劉玉堂,王小見,劉承斌,唐艷紅

(1.湖南大學化學化工學院,湖南長沙 410082;2.湖南大學材料科學與工程學院,湖南長沙 410082)

殼聚糖金屬復合物修飾電極制備及其在過氧化氫電化學檢測中的應用*

劉玉堂1?,王小見1,劉承斌1,唐艷紅2

(1.湖南大學化學化工學院,湖南長沙 410082;2.湖南大學材料科學與工程學院,湖南長沙 410082)

原位制備了羧甲基殼聚糖/銅復合物修飾電極、羧甲基殼聚糖/銀復合物修飾電極和殼聚糖/聚苯胺/鈀復合物修飾電極,金屬粒子均勻分散于聚合物薄膜中.3種修飾電極對H2O2均表現(xiàn)出了良好的檢測性能,它們對H2O2的線性響應范圍依次為1.0μmol/L～10.0mmol/L,10 μmol/L～6.0mmol/L和10μmol/L～7.0mmol/L,相關系數(shù)依次為0.999 7,0.999 9和0.999 8,靈敏度依次為33μA?L?mmol-1?cm-2,37μA?L?mmol-1?cm-2和46μA?L?mmol-1?cm-2,檢測限依次為:1μmol/L,1 nmol/L和1μmol/L.

殼聚糖;原位制備;金屬粒子;修飾電極;H 2O2

殼聚糖分子結構中富含氨基與羥基,能與許多金屬離子形成穩(wěn)定的螯合物,可以在痕量分析中作為金屬離子的吸附劑用于富集待測組分[1-2].水溶性殼聚糖如羧甲基殼聚糖更加豐富了殼聚糖的官能團,可以吸附更多的金屬離子,進一步提高了殼聚糖基材料的性能及拓寬了材料的應用范圍[3-4]

金屬納米粒子比金屬本體表現(xiàn)出更高的催化活性,將其修飾到電極表面引起了電化學檢測領域的極大興趣[5-7],修飾電極的性能嚴重依賴于粒子的尺寸和密度,已經報道的修飾電極用金屬粒子都是用溶液法預先合成,修飾到電極表面后其尺寸和密度將難以再調控.

本文介紹了一種在電極表面直接制備金屬粒子的方法,即先在電極表面修飾一層羧甲基殼聚糖或殼聚糖/聚苯胺復合物薄膜,利用其豐富的官能團吸附金屬離子,最后還原金屬離子成金屬粒子.這種制備方法簡單,粒子分布均勻.雖然通過具有金屬配位能力的聚合物在溶液中作反應器合成金屬粒子的方法已有報道[8],但將聚合物反應器構建于電極表面直接合成金屬粒子用于傳感器的報道卻很少.

過氧化氫(H 2O2)是多種酶催化反應的產物,與生物過程密切相關,也是許多工業(yè)生產過程中一種重要的中間體,因此靈敏、高效地檢測H 2 O2在工業(yè)、制藥、生物、環(huán)境檢測及臨床控制等領域具有重要的意義[9].

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

相對分子質量6 000殼聚糖(浙江金殼生物化學有限公司,脫乙酰度95%,純度98%);苯胺(分析純,使用前減壓蒸餾兩次);氯化鈀(PdCl2,Sigma-A ldrich公司);1/15 mol/L磷酸鹽緩沖溶液(PBS, pH 6.98).其余試劑均為國產分析純,使用時未經進一步提純.水為二次蒸餾水.

CHI 660C電化學工作站(上海辰華儀器公司),電化學檢測采用三電極系統(tǒng):鉑片電極為對電極,飽和甘汞電極(SCE)為參比電極,修飾電極為工作電極;薄膜形貌用JEOL JSM-6700掃描電子顯微鏡(SEM)表征.

1.2 可溶性羧甲基殼聚糖的制備

圓底燒瓶中加入3.0 g殼聚糖、15.0 g氫氧化鈉、100m L含有異丙醇的水溶液(體積比,V異丙醇∶V水= 80∶20),于50℃條件下攪拌堿化1.5 h后移入冰水浴中冷卻,并緩慢滴加含有一氯乙酸的20 mL異丙醇溶液(0.75 g/m L,15 g),在室溫下繼續(xù)反應0.5 h,再將其移入55℃的油浴中繼續(xù)反應5 h,反應完全后加入200m L無水乙醇終止反應.反應產物用蒸餾水溶解,過濾,濾液用相對分子質量2 000的透析袋透析3 d,以除去無機小分子.溶液濃縮后進行冷凍干燥得羧甲基殼聚糖2.8 g(產率90.5%).

