CN107402246B

CN107402246B - 基于纳米金/纳米乙炔黑修饰的电极及其制备方法和应用

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Publication number: CN107402246B
Application number: CN201710571999.9A
Authority: CN
Inventors: 许春萱; 周文秀; 张巧娜
Original assignee: Xinyang Normal University
Current assignee: Xinyang Normal University
Priority date: 2017-07-13
Filing date: 2017-07-13
Publication date: 2019-11-05
Anticipated expiration: 2037-07-13
Also published as: CN107402246A

Abstract

本发明公开基于纳米金/纳米乙炔黑修饰的电极，所述电极的表面依次覆盖有纳米乙炔黑和纳米金。同时提供其相应的制备方法及应用。乙炔黑质量较轻、导电性能良好、比表面较大、成本低廉；纳米金不仅催化活性强、检测物质灵敏度高，而且还能增大电极表面积、增强电子传导能力，本发明利用乙炔黑和纳米金结构的特殊性、导电的良好性及其电化学的催化性，进而提高了待测物质检测的灵敏度。

Description

基于纳米金/纳米乙炔黑修饰的电极及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于电化学分析领域，具体涉及基于纳米金/纳米乙炔黑修饰的电极及其制备方法和应用。

背景技术

多巴胺(dopamine，DA，又名3-羟酪胺)是一种神经传递物质，在神经中枢系统、肾脏和激素系统中起着重要的作用。体内DA的失调与心脏病、帕金森氏症、甲状腺荷尔蒙含量、神经肌肉失调和各种精神疾病有关，所以研究DA的测定具有重要的意义，通常测定DA的方法包括：分光光度法、毛细管电泳法、荧光光度法和高效液相色谱法等。但上述方法存在所用仪器复杂昂贵、样品处理过程耗时等问题。

而电化学分析方法所用仪器简单、操作简便、灵敏度高、检测分析速度快等特点。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，通常对电极是铂电极，参比电极是饱和甘汞电极，工作电极是玻碳电极。

由于DA具有较好的电化学活性，可用电化学方法测定其含量，但存在检测时灵敏度低的问题，因此，需要对电极进行修饰以提高检测电极的灵敏度。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于纳米金/纳米乙炔黑修饰的电极，同时提供其相应的制备方法及其应用是本发明的另一发明目的。

基于上述目的，本发明采取以下技术方案：

基于纳米金/纳米乙炔黑修饰的电极，所述电极的表面依次覆盖有纳米乙炔黑和纳米金。

基于纳米金/纳米乙炔黑修饰的电极的制备方法，包括以下步骤：1)纳米乙炔黑修饰电极的制备：将0.5～1.5mg乙炔黑加入到1mL蒸馏水中混匀，得乙炔黑悬浮液，将乙炔黑悬浮液涂于电极表面，烘干得纳米乙炔黑修饰电极；

2)纳米金/纳米乙炔黑修饰电极的制备：将HAuCl₄溶解于0.1mol/L KNO₃溶液中得质量分数为0.1％HAuCl₄溶液，将步骤1)的纳米乙炔黑修饰电极插入0.1％HAuCl₄溶液中，进行电流—时间扫描，冲洗、晾干，即得纳米金/纳米乙炔黑修饰的电极。

步骤1)的电极经打磨、抛光、清洗后，再将乙炔黑悬浮液滴涂于电极表面。

步骤2)中电流—时间扫描时，电位为-0.2V，扫描时间为80-120s。

基于纳米金/纳米乙炔黑修饰的电极的应用，将修饰后的电极作为工作电极，与对电极和参比电极组成三电级体系，用于测定多巴胺。

所述对电极为铂柱电极，参比电极为饱和甘汞电极。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)乙炔黑质量较轻、导电性能良好、比表面较大、成本低廉；纳米金不仅催化活性强、检测物质灵敏度高，而且还能增大电极表面积、增强电子传导能力，本发明利用乙炔黑和纳米金结构的特殊性、导电的良好性及其电化学的催化性，进而提高了待测物质检测的灵敏度；

