CN105823773A - 一种双功能无酶过氧化氢光电化学传感器的制备方法及应用 - Google Patents

一种双功能无酶过氧化氢光电化学传感器的制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于功能纳米材料构建的双功能无酶过氧化氢传感器的制备方法，所制备的传感器操作简单、携带方便、检测快、成本低，可用于日常生产、生活等领域的对过氧化氢的快速、灵敏检测。

Description

一种双功能无酶过氧化氢光电化学传感器的制备方法及应用
技术领域
本发明涉及一种用于检测过氧化氢的传感器的制备方法，该传感器集成了电化学发光和光电化学双重功能。属于新型纳米功能材料与电化学生物传感分析技术领域。
背景技术
过氧化氢是一种氧化剂，一般情况下能够分解为水和氧气，但比较慢，当加入催化剂（或生物酶）时，反应速度加快，由此可以即时得到过氧化氢的量或催化剂（或生物酶）的量，同时在生物体内过氧化氢也经常以反应中间体的形式存在，因此，过氧化氢在医学诊断、临床治疗、环境检测和食品生产等领域均扮演着重要的角色，研究开发过氧化氢检测方法也就具有十分重要的应用价值。电化学生物传感分析技术由于操作简便、检测速度快等优势，日益得到人们的重视。目前，用于检测过氧化氢的电化学生物传感分析技术按照检测手段来分主要有电化学传感器、电化学发光传感器和光电化学传感器三种。其中，电化学发光传感器和光电化学传感器相对于电化学传感器，具有背景信号噪音少、灵敏度高、检测成本低等特点，近几年被越来越多的研究者所关注。
电化学发光也称为电化学发光，是指通过电化学方法在电极表面产生一些特殊的物质，这些物质之间或者与体系中其他组分之间通过电子传递形成激发态，由激发态返回到基态产生发光现象。电化学发光传感器即通过改变电极表面的修饰材料，与分析物产生电化学发光，在最优条件下，根据分析物浓度与电化学发光强度的相关变化实现对分析物的定性定量分析。
光电化学传感器是基于外加光源激发光电敏感材料导致电子-空穴对进行分离，在合适的偏电位条件下，实现电子在电极、半导体及修饰物和分析物上的快速传递，并形成光电流。在最优条件下，分析物浓度的变化会直接影响光电流的大小，可以根据光电流的变化实现对分析物的定性定量分析。
但是，由于电化学发光传感器需要外置光信号捕捉设备如光电二极管等，而光电化学传感器需要外设光源来激发光电敏感材料，这在一定程度上影响了二者操作的便捷性，限制了他们在实际生产、生活中更为广泛的应用。因此，设计、制备更为简便、快捷的检测过氧化氢的电化学生物传感分析技术具有十分重要的实用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种操作简单、携带方便、检测快、成本低的过氧化氢传感器的制备方法，所制备的传感器，可用于日常生产、生活等领域的对过氧化氢的快速、灵敏检测。基于此目的，本发明在同一电解池中，采用四电极系统，即两个工作电极、一个对电极和一个参比电极，其中工作电极1采用金纳米棒溶胶AuNRs和电聚合鲁米诺共同进行修饰，作为电化学发光工作电极W1，工作电极2采用还原石墨烯负载二氧化钛纳米片溶胶rGO/TiO2和氯化血红素Hemin溶液共同进行修饰，作为光电化学工作电极W2。进行检测时，在电解池中加入过氧化氢后，在W1上施加阶跃电压，由于AuNRs的催化作用，鲁米诺与过氧化氢反应，产生电化学发光，这便相当于“开灯”，当阶跃电压为0时，电化学发光消失，这便相当于“关灯”，与此同时在W2上一直施加恒定电压，由于rGO/TiO2会因为电化学发光产生的发光激发导致电子-空穴对进行分离，Hemin催化过氧化氢产生氧气，使过氧化氢成为空穴“给体”，从而在W2上得到光电流，当电化学发光消失，即“关灯”时，光电流随即消失，产生的光电流的大小与过氧化氢浓度正相关，因此通过记录光电流的大小即可实现对过氧化氢的检测。
基于以上发明原理，本发明采用的具体技术方案如下：
1.一种双功能无酶过氧化氢光电化学传感器的制备方法，其特点在于，制备步骤为：
