CN103323516A - 一种基于离子液体功能化的碳纳米管和银纳米复合物的无酶h2o2传感器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于离子液体功能化的碳纳米管和银纳米复合物的无酶H₂O₂传感器的制备方法。该方法是将羧基化的多壁碳纳米管和氨基化的离子液体进行化学反应形成离子液体功能化的多壁碳纳米管，然后将银纳米电沉积在离子液体功能化的多壁碳纳米管修饰的玻碳电极上增加了它的吸附量和催化活性。本发明的修饰电极对H₂O₂的还原具有很好的电催化活性，可用于直接检测H₂O₂，且具有灵敏度高，检测限低的特点。

Description

一种基于离子液体功能化的碳纳米管和银纳米复合物的无酶H2O2传感器的制备方法

技术领域

本发明涉及一种基于离子液体功能化的碳纳米管和银纳米复合物的无酶H₂O₂传感器的制备方法。

背景技术

碳纳米管（CNTs ）作为一种典型的纳米材料，具有粒径小，比表面积大等优异的力学、电学和化学性质。碳纳米管的原子结构决定了它不但具有好的导电性，而且还具有表面原子配位不饱和性以及包含有大量的不饱和键，这就使得碳纳米管具有极高的表面活性以及强的吸附性能，因而是一种理想的电极材料。然而，碳纳米管是一种互相缠绕的线团状结构，管壁间因存在强的范德华力而及易发生团聚且不溶于任何溶剂，这些都不利于其在电极表面的修饰、也不利于修饰后其优点的发挥。

离子液体（ILs）是指室温及接近室温下完全由阴、阳离子组成的液体物质，不但具有稳定性好和难挥发的特点，而且还具有电化学窗口宽，能促进电子传递，导电性能好和良好的生物兼容性等优点。离子液体与碳纳米管之间有很好的协同作用，使碳纳米管的团聚和缠绕现象得到有效的抑制，从而提供更大的比表面积以负载更多的催化剂或检测物。

过氧化氢（H₂O₂ ）是一种活性氧物种（ROS ），它是人体一些新陈代谢反应的氧化产物。H₂O₂的浓度与人类的健康有着密不可分的关系。因此，快速、精确、可靠的检测H₂O₂有着重大的意义。现有的H₂O₂传感器大多是基于酶的生物传感器；但是，酶的价格相对昂贵，反应条件较为苛刻，而且它的稳定性对环境的依赖性很大。因此，研制无酶H₂O₂传感器具有很重要的意义。银纳米粒子（AgNPs）具有大的比表面积，好的生物兼容性，它可以被用于代替过氧化物酶来催化H₂O₂的还原反应，从而构建成具有制备简单、响应快、重现性及稳定性好等优点的无酶H₂O₂传感器。

发明内容

基于上述，本发明的目的在于提供一种基于离子液体功能化的碳纳米管和银纳米复合物的无酶H₂O₂传感器。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于离子液体功能化的碳纳米管和银纳米复合物的无酶H₂O₂传感器的制备方法，其步骤是：

a.称取羧基化的多壁碳纳米管、氨基化的离子液体、二环己基碳二亚胺和 N,N-二甲基甲酰胺加入到圆底烧瓶中超声15min，然后在50℃的油浴锅中搅拌回流24h；将得到的产物用砂芯漏斗进行抽滤，再分别用N,N-二甲基甲酰胺，乙醇和蒸馏水冲洗，以除去未反应的离子液体，得到的离子液体功能化的多壁碳纳米管，在80℃下真空干燥12h，然后把制得的离子液体功能化的多壁碳纳米管超声分散在二次蒸馏水中得到0.09mg/mL的分散液，待用；

 b.将玻碳电极依次用0.3μm、0.05μm的三氧化二铝悬浊液抛光成镜面，再依次经体积分数为95 %的乙醇、二次蒸馏水超声清洗后，得到处理后的玻碳电极；插入含有1mM铁氰化钾探针分子的0.1M氯化钾电解质溶液中，并采用以玻碳电极为工作电极、铂为对电极、饱和甘汞电极为参比电极的三电极体系进行循环伏安扫描，对裸的玻碳电极进行表征；再将玻碳电极取出用二次蒸馏水冲洗并吹干，备用；

