基于碳纳米管- 纳米二氧化锰增强的H2O2修饰电极中电化学分析检测方案(电化学工作站)

分析测试学报FENXICESHIXUEBAO (Joumal of Instrumental Analysis)Vol. 27 No.111203~1205第27卷第11期2008年11月 1204第27卷分析测试学报 基于碳纳米管-纳米二氧化锰增强的HO，修饰电极的研制 朱文远，李建平，胡存杰 (桂林工学院 材料与化学工程系，广西 桂林 541004) 摘 要：将碳纳米管(CNT)和纳米二氧化锰 (NanoMnO，)分散在壳聚糖(CHIT)溶液中，用涂敷法固定到玻碳电极表面，制成修饰电极。由于碳纳米管具有良好的电子传递性能，使纳米二氧化锰对 HO，的电催化活性明显提高，通过循环伏安法、计时电流法对传感器的性能进行了研究。在最佳测试条件下，该传感器对H，O，的线性范围为1.5×10-6~5.0 ×10’mol/L，检出限为4×10mol/L。用于实际样品的测定，结果满意。 关键词：碳纳米管；纳米二氧化锰；过氧化氢；传感器；壳聚糖 中图分类号：0657.15； TQ123.6 文献标识码：A 文章编号：1004-4957(2008)11-1203-04 A Hydrogen Peroxide Amperometric Bio sensor Based on MnO，Nanoparticles Enhanced by Carbon Nanotubes ZHU Wen-yuan， LIJian ping， HU Cun-jie (Department ofMaterials and Chemistry Engineering， Guilin University of Technology， Guilin 541004， China) Abstract A hydrogen peroxide amperometric biosensor was fabricated by immobilizing the compositeof carbon nanotubes and MnO， nanoparticles， which were dispersed in chito san solution， onto glassycarbon electrode surface W ith the introduction of carbon nanotubes(CNT)， the electrocatalytical ac-tivity ofMnO2 nanoparticles was improved for 10 times due to the excellent electron-transfer ability ofCNT The electrochemical characteristics of the biosensor were studied by cyclic voltammetric andchronoampemetric methodsThere was a linear relationship beween the oxidation currents and theconcentrations of hydrogen peroxide in the concentration range of 1.5 ×106-5.0 ×10mol/L withdetection limit of4 x10’mol/L. The method was used for detem ination of hydrogen peroxide in dis-infector sample with satisfactory result Key wo rds： carbon nanotubes； MnO， nanoparticles； hydrogen peroxide； biosensor，chito san HO，是过氧化酶参与的酶促反应产物，它的测定对食品、药物和环境分析等具有重要意义。目前，检测HO的方法有滴定法、化学发光法、色谱法、电化学法、分光光度法等，其中电化学法由于具有较高的灵敏度，良好的线性范围，快速而稳定的响应信号而被广泛研究 二氧化锰是一种分解HO，的良好催化剂， Schachl等18-9分别研究了MnO，粉末修饰玻碳电极和碳糊电极对HO的催化作用。近年来，纳米材料由于其独特的性质而得到越来越多的研究和应用。纳米二氧化锰比普通二氧化锰粉末具有更优越的催化性能，其纳米粒子的合成也有很多报道，但将其用于化学与生物传感器敏感材料的研究报道极少10]。碳纳米管(MWNTs)发现于1991年，其独特的理化性质使其在化学及生物传感器的研究方面得到广泛应用12-15]。目前国内外已有多篇有关MWNTs生物传感器的综述16-17。但 MWNTs对二氧化锰修饰电极增敏作用的研究未见报道。本文利用壳聚糖(CHIT)将碳纳米管、纳米二氧化锰混合包埋，制作了新型 HO传感器，并对传感器的性能进行了研究，发现MWNTs对二氧化锰的催化具有显著的增敏作用。 ( 收稿日期：2008-03-01；修回日期：2008-04-22 ) ( 基金项目：教育部科学研究重点资助项目(207087)；广西高校百名中青年学科带头人计划资助项目(桂教人[2005]64-15)；广西自然科学基金资助项目(0728214) ) ( 第一作者：朱文远(1979-)，男，河南商丘人，助教，硕士 ) ( 通讯作者：李建平， Tel： 0773-5896671， E-mail：likianp ing@263.net ) 实验部分 1.1 试剂与仪器 CHIT购自上海伯奥生物科技有限公司，其脱乙酰度为99%。