CN106383158B - 一种基于银-石墨烯纳米复合物的过氧化氢无酶传感器及其制备方法 - Google Patents

一种基于银-石墨烯纳米复合物的过氧化氢无酶传感器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于银‑石墨烯纳米复合物的过氧化氢无酶传感器的制备方法，具体为：1）称取5~10mg氧化石墨烯溶于5~10 mL水中，获得棕黄色的氧化石墨烯溶液；2）以含AgNO3和KNO3的混合溶液作为电沉积液，3）移取10~15μL步骤1）所得的氧化石墨烯溶液滴涂在预处理过的玻碳电极表面，在室温下放置晾干，即得氧化石墨烯修饰玻碳电极；4）以氧化石墨烯修饰玻碳电极为工作电极、铂丝电极为对电极、饱和甘汞电极为参比电极，将其置于步骤2）所配置的电沉积液中，在‑0.55~‑0.75 V之间恒电位沉积1~3 min，即得到银‑石墨烯纳米复合物修饰电极，以此作为过氧化氢无酶传感器。本发明传感器实现了对过氧化氢的快速、灵敏、高选择性检测，与现有报道文献相比优越性显著。

Description

一种基于银-石墨烯纳米复合物的过氧化氢无酶传感器及其 制备方法
技术领域
本发明属于电化学传感器及新型纳米功能材料技术领域，具体涉及一种基于银-石墨烯纳米复合物的过氧化氢无酶传感器及其制备方法。
背景技术
材料科学的发展给电化学应用领域带来了发展契机，石墨烯材料就是其中的典型代表。石墨烯由于其独特的片层纳米结构、良好的导电性和大的比表面积使得其在纳米电子器件、生物传感、电池、纳米复合物和超级电容器等方面具有潜在的应用。目前石墨烯作为二维导电碳载体负载纳米粒子催化剂成为电催化领域的研究热点。这种纳米复合材料是由石墨烯或其衍生物和功能纳米材料制成，希望通过发挥各种成分的优良特性以及可能的协同效应，产生一种有较高电催化活性的物质。
过氧化氢（H2O2）在化工、纺织、环保、医疗及食品生产方面等都有重要的应用。另外，它也是生物体内众多氧化酶参与反应的副产物，从而可以控制生物体内新陈代谢以及调控生物体内细胞凋亡。因此，对过氧化氢的分析测定是生物、医疗及临床诊断研究中一项非常重要的任务。目前，基于过氧化氢无酶传感器的电化学技术由于其操作简单、低耗、灵敏度高、选择性好、稳定性高和重现性好而成为过氧化氢测定的主要方法。其中，选择高性能的电催化材料和简单、快速、绿色的制备技术是构建过氧化氢无酶传感器的关键问题。
众所周知，银纳米结构物质对过氧化氢的还原有很好的催化效应，其与石墨烯的复合物已经被广泛应用于过氧化氢无酶传感器的构建中。目前，已经发展了多种银-石墨烯纳米复合物的制备方法。常规的湿化学还原法往往需要加入还原剂，且制备的银纳米材料尺寸小，容易在石墨烯表面聚集，限制了其电催化性能的发挥和催化剂的利用率，因此往往需要加入表面活性剂、聚电解质或者聚合物以提高银纳米粒子的分散度。电化学方法是一种通过调节外部条件来改变导电材料表面的费米能级从而改变电子状态的有效工具。常见的电化学方法制备的银-石墨烯纳米复合材料往往是两步法，即先通过化学法或者电化学方法合成石墨烯或者石墨烯衍生物，然后将此石墨烯材料修饰电极置于银离子溶液中，再通过电化学技术将银纳米结构物质沉积于石墨烯表面。这种方法步骤繁琐，且沉积的银纳米颗粒仍容易局部聚集成其它纳米结构物质，如树枝状纳米沉积物，影响催化剂的性能。因此，发展和设计工艺流程更为简单、绿色、快速且能保证石墨烯表面负载银催化剂颗粒的高分散度对构建高性能的过氧化氢无酶电化学传感分析技术具有十分重要的意义。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术缺陷，提供一种基于银-石墨烯纳米复合物的过氧化氢无酶传感器，其具有响应快速、检测限低、灵敏度高和选择性好的特点，对过氧化氢的检测具有潜在的应用前景。