c.在步骤b处理好的裸的玻碳电极上滴涂离子液体功能化的多壁碳纳米管分散液置于红外灯下烤干，制得离子液体功能化的多壁碳纳米管修饰的玻碳电极；再将此修饰玻碳电极插入含有硝酸银的0.1M硝酸钾电解质溶液中，在0V下用计时电流法电化学沉积180s,使银纳米沉积在离子液体功能化的多壁碳纳米管修饰电极表面，从而制得沉积有银纳米的离子液体功能化的多壁碳纳米管修饰的玻碳电极，即AgNPs/MWCNTs-IL/GCE；

d. 采用步骤c所得到的修饰的玻碳电极为工作电极、铂为对电极、饱和甘汞电极为参比电极组成三电极体系，并将其共同浸入含有H₂O₂浓度为： 0 , 1.2 × 10^-8 , 2.3× 10^-8 , 5.8 × 10^-8 , 1.2 × 10^-7 , 5.1 × 10^-7 , 1.3 × 10^-6 , 2.4 × 10^-6 和 4.8 × 10^-6 M的N₂饱和的0.2M、pH为7.0的磷酸盐缓冲溶液中进行示差脉冲扫描，得到0 , 1.2 × 10^-8 , 2.3× 10^-8 , 5.8 × 10^-8 , 1.2 × 10^-7 , 5.1 × 10^-7 , 1.3 × 10^-6 , 2.4 × 10^-6 和 4.8 × 10^-6 M浓度H₂O₂的示差脉冲伏安曲线图；

 e.采用origin软件作图，绘制AgNPs/MWCNTs-IL/GCE在步骤d所述浓度H₂O₂中的示差脉冲伏安曲线和H₂O₂的还原峰电流与其浓度的对数的线性关系图。

本发明优点和产生的有益效果是：

1、与传统的基于酶的H₂O₂传感器相比，本发明研制的基于离子液体功能化的碳纳米管和银纳米复合物的无酶H₂O₂传感器，具有制备简单、响应快、强的抗干扰能力，重现性及稳定性好等优点，并对H₂O₂的检测比较灵敏。这主要是由于在离子液体功能化的碳纳米管上沉积银纳米，碳纳米管不仅增大了银纳米的负载量，而且还改善了其尺寸和分散性，从而使其催化活性有了很大的提高。

为了说明本发明的特点，表1为本发明研制的基于离子液体功能化的碳纳米管和银纳米复合物的无酶H₂O₂传感器性能与现有的H₂O₂传感器性能的检测比较：

表1：本发明与现有的H₂O₂传感器性能的检测比较：

电极	线性范围 (10-5M)	检测限(μM)
			银纳米/DNA/玻碳电极	0.4-1600	1.7
银纳米/绿坡缕石/玻碳电极	1.0-2153	2.4
			聚乙烯醇-银复合物/铂电极	0.5-100	1.0
银纳米/氧化锌纳米棒/氟掺杂的氧化锡基底	0.8-98.3	0.9
			多壁碳纳米管/银纳米粒子复合物修饰电极	10-90	2.2
细胞色素c/离子液体功能化的多壁碳纳米管/玻碳电极	0.004-10	0.013
			银纳米/离子液体功能化的多壁碳纳米管/玻碳电极	0.0012-0.48	0.0039

从表1可以看出，本发明与现有的H₂O₂传感器相比，无论是在线性范围还是检测限都有更好的检测效果。

2、本发明研制的基于离子液体功能化的碳纳米管和银纳米复合物的无酶H₂O₂传感器对H₂O₂的还原有很好的电催化活性。对H₂O₂的检测具有线性范围宽，检测限低，抗干扰能力强，检测过程简单，灵敏度高及快速简便的优点，有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明不同修饰（玻碳）电极在含有5.0 mM 铁氰化钾和亚铁氰化钾的0.1M KCl溶液中的电化学阻抗谱图。图中，a曲线代表裸的玻碳电极；b曲线代表离子液体功能化的多壁碳纳米管修饰电极；c曲线代表AgNPs /MWCNTs-IL修饰电极。