（1）电化学发光工作电极W1的制备方法，所述的W1是由AuNRs和电聚合鲁米诺共同修饰的ITO导电玻璃，其特点是，具体的制备步骤为：
1）以ITO导电玻璃为工作电极，在电极表面滴涂AuNRs，覆盖面积为1cm×1cm，室温下晾干；
2）将1）得到的工作电极，浸入电解液中，浸入面积为AuNRs所覆盖的面积，利用三电极系统对工作电极进行电化学沉积，沉积后取出工作电极，使用超纯水清洗，4℃下避光干燥，制得电化学发光工作电极W1；
所述的AuNRs为金纳米棒的水溶液，所述金纳米棒是棒状金纳米粒子，长度为20~40nm；
所述的电解液为含有鲁米诺的硫酸溶液，所述的电解液中鲁米诺的浓度为1~10mmol/L，硫酸浓度为0.1~1.0mol/L；
所述的三电极系统，包括工作电极、参比电极和对电极，所述的参比电极为饱和甘汞电极，所述的对电极为铂丝电极；
所述的电化学沉积过程，采用的电化学方法为循环伏安法，起始电压为-0.2V，终止电压为1.5V，扫速为100mv/s，循环20~30圈；
（2）光电化学工作电极W2的制备方法，所述的W2是由rGO/TiO2和Hemin共同修饰的ITO导电玻璃，其特点是，具体的制备步骤为：
1）以ITO导电玻璃为工作电极，在电极表面滴涂8~12μLrGO/TiO2，室温下晾干；
2）将1）中得到的工作电极放入马弗炉中，在450℃下进行退火处理，处理后冷却至室温；
3）将2）中得到的工作电极表面滴涂8~12μLHemin，4℃下干燥，干燥后用超纯水清洗，4℃下干燥，制得光电化学工作电极W2；
所述的rGO/TiO2为还原石墨烯负载二氧化钛纳米片的水溶液，所述二氧化钛纳米片为方形片状的二氧化钛纳米粒子，边长为60~80nm；
所述的Hemin为5μmol/L的氯化血红素水溶液；
（3）双功能无酶过氧化氢光电化学传感器的制备方法：
1）将W1和W2导电的一面相对插入电解池中，W1与W2间距为0.5cm~1.5cm；
2）以Ag/AgCl为参比电极RE、铂丝电极为对电极CE，插入电解池中，与W1和W2共同组成四电极系统；
3）在电解池中加入10mLpH值为11~13的NaOH溶液；
4）将1）~3）所制得四电极系统以及电解池置于暗盒中，即制得双功能无酶过氧化氢光电化学传感器。
2.本发明所述的双功能无酶过氧化氢光电化学传感器的应用于过氧化氢的检测，其特点是具体的检测方法为：
（1）利用电化学工作站，在W1上采用阶跃电压的方法对W1施加阶跃电压，初始电压为0v，阶跃电压为0.7~0.9v，阶跃时间为10~30s；同时，在W2上采用时间-电流方法对W2施加恒定电压，电压为0~0.6v；
（2）在电解池中加入不同浓度的过氧化氢标准溶液，W2上的电流会随着过氧化氢浓度的增大而相应增大，根据所得电流增大值与过氧化氢浓度之间的关系，绘制工作曲线；
（3）将待测过氧化氢溶液代替过氧化氢的标准溶液，按照（1）和（2）所述的过氧化氢检测方法进行检测，根据所得到的电流增大值与所绘制的工作曲线得出待测过氧化氢溶液的浓度。
本发明的有益成果
（1）本发明所述的双功能无酶过氧化氢光电化学传感器制备简单，操作方便，无需外部辅助设备，利用检测设备的微型化、便携化，并实现了对过氧化氢的快速、灵敏、高选择性检测，具有广阔的市场发展前景；
（2）本发明首次在同一电解池中采用四电极系统检测过氧化氢，并实现了电化学发光与光电化学双功能信号放大策略。在电解池中随着过氧化氢浓度的增加，一方面，使得电化学发光强度线性增加，所激发的光电流线形增大；另一方面，过氧化氢作为电子给体，使得光电化学反应中光电流线形增大。因此，电化学发光和光电化学两种方法在同一电解池中、同一电化学工作站下共同反应、相互作用，实现了对过氧化氢检测电信号的双重放大，极大地提高了检测灵敏度和检出限，同时由于没有使用生物酶，从而对检测环境要求更为宽松，具有重要的科学意义和市场应用价值。
具体实施方式
实施例1一种双功能无酶过氧化氢光电化学传感器，具体的制备步骤为：
（1）电化学发光工作电极W1的制备：