1.3 電極的預處理

玻碳電極(d=4 mm)分別用0.3μm和0.05 μm的A 12 O3糊拋光至鏡面,每次拋光后用蒸餾水沖洗干凈,再分別在0.1 m ol/L HNO3、無水乙醇、蒸餾水中超聲2min.金電極(d=2mm)采用同樣的方法處理,之后用piranha試劑(V濃硫酸∶V30%H 2O2 =7∶3)浸泡15 min,用二次水沖洗數(shù)次,再在0.5mol/L的酸中循環(huán)掃描(-0.2～1.6 V, 0.1 V/s)至出現(xiàn)穩(wěn)定的金特征峰.

1.4 修飾電極的制備

在0.01%的羧甲基殼聚糖溶液中,采用恒電位(-1.0 V,300 s)沉積方法在電極表面制備羧甲基殼聚糖薄膜.將羧甲基殼聚糖修飾電極浸入5.0 mmol/L的硫酸銅溶液或1%的硝酸銀溶液中吸附金屬離子10 min,用濾紙吸干電極表面殘留的液體,然后在電極表面滴加20μL 2.0 mmol/L水合肼溶液,室溫下放置10 min將金屬離子還原成零價金屬.用二次水沖洗電極數(shù)次以去除吸附不牢固的金屬粒子,分別得到羧甲基殼聚糖/銅復合物修飾的玻碳電極和羧甲基殼聚糖/銀復合物修飾的玻碳電極.

取200μL苯胺和0.5 m L 2%殼聚糖溶液,用0.5 mol/L的鹽酸配成10 m L的混合液,超聲30 min,使殼聚糖與苯胺混合均勻.將預處理過的金電極放入上述溶液中恒電位沉積(+0.9 V,200 s),用二次水沖洗以除去不牢固的附著物及單體,得到殼聚糖/聚苯胺復合物修飾的金電極.將該電極浸入1.0mmol/L的PdCl2溶液中吸附金屬離子10m in,用濾紙吸干電極表面殘留的液體,然后在電極表面滴加20μL 2.0 mmol/L水合肼溶液,室溫下放置10 min將鈀離子還原成零價鈀.用二次水沖洗電極數(shù)次以去除吸附不牢固的鈀粒子,得到殼聚糖/聚苯胺/鈀復合物修飾的金電極.

2 結果與討論

2.1 修飾電極的SEM表征

圖1(a)為羧甲基殼聚糖修飾電極的表面形貌,從圖1(a)中可以看出,電極表面形成一層致密的薄膜.薄膜中還存在不規(guī)則的碎片,該碎片可能為未完全溶解的羧甲基殼聚糖分子在電沉積過程中被夾帶到了電極表面所致.圖1(b)為該分子膜吸附銅離子并進行化學還原后的形貌,從圖1(b)中可以發(fā)現(xiàn),有大量的顆粒狀物質出現(xiàn),這些顆粒狀物質是還原后得到的銅納米顆粒.圖1(c)為分子膜吸附銀離子并進行化學還原后的形貌,可以清楚地看到銀納米粒子簇的形成.殼聚糖/聚苯胺復合物修飾電極的表面形貌如圖1(d)所示,電極表面形成一層多孔薄膜,圖1(e)顯示鈀粒子均勻分散于該復合薄膜中.這些SEM圖直接證明了金屬粒子在電極表面的原位生成及均勻分散.

2.2 修飾電極對H2O2的檢測性能

2.2.1 羧甲基殼聚糖/銅修飾電極

在優(yōu)化實驗參數(shù)下,羧甲基殼聚糖/銅修飾電極對不同濃度H2 O2的計時電流曲線及線性關系如圖2所示,圖中電位為-0.3 V,數(shù)字1～11依次代表濃度為1,2,3,5,10,20,50,100,200,500和1 000 μmol/L.從圖中可以看出,每滴加一次H2O2,還原電流迅速增大,并在10 s內達到穩(wěn)定,具有快的響應速度.電極的還原電流在1～10 mm ol/L的濃度范圍內呈現(xiàn)良好的線性關系.線性回歸方程為:i (μA)=-0.582-4.17[H2O2](mmo l/L),相關系數(shù)r=0.999 7(n=19),靈敏度為33μA?L?mmo l-1?cm-2,檢測下限為1μmol/L.