本发明还提供了上述基于银-石墨烯纳米复合物的过氧化氢无酶传感器的制备方法，该方法步骤简单、没有使用有毒的还原剂、绿色无污染、快速实现了银纳米粒子在石墨烯表面的均匀分散。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于银-石墨烯纳米复合物的过氧化氢无酶传感器的制备方法，其包括如下步骤：
1）称取5~10 mg 氧化石墨烯加入到5~10 mL水中，超声波溶解2~3 h得到氧化石墨烯分散液，离心（10~15 min，转速2000~3000 rpm）以除去未溶解的氧化石墨烯，获得棕黄色的氧化石墨烯溶液；
2）配置电沉积液：以含AgNO3和KNO3的混合溶液作为电沉积液，其中，电沉积液中银盐AgNO3的浓度为1~10 mmol/L，支持电解质KNO3 的浓度为0.05~0.5 mol/L；
3）用移液枪移取10~15 μL步骤1）所得的氧化石墨烯溶液滴涂在预处理过的玻碳电极表面，在室温（20℃±5℃）下放置晾干，即得氧化石墨烯修饰玻碳电极；
4）采用三电极体系在电化学工作站上进行一步电沉积：以步骤3）所得氧化石墨烯修饰玻碳电极为工作电极、铂丝电极为对电极、饱和甘汞电极为参比电极，将其置于步骤2）所配置的电沉积液中，在-0.55~ -0.75 V之间恒电位沉积1~3 min，即可将氧化态石墨烯部分还原为还原态石墨烯，同时Ag纳米颗粒沉积在电极表面，从而实现银-石墨烯纳米复合物的一步电化学合成，得到银-石墨烯纳米复合物修饰电极，以此作为过氧化氢无酶传感器。
具体的，步骤3）中，玻碳电极的预处理通过以下方式实现：将裸玻碳电极依次用平均粒径为0.3 μm和0.05 μm的氧化铝粉末在麂皮上打磨，抛光至镜面；然后依次用无水乙醇、蒸馏水超声清洗1~3 min，室温晾干或红外灯下烘干，即得。本发明中，氧化石墨烯可采用本领域常规技术进行制备，也可以直接购买普通市售产品。
采用上述方法制备得到的基于银-石墨烯纳米复合物的过氧化氢无酶传感器。
和现有技术相比，本发明的有益效果：
1）本发明中提出的一步电化学法合成银-石墨烯纳米复合物具有以下优势：步骤简单、快速，反应条件相对温和、没有使用有毒的还原剂，无环境污染，且由于是直接沉积到电极上，合成的材料便于直接电化学应用；
2）本发明基于银-石墨烯纳米复合物的过氧化氢无酶传感器实现了对过氧化氢的快速、灵敏、高选择性检测，与现有报道文献相比优越性显著，具有潜在的应用前景。
附图说明
图1为实施例1制备的银-石墨烯纳米复合物修饰电极在不同放大倍数的SEM图；其中，a为放大40000倍；b为放大50000倍；
图2为玻碳电极（方块点线）和实施例1制备的银-石墨烯纳米复合物（圆点线）修饰电极的交流阻抗（EIS）图；其中，10 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4-溶液为电化学探针，0.1 mol/LKCl为支持电解质，在105~0.1 Hz的频率范围内扫描，交流电压振幅为5 mV，应用电位为0.2V；内插图为电极表面等效电路图；