1）以ITO导电玻璃为工作电极，在电极表面滴涂AuNRs，覆盖面积为1cm×1cm，室温下晾干；
2）将1）得到的工作电极，浸入电解液中，浸入面积为AuNRs所覆盖的面积，利用三电极系统对工作电极进行电化学沉积，沉积后取出工作电极，使用超纯水清洗，4℃下避光干燥，制得电化学发光工作电极W1；
所述的AuNRs为金纳米棒的水溶液，所述金纳米棒是棒状金纳米粒子，长度为20nm；
所述的电解液为含有鲁米诺的硫酸溶液，所述的电解液中鲁米诺的浓度为1mmol/L，硫酸浓度为0.1mol/L；
所述的三电极系统，包括工作电极、参比电极和对电极，所述的参比电极为饱和甘汞电极，所述的对电极为铂丝电极；
所述的电化学沉积过程，采用的电化学方法为循环伏安法，起始电压为-0.2V，终止电压为1.5V，扫速为100mv/s，循环20圈。
（2）光电化学工作电极W2的制备：
1）以ITO导电玻璃为工作电极，在电极表面滴涂8μLrGO/TiO2，室温下晾干；
2）将1）中得到的工作电极放入马弗炉中，在450℃下进行退火处理，处理后冷却至室温；
3）将2）中得到的工作电极表面滴涂8μLHemin，4℃下干燥，干燥后用超纯水清洗，4℃下干燥，制得光电化学工作电极W2；
所述的rGO/TiO2为还原石墨烯负载二氧化钛纳米片的水溶液，所述二氧化钛纳米片为方形片状的二氧化钛纳米粒子，边长为60~80nm；
所述的Hemin为5μmol/L的氯化血红素水溶液。
（3）双功能无酶过氧化氢光电化学传感器的制备方法：
1）将（1）中制备的W1和（2）中制备的W2面面相对插入电解池中，W1与W2间距为0.5cm；
2）以Ag/AgCl为参比电极RE、铂丝电极为对电极CE，插入电解池中，与W1和W2共同组成四电极系统；
3）在电解池中加入10mLpH值为11的NaOH溶液；
4）将1）~3）所制得四电极系统以及电解池置于暗盒中，即制得双功能无酶过氧化氢光电化学传感器。
实施例2一种双功能无酶过氧化氢光电化学传感器，具体的制备步骤为：
（1）电化学发光工作电极W1的制备：
制备步骤同实施例1中W1的制备步骤，不同之处为金纳米棒的长度为30nm，电解液中鲁米诺的浓度为5mmol/L，硫酸浓度为0.5mol/L，循环伏安法进行电化学沉积时，循环25圈。
（2）光电化学工作电极W2的制备：
1）以ITO导电玻璃为工作电极，在电极表面滴涂10μLrGO/TiO2，室温下晾干；
2）将1）中得到的工作电极放入马弗炉中，在450℃下进行退火处理，处理后冷却至室温；
3）将2）中得到的工作电极表面滴涂10μLHemin，4℃下干燥，干燥后用超纯水清洗，4℃下干燥，制得光电化学工作电极W2；
其余同实施例1中W2的制备步骤。
（3）双功能无酶过氧化氢光电化学传感器的制备方法：
制备步骤同实施例1，不同之处为W1与W2间距为1.0cm，在电解池中加入的NaOH溶液的pH值为12。
实施例3一种双功能无酶过氧化氢光电化学传感器，具体的制备步骤为：
（1）电化学发光工作电极W1的制备：
制备步骤同实施例1中W1的制备步骤，不同之处为金纳米棒的长度为40nm，电解液中鲁米诺的浓度为10mmol/L，硫酸浓度为1.0mol/L，循环伏安法进行电化学沉积时，循环30圈。
（2）光电化学工作电极W2的制备：
1）以ITO导电玻璃为工作电极，在电极表面滴涂12μLrGO/TiO2，室温下晾干；
2）将1）中得到的工作电极放入马弗炉中，在450℃下进行退火处理，处理后冷却至室温；
3）将2）中得到的工作电极表面滴涂12μLHemin，4℃下干燥，干燥后用超纯水清洗，4℃下干燥，制得光电化学工作电极W2；
其余同实施例1中W2的制备步骤。
（3）双功能无酶过氧化氢光电化学传感器的制备方法：
制备步骤同实施例1，不同之处为W1与W2间距为1.5cm，在电解池中加入的NaOH溶液的pH值为13。
实施例4一种双功能无酶过氧化氢光电化学传感器的应用
实施例1制备的一种双功能无酶过氧化氢光电化学传感器应用于过氧化氢的检测，其检测步骤为：