2)制备方法具有制备简单、前处理简便、费用低、费时少的特点，所制得的修饰电极灵敏度高、稳定性好；

3)本发明修饰电极用于检测DA，线性范围宽，检出限低。

附图说明

图1为不同修饰电极在1.0×10^-4mol/L DA的0.1mol/LPBS(pH 7.0)溶液中的循环伏安图；

图2为不同修饰电极在混合液中的阻抗谱图；

图3为不同电极在0.1mol/L PBS(pH 7.0)溶液中电位窗口行为；

图4为不同电极在混合液中的计时库仑行为；

图5为不同扫速下多巴胺在Au/AB/GCE的循环伏安图；

图6为不同pH值下DA在Au/AB/GCE的循环伏安图；

图7为不同浓度下DA的差分脉冲伏安图。

具体实施方式

实施例1

基于纳米金/纳米乙炔黑修饰的电极，所述电极的表面依次覆盖有纳米乙炔黑和纳米金，电极为玻碳电极。

基于纳米金/纳米乙炔黑修饰的电极的制备方法，包括以下步骤：1)电极预处理：将玻碳电极(GCE)在砂纸上打磨，然后在麂皮抛光板上进行两次抛光至电极表面光洁(第一次抛光时，麂皮抛光板上的抛光粉为粒径为0.3μm氧化铝粉；第二次抛光时，麂皮抛光板上的抛光粉为粒径为0.05μm氧化铝粉)，再依次在无水乙醇和二次蒸馏水中进行超声清洗1min，用二次蒸馏水冲洗后，吹干备用；

2)纳米乙炔黑修饰电极的制备：将1.0mg乙炔黑加入到1mL二次蒸馏水中混匀，超声2h得乙炔黑悬浮液，用移液枪吸取6μL将乙炔黑悬浮液涂于步骤1)预处理后的电极表面，红外灯下烘干得纳米乙炔黑修饰电极；

3)纳米金/纳米乙炔黑修饰电极的制备：将HAuCl₄溶解于1mol/L KNO₃溶液中得质量分数为0.1％HAuCl₄溶液，将步骤1)的纳米乙炔黑修饰电极插入0.1％HAuCl₄溶液中，于电位为-0.2V下，进行电流—时间(I–t)扫描,扫描时间为100s，用二次蒸馏水冲洗、晾干，即得纳米金/纳米乙炔黑修饰的电极。

基于纳米金/纳米乙炔黑修饰的电极的应用，将修饰后的玻碳电极作为工作电极，与以铂柱电极为对电极和饱和甘汞电极为参比电极组成三电级体系，用于测定多巴胺。

实施例2

基于纳米金/纳米乙炔黑修饰的电极的制备方法，包括以下步骤：1)电极预处理：将玻碳电极(GCE)在砂纸上打磨，然后在鹿皮抛光板上进行两次抛光至电极表面光洁(第一次抛光时，鹿皮抛光板上的抛光粉为粒径为0.3μm氧化铝粉；第二次抛光时，玻璃板上的抛光粉为粒径为0.05μm氧化铝粉)，再依次在无水乙醇和二次蒸馏水中进行超声清洗1min，用二次蒸馏水冲洗后，吹干备用；

2)纳米乙炔黑修饰电极的制备：将0.5mg乙炔黑加入到1mL二次蒸馏水中混匀，超声2h得乙炔黑悬浮液，用移液枪吸取10μL将乙炔黑悬浮液涂于步骤1)预处理后的电极表面，红外灯下烘干得纳米乙炔黑修饰电极；

3)纳米金/纳米乙炔黑修饰电极的制备：将HAuCl₄溶解于1mol/L KNO₃溶液中得质量分数为0.1％HAuCl₄溶液，将步骤1)的纳米乙炔黑修饰电极插入0.1％HAuCl₄溶液中，于电位为-0.2V下，进行电流—时间(I–t)扫描,扫描时间为80s，用二次蒸馏水冲洗、晾干，即得纳米金/纳米乙炔黑修饰的电极。

其他同实施例1。

实施例3

2)纳米乙炔黑修饰电极的制备：将1.5mg乙炔黑加入到1mL二次蒸馏水中混匀，超声2h得乙炔黑悬浮液，用移液枪吸取4μL将乙炔黑悬浮液涂于步骤1)预处理后的电极表面，红外灯下烘干得纳米乙炔黑修饰电极；