圖1 不同復合物電極表面電鏡圖Fig.1 SEM images of the different compositemodified electrode

2.2.2 羧甲基殼聚糖/銀修飾電極

圖3為羧甲基殼聚糖/銀修飾電極在優(yōu)化實驗參數(shù)條件下(掃描速度4mV/s,脈沖寬度0.2 s,脈沖幅度50 mV)對不同濃度的H2 O2的差分脈沖伏安曲線及相應的線性關系曲線,曲線1～14分別表示濃度:0,10,20,50,100,160,400,700,1 000, 2 000,3 000,4 000,5 000和6 000μmo l/L.從圖中可以看出,隨著H 2 O2濃度的增加,響應電流不斷增大.在10μm ol/L～6 mmol/L之間,該修飾電極的響應電流與H 2O2濃度呈現(xiàn)良好的線性關系.線性回歸方程為:i(μA)=-8.97-4.64[H2O2] (mmol/L),相關系數(shù)r=0.999 9(n=13),靈敏度為37μA?L?mm ol-1?cm-2.圖4為羧甲基殼聚糖/銀修飾電極連續(xù)兩次分別在PBS (1/15 mol/L,pH 6.98)中不加H2 O2(曲線1)及加入1 nmol/L H 2O2(曲線2)時的差分脈沖伏安法曲線,從中可以看出:與修飾電極在PBS中的曲線對比,電極對1 nm ol/L濃度的H2O2響應明顯,故該修飾電極對H 2O2的檢測下限至少可達1 nmol/L.

圖2 羧甲基殼聚糖/銅修飾電極對H2 O2的電流響應Fig.2 Current responses to H2 O2 for carboxymethyl chitosan/Cu com positemodified electrode

圖3 羧甲基殼聚糖/銀修飾電極對H2 O2的電流響應Fig.3 Current responses to H2 O2 for carboxymethyl chitosan/Ag compositemodified electrode

從相關系數(shù)及檢測限的數(shù)值可以看出,用差分脈沖伏安法獲得的線性方程的線性關系比計時電流法獲得的線性關系好,而且檢測限更低,這是因為差分脈沖伏安法背景干擾小,使靈敏度更高.

圖4 羧甲基殼聚糖/銀修飾電極在PBS中伏安曲線Fig.4 DPVs o f a carboxymethy l chitosan/Ag compositemodified electrode in PBS

2.2.3 殼聚糖/聚苯胺/鈀修飾電極

圖5為殼聚糖/聚苯胺/鈀修飾電極在含不同濃度H2O2的PBS(1/15 mol/L,pH 6.98)中的差分脈沖伏安曲線及其線性關系曲線,圖中掃描速度4m V/s,脈沖寬度0.2 s,脈沖幅度50mV,曲線1～14分別表示濃度:0,10,20,50,80,150,250,400, 550,1 000,2 000,3 000,5 000和7 000μmol/L.從圖中可以看出,隨著過氧化氫濃度的增加,響應電流不斷增大.修飾電極在H2O2濃度為10～7 000 μmol/L之間呈現(xiàn)良好的線性關系,線性回歸方程為:i(μA)=-2.33-1.44[H2O2](mm ol/L),相關系數(shù)r=0.999 8(n=13),靈敏度為46μA?L?mmol-1?cm-2.圖6為低濃度時的差分脈沖伏安曲線,曲線1～6分別對應1～6 m ol/L H2O2.從中可以看出,修飾電極對低濃度H 2 O2有很好的響應,在加入1μmol/LH 2O2時,電流增加明顯,因此該修飾電極對H2 O2的最低檢測濃度至少為1 μmol/L.

