CN103792271A - 一种过氧化氢非酶电化学传感器及制备方法 - Google Patents

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Abstract

过氧化氢非酶电化学传感器，利用H2O2存在下化学电极的响应检测H2O2；所述化学电极是一对贵金属纳米颗粒修饰的电极；所述贵金属是金、银、铂、钯或铱。贵金属纳米颗粒修饰的电极是由束流沉积的方法在电极材料上沉积贵金属纳米颗粒，所述的纳米粒子沉积中，控制纳米颗粒沉积量在0.3层以上，在5层以内；采用玻碳电极材料或纳米石墨烯作为电极材料。本发明方法构建的修饰电极能使催化剂在电极表面具有良好的分散性、结晶性及洁净的表面，弥补了传统方法催化剂易聚集和脱落的难题，并且避免了导电粘结剂的使用，提高了电极的有效催化面积和稳定性，加速了电子在电极与催化剂之间的传递。

Description

一种过氧化氢非酶电化学传感器及制备方法
技术领域
本发明涉及化学传感器领域，尤其是一种用于H2O2传感的Ag修饰玻碳电极的制造工艺改进的传感部件。
背景技术
过氧化氢(H2O2)是生物体系中的一种重要化学物质，它严重影响细胞功能和新陈代谢，高浓度的H2O2甚至会引起细胞死亡。在许多酶促反应、蛋白质积聚和抗原-抗体识别过程中常伴随着H2O2的产生或消耗，同时也是临床应用、制药工程、食品工业和环境监测中的重要的物质[1-3]。因此，发展准确、灵敏、快速、低成本的H2O2检测方法具有非常重要的应用价值。酶传感器通常面临可靠性差、成本高、酶固定程序繁琐等难题，酶活性也很容易受到温度、pH值及毒性物质的影响，所以，非酶传感正在逐渐成为H2O2传感器的一个重要方向。
当前文献广泛报道的非酶电极的构建基本上需要分为两步来实现。首先利用化学法制备出具有生物催化活性的纳米催化剂，然后将其滴涂或旋涂到工作电极上放在室温下自然干燥。在此过程中往往需要加入聚苯胺、萘酚等导电聚合物粘结剂以防止催化剂的脱落[4-7]。当前这种常用的电极构建方法主要存在三点不足：(1)化学法制备的催化剂表面会吸附较多的有机物分子或杂质离子而很难去除，从而会影响修饰电极的催化活性和灵敏度。(2)催化剂若滴涂或旋涂到电极表面很容易发生聚集而降低电极的有效催化面积及影响其催化活性；(3)聚合物粘结剂的使用在一定程度上会阻碍催化剂与电极之间的电子传递，并且粘结剂在测量电势下可能会发生副反应而影响实验结果。因此，如何在不使用导电聚合物粘结剂的情况下将催化剂牢固的固定到电极表面并保持良好的分散性仍是要解决的关键问题。此处催化剂可以是金、银、铂、钯、铱等多种贵金属纳米颗粒，特别是Ag颗粒，由于其良好的生物相容性、导电性和催化性能,并且纳米颗粒的高活性、特异性、极微小性等特点与电化学生物传感器所要求的多功能、微型化、高速化相对应，在电化学生物传感器中受到了广泛关注。2005年，Welch等人[8]利用电沉积方法在玻碳电极上沉积单分散的Ag纳米粒子，首次尝试将其应用于非酶H2O2检测。实验显示，在0.05mol L-1，pH=7.4的缓冲溶液中，该传感器能在较低还原电位（-0.68V vs.SCE.）检测双氧水，检测线可达2.0×10-6mol L-1。2006年，Gao等人[9]先用文献报道的方法获得碳纳米管-Ag复合物(MWCNTs-Ag)，然后将其修饰到Au电极上构建H2O2非酶传感器。实验显示，Ag颗粒能有效提高MWCNTs对H2O2的催化活性及灵敏度，响应电流从相应浓度的几微安增强到几百微安。2011年，Liu等人[10]先以氧化石墨烯和硝酸银为原料，以卞胺为稳定剂和还原剂制备Ag-石墨烯复合物，然后将其修饰在玻碳电极上用于非酶检测H2O2，该传感器对H2O2的检测限为3.1310-5M。但是这些文献中已报道方法制备的催化剂易聚集，易脱落，必须使用导电粘结剂。
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发明内容
本发明目的是，提出基于束流工艺制备的Ag纳米颗粒修饰电极及过氧化氢非酶电化学传感器，利用束流沉积技术在玻碳电极上直接牢固而又可控地固定贵金属纳米催化剂。构成过氧化氢非酶电化学传感器。
