基于聚苯乙烯磺酸鈉功能化石墨烯修飾電極的無酶h

羥基（b2o）是許多生物酶加速反應的副產品。在工業(yè)、生物、臨床、環(huán)境和食品分析中，對含量的精確、快速測量具有重要意義。檢測H2O2的方法包括滴定法、熒光光譜法、分光光度法、化學發(fā)光法和電化學法等。其中的辣根過氧化物酶電化學生物傳感器以其簡單、快速、靈敏、專一性強等特點而受到了人們的重視。然而,酶電極中的酶受外界環(huán)境如溫度、濕度等的影響較大,不穩(wěn)定且易失活,直接影響著傳感器的壽命和測定結果的準確性,在一定程度上制約了酶電極的使用。因此,構建性能優(yōu)越的無酶H2O2生物傳感器具有重要的現(xiàn)實意義。導電聚合物由于具有優(yōu)良的導電性、較高的比表面積、易于制備和良好的生物相容性等特點近年來被廣泛用于電化學生物傳感器制備。在眾多的導電聚合物中,聚-3,4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)以其良好的環(huán)境穩(wěn)定性、結構和性質可調等特點而備受關注。石墨烯(Graphene)發(fā)現(xiàn)于2004年,其獨特的物理化學性質使其在電化學生物傳感研究領域得到廣泛應用。目前,已有多篇文獻報道了石墨烯和導電聚合物構成的納米復合材料用于制備電化學生物傳感器。如Feng等采用一步電化學合成法制備了石墨烯/聚苯胺復合材料膜,并以此復合膜固定辣根過氧化物酶構建了一種性能優(yōu)良的H2O2生物傳感器。然而,這些研究中所涉及的導電聚合物均為聚苯胺,有關PEDOT與石墨烯組成的復合材料在H2O2檢測方面的應用研究尚未見文獻報道。此外,Pt具有優(yōu)越的催化特性,通過電沉積方法得到的Pt納米顆粒可顯著降低H2O2的過電位,增強其與電極之間的電子傳遞速率。本文結合石墨烯、PEDOT和Pt納米顆粒的優(yōu)勢,首先以聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)功能化的石墨烯為載體原位聚合PEDOT制備PEDOT/PSS-Graphene復合材料,隨后采用殼聚糖將該復合材料修飾于玻碳電極(GCE)表面制得PEDOT/PSS-Graphene/GCE電極,并在此基礎上電沉積負載Pt納米顆粒構建了一種新的Pt/PEDOT/PSS-Graphene/GCE無酶H2O2生物傳感器。利用掃描電子顯微鏡(SEM)對制得的修飾電極進行表征,通過電化學循環(huán)伏安和計時電流法研究了該傳感器對H2O2的響應性能,并優(yōu)化了傳感器的制備和分析條件。結果表明,我們制備的傳感器對H2O2具有良好的電催化性能,表現(xiàn)出線性范圍寬、檢出限低、響應快速以及重現(xiàn)性、穩(wěn)定性和選擇性良好等優(yōu)點。1實驗部分1.1化學試劑及試劑石墨烯(Graphene,北京大學化學與分子工程學院施祖進教授提供)由直流電弧法制得,純度大于99.9%;3,4-乙烯二氧噻吩(EDOT)、聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)、殼聚糖(Sigma-Aldrich);30%過氧化氫(H2O2)、H2PtCl6·6H2O、葡萄糖、尿酸(UA)、抗壞血酸(AA)(國藥集團化學試劑有限公司);無水C2H5OH、H2SO4、FeCl3·6H2O、NaH2PO4·2H2O、Na2HPO4·12H2O(廣東西隴化工有限公司);冰乙酸(天津基準化學試劑有限公司);L-酪氨酸(C9H11NO,L-Tyr)(中國醫(yī)藥上海化學試劑公司,生物試劑);實驗用水均為三次蒸餾水,所用試劑均為分析純,未進一步純化。PAR273A型恒電位儀/恒電流儀(美國EG&G公司)、KQ5200B型超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)、DZF-6020型真空干燥箱(上海精宏實驗設備有限公司)、H01-1C型恒溫磁力攪拌器(上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司)、Quanta200型場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡(SEM,荷蘭Philips-FEI公司),該電鏡配備有EDX系統(tǒng)。