3)纳米金/纳米乙炔黑修饰电极的制备：将HAuCl₄溶解于1mol/L KNO₃溶液中得质量分数为0.1％HAuCl₄溶液，将步骤1)的纳米乙炔黑修饰电极插入0.1％HAuCl₄溶液中，于电位为-0.2V下，进行电流—时间(I–t)扫描,扫描时间为120s，用二次蒸馏水冲洗、晾干，即得纳米金/纳米乙炔黑修饰的电极。

其他同实施例1。

实施例4试验例

实验方法：利用循环伏安法测定了不同修饰电极在1.0×10^-4mol/L多巴胺(DA)中的电化学行为；制备Fe(CN)₆ ^3-/4-和KCl的混合水溶液，混合水溶液中Fe(CN)₆ ^3-/4-的浓度为1mmol/L(即是Fe(CN)₆ ^3-和Fe(CN)₆ ^4-的浓度均为1mmol/L)，KCl的浓度为0.1mol/L(简写为1mmol/L Fe(CN)₆ ^3-/4-+0.1mol/L KCl)，在混合水溶液中测定了不同修饰电极上的电化学阻抗；在含有0.1mol/L PBS 7.0溶液中，研究了在不同修饰电极上的电位窗口；制备K₃[Fe(CN)₆]和KCl的混合水溶液，在混合水溶液中K₃[Fe(CN)₆]浓度为0.1mmol/L，KCl的浓度为1mol/L，在混合液中研究了裸电极与纳米金/纳米乙炔黑玻碳电极(Au/AB/GCE电极)上的计时库仑；在100μmol/L的DA中，研究了不同扫速下，DA在Au/AB/GCE电极上扫速的电化学行为；将2.0×10^-3mol/L DA溶解于不同pH的0.1mol/L PBS溶液中，得到1.0×10^-4mol/L不同pH的DA溶液，在pH 4～8范围内研究了pH对于Au/AB/GCE上电化学行为的影响；利用DA储备液配置不同浓度的DA溶液，用差分脉冲伏安法(DPV)依次进行测定，扫描范围是-0.2V-0.6V，DPV的振幅为0.05V，脉冲宽为0.05s，脉冲时间为0.5s，静止时间为2s，整个实验过程在室温下进行。

仪器及试剂：CHI660D电化学工作站(上海辰华仪器公司)；电子天平(上海越平科学仪器有限公司)；pHS-3C精密pH计(上海大普仪器厂)；KQ2200E型超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司)；XK96-B快速混匀器(姜堰市新康医疗器械有限公司)；MS-2000磁力搅拌器(河南中良科学仪器有限公司)；三电极体系：饱和甘汞电极(SCE)做参比电极，纳米金/纳米乙炔黑修饰玻碳电极(直径为3.0mm)做工作电极，铂柱电极做对电极。

磷酸盐缓冲溶液(PBS)：0.2mol/L的磷酸氢二钠(天津市凯通化学试剂有限公司)、0.2mol/L磷酸二氢钠(天津市凯通化学试剂有限公司)和0.1mol/L氯化钾(天津市博迪化工有限公司)混合溶液配制，然后调节溶液的pH值直到所需的酸度值；HAuCl₄(上海试剂一厂)溶液：HAuCl₄溶解在1mol/L的KNO₃溶液中得到0.1％HAuCl₄溶液；AB(自制)；DA(sigma公司)储备液(0.002mol/L，用0.1mol/L的PBS溶液配置)，存放在4℃的冰箱中待用。实验所用的化学试剂都是分析纯，且用的水都是二次蒸馏水。

4.1 DA在各种修饰电极上的CV电化学行为

用循环伏安法考察了不同修饰电极在1.0×10^-4mol/L DA中的电化学行为，具体结果见图1。扫描速率为100mV/s，图中曲线a的工作电极为玻碳电极(GCE)，b的工作电极为乙炔黑/玻碳电极(AB/GCE，本发明实施例1步骤2)制得的电极)，c的工作电极为纳米金/玻碳电极(Au/GCE，其制备方法为：将HAuCl₄溶解于0.1mol/L KNO₃溶液中得质量分数为0.1％HAuCl₄溶液，将经前处理的玻碳电极插入0.1％HAuCl₄溶液中，于电位为-0.2V进行电流—时间(I–t)扫描,扫描时间为100s，即得纳米金/玻碳电极)，d的工作电极为本发明实施例1的纳米金/纳米乙炔黑玻碳电极(Au/AB/GCE)。