本发明的技术方案是：过氧化氢非酶电化学传感器，利用H2O2存在下电化学电极的响应检测H2O2；所述化学电极为其核心部件，化学电极是一对贵金属纳米颗粒修饰的电极；此处所述贵金属可以是金、银、铂、钯或铱等。
所述的纳米粒子加工中，控制纳米颗粒沉积量在0.3层以上，在5层以内，以保证足够的孔隙率。
0.5-0.7层被认为是优化值。不足1层覆盖指纳米材料未布满全部基底面。
进一步的，采用纳米石墨烯作为电极材料进一步提高传感器的检测性能。
所述的过氧化氢非酶电化学传感器，可以采用纳米粒子束流加工方法来制造其核心电极；其步骤如下：
1）准备电极材料：必要的话，可以预处理或活化电极；
2）对电极材料进行纳米化处理：可以采用离子刻蚀或者化学腐蚀的方法提高电极孔隙率；
3）采用束流沉积的方法在电极材料上沉积贵金属纳米颗粒，控制纳米颗粒沉积量在0.3层以上，在5层以内，以保证足够的孔隙率。纳米颗粒沉积量尤其是0.5-0.7层。
4）即可作为传感器电极使用。
5）可以先对电极材料做刻蚀后沉积金属颗粒，也可以将金属颗粒沉积在纳米电极材料上，之后移植到电极上。以上两种方案均可。典型的电极材料采用玻碳电极材料。
所述的束流沉积的方法是现有纳米粒子加工方法，一般采用差分抽气方法形成束流；其Ar气浓度在10Pa-500Pa之间，束流量在0.1～5A/s。
本发明的有益效果是，本发明方法构建的修饰电极能使催化剂在电极表面具有良好的分散性、结晶性及洁净的表面，弥补了传统方法催化剂易聚集和脱落的难题，并且避免了导电粘结剂的使用，提高了电极的有效催化面积和稳定性，加速了电子在电极与催化剂之间的传递。通过调控束流沉积参数对电极性能进行优化，制备出数密度和尺寸可控的纳米颗粒修饰电极。本发明制备的传感器连续工作14天，性能稳定。证实了传感器在灵敏检测和稳定性方面的有益效果，这也是传感器最重要的指标。
附图说明
图1玻碳电极及电镜铜网的实物图（a）；(b)Ag纳米粒子（沉积在玻碳电极上）的AFM图；
图2为
Figure BDA0000461416610000041
淀积5min制备的AgNPs/GCE电极在室温下连续加入H2O2于10mL搅动的0.05M PBS(pH=7.4)中的典型时间-电流曲线(a)及H2O2传感器检测标准曲线(b),应用电位为-0.40V。
图2(b)是根据计时电流曲线所拟合的H2O2传感器的工作曲线。其对H2O2检测的线性范围为4～44M，线性方程为I(A)=-0.646-0.063C(M)，线性相关系数为0.999，检测下限为1，□M(S/N=3)，灵敏度为63A/mM。本发明检测实验所构建的H2O2非酶传感器将检测限降低了约30倍，且灵敏度也有所提高。本传感器连续工作14天，性能稳定。这证实了在灵敏检测和稳定性方面的有益效果。
具体实施方式
本发明实施例以Ag纳米颗粒修饰的玻碳电极为例介绍。
1）玻碳电极的预处理与活化。依次用细金相砂纸、0.3～0.05μm氧化铝粉逐级抛光，将其打磨至镜面，洗去表面污物后，移入超声水浴中清洗2～3min。随后将电极放入0.5molL-1H2SO4溶液中用循环伏安法活化，实验室条件下所得循环伏安图中的峰电位差在80mV以下，并尽可能接近64mV，电极方可使用。
2）采用纳米颗粒束流源。将系统真空度达到1×10-3Pa或以上时，采用多种缓冲气体并进行磁控溅射，采用差分真空的原理形成在空中飞行的Ag纳米粒子束流3)将Ag纳米颗粒束流引至玻碳电极，沉积至0.7层。可以在电极上施加1000V以上的电压提高纳米颗粒附着力。
4）可以对玻碳电极进行Ar刻蚀，或者将Ag颗粒沉积在石墨烯粉末上，然后移植到玻碳电极上。
mV以下，并尽可能接近64mV，电极方可使用。
2）采用纳米颗粒束流源。将系统真空度达到1×10-3Pa或以上时，采用多种缓冲气体并进行磁控溅射，采用差分真空的原理形成在空中飞行的Ag纳米粒子束流3)将Ag，沉积至0.7层。可以在电极上施加1000V以上的电压提高纳米颗粒附着力。
4）可以对玻碳电极进行Ar刻蚀，或者将Ag颗粒沉积在石墨烯粉末（采用石墨烯材料为电极时）上，然后移植到玻碳电极上。
采用金的纳米颗粒束流引至玻碳电极：将系统真空度亦达到1×10-3Pa或以上，采用多种缓冲气体（氩或氮等）并进行磁控溅射，采用差分真空的原理形成在空中飞行的金纳米粒子束流。得到银纳米颗粒同样的效果。