1.2peit/pss-ghhen復合材料的制備稱取20mg石墨烯加入到20mL1mg/mL的PSS溶液中,超聲分散30min后,加入EDOT200μL,然后在攪拌下逐滴加入10mL14mmol/LFeCl3溶液,繼續(xù)攪拌反應12h后,離心分離所制備的墨綠色漿液,并分別用無水乙醇和三次蒸餾水反復洗滌多次至洗滌液無色,收集固體,75℃下真空干燥12h即制得PEDOT/PSS-Graphene復合材料。1.3peit/pss-ghhen/gce電極的制備修飾電極基底為玻碳電極(GCE,Φ=5mm),使用前分別用5.0μm、1.0μm、0.3μmAl2O3研磨粉研磨拋光,并用無水乙醇和三次蒸餾水超聲清洗后備用。稱取250mg殼聚糖加入到50mL0.1mol/L的乙酸溶液中,60℃下磁力攪拌2h,制得0.5wt%的殼聚糖溶液。稱取5mgPEDOT/PSS-Graphene復合材料加入到1mL上述殼聚糖溶液中,超聲分散10min后移取10μL懸液滴涂于GCE表面,室溫干燥后得到PEDOT/PSS-Graphene/GCE電極。然后,將PEDOT/PSS-Graphene/GCE電極置于5mmol/LH2PtCl6溶液中,控制-0.25V下恒電位沉積600s,即可制得Pt/PEDOT/PSS-Graphene/GCE修飾電極。為進行比較還采用上述方法分別制備了PSS-Graphene/GCE、PEDOT/PSS-Graphene/GCE、Pt/PSS-Graphene/GCE和Pt/GCE電極。1.4電化學測量和溶解電化學實驗采用三電極體系,工作電極為所制備的修飾電極,參比電極為飽和甘汞電極(SCE),對電極為鉑片電極。以0.05mol/LNa2HPO4-NaH2PO4緩沖溶液(PBS,pH=8.0)為支持電解質,加入不同量的H2O2制得電解液,電化學測量前先向電解液中通10min氮氣以消除溶液中溶解氧的影響。進行循環(huán)伏安測試時,電位掃描速率為100mV/s。計時電流法測量在-0.45V下進行。所有測試于室溫25℃下進行,本文所述電位均相對于SCE。2結果與討論2.1功能化的石墨烯修飾膜的表征圖1分別給出PSS-Graphene/GCE、PEDOT/PSS-Graphene/GCE、Pt/PSS-Graphene/GCE、Pt/PEDOT/PSS-Graphene/GCE和Pt/GCE電極的SEM圖以及Pt/PEDOT/PSS-Graphene/GCE電極的EDX能譜圖。從圖1(a)中可以看出,PSS功能化的石墨烯由于殼聚糖的固定在電極表面形成了粗糙的三維多孔結構。聚合PEDOT后,修飾膜中的石墨烯仍呈現(xiàn)典型的折疊和褶皺形態(tài)(圖1(b)),這說明對石墨烯的功能化不會破壞其原有的形態(tài)和結構。當圖1(a)和1(b)中的兩電極上進一步電沉積Pt納米顆粒后(圖1(c)和1(d)),表面上均形成了一些大小和形態(tài)不均一的球形結構,EDX分析證實它們都含有Pt,S,O,C等元素,表明這些球形結構都是復合材料。而直接沉積在GCE電極上的Pt則表現(xiàn)為不規(guī)則顆粒狀納米結構(圖1(e))。此外,Pt/PEDOT/PSS-Graphene/GCE電極的EDX能譜如圖1(f)所示,圖中包含Pt,S,C和O等元素的信號,表明Pt/PEDOT/PSS-Graphene/GCE修飾電極已成功制得。2.2傳感器產品和分析條件的優(yōu)化2.2.1edo用量對催化電流的影響制備PEDOT/PSS-Graphene復合材料時,在其他條件不變的情況下,控制EDOT單體的用量分別為100μL、150μL、200μL、250μL和300μL,測定傳感器對5mmol/LH2O2還原的催化電流(圖2)。發(fā)現(xiàn)隨著EDOT用量的增加,催化電流逐漸增大,當EDOT用量為200μL時,催化電流最大,隨后若繼續(xù)增大EDOT用量,催化電流反而出現(xiàn)下降的趨勢。因此,本實驗制備傳感器時選擇EDOT用量為200μL。