（1）利用电化学工作站，在W1上采用阶跃电压的方法对W1施加阶跃电压，初始电压为0v，阶跃电压为0.7v，阶跃时间为10s；同时，在W2上采用时间-电流方法对W2施加恒定电压，电压为0v；
（2）在电解池中加入不同浓度的过氧化氢标准溶液，W2上的电流会随着过氧化氢浓度的增大而相应增大，根据所得电流增大值与过氧化氢浓度之间的关系，绘制工作曲线；
（3）将待测过氧化氢溶液代替过氧化氢的标准溶液，按照（1）和（2）所述的过氧化氢检测方法进行检测，根据所得到的电流增大值与所绘制的工作曲线得出待测过氧化氢溶液的浓度。
实施例5一种双功能无酶过氧化氢光电化学传感器的应用
实施例2制备的一种双功能无酶过氧化氢光电化学传感器应用于过氧化氢的检测，其检测步骤为：
（1）利用电化学工作站，在W1上采用阶跃电压的方法对W1施加阶跃电压，初始电压为0v，阶跃电压为0.8v，阶跃时间为20s；同时，在W2上采用时间-电流方法对W2施加恒定电压，电压为0.3v；
（2）和（3）同实施例4。
实施例6一种双功能无酶过氧化氢光电化学传感器的应用
实施例3制备的一种双功能无酶过氧化氢光电化学传感器应用于过氧化氢的检测，其检测步骤为：
（1）利用电化学工作站，在W1上采用阶跃电压的方法对W1施加阶跃电压，初始电压为0v，阶跃电压为0.9v，阶跃时间为30s；同时，在W2上采用时间-电流方法对W2施加恒定电压，电压为0.6v；
（2）和（3）同实施例4。
实施例7实施例1-3所制备的双功能无酶过氧化氢光电化学传感器，应用于过氧化氢的检测，具有优良的检测效果，检测限为25μmol/L。
实施例8人血清中过氧化氢的检测
准确移取人血清样品，加入一定摩尔浓度的过氧化氢标准溶液，以未加入过氧化氢的人血清为空白，进行加标回收实验，按照实施例4~6的步骤进行检测，测定样品中过氧化氢的回收率，检测结果见表1。
表1人血清中过氧化氢的检测结果
表1检测结果可知，结果的相对标准偏差（RSD）不大于3.3%，回收率为94~106%，表明本发明可用于人血清中过氧化氢的检测，方法的灵敏度高、特异性强，结果准确可靠。

Claims (5)

1.一种双功能无酶过氧化氢光电化学传感器的制备方法，其特征在于，采用金纳米棒溶胶AuNRs和电聚合鲁米诺共同修饰的ITO导电玻璃作为电致化学发光工作电极W1，还原石墨烯负载二氧化钛纳米片溶胶rGO/TiO2和氯化血红素Hemin溶液共同修饰的ITO导电玻璃作为光电化学工作电极W2，Ag/AgCl电极作为参比电极RE、铂丝电极作为对电极CE，将四个电极共同插入同一电解池中组成四电极系统，将制得的四电极系统置于暗盒中，即制得双功能无酶过氧化氢光电化学传感器。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的金纳米棒溶胶AuNRs为金纳米棒的水溶液，所述金纳米棒是棒状金纳米粒子，长度为20~40nm。
3.根据权利要求1所述的双功能无酶过氧化氢光电化学传感器的制备方法，其特征在于，所述的还原石墨烯负载二氧化钛纳米片溶胶rGO/TiO2为还原石墨烯负载二氧化钛纳米片的水溶液，所述二氧化钛纳米片为方形片状的二氧化钛纳米粒子，边长为60~80nm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将W1和W2导电的一面相对插入电解池中，W1与W2间距为0.5cm~1.5cm。
5.根据权利要求1所述的制备方法制备的过氧化氢光电化学传感器，其特征在于，所述的过氧化氢光电化学传感器应用于过氧化氢检测的步骤为：利用电化学工作站，在W1上采用阶跃电压的方法对W1施加阶跃电压，初始电压为0v，阶跃电压为0.7~0.9v，阶跃时间为10~30s；同时，在W2上采用时间-电流方法对W2施加恒定电压，电压为0~0.6v；在电解池中加入待测过氧化氢溶液，W2上的电流会随着过氧化氢浓度的增大而相应增大，根据所得电流增大值得出待测过氧化氢溶液浓度。
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