图3为玻碳电极a、石墨烯修饰电极b、纳米银修饰电极c和银-石墨烯纳米复合物修饰电极d在含有5 mmol/L H2O2的pH 7.0浓度为0.1 mol/L磷酸盐缓冲溶液中的循环伏安图，扫速为50 mV/s。其中，石墨烯修饰电极b的电沉积液为0.1 mol/L KNO3，纳米银修饰电极c的电沉积液为5 mmol/L AgNO3，石墨烯修饰电极b、纳米银修饰电极c的沉积条件与实施例1中银-石墨烯纳米复合物修饰电极d相同，除了电沉积液不同；
图4中a为在-0.2 V的检测电位下，向pH=7.0的磷酸盐缓冲溶液中加入不同浓度过氧化氢时，实施例1制备的银-石墨烯纳米复合物修饰电极的电流响应；b为还原电流与过氧化氢浓度的线性关系图；
图5为在-0.2 V的检测电位下，向pH=7.0的磷酸盐缓冲溶液中依次加入1 mM H2O2、0.1 mM 葡萄糖（glucose）、0.1 mM 多巴胺（DA）、1 mM H2O2、0.1 mM 抗坏血酸AA、0.1 mM酪氨酸（tyrosine）和0.1 mM 尿酸（UA）时，实施例1制备的银-石墨烯纳米复合物修饰电极的电流响应。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步地详细介绍，但本发明的保护范围并不局限于此。
实施例1
一种基于银-石墨烯纳米复合物的过氧化氢无酶传感器的制备方法，其包括如下步骤：
1）称取8 mg 氧化石墨烯加入到10 mL水中，超声波溶解3 h得到氧化石墨烯分散液，离心（12 min，转速2500 rpm）以除去未溶解的氧化石墨烯，获得棕黄色的氧化石墨烯溶液；
2）配置电沉积液：以含AgNO3和KNO3的混合溶液作为电沉积液，其中，电沉积液中银盐AgNO3的浓度为5 mmol/L，支持电解质KNO3 的浓度为0.1 mol/L；
3）用移液枪移取10 μL步骤1）所得的氧化石墨烯溶液滴涂在预处理过的玻碳电极表面，在室温下放置晾干，即得氧化石墨烯修饰玻碳电极；玻碳电极的预处理通过以下方式实现：将裸玻碳电极依次用平均粒径为0.3 μm和0.05 μm的氧化铝粉末在麂皮上打磨，抛光至镜面；然后依次用无水乙醇、蒸馏水超声清洗2 min，室温晾干或红外灯下烘干，即得；
4）采用三电极体系在电化学工作站上进行一步电沉积：以步骤3）所得氧化石墨烯修饰玻碳电极为工作电极、铂丝电极为对电极、饱和甘汞电极为参比电极，将其置于步骤2）所配置的电沉积液中，在-0.6 V恒电位沉积2 min，即可将氧化态石墨烯部分还原为还原态石墨烯，同时Ag纳米颗粒沉积在电极表面，从而实现银-石墨烯纳米复合物的一步电化学合成，得到银-石墨烯纳米复合物修饰电极，以此作为过氧化氢无酶传感器。
采用扫描电子显微镜（SEM）表征材料的形貌和银纳米颗粒在石墨烯表面的分散度（见图1）；利用电化学阻抗谱图（EIS）研究了银-石墨烯纳米复合物的电子转移特性（见图2）。
图1可以看出：通过一步电沉积法实现了银纳米颗粒在石墨烯表面的均匀分散，沉积的大多数银纳米颗粒直径在30~100 nm之间，少数银纳米颗粒的直径可达200 nm左右，没有观察到明显的纳米颗粒聚集现象。同时，褶皱状还原态石墨烯作为碳基底为电催化剂银纳米颗粒的负载提供了大的比表面积和良好的导电性。
图2 可以看出：与玻碳电极相比，银-石墨烯纳米复合物修饰电极的半圆部分直径明显减小，而半圆部分在一个较高的频率对应电子转移控制部分，半圆的直径等价于电子转移电阻。由此可以得到，玻碳电极的电子转移电阻为312欧姆，而银-石墨烯纳米复合物修饰电极的电子转移电阻为115欧姆，表明银-石墨烯纳米复合物显著提高了电极的电子转移速率。
