價值.

表1 樣品的檢測(n＝3）

3 結 論

基于空殼鈀和納米金修飾的過氧化氫無酶傳感器，Pd／AuNPs／GC，修飾方法簡單，響應速度快.該傳感器對H2O2響應具備較寬的線性范圍，較低的檢測限和較好的選擇性，具有實際應用價值.

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Study of nonenzymatic H2O2sensor based on hollow palladium and Gold nanoparticlesmodified electrode

GAN Siwen，QIJunfei，XU Qinghao，HUANG shansheng*
(College of Life and Environment Sciences，Shanghai Normal University，Shanghai 200234，China）

A novel nonenzymatic amperometric sensor based on hollow palladium and gold nanoparticles for detection of hydrogen peroxide(H2O2）was developed.Themodified electrodewas prepared by electrodepositing gold nanoparticles(AuNPs）and then modifying the surface of the Au-glassy carbon electrode with hollow palladium.The electrochemical characteristics of the mochifed electrode(Pd／AuNPs／GC）were investigated by cyclic voltammetry.The results showed that Pd／AuNPs／GC displayed high electrocatalytic activity towards the reduction of H2O2due to the good synergetic effectof hollow Pd and AuNPs on the reaction of H2O2.The responding currents of the Pd／AuNPs／GC increased linearly with the concentration of H2O2in a wide range of 2-216μmol／L(R＝0.9993）with a detection limit down to 0.2μmol／L(S／N＝3）.The sensor also exhibited good anti-interference ability to electroactivemolecules，including uric acid，ascorbic acid，glucose，and ethanol.

hollow palladium；synergetic effect；chemicallymodified electrode；hydrogen peroxide

O 657.1

A

1000-5137(2013）02-0161-05

（責任編輯：郁 慧）

2013-01-29

國家自然科學基金(21275100）

甘思文(1987-），女，上海師范大學生命與環境科學學院碩士研究生；黃杉生(1952-），男，上海師范大學生命與環境科學學院教授.

*通信作者