Claims (9)

1.过氧化氢非酶电化学传感器，其特征是利用H2O2存在下化学电极的响应检测H2O2；所述化学电极是一对贵金属纳米颗粒修饰的电极；所述贵金属是金、银、铂、钯或铱。
2.根据权利要求1所述的过氧化氢非酶电化学传感器，其特征是贵金属纳米颗粒修饰的电极是由束流沉积的方法在电极材料上沉积贵金属纳米颗粒，所述的纳米粒子沉积中，控制纳米颗粒沉积量在0.3层以上，在5层以内；采用玻碳电极材料或纳米石墨烯作为电极材料。
3.根据权利要求1所述的过氧化氢非酶电化学传感器，其特征是控制纳米颗粒沉积量0.5-0.7层。
4.根据权利要求1-3之一所述的过氧化氢非酶电化学传感器的制备方法，其特征是采用纳米粒子束流加工方法来制造其核心电极；步骤如下：
准备电极材料，对电极材料进行处理；采用束流沉积的方法在电极材料上沉积贵金属纳米颗粒，控制纳米颗粒沉积量在0.3层以上，在5层以内，以保证足够的孔隙率。纳米颗粒沉积量尤其是0.5-0.7层。
5.根据权利要求4所述的过氧化氢非酶电化学传感器的制备方法，其特征是先对电极材料做刻蚀后沉积金属颗粒，或将金属颗粒沉积在纳米电极材料上，之后移植到电极上，电极材料采用玻碳电极材料或纳米石墨烯材料。
6.根据权利要求4所述的过氧化氢非酶电化学传感器的制备方法，其特征是所述的束流沉积的方法是纳米粒子加工方法，一般采用差分抽气方法形成束流；其Ar气浓度在10Pa-500Pa之间，束流量在0.1～5A/s。
7.根据权利要求4所述的过氧化氢非酶电化学传感器的制备方法，其特征是所述对电极材料进行处理是采用离子刻蚀或者化学腐蚀的方法对电极材料处理提高电极孔隙率。
8.根据权利要求4所述的过氧化氢非酶电化学传感器的制备方法，其特征是玻碳电极的预处理与活化，依次用细金相砂纸、0.3～0.05μm氧化铝粉逐级抛光，将其打磨至镜面，洗去表面污物后，移入超声水浴中清洗2～3min；随后将电极放入0.5mol L-1H2SO4溶液中用循环伏安法活化，所得循环伏安图中的峰电位差在80mV以下，并尽可能接近64mV，再使用电极。
9.根据权利要求8所述的过氧化氢非酶电化学传感器的制备方法，其特征是采用纳米颗粒束流源：将系统真空度达到1×10-3Pa以上，采用差分真空形成在空中飞行的Ag纳米粒子束流，将Ag纳米颗粒束流引至玻碳电极，沉积至0.7层；在玻碳电极上施加1000V以上的电压提高纳米颗粒附着力。
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