对过氧化氢的电催化和传感分析性能研究
本发明所研制的基于银-石墨烯纳米复合物的过氧化氢无酶传感器具有以下特点。
（1）电催化性能强
从图3可以看出：与单一材料相比，如纳米银修饰电极c、石墨烯修饰电极b，银-石墨烯纳米复合物修饰电极d对过氧化氢的电化学还原电流最大，且还原峰电位最正，为-0.40 V，比石墨烯修饰电极b正移了0.05 V，比纳米银修饰电极c正移了0.1 V，说明本发明制备的银-石墨烯纳米复合物表现出两种材料的协同效应，对过氧化氢的电化学还原具有明显增强的电催化效应。
（2）灵敏度高，检测限低，且响应快速
从图4可以看出：随着过氧化氢的加入，银-石墨烯纳米复合物修饰电极的还原电流具有迅速而灵敏的响应，达到电流最大值90%时的响应时间低于3 s，检测限低至0.5 µmol/L，线性响应范围为5 µM-16.5 mM，检测灵敏度为7.03 µA mM-1或者99.5 µA mM-1 cm-2,与文献报道的纳米银-血红素修饰电极（2.83 µA/mM，L. Jiang, J. Hu, J.S Foord，Electrochimica Acta 176 (2015) 488–496）和树枝状纳米银-氮掺杂石墨烯修饰电极（88.47 µA mM-1 cm-2, M.T. Tajabadi, W.J. Basirun, F. Lorestani, R. Zakaria, S.Baradaran, Y.M. Amin, M.R. Mahmoudian, M. Rezayi, M. Sookhakian,Electrochimica Acta 151, 2015, 126-133）相比，检测灵敏度大大提高。
（3）选择性好
从图5可以看出：0.1 mM干扰物质的电流响应与1 mM过氧化氢的电流响应相比非常微弱，表明本发明基于银-石墨烯纳米复合物电化学传感器可以用于过氧化氢的选择性测定，生物体内常见的干扰物质对过氧化氢的电催化还原无明显干扰。
实施例2
一种基于银-石墨烯纳米复合物的过氧化氢无酶传感器的制备方法，其包括如下步骤：
1）称取5 mg 氧化石墨烯加入到10 mL水中，超声波溶解2 h得到氧化石墨烯分散液，离心（10 min，转速2000 rpm）以除去未溶解的氧化石墨烯，获得棕黄色的氧化石墨烯溶液；
2）配置电沉积液：以含AgNO3和KNO3的混合溶液作为电沉积液，其中，电沉积液中银盐AgNO3的浓度为1 mmol/L，支持电解质KNO3 的浓度为0.05 mol/L；
3）用移液枪移取15 μL步骤1）所得的氧化石墨烯溶液滴涂在预处理过的玻碳电极表面，在室温下放置晾干，即得氧化石墨烯修饰玻碳电极；玻碳电极的预处理通过以下方式实现：将裸玻碳电极依次用0.3 μm、0.05 μm的氧化铝粉末在麂皮上打磨，抛光至镜面；然后依次用无水乙醇、蒸馏水超声清洗1 min，室温晾干或红外灯下烘干，即得；
4）采用三电极体系在电化学工作站上进行一步电沉积：以步骤3）所得氧化石墨烯修饰玻碳电极为工作电极、铂丝电极为对电极、饱和甘汞电极为参比电极，将其置于步骤2）所配置的电沉积液中，在-0.55 V恒电位沉积3 min，即可将氧化态石墨烯部分还原为还原态石墨烯，同时Ag纳米颗粒沉积在电极表面，从而实现银-石墨烯纳米复合物的一步电化学合成，得到银-石墨烯纳米复合物修饰电极，以此作为过氧化氢无酶传感器。
