CN103196967A - 一种多巴胺类聚合物/贵金属纳米粒子电化学传感器及其制备方法和应用 - Google Patents

一种多巴胺类聚合物/贵金属纳米粒子电化学传感器及其制备方法和应用 Download PDF

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王丰
韩睿
刘桂亭
陈惠芬
余波
文颖
任天瑞
王虎
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Abstract

本发明提供了一种多巴胺类聚合物/贵金属纳米粒子电化学传感器及其制备方法和应用。该新型生物电化学传感器为三电极体系传感器，其中参比电极为饱和甘汞电极，对电极为铂丝电极，工作电极是贵金属纳米粒子修饰的玻碳电极。本发明通过自组装法将新制的多巴胺或其衍生物溶液与贵金属前驱体的水溶液逐层滴在玻碳电极上，反应制得贵金属纳米粒子。反应生成的多巴胺类聚合物具有黏附能力，可以增加贵金属纳米粒子与玻碳电极的牢固性。该电化学传感器可应用于过氧化氢的检测，结果表明它具有制备方法简易快速，牢固性高，检测限低，重现性好，响应快速的优点。

Description

一种多巴胺类聚合物/贵金属纳米粒子电化学传感器及其制备方法和应用
技术领域
本发明提供一种多巴胺类聚合物/贵金属纳米粒子电化学传感器及其制备方法和应用。
背景技术
过氧化氢作为一种强氧化剂，具有漂白和杀菌的作用，被广泛应用于临床、环境、食品、制药和生物研究等许多领域。然而作为一种大气污染物，过氧化氢是酸雨形成的因素之一；此外，高浓度的过氧化氢有损于眼睛和皮肤影响人类健康。食品、包装材料等中残留的过氧化氢进入人体后，副作用极大，它能直接刺激粘膜组织，若超量使用，还会大范围地损害人体细胞，并且通过化学反应释放活性氧自由基导致人体细胞癌变，加速人体衰老等。因此快速灵敏地检测过氧化氢是科学界长期以来关注的一个问题。
目前检测过氧化氢的方法主要有滴定法、分光光度法、荧光测定法及电化学方法，其中由于电化学方法具有设备低廉、灵敏度高、简便快捷等优点而倍受青睐。基于电化学方法研制的电化学传感器是一类以电极作为信号转换器，对电位或电流加以测量的传感器。电化学体系借助电极实现电能的输入或输出，从而获得电极表面修饰物质的电信号，常用的为三电极体系。三电极体系包括工作电极、辅助电极（也称对电极）和参比电极，其中对电极是铂电极，参比电极是饱和甘汞电极，工作电极是玻碳电极。
许多文献报道采用辣根过氧化酶修饰的电化学生物传感器测定过氧化氢，但通常酶电极的制备过程复杂，且酶作为具有活性的生物大分子，对外界条件的变化比较敏感，容易失活变性，影响传感器的寿命和测定结果的准确性，因此使实际应用受到一定的限制。发展无酶传感器是重要的研究方向之一。在电化学传感器中，许多金属可用作过氧化氢的测定。铁、铜、锌、银和铂等金属都可以催化过氧化氢分解为氧气和水，其中银已经作为一种电极材料用于过氧化氢的测定，与金属银相比，银纳米粒子具有体积小、比表面积大等特点，故而银纳米粒子常用于过氧化氢的测定。铂前驱体的水溶液与具有还原性的材料反应可生成铂纳米粒子，铂纳米粒子具有检测限低，稳定性好等优点，但价格昂贵。
多巴胺（或其衍生物）具有还原性，温和条件下，在不同的有机无机材料上可以氧化自聚形成具有表面吸附性的多巴胺类聚合物。多巴胺类聚合物在增加黏附作用的同时，可以将贵金属前驱体的水溶液中的贵金属离子还原成贵金属纳米粒子，从而产生具有化学吸附的贵金属纳米粒子传感器。