圖5 殼聚糖/聚苯胺/鈀修飾電極在PBS中伏安曲線和線性關系Fig.5 DPVs of a chitosan/po lyaniline/Pd compositemodified electrode in PBS and the corresponding calibration curve

圖6 殼聚糖/聚苯胺/銀修飾電極對低濃度H2 O2差分脈沖伏安曲線Fig.6 DPVs of the chitosan/po lyaniline/Pd composite modified electrode to low concentrations of H2 O2

3 結 論

研究了一種原位制備金屬粒子修飾電極的方法,制備了殼聚糖分別與銅、銀和鈀的金屬粒子復合物修飾電極,金屬離子在聚合物網狀結構中得到充分分散,而且金屬粒子的尺寸可通過復合膜金屬離子的含量來控制.該3種電極對H2 O2均表現(xiàn)出了很好的檢測性能.用該方法可構筑多種化學傳感電極,并可用于多種物質的檢測.

[1] KAWAM URA K,IGRASH IS,YOTSUYANAGI T.Acceleration effect of L-tryptofan on metal ion exchange reaction of cadm ium(II)with w ater soluble porphy rin-lead(Ⅱ)com plex and itsapplication to stopped-flow spectrophotometric determ ination of nM level of cadm ium(II)[J].Analytical Scien ces, 1988,4(3):175-179.

[2] GUIBAL E,VON N,V INCENT T,eta l.Sulfur derivatives of chitosan for palladium sorption[J].Reactive&Functional Polymers,2002,50(22):149-163.

[3] XIAO W S,HSUAN CW,YI L,et al.Chitosan fibers:versatile platform for nickel-mediated protein assembly[J].Biomacromolecules,2009,2(10):2534-2541.

[4] BA IZ P,NAKAM URA L,LIUTSU K.Voltammetric behavior of various anions at a chitin-containing carbon paste electrode[J].Analytical Sciences,1990,6(6):443-447.

[5] ALIVISATOS A P.Semiconductor clusters nanocrystals and quantum dots[J].Science,1996,271(16):933-937.

[6] JENA B K,RAJC R.Electrochem icalbiosensor based on integrated assemb ly of dehydrogenase enzymes and gold nanoparticles[J].Analytical Chemistry,2006,78(18):6332-6339.

[7] ZHANG F X.Layer-by-layer assemb led gold nanoparticle films on am ine-term inated substrates[J].Journal of Colloid and Interface Scien ce,2008,319(5):450-456.

[8] ZHANG M,DRECHSLER M,MüLLERA H E.Templatecontrolled synthesis of w ire-like cadm ium sulfide nanoparticle assemblies w ithin core-shell cylind rical polym er brushes[J]. Chem istry of Materials,2004,16(3):537-543.

[9] Y IN F,SHIN H K,KWON Y S.A hyd rogen peroxide biosensor based on langmuir-blodgett technique:direct electron transfer of hem og lobin in octadecy lam ine layer[J].Talanta, 2005,67(2):221-226.

Chitosanmetal Composite Modified Electrodes:Preparation and Their Application in the Electrochemical Detection of Hydrogen Peroxide

LIU Yu-tang1?,WANG Xiao-jian1,LIU Cheng-bin1,TANG Yan-hong2

(1.Co llege of Chemistry and Chem ica l Engineering,Hunan Univ,Changsha,Hunan 410082,China;
2.College of Materials Science and Engineering,H unan Univ,Changsha,H unan 410082,China)

Carboxymethy l chitosan/Cu composite,carboxymethy l chitosan/Ag composite and chitosan/polyaniline/Pd com positemodified electrodes were prepared through in situ electrodeposition.The resultantmetal particlesw ere uniform ly dispersed in the polymer film s.The three electrodes showed good analytic performances to H2 O2 w ith the linear H 2O2 concentration ranges of 1.0 mol/L～10.0 mmol/L, 10 mo l/L～6.0 mmol/L,10 mol/L～7.0 mmol/L,the related coefficients corresponding to 0.999 7, 0.999 9 and 0.999 8,the sensitivities corresponding to 33,37 and 46μA?L?mm ol-1?cm-2,and the detection limits corresponding to 1μmol/L,1 nmol/L and 1μmol/L,respectively.

Chitosan;in situ preparation;metal particles;modified electrode;H 2O2

Q657.1

A *

2010-10-09

湖南省自然科學基金資助項目(10JJ5051);湖南省科技計劃資助項目(2010WK 3033)

劉玉堂(1971-),男,湖北監(jiān)利人,湖南大學副研究員

?通訊聯(lián)系人,E-mail:liuyutang@126.com

1674-2974(2011)04-0057-04