2.2.2電流響應試驗控制其他條件不變時,采用計時電流法測定傳感器在不同工作電位下對5mmol/LH2O2的電流響應情況,如圖3所示。從圖3可知,當工作電位為-0.45V時,傳感器對H2O2的安培響應最大,因此本實驗選擇-0.45V作為傳感器的工作電位。2.3表面電極二元還原h(huán)2圖4給出不同修飾電極分別在0.05mol/LPBS(pH=8.0)以及在加有5mmol/LH2O2的PBS中的循環(huán)伏安圖。比較圖中的曲線a,b,c和d可知,向PBS溶液中加入H2O2后,Pt/GCE和Pt/PSS-Graphene/GCE電極位于-0.34V附近的還原電流信號均增大,指示這兩種電極都對H2O2還原表現(xiàn)出一定的催化作用。但Pt/PSS-Graphene/GCE對H2O2還原的催化電流明顯高于Pt/GCE,這可能是由于石墨烯具有優(yōu)良的電子傳遞性質和較高的比表面積,從而促進了修飾膜的電子轉移過程。修飾PEDOT后(曲線e和f),電流信號進一步增大,表明Pt/PEDOT/PSS-Graphene/GCE電極對H2O2還原具有更高的電催化活性。圖5(a)是不同掃描速率下Pt/PEDOT/PSS-Graphene/GCE電極在0.05mol/LPBS(pH=8.0)溶液中記錄的循環(huán)伏安曲線。從圖中可以看出,修飾電極上的氧化和還原峰電流均隨掃描速率的增加而增大,且還原峰電位向負方向移動,氧化峰電位向正方向移動。其還原峰電流Ip與掃描速率v呈線性關系(圖5(b)),線性方程為:Ip=-333.19-1.8229v,相關系數(shù)r=0.9961。表明在100mV/s～350mV/s掃描速率范圍內電極反應為準吸附控制過程。2.4傳感器的響應特性圖6(a)為在優(yōu)化條件下于-0.45V連續(xù)加入不同濃度H2O2溶液后Pt/PEDOT/PSS-Graphene/GCE電極安培響應的計時電流曲線,相應的校正曲線如圖6(b)所示。從圖中可以看出,連續(xù)加入H2O2后,修飾電極的響應電流較大。從電流時間曲線的局部放大圖可知,傳感器具有極快的響應速度,加入H2O2后,響應電流能很快達到平衡,平均響應時間約1.5s。此外,傳感器對H2O2的安培響應與其濃度在11.57μmol/L～3.60mmol/L范圍內呈現(xiàn)良好的線性關系,線性方程為:I=119.19c+90.83,相關系數(shù)為0.9998。還測得該傳感器的檢出限為9.27μmol/L。與文獻報道的PAA/CytC/L-Cys/Au(15μmol/L～0.48mmol/L,3.5μmol/L)、Fe3O4MNPs/ITO(200μmol/L～2mmol/L,10μmol/L)和CAT/NiO-MWCNTs/GCE(200μmol/L～2.53mmol/L,19μmol/L)電極的性能進行比較,我們構建的Pt/PEDOT/PSS-Graphene/GCE傳感器對H2O2的檢測具有線性范圍寬、檢出限低、響應快速等特點。2.5傳感器的重現(xiàn)性為考察傳感器的重現(xiàn)性,平行做5支Pt/PEDOT/PSS-Graphene/GCE電極,在含5mmol/LH2O2的0.05mol/LPBS(pH=8.0)中做循環(huán)伏安測試,其還原峰電流的相對標準偏差(R.S.D.)為4.7%,表明該傳感器具有良好的重現(xiàn)性。Pt/PEDOT/PSS-Graphene/GCE電極在含1mmol/LH2O2的0.05mol/LPBS(pH=8.0)中于-0.45V做計時電流測試,經過3600s后,發(fā)現(xiàn)安培響應仍能維持其初始響應電流的93%,表明該傳感器具有良好的穩(wěn)定性。2.6pt/pefig/pss-gh底傳感器安培響應圖7為在-0.45V下,于0.05mol/LPBS溶液(pH=8.0)中連續(xù)加入1mmol/L的H2O2、尿酸、葡萄糖、抗壞血酸和L-酪氨酸時Pt/PEDOT/PSS-Graphene/GCE傳感器安培響應的計時電流曲線。由圖7可知,只有在加入1mmol/LH2O2時才出現(xiàn)明顯的響應電流,而連續(xù)加入相同濃度的尿酸、葡萄糖、抗壞血酸和L-酪氨酸時不產生安培響應,表明該傳