本体系中，应用多巴胺（或其衍生物）的自聚以及多巴胺类聚合物和贵金属前驱体的水溶液间的氧化还原反应，层层自组装法制备过氧化氢无酶传感器。反应生成的多巴胺类聚合物可以增强贵金属纳米粒子和玻碳电极间的粘附能力，从而提高传感器的牢固性。本方法具有制备方法简易快速，牢固性高，检测限低，重现性好，响应快速的优点。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种多巴胺类聚合物/贵金属纳米粒子电化学传感器的制备方法。
本发明的目的之二是利用制成的多巴胺类聚合物/贵金属纳米粒子电化学传感器用于过氧化氢的测定。
本发明的这些目的将通过下列详细描述和说明进一步体现和阐述。
发明的目的是通过下述技术方案来实现的：
一种检测过氧化氢的多巴胺类聚合物/贵金属纳米粒子电化学传感器，其特征在于，以玻碳电极为基底，在基底上修饰有多层多巴胺类聚合物和贵金属纳米粒子层。
上述多巴胺类聚合物和贵金属纳米粒子层是由多巴胺或其衍生物在有氧、碱性条件下，发生聚合反应生成具有粘附作用的多巴胺类聚合物，之后贵金属离子和多巴胺类聚合物发生氧化还原反应，生成贵金属纳米粒子制得。
上述传感器的制备具体步骤为：
a）将玻碳电极经砂纸打磨、Al2O3粉磨抛光后，依次用双蒸水、乙醇和双蒸水超声洗涤；
b）将多巴胺或其衍生物溶于pH=8.5的缓冲溶液中，制得的多巴胺或其衍生物溶液，将新制的多巴胺或其衍生物溶液滴到步骤a）预处理的玻碳电极上，让其自然晾干；之后将贵金属前驱体的水溶液滴到干燥的多巴胺类聚合物修饰的玻碳电极上，反复滴加，便可制得多巴胺类聚合物/贵金属纳米粒子电化学传感器。
所述的多巴胺或其衍生物为多巴胺、多巴胺-醌、α-甲基多巴胺、去肾上腺素、左旋多巴、屈昔多巴、α-甲基多巴和5-羟基多巴胺中的一种或多种。
所述的贵金属为Ag，Au或Pt的一种。
所述的缓冲溶液为磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液、磷酸氢二钠-磷酸二氢钠缓冲液、磷酸氢二钠-磷酸二氢钾缓冲液、磷酸二氢钾-氢氧化钠缓冲液、巴比妥钠-盐酸缓冲液、Tris-盐酸缓冲液、硼酸-硼砂缓冲液、甘氨酸-氢氧化钠缓冲液、硼砂-氢氧化钠缓冲液和碳酸钠-碳酸氢钠缓冲液中的一种。
所述的多巴胺或其衍生物溶液的浓度为0.01～50mg/mL，贵金属前驱体的水溶液的浓度为0.01～100mg/mL。
上述多巴胺类聚合物/贵金属纳米粒子电化学传感器对过氧化氢的检测的步骤为：在0.1mol/L pH=7.0的PBS缓冲溶液中或含过氧化氢的待测液中，用CHI660c电化学分析仪以三电极系统（饱和甘汞电极为参比电极，铂丝电极为对电极，工作电极是贵金属纳米粒子修饰的玻碳电极），在0V～-0.8V范围内进行循环伏安法测定。在5×10-5～1.75×10-3mol/L范围内过氧化氢的峰电流与其浓度具有良好的线性关系，检测限为6.5×10-6mol/L。
本发明通过层层组装法在玻碳电极上依次滴加多巴胺或其衍生物溶液与贵金属前驱体的水溶液，自然晾干后制得贵金属纳米粒子电化学传感器。该电化学传感器可用于过氧化氢的测定，结果表明它具有制备方法简易快速，牢固性高，检测限低，重现性好，响应快速的优点。
附图说明
图1为利用聚多巴胺膜在玻碳电极上制备多层银纳米粒子的示意图。
图2为ITO玻璃基底上聚多巴胺/贵金属纳米粒子的FESEM图。（a）第一层聚多巴胺，（b）第一层银纳米粒子，（c）第二层聚多巴胺，（d）第二层银纳米粒子。所有的标尺为200nm。
图3为多巴胺溶液与硝酸银溶液浓度比的优化。修饰玻碳电极的CV曲线，（a）银纳米粒子为一层、两层和三层，（b）多巴胺浓度为0.1mg/mL，硝酸银溶液的浓度分别为1mg/mL(1to10)，2mg/mL(1to20)和3mg/mL(1to30)。
图4为聚多巴胺/银纳米粒子传感器在PBS缓冲液中对连续加入过氧化氢的安培响应曲线，工作电位为-0.6V。
图5为PBS缓冲液中H2O2浓度与电流的线性关系。