图2为不同修饰（玻碳）电极在含有1.0mM的H₂O₂的N₂饱和的0.2M PBS（pH=7.0）中的循环伏安曲线，图中，b曲线代表裸的玻碳电极；c曲线代表离子液体功能化的多壁碳纳米管修饰电极；d曲线代表 AgNPs修饰电极；e曲线代表AgNPs /MWCNTs-IL修饰电极；a曲线代表AgNPs/MWCNTs-IL/GCE在不含H₂O₂的PBS中的CV曲线；扫速：50mV/s。

图3为AgNPs/MWCNTs-IL/GCE对0 , 1.2 × 10^-8 , 2.3× 10^-8 , 5.8 × 10^-8 , 1.2 × 10^-7 , 5.1 × 10^-7 , 1.3 × 10^-6 , 2.4 × 10^-6 和 4.8 × 10^-6 M浓度的H₂O₂检测的示差脉冲伏安曲线图。

图4为H₂O₂的还原峰电流与其浓度的关系图，其中：插图为H₂O₂的峰电流与其浓度对数的线性关系图。

 

具体实施方式

本发明实施过程中所使用的仪器和试剂：

CHI 660C电化学工作站（上海辰华仪器公司）用于进行循环伏安的实验，石英管加热式自动双重纯水蒸馏器（1810B，上海亚太技术玻璃公司）用于蒸二次蒸馏水。电子天平（北京赛多利斯仪器有限公司），用于称量药品。超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）。三氧化二铝打磨粉（0.30μm，0.05μm，上海辰华仪器试剂公司）用于处理玻碳电极。饱和甘汞参比电极，铂对电极，磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、氯化钾、硝酸银、硝酸钾（西安化学试剂厂）；多壁碳纳米管（深圳纳米港有限公司）；高纯氮气（纯度为99.999%（O₂≤ 0．001％））。实验过程中使用的水均为二次蒸馏水，实验所用的试剂均为分析纯，多壁碳纳米管的羧基化是通过使用体积比为3：1的浓盐酸和双氧水超声8个小时，然后洗至中性，再在70°C下烘干实现的。

下面，结合附图对本发明的技术方案再作进一步的说明：

一种基于离子液体功能化的碳纳米管和银纳米复合物的无酶H₂O₂传感器的制备方法，包括以下步骤：

a.称取5mg羧基化的多壁碳纳米管、10mg氨基化的离子液体、10mg二环己基碳二亚胺和 10mLN,N-二甲基甲酰胺加入到圆底烧瓶中超声15min，然后在50℃的油浴锅中搅拌回流24h；将得到的产物用砂芯漏斗进行抽滤，再分别用N,N-二甲基甲酰胺，乙醇和蒸馏水冲洗，以除去未反应的离子液体，得到离子液体功能化的多壁碳纳米管，在80℃下真空干燥12h，然后把制得的离子液体功能化的多壁碳纳米管超声分散在二次蒸馏水中得到0.09mg/mL的分散液，待用；

 b.将玻碳电极依次用0.3μm、0.05μm的三氧化二铝悬浊液抛光成镜面，再依次经体积分数为95 %的乙醇、二次蒸馏水超声清洗后，得到处理后的玻碳电极；插入含有1mM铁氰化钾探针分子的0.1M氯化钾电解质溶液中，并采用以玻碳电极为工作电极、铂为对电极、饱和甘汞电极为参比电极的三电极体系进行循环伏安扫描，对裸的玻碳电极进行表征；再将玻碳电极取出用二次蒸馏水冲洗并吹干，备用；

c.在步骤b处理好的裸的玻碳电极上滴涂离子液体功能化的多壁碳纳米管分散液置于红外灯下烤干，制得离子液体功能化的多壁碳纳米管修饰的玻碳电极；再将此修饰玻碳电极插入含有1mM的硝酸银的0.1M硝酸钾电解质溶液中，在0V下用计时电流法电化学沉积180s,使银纳米沉积在离子液体功能化的多壁碳纳米管修饰电极表面，从而制得沉积有银纳米的离子液体功能化的多壁碳纳米管修饰的玻碳电极，即AgNPs/MWCNTs-IL/GCE；