30%(质量分数)HO，购自广州化学试剂厂。MWNTs购自深圳纳米港有限公司，纯度大于90%。其它试剂均为分析纯。1%(质量分数)的CHIT溶液用乙酸溶液配制，其余溶液用超纯水配制。 LK2005型电化学工作站(天津市兰力科化学电子高技术有限公司)，三电极系统：修饰电极为工作电极，铂丝为辅助电极，饱和甘汞为参比电极。 1.2 NanoMnO，的制备 称取 0.600g硝酸钾于200mL烧杯中，加入蒸馏水待其溶解后，再加入 24.200 g乙酸锰并用玻璃棒不断搅拌使其完全溶解，然后称取10.50g柠檬酸加入混合液中，不断搅拌至完全溶解后用蒸馏水稀释至100mL，用氨水调节 pH 5.5~6.6，然后倒入干净的培养皿中，在真空干燥箱中50~60℃脱水得到湿凝胶，并在100~110℃下进一步失水得到干凝胶，用玛瑙研钵将干凝胶研细转入瓷世埚中，于400℃马弗炉中灼烧24 h，取出，室温冷却后用玛瑙研钵研细即得到 NanoMnO，粉末样品。 1.3 修饰电极的制备 将玻碳电极(GC，中=3mm)依次在载有1.0、0.3、0.05 um AlO；颗粒的绒毛垫上抛光处理后，用超纯水冲洗干净，分别在 8 mol/L HNO、无水乙醇及超纯水中超声处理各2min， 自然晾干后备用。 MWNTs的纯化：将100mgMWNTs在 60mL 6.0 mol/L HCl溶液中超声4h，用水洗至 pH为近中性，过滤后干燥。 50mg壳聚糖溶解于10 mL乙酸溶液中(0.2mol/L)，配制成0.5%(质量分数，下同)的壳聚糖酸溶液。将4mgNanoMnO，和1mg纯化的 MWNTs加入到 2 mL 0.5%的壳聚糖酸溶液中，于超声波清洗器中超声20min， 即得到0.5 g/L分散均一的浅黑色壳聚糖酸溶液。用微量进样器移取10uL该溶液滴涂于玻碳电极表面，室温下晾干待测。 将制备的修饰电极与参比电极和对电极一起插入含有10mL磷酸盐缓冲液(PBS)的电解池中，以一定的扫描速率在-0.4~0.3V范围内循环扫描，得到循环伏安图。采用计时电流法对 HO进行电化学检测，将修饰电极插入一定的 PBS溶液中，采用三电极系统，极化电位为0.15V，在磁力搅拌下：待背景电流稳定后注入 HO溶液，记录其氧化电流。 2 结果与讨论 2.1 纳米粒子的透射电镜图 图1分别为 NanoMnO，和 MWNTs的透射电镜图。从图1A可见 NanoMnO，粒径约70~80nm，粒度相对比较集中，少数粒子发生团聚，呈胶体状；可见用上述方法成功合成了MnO，的纳米粒子。图1B为纯化后 MWNTs的透射电镜图，MWNTs均匀分散，长度约5~10um，直径约8~15 nm。 2.2 修饰电极的伏安特性 以修饰电极为工作电极，利用循环伏安法在-0.4~0.3V间进行扫描，扫速为0.1V/s。图2是修饰电极在0.1mol/L磷酸盐缓冲液(pH6.9)及在加有 0.2 mmol/L H0，体系中的循环伏安图。从图2可以看出，修饰电极对HO的氧化有很好的催化作用，MWNTs修饰电极的催化体系与空白体系电流之差▲I较无 MWNTs时提高约10倍。可能是由于多壁碳 图1 Nano-MnO，(A)和 MWNTs(B)的透射电镜图 Fig.1 TEM images of the Nano-MnO，(A) and the MWNTs(B) 图2 不同修饰电极的循环伏安图 Fig. 2 Cyclic voltamograms ofdifferent electrodes a. MnO，/CHIT/GCE； b. (a)+ 0.2 mmol/LH，Oz； c. MWNTS/MnO，/CHIT/GCE； d. ( (c)+ 0.2 mmo l /LHO， ) 纳米管具有独特的纳米中空结构、封闭的拓扑构型和大的比表面积，能将HO吸附在其表面，致使催化反应在 MWNTs的表面或管内发生。反应过程包括MnO，被 H0还原为低价态、低价锰被电氧化为MnO2个过程：MnOz+H02→MnO (orMnOs) +02+HO，Mno (orMnO3)-2e→MnO2，由于反应被限制在MWNTs的纳米尺寸范围内，加上MWNTs的吸附富集作用及优良的电子传递性能，极大地促进了 H，O，在电极表面的氧化。 2.3 实验条件的优化 2.3.1 缓冲液pH的影响 以 0.1 mol/L的磷酸盐缓冲液为介质，分别用NaOH和 HCl调节溶液pH值，在不同pH条件下(保持离子强度相近)，研究了修饰电极在 0.2 mmol/L HO溶液中峰电流与pH值的关系。结果表明，该修饰电极在pH6.9时峰电流最大。 2.3.2 壳聚糖浓度的影响 在NanoMnO，修饰量为2.0 g/L， H0，浓度 0.2 mmo1/L， pH 6.9的条件下考察了壳聚糖浓度对H0催化电流的影响。结果表明壳聚糖浓度太低或太高都会降低修饰电极对HO的电催化；浓度太高，粘度太大会导致修饰物分散不均匀；而过低的粘度又会减少对修饰物的固定，降低修饰电极的稳定性。实验选取0.5%的壳聚糖溶液作为分散剂。 2.3.3 Nano MnO，与MWNTs修饰量的影响 在上述优化条件下考察了 NanoMnO，修饰量对HO，催化电流的影响。