实施例3
一种基于银-石墨烯纳米复合物的过氧化氢无酶传感器的制备方法，其包括如下步骤：
1）称取10 mg 氧化石墨烯加入到5 mL水中，超声波溶解3 h得到氧化石墨烯分散液，离心（15 min，转速3000 rpm）以除去未溶解的氧化石墨烯，获得棕黄色的氧化石墨烯溶液；
2）配置电沉积液：以含AgNO3和KNO3的混合溶液作为电沉积液，其中，电沉积液中银盐AgNO3的浓度为10 mmol/L，支持电解质KNO3 的浓度为0.5 mol/L；
3）用移液枪移取10 μL步骤1）所得的氧化石墨烯溶液滴涂在预处理过的玻碳电极表面，在室温下放置晾干，即得氧化石墨烯修饰玻碳电极；玻碳电极的预处理通过以下方式实现：将裸玻碳电极依次用0.3 μm、0.05 μm的氧化铝粉末在麂皮上打磨，抛光至镜面；然后依次用无水乙醇、蒸馏水超声清洗3 min，室温晾干或红外灯下烘干，即得；
4）采用三电极体系在电化学工作站上进行一步电沉积：以步骤3）所得氧化石墨烯修饰玻碳电极为工作电极、铂丝电极为对电极、饱和甘汞电极为参比电极，将其置于步骤2）所配置的电沉积液中，在-0.75 V恒电位沉积1 min，即可将氧化态石墨烯部分还原为还原态石墨烯，同时Ag纳米颗粒沉积在电极表面，从而实现银-石墨烯纳米复合物的一步电化学合成，得到银-石墨烯纳米复合物修饰电极，以此作为过氧化氢无酶传感器。
对实施例2和3制备所得过氧化氢无酶传感器进行过氧化氢的电催化和传感分析性能测试，结果表明与实施例1制备的过氧化氢无酶传感器性能相当。说明本发明基于银-石墨烯纳米复合物的过氧化氢无酶传感器实现了对过氧化氢的快速、灵敏、高选择性检测，与现有报道文献相比优越性显著，具有潜在的应用前景。

Claims (3)

1.一种基于银-石墨烯纳米复合物的过氧化氢无酶传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）称取5~10 mg 氧化石墨烯加入到5~10 mL水中，超声波溶解2~3 h得到氧化石墨烯分散液，离心以除去未溶解的氧化石墨烯，获得棕黄色的氧化石墨烯溶液；
2）配置电沉积液：以含AgNO3和KNO3的混合溶液作为电沉积液，其中，电沉积液中AgNO3的浓度为1~10 mmol/L，KNO3 的浓度为0.05~0.5 mol/L；
3）移取10~15 μL步骤1）所得的氧化石墨烯溶液滴涂在预处理过的玻碳电极表面，在室温下放置晾干，即得氧化石墨烯修饰玻碳电极；
4）采用三电极体系在电化学工作站上进行一步电沉积：以步骤3）所得氧化石墨烯修饰玻碳电极为工作电极、铂丝电极为对电极、饱和甘汞电极为参比电极，将其置于步骤2）所配置的电沉积液中，在-0.55~ -0.75 V之间恒电位沉积1~3 min，即得到银-石墨烯纳米复合物修饰电极，以此作为过氧化氢无酶传感器。
2.如权利要求1所述基于银-石墨烯纳米复合物的过氧化氢无酶传感器的制备方法，其特征在于，步骤3）中，玻碳电极的预处理通过以下方式实现：将裸玻碳电极依次用0.3 μm、0.05 μm的氧化铝粉末在麂皮上打磨，抛光至镜面；然后依次用无水乙醇、蒸馏水超声清洗1~3 min，室温晾干或红外灯下烘干，即得。
3.采用权利要求1或2所述方法制备得到的基于银-石墨烯纳米复合物的过氧化氢无酶传感器。
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