由图1可知，在裸玻碳电极上于0.19V和0.12V附近分别出现一个扁而宽的氧化峰和还原峰(曲线a)。曲线b，当在玻碳电极上修饰AB后，DA的氧化峰和还原峰都得到了显著增强，DA在AB/GCE上的峰高比裸玻碳电极提高3倍左右。这是因为，AB对DA的氧化还原反应具有催化作用，同时其较强的导电能力又促进了电子速率的传递。此外AB大的比表面积也能够增大其对DA的吸附能力。当电极上修饰上金后，DA的氧化峰和还原峰相比于裸玻碳电极也大大增强，如图中曲线c所示。这是因为纳米金具有良好的导电性能，能有效促进DA峰电流在电极上的传递，提高了检测灵敏度。如曲线d所示，在Au/AB/GCE上，由于AB和聚金膜的共同作用，DA的氧化还原峰高于上述三个电极，氧化峰电流将近是裸电极的8倍，显著提高了检测灵敏度。

4.2电化学阻抗谱

在1mmol/L Fe(CN)₆ ^3-/4-+0.1mol/L KCl中测定了不同修饰电极上的电化学阻抗，电极修饰过程中表面阻抗的变化情况见图2电化学阻抗谱(EIS)，图中曲线a、b、c、d同上述4.2。频率为0.1-100000Hz，振幅5mV。

由图2可知，如曲线a所示，裸玻碳电极具有一个较大的阻抗；当电极聚金后，阻抗变小(曲线b)，由此说明聚金具有较好的导电能力；当AB修饰到电极表面后，EIS(曲线c)也比裸电极小；当AB和Au同时修饰电极后，EIS曲线基本为直线。由此说明，Au/AB/GCE具有良好的导电性，有效地促进了电极表面电子转移的速率。

4.3电位窗口研究

在含有0.1mol/L PBS 7.0溶液中，研究了在不同修饰电极上的电位窗口，具体结果见图3。

由图3可知，与裸电极(曲线a)相比，AB修饰电极上的电位窗口稍有减少(曲线b)，而裸电极聚金后的电位窗口有较大减少(曲线c)，DA在Au/AB/GCE修饰玻碳电极上的电位窗口明显减少，电位窗口范围：-1.3V～0.8V。

4.4计时库仑研究

在K₃[Fe(CN)₆]和KCl混合液(同上述)中研究了裸电极与Au/AB/GCE电极上的计时库仑，具体结果见图4。

由图4可以看出，与裸电极(曲线a)相比，在Au/AB/GCE复合物修饰玻碳电极(曲线b)上的计时库仑明显减少。

根据Anson公式

Q＝2nFAcD^1/2t^1/2π^1/2+Qdc+Qds

其中A是工作电极表面积，c是底物浓度，Qdc是双电层电荷可以消除，Qds是法拉第电荷，其他符号具有通常的意义。

裸电极的Q-t^1/2关系曲线为：

Q(μC)＝-1.374t^1/2-0.0230

根据Anson公式计算出裸电极电极表面积为0.0146cm²。

Au/AB/GCE电极的Q-t^1/2关系曲线为：

Q(μC)＝-5.184t^1/2+0.486

根据Anson公式计算出Au/AB/GCE电极表面积为0.0550cm²。

Au/AB/GCE电极比表面积将近是裸电极比表面积的3.8倍，说明Au/AB/GCE用作电极材料能很好地促进电活性物质的电子传递，加速电子交换，增强电化学反应活性，吸附响应物质多，相应的响应信号加强。

4.5扫描速率对多巴胺电化学行为的影响

在100μmol/L的DA中，研究了不同扫速下，DA在实施例1制得的Au/AB/GCE电极上扫速的电化学行为，具体结果见图5。0.1mol/L PBS(pH 7.0)；扫描速率(a-m)为:5、10、20、50、80、100、120、150、180、200、300、400、500mV/s。