下面，本发明采用循环伏安技术和电化学阻抗技术对基于离子液体功能化的碳纳米管和银纳米复合物的无酶H₂O₂传感器进行电化学表征：

在电化学工作站的技术选项中选择循环伏安技术和电化学阻抗技术，饱和甘汞电极为参比电极，铂为对电极，直径3mm的玻碳电极为工作电极。循环伏安技术的电位窗设置为-0.8V～0.2V。图1为本发明不同修饰（玻碳）电极在含有5.0 mM 铁氰化钾和亚铁氰化钾的0.1M KCl溶液中的电化学阻抗谱图。图中，a曲线代表裸的玻碳电极；b曲线代表离子液体功能化的多壁碳纳米管修饰电极；c曲线代表AgNPs /MWCNTs-IL修饰电极。裸的玻碳电极阻抗谱（图1a）是由一个小的半圆和一条接近于直线的尾线组成，电阻为80Ω。当离子液体功能化的多壁碳纳米管修饰到玻碳电极表面后，电子转移时的电阻值降低到0（图1b），这表明离子液体功能化的多壁碳纳米管能很好的增强修饰电极的导电性。然而，当在MWCNTs-IL/GCE的表面沉积上银纳米以后(图1c)，高频区的小半圆直径明显的增大，电阻值也升至132Ω，表明银纳米已经成功的负载在离子液体功能化的多壁碳纳米管修饰电极表面。

为了更进一步考察离子液体功能化的碳纳米管和银纳米复合物的无酶H₂O₂传感器的电催化作用，图2表示为不同修饰（玻碳）电极在含有1.0mM的H₂O₂的N₂饱和的0.2M pH为7.0的PBS中的循环伏安曲线。图中，b曲线代表裸的玻碳电极；c曲线代表离子液体功能化的多壁碳纳米管修饰电极；d曲线代表 AgNPs修饰电极；e曲线代表AgNPs /MWCNTs-IL修饰电极；a曲线代表AgNPs/MWCNTs-IL/GCE在不含H₂O₂的PBS中的CV曲线；由图可得：H₂O₂在AgNPs/MWCNTs-IL/GCE上的还原峰出现在-0.43V处（e曲线），这与其在裸的玻碳电极(b曲线)上的还原反应（-0.6V）相比，峰电位发生了明显的正移；再者，将其与裸的玻碳电极、MWCNTs-IL/GCE(c曲线)相比，H₂O₂在AgNPs/MWCNTs-IL/GCE的还原峰电流有明显的增大，这表明AgNPs/MWCNTs-IL/GCE对H₂O₂的还原有明显的电催化作用，这主要是由于银纳米沉积在离子液体功能化的碳纳米管上的原因，而离子液体功能化的碳纳米管大的比表面积，增加了银纳米的负载量。此外，与H₂O₂在AgNPs/GCE（d曲线）上的反应相比，该发明的修饰电极表现出更高的催化电流，这意味着MWCNTs-IL对该无酶H₂O₂传感器的性能起着至关重要的作用。

d. 采用步骤c所得到的修饰的玻碳电极为工作电极、铂为对电极、饱和甘汞电极为参比电极组成三电极体系，并将其共同浸入含有H₂O₂浓度为： 0 , 1.2 × 10^-8 , 2.3× 10^-8 , 5.8 × 10^-8 , 1.2 × 10^-7 , 5.1 × 10^-7 , 1.3 × 10^-6 , 2.4 × 10^-6 和 4.8 × 10^-6 M的N₂饱和的0.2M、pH为7.0的磷酸盐缓冲溶液中进行示差脉冲扫描，得到0 , 1.2 × 10^-8 , 2.3× 10^-8 , 5.8 × 10^-8 , 1.2 × 10^-7 , 5.1 × 10^-7 , 1.3 × 10^-6 , 2.4 × 10^-6 和 4.8 × 10^-6 M浓度H₂O₂的示差脉冲伏安曲线图；