图6为聚多巴胺/银纳米粒子修饰电极的重复性和重现性。（a）单根电极重复性实验数据统计图；（b）五根电极重现性实验数据统计图。H2O2加入量6mM。
图7为干扰物实验的电流-时间曲线。干扰物为葡萄糖(GLU)、多巴胺(DA)、尿酸(UA)与抗坏血酸(AA)，工作电位为-0.6。
具体实施方式
以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。
实施例一
1.聚多巴胺/银纳米粒子的制备与表征
用层层组装法制备聚多巴胺/银纳米粒子复合物，其制备过程见示意图1。将多巴胺溶于pH=8.5的tris-盐酸缓冲液中可制得多巴胺溶液。0.1mg/mL多巴胺溶液分别滴在ITO玻璃与覆碳铜网上，干燥后滴加2mg/mL的硝酸银溶液，如此反复，便可得到多层银纳米粒子。
用场发射扫描电镜（FESEM，图2）对该复合物进行了表征。在有氧、碱性条件下多巴胺可以很容易地在ITO玻璃的表面上形成聚合物层，其表面较为平整，如图2a所示。清洗后的聚多巴胺表面与银离子接触后，银离子被还原成银纳米粒子形成银纳米粒子层，由图2b可见银纳米粒子粒径分布较均匀。图2c为包覆在第一层银纳米粒子上的第二层聚多巴胺膜，其表面形貌与第一层银纳米粒子层无明显差异，而第二层银纳米粒子形成后表面粒子的粒径分布变宽（图2d）。
2.聚多巴胺/银纳米粒子电化学传感器的制备
将直径为3mm的玻碳电极经砂纸打磨、Al2O3（粒径为0.3μm）粉磨抛光后，依次用双蒸水、乙醇和双蒸水超声洗涤。将2mg多巴胺溶于20mL的tris-HCl缓冲溶液，制得0.1mg/mL的多巴胺溶液。将新制的6μL多巴胺溶液溶液滴加到处理过的玻碳电极上，让其自然晾干；之后将2mg/mL的硝酸银溶液6μL滴到干燥的聚多巴胺修饰的玻碳电极上，反复滴加，便可制得多层银纳米粒子电化学传感器。
3.利用银纳米粒子电化学传感器对过氧化氢的测定
在0.1mol/L pH=7.0的PBS缓冲溶液中或含过氧化氢的待测液中，用CHI660c电化学分析仪以三电极系统（饱和甘汞电极为参比电极，铂丝电极为对电极，工作电极是银纳米粒子修饰的玻碳电极），在0V～-0.8V范围内进行循环伏安法测定，通过峰电流寻求最佳实验条件（图3）。图3a是银纳米粒子层数的优化，显而易见银纳米粒子为两层时峰电流和峰电位都明显优于一层和三层，图3b是多巴胺和硝酸银浓度和比例的优化，当多巴胺浓度为0.1mg/mL，硝酸银溶液的浓度为2mg/mL时，效果最佳。所以最佳实验条件为多巴胺浓度为0.1mg/mL，硝酸银溶液的浓度为2mg/mL，银纳米粒子为两层。
优化后的聚多巴胺/银纳米粒子电化学传感器线性范围为
5×10-5～1.75×10-3mol/L，对过氧化氢检测限为6.5×10-6mol/L（图4）。过氧化氢的峰电流与其浓度具有良好的线性关系，相关系数R=0.9997，拟合方程为y=1.88296+48.2676*x（图5）。
实验考察了传感器的重复性、重现性、稳定性及抗干扰性。图6为传感器的重复性和重现性，在5mL0.1mol/L的PBS(pH=7.0)的溶液中加入6×10-6mol/L过氧化氢，图6a为对同一根银纳米粒子修饰的玻碳电极进行5次平行试验，结果显示其相对标准偏差为2.39%；图6b是制备5根相同的银纳米粒子修饰的玻碳电极同时各测定1次，得到相对标准偏差为2.29%，上述结果说明该传感器具有很好的重复性和重现性。把该传感器保存在4℃冰箱中，两个星期后，传感器的响应信号为初始信号的90%以上，说明该传感器具有较好的稳定性。维持过氧化氢的物质的浓度为0.8mM，实验考察了传感器的抗干扰性对可能造成干扰的物质，如：葡萄糖、尿酸、抗坏血酸和多巴胺进行了干扰测定，数据显示几乎没有干扰（图7）。