实验表明：过氧化氢的氧化峰电流随 NanoMnO，修饰量的增加而逐渐增大，这是由于电极表面的活性点随 NanoMnO，修饰量的增加而增多，最终导致氧化峰电流的增加。当 NanoMnO，超过2.0g/L时，氧化峰电流则降低。这可能因为电极表面的膜增厚，阻碍了过氧化氢与电极间的电子交换所致。因此本实验选择 NanoMnO，修饰量为2.0 g/L。 固定其他实验条件，在分散液中分别加入不同量的 MWNTs获得相应的修饰电极，然后分别在0.2mmol/L H，O，中测定其循环伏安曲线。结果表明，MWNTs的最佳量为0.5g/L。 2.4 标准曲线 在最佳实验条件下，采用安培法记录加入H0后的电流-时间曲线，恒定电位为0.15V。结果表明，传感器对HO，响应迅速，可以在10s内达到最大响应电流值的95%，传感器对H0响应的线性范围为1.5×10~~5.0 ×10mol/L。根据 38/K，求得检出限为4×10mol/L。 2.5 稳定性与重复性 在相同实验条件下，修饰电极于0.2 mmol/L H0溶液中平行测定5次，测得相对标准偏差为2.0%。将该修饰电极在室温放置，每天测定4次，，77d后其响应电流变为原来的95%。同时制备5支电极，分别对0.2 mmol/L HO溶液进行测定，5支电极响应电流的相对标准偏差为5.5%，表明该H，O，传感器具有良好的稳定性和重复性。 2.6 千扰实验 对于 0.2mmol/L的 H202，误差为±5%范围内，下列物质(倍数)不干扰测定： NaC1(1 000)，NaNO，(100)，乙醇(60)，酒石酸、柠檬酸、谷氨酸(30)， Ca*、Mg*、Zn*、抗坏血酸、葡萄糖(20)；尿酸、多巴胺(10)基本不产生干扰。 2.7 样品分析 分析样品采用医用消毒水，氧化还原滴定法测得平均浓度为0.95 mol/L， 将样品稀释30倍后，在最佳实验条件下，以NanoMnO，/MWNTs/GC修饰电极为工作电极，采用安培法进行平行测定，3次结果分别为0.95、0.94、0.90 mol/L，均值为 0.93 mol/L，相对标准偏差为2.9%。 ( 参考文献： ) ( 11] 陈绪胄，李建平，俞建国.新型磁性纳米金修饰过氧化氢生物传感器的研制[J].分析测试学报，2008，27(4)： 396-400. ) ( 「21 麦智彬，谭学才，邹小勇.一种基于碳纳米管的安培型过氧化氢生物传感器[J].分析化学，2006，34(6)：62- 65. ) ( [3 高风仙，袁若，柴雅琴，等.基于聚硫堇和纳米金共修饰的过氧化氢生物传感器的研究[J].分析测试学报， 2007， 26(1)：81-84. ) (卖表 2) Samples Original wo/(ug.kg) wA/(ug·kg) Added ASA NPAA ROX Found Average RSD Found Average RSD Found Average RSD Pig kidney we/ (ug.kg) recovery R/% s./% W/ (ug.kg) recovery R/% s/% wp/ (ug.kg) recovery R/% s./% 500.0 493.9 2.9 462.6 4.2 470.0 3.9 ND 5.0 4.5 5.5 4.3 7.9 4.3 7.1 50.0 47.6 7.6 44.3 7.5 46.4 5.7 ND 500.0 489.7 5.8 465.5 7.3 488.7 3.5 Pigoffal 5.0 4.8 6.3 4.7 5.3 4.7 4.6 50.0 48.1 4.9 46.9 4.9 45.9 5.2 500.0 486.2 5.7 476.7 5.2 479.2 3.6 九ND： no detected ( 参考文献： ) ( [11 肖亚兵，韦玮，高健会，等.固相萃取高效液相色谱法对饲料中阿散酸、硝苯砷酸和洛克沙砷的同时测定[J]. 分析测试学报，200 8 ，27(9)：964-967. ) ( [21 AARON R R ， JOSEPH H A. . Sensitive method fo r the detem ination of roxarsone using solid-phase m icrextraction withmulti-detector gas chromatography[J ] . J Chromatog r A ， 2004，1057： 1 77-183. ) ( [31 PERGANTIS SA， CUL L EN W R， CHOW DT， et al Liquid ch r omatography and mass spectrom e try for the speci a tion ofarsenic animal feed additives[J ] . J Chromatogr A， 1997，7 6 4： 211 - 222. ) ( [41 PERGANTIS S A， W NNKW， BETOW SKID. Detem i n ation of ten organoarsenic compounds using microbore highperfommance liquid chromatography coup led with electro sp ray mass s pectrometry- mass spectrometry[J]. J AnalAt