由图5可知，扫速在5-500mV/s变化时，随着扫速的增大，DA的氧化峰和还原峰电流随之增大，峰电位分别略微正移和负移。峰电流与扫速呈良好的线性关系，氧化峰电流线性方程为：Ipa(μA)＝0.0697ν+0.403，(R＝0.9997)；还原峰电流线性方程为：Ipc(μA)＝-0.924ν-0.0148，(R＝0.9991)。说明DA在修饰电极的电化学过程是受吸附控制过程。下述试验选择扫描速率100mV/s

4.6缓冲溶液pH对DA电化学行为的影响

将2.0×10^-3mol/L DA溶解于不同pH的0.1mol/L PBS溶液中，得到1.0×10^-4mol/L不同pH的DA溶液，在pH 4～8范围内研究了pH对于Au/AB/GCE上电化学行为的影响，具体结果见图6，图中a～e pH＝8.0、7.0、6.0、5.0、4.0。

从图6可知，在pH 4.0～8.0范围，DA氧化峰电流在pH为7.0时最大，pH在4.0～7.0时，氧化峰电流减小，而pH在7.0～8.0范围，随着pH的增大氧化峰电流减小，且氧化峰电位和还原峰电位与pH呈良好的线性关系。对于氧化峰电位，线性方程为：E(V)＝-0.0466pH+0.494(R＝0.9998)；对于还原峰电位，线性方程为：E(V)＝-0.0492pH+0.467(R＝0.993)。因此，下述试验选择pH 7.0为支持电解质的pH。

4.7线性范围和检出限

分别移取10ml不同浓度的DA溶液，上述优化条件下，利用差分脉冲伏安法测定DA的氧化峰电流。具体结果见图7。0.1mol/L PBS，pH＝7.0，(a–i浓度为):1.6、5、8、16、50、80、160、500、1000μmol/L。

由图7可知，随着DA浓度的增大，相应的氧化峰电流也逐渐增大。在1.6×10^-6～1.0×10^-3mol/L浓度范围内，DA的氧化峰电流与其浓度呈良好的线性关系，线性方程为I(μA)＝-1.028-0.0826c(μmol/L)(R＝0.9967)。

综上所述，本发明制得的Au/AB/GCE作为工作电极检测DA的氧化峰电流显著增加。当外加电压为-0.2V～0.6V，扫描速率为100mV/s、缓冲溶pH为7时，氧化峰电流与DA浓度在1.6～1000.0μmol/L范围呈现良好的线性关系，线性范围宽，检出限低。本发明的修饰电极的制备方法具有制备简单、前处理简便、费用低、费时少、灵敏度高、稳定性好等优点。

Claims

1.基于纳米金/纳米乙炔黑修饰的电极的应用，其特征在于，所述电极的表面依次覆盖有纳米乙炔黑和纳米金，包括以下步骤：1）纳米乙炔黑修饰电极的制备：将0.5~1.5 mg乙炔黑加入到1 mL蒸馏水中混匀，得乙炔黑悬浮液，将乙炔黑悬浮液滴涂于电极表面，烘干得纳米乙炔黑修饰电极；

2）纳米金/纳米乙炔黑修饰电极的制备：将 HAuCl₄溶解于0.1mol/L KNO₃溶液中得质量分数为 0.1%HAuCl₄溶液，将步骤1）的纳米乙炔黑修饰电极插入0.1% HAuCl₄溶液中，进行电流—时间扫描后，冲洗、晾干，即得纳米金/纳米乙炔黑修饰的电极，

将修饰后的电极作为工作电极，与对电极和参比电极组成三电级体系，用于测定多巴胺。

2.如权利要求1所述的基于纳米金/纳米乙炔黑修饰的电极的应用，其特征在于，步骤1）的电极经打磨、抛光、清洗后，再将乙炔黑悬浮液滴涂于电极表面。

3.如权利要求1所述的基于纳米金/纳米乙炔黑修饰的电极的应用，其特征在于，步骤2）中电流—时间扫描时，电位为- 0.2 V ，扫描时间为80-120 s。

4.如权利要求1所述的基于纳米金/纳米乙炔黑修饰的电极的应用，其特征在于，所述对电极为铂柱电极，参比电极为饱和甘汞电极。