 e.采用origin软件作图，绘制玻碳电极AgNPs/MWCNTs-IL/GCE在步骤d所述浓度的H₂O₂中的示差脉冲伏安曲线和H₂O₂的还原峰电流与其浓度的对数的线性关系图。图3为AgNPs/MWCNTs-IL/GCE对0 , 1.2 × 10^-8 , 2.3× 10^-8 , 5.8 × 10^-8 , 1.2 × 10^-7 , 5.1 × 10^-7 , 1.3 × 10^-6 , 2.4 × 10^-6 和 4.8 × 10^-6 M浓度的H₂O₂检测的示差脉冲伏安曲线图；由图3读出离子液体功能化的碳纳米管和银纳米复合物的无酶H₂O₂传感器上H₂O₂还原峰电流值并与其浓度作图，图4为H₂O₂的峰电流与其浓度对数的线性关系图。由图3对应图4可以看出，本发明对H₂O₂检测的线性范围为0.012-4.8μM，检测限为3.9nM。本发明与现有H₂O₂传感器相比，检测范围宽，检测限低，检测过程简单，灵敏度高、快速简便。

（3）、修饰电极的后处理

检测完毕后，将沉积有银纳米的修饰电极从电化学检测池中取出，在稀氨水中超声1分钟，电极表面的银纳米和离子液体功能化的碳纳米管可以完全脱落，以备下次使用。

Claims (1)

1.一种基于离子液体功能化的碳纳米管和银纳米复合物的无酶H₂O₂传感器的制备方法，其步骤是：

a.称取羧基化的多壁碳纳米管、氨基化的离子液体、二环己基碳二亚胺和 N,N-二甲基甲酰胺加入到圆底烧瓶中超声15min，然后在50℃的油浴锅中搅拌回流24h；将得到的产物用砂芯漏斗进行抽滤，再分别用N,N-二甲基甲酰胺，乙醇和蒸馏水冲洗，以除去未反应的离子液体，得到的离子液体功能化的多壁碳纳米管，在80℃下真空干燥12h，然后把制得的离子液体功能化的多壁碳纳米管超声分散在二次蒸馏水中得到0.09mg/mL的分散液，待用；

 b.将玻碳电极依次用0.3μm、0.05μm的三氧化二铝悬浊液抛光成镜面，再依次经体积分数为95 %的乙醇、二次蒸馏水超声清洗后，得到处理后的玻碳电极；插入含有1mM铁氰化钾探针分子的0.1M氯化钾电解质溶液中，并采用以玻碳电极为工作电极、铂为对电极、饱和甘汞电极为参比电极的三电极体系进行循环伏安扫描，对裸的玻碳电极进行表征；再将玻碳电极取出用二次蒸馏水冲洗并吹干，备用；

c.在步骤b处理好的裸的玻碳电极上滴涂离子液体功能化的多壁碳纳米管分散液置于红外灯下烤干，制得离子液体功能化的多壁碳纳米管修饰的玻碳电极；再将此修饰玻碳电极插入含有硝酸银的0.1M硝酸钾电解质溶液中，在0V下用计时电流法电化学沉积180s,使银纳米沉积在离子液体功能化的多壁碳纳米管修饰玻碳电极表面，从而制得沉积有银纳米的离子液体功能化的多壁碳纳米管修饰的玻碳电极，即AgNPs/MWCNTs-IL/GCE；

d. 采用步骤c所得到的修饰的玻碳电极为工作电极、铂为对电极、饱和甘汞电极为参比电极组成三电极体系，并将其共同浸入含有H₂O₂浓度为： 0 , 1.2 × 10^-8 , 2.3× 10^-8 , 5.8 × 10^-8 , 1.2 × 10^-7 , 5.1 × 10^-7 , 1.3 × 10^-6 , 2.4 × 10^-6 和 4.8 × 10^-6 M的N₂饱和的0.2M、pH为7.0的磷酸盐缓冲溶液中进行示差脉冲扫描，得到0 , 1.2 × 10^-8 , 2.3× 10^-8 , 5.8 × 10^-8 , 1.2 × 10^-7 , 5.1 × 10^-7 , 1.3 × 10^-6 , 2.4 × 10^-6 和 4.8 × 10^-6 M浓度H₂O₂的示差脉冲伏安曲线图；

 e.采用origin软件作图，绘制AgNPs/MWCNTs-IL/GCE在步骤d所述浓度H₂O₂中的示差脉冲伏安曲线和H₂O₂的还原峰电流与其浓度的对数的线性关系图。

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