Spectrom， 1997，12：531-5 3 6. ) ( 5 JACKSON B P ， BE R TSCH PM. Detemm ination of arsenic spe c iation in p o ulty wastes by I -IC P -MS[J]. Environ Sci & Technol，2001，35(24)： 4 868-4873. ) ( 6 PERGANTIS SA ， HEITHMAR EM， HNNERSTA. S peciation of anmal f e ed additives by microbore high-perfomance liquid chromatography with inductively coup led plasma mas s spectrometry[ J ] . Analyst ， 1997， 122： 1 063-1068. ) ( (上接第1205页) ) ( 14 周庆美，谢青季.纳米金-壳聚糖-血红蛋白/普鲁士蓝/金电极检测过氧化氢[J].化学传感器，2008，28(1)： 30-34. ) ( 李建平，袁永海.磁性普鲁士蓝纳米颗粒的合成及其化学修饰电极的制作[J].化学学报，2006，64(3)：261-265. ) ( 56 ] 李建平，杨志宇，唐飞.纳米六氰合铁酸铜化学修饰丝网印刷电极对HO，电催化性能的研究[J].分析化学， 2006， 3 4(8)： 1141-1144. ) ( [7] 孙康，项永福.Nafion膜固定的麦尔多拉蓝为介体的过氧化氢、葡萄糖和乳糖生物传感器[J].分析测试学报， 2003，22(2)：43-47. ) ( [8] SCHACHL K， AL E MU H， KALCHER K， et al. Amperometric detemm ination of hydrogen peroxide with a manganese d i ox- idemodified c arbon paste e lectrode using flow injection analysis[J ] . Analyst ， 1997 ， 122：985- 9 89. ) ( [91 HOCEVAR SB， OGOREVC B， SCHAC H LK， et al. Glucose microbio sen sor based onMnO， and gl u cose oxidase modi-fied carbon fiber m icmelectrode[ J ]. Electroanal y sis， 2 004，16(20)：1 7 11 - 1716. ) ( 1101 YAO S h aojun， XU Junhui， WANG Ying， et al. A highly sensitive h y drogen p e roxide amperometric sensor based onMnOznanoparticles and dihexadecy l hydroge n pho sphate composi t e fim [ J ] . Anal Chi m Acta， 2006 ， 557( 1/ 2)：7 8 -84. ) ( 111 L I MA S. Helicalmicro-tubules of graphitic carbon[J]. Nature， 1991 ， 354： 5 6-58. ) ( 121 LIJianping， YU Qia o ling. Electrocatalytic oxidation of hydrogen peroxide and cysteine at a glassy carbon electrode modified with platinum nanoparticle-deposited carbon nanotubes[J]. A n al Sci， 2005，21(4 ) ：377- 3 81. ) ( 131 ] 蔡称心，陈静，陆天虹.碳纳米管修饰电极上葡萄糖氧化酶的直接电子转移[J].中国科学：B辑，2003，33 (6)： 5 11-518. ) ( 141 麦智彬，谭学才，邹小勇.基于碳纳米管的化学修修电极及电化学生物传感器的研究进展[J].分析测试学报， 2006，25(3)： 120- 1 25. ) ( 151 段连生，谢芬.多巴胺在碳纳米管粉末微电极上的伏安行为及分析应用[J].华中师范大学学报：自然科学版， 2008 ， 42(1)：68-72. ) ( 1161 Joseph Wang. C a rbonnanotube ba s ed el e ctrochem ical biosensors： A review [J]. E lectroanalysis， 2005， 17(1)：7-14 . ) ( [171 SUNL KA， MON IKA D， BANS I D M. Recent advance s in cholesterol biosensor[J]. B iosens Bioelection， 2 0 08，23 (7)：1083-1100. ) O China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http：//www.cnki.net