实施例二
1.聚多巴胺/铂纳米粒子电化学传感器的制备
将直径为3mm的玻碳电极经砂纸打磨、Al2O3（粒径为0.3μm）粉磨抛光后，依次用双蒸水、乙醇和双蒸水超声洗涤。将2mg多巴胺溶于20mL的tris-HCl缓冲溶液，制得0.1mg/mL的多巴胺溶液。将新制的6μL多巴胺溶液溶液滴加到处理过的玻碳电极上，让其自然晾干；之后将2mg/mL的氯铂酸溶液6μL滴到干燥的聚多巴胺修饰的玻碳电极上，反复滴加，便可制得多层铂纳米粒子电化学传感器。
2.利用铂纳米粒子电化学传感器对过氧化氢的测定
在0.1mol/L pH=7.0的PBS缓冲溶液中或含过氧化氢的待测液中，用CHI660c电化学分析仪以三电极系统（饱和甘汞电极为参比电极，铂丝电极为对电极，工作电极是铂纳米粒子修饰的玻碳电极）。
实施例三
1.聚左旋多巴/银纳米粒子电化学传感器的制备
将直径为3mm的玻碳电极经砂纸打磨、Al2O3（粒径为0.3μm）粉磨抛光后，依次用双蒸水、乙醇和双蒸水超声洗涤。将2mg左旋多巴溶于20mL的tris-HCl缓冲溶液，制得0.1mg/mL的左旋多巴溶液。将新制的6μL左旋多巴溶液溶液滴加到处理过的玻碳电极上，让其自然晾干；之后将2mg/mL的硝酸银溶液6μL滴到干燥的聚左旋多巴修饰的玻碳电极上，反复滴加，便可制得多层银纳米粒子电化学传感器。
2.利用银纳米粒子电化学传感器对过氧化氢的测定
在0.1mol/L pH=7.0的PBS缓冲溶液中或含过氧化氢的待测液中，用CHI660c电化学分析仪以三电极系统（饱和甘汞电极为参比电极，铂丝电极为对电极，工作电极是银纳米粒子修饰的玻碳电极）。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种检测过氧化氢的多巴胺类聚合物/贵金属纳米粒子电化学传感器，其特征在于，以玻碳电极为基底，在基底上修饰有多层多巴胺类聚合物和贵金属纳米粒子层。
2.权利要求1所述电化学传感器的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
a）将玻碳电极经砂纸打磨、Al2O3粉磨抛光后，依次用双蒸水、乙醇和双蒸水超声洗涤；
b）将多巴胺或其衍生物溶于pH=8.5的缓冲溶液中，制得的多巴胺或其衍生物溶液，将新制的多巴胺或其衍生物溶液滴到步骤a）预处理的玻碳电极上，让其自然晾干；之后将贵金属前驱体的水溶液滴到干燥的多巴胺类聚合物修饰的玻碳电极上，反复滴加，便可制得多巴胺类聚合物/贵金属纳米粒子电化学传感器。
3.权利要求1所述电化学传感器的制备方法，其特征在于，所述的多巴胺或其衍生物为多巴胺、多巴胺-醌、α-甲基多巴胺、去肾上腺素、多巴、屈昔多巴、α-甲基多巴和5-羟基多巴胺中的一种或多种。
4.权利要求1所述电化学传感器的制备方法，其特征在于，所述的贵金属为Ag，Au或Pt的一种。
5.权利要求1所述电化学传感器的制备方法，其特征在于，所述的缓冲溶液为磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液、磷酸氢二钠-磷酸二氢钠缓冲液、磷酸氢二钠-磷酸二氢钾缓冲液、磷酸二氢钾-氢氧化钠缓冲液、巴比妥钠-盐酸缓冲液、Tris-盐酸缓冲液、硼酸-硼砂缓冲液、甘氨酸-氢氧化钠缓冲液、硼砂-氢氧化钠缓冲液和碳酸钠-碳酸氢钠缓冲液中的一种。
6.权利要求1所述电化学传感器的制备方法，其特征在于，所述的多巴胺或其衍生物溶液的浓度为0.01～50mg/mL，贵金属前驱体的水溶液的浓度为0.01～100mg/mL。
7.权利要求1所述聚合物/贵金属纳米粒子电化学传感器用于过氧化氢的检测。
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