一种新的过氧化氢电化学传感器的制备方法

一种新的过氧化氢电化学传感器的制备方法

1检测低残留过氧化氢的方法,提高食品的灵敏度和检测限亚硝酸盐是一种非常重要的食品加工添加剂。世界各国非常重视其生产和用途的开发。过氧化氢具有高效杀菌、氧化漂白的作用和易分解、低残留的特点,因此很多食品生产企业都通过添加过氧化氢来杀灭食品、包装材料及食品机械设备中的微生物并分解其它残留在机械设备中的食品原料。但残留的过氢化氢进入人体后副作用极大,它能直接刺激粘膜组织,若超量使用,还会大范围地损害人体细胞,并且通过化学反应释放活性氧自由基导致人体细胞癌变,加速人体的衰老或诱发心血管疾病等。由于过氧化氢在经过一系列的食品加工过程后(如高温加热),残留量一般较低,因而急需发展灵敏的检测低残留过氧化氢的方法,确保食品中过氧化氢使用不超标,保证其对消费者的健康不会造成任何危害。目前检测低含量过氧化氢的方法主要有化学发光法、荧光法、分光光度法[3和电化学分析法等。电化学方法由于所需仪器简单,灵敏、快速而受到广泛重视。许多文献报道采用辣根过氧化物酶修饰的电化学生物传感器测定过氧化氢,但通常酶电极的制备过程复杂,且酶作为具有活性的生物大分子,对外界条件的变化比较敏感,容易失活变性,影响传感器的寿命和测定结果的准确性,因此使实际应用受到一定的限制。发展无酶H2O2传感器是重要的研究方向之一。张书圣等基于偶氮化反应构筑了无酶无试剂型过氧化氢传感器。Guo等合成了超长的磁性MnOOH纳米线并用其构建无酶的过氧化氢传感器。石墨烯(graphene)是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状(honeycomb)晶格结构的一种炭质新材料,石墨晶体薄膜的厚度只有0.335nm,具有极大的比表面积和优异光学、电学、热稳定性,因而可以提高传感器的灵敏度和响应电流,缩短响应时间,提高检出限。而金属-石墨烯复合材料具有比石墨烯材料更优异的催化性能,Chao等将贵金属(Pt、Pd、Au)前驱物的水溶液和乙二醇加入到超声后的氧化石墨烯水溶液中,制备了石墨烯∕金属纳米粒子复合材料。本文采用本实验室合成的氧化石墨烯(GO)修饰电极,然后通过电沉积法在氧化石墨烯上沉积Pt纳米颗粒制得复合材料。利用其对过氧化氢的直接催化还原作用,研制了无酶过氧化氢传感器,实现对过氧化氢的灵敏测定。该方法简便、快速,电极使用寿命长,在食品工业上具有很好的实用价值。2实验部分2.1实验电极和试剂电化学实验在CHI660D电化学工作站(中国上海辰华仪器有限公司)上进行。实验中采用三电极体系,其中工作电极为铂纳米颗粒/石墨烯修饰的玻碳电极;参比电极为饱和甘汞电极;对电极为铂丝电极。所有电化学实验都在磷酸盐缓冲溶液(pH7.0)中进行(室温),所有电位相对于饱和甘汞电极。氯铂酸(H2PtCl66H2O,AR)购于昆明铂锐金属材料有限公司(昆明);H2O2(30.00%v/v水溶液)购于天津市大茂化学试剂厂(天津);石墨粉购于天津市风船化学试剂科技有限公司(天津)。用磷酸二氢钠和磷酸氢二钠配制0.01mol/L磷酸盐缓冲溶液(PB,pH7.0)为测定的支持电解质溶液。硼氢化钠(NaBH496%)购于国药集团化学试剂有限公司。其余化学试剂均为分析纯,水为二次蒸馏水。2.2电化学沉积xrd将玻碳电极(φ=3mm)在金相砂纸上仔细打磨,接着用Al2O3悬浊液将电极表面抛光成镜面,再将电极依次放入(1:1)HNO3、CH3CH2OH及二次蒸馏水中各超声5min,晾干。将5μL本实验室前期合成的氧化石墨烯分散液涂覆在预处理好的电极上,过夜。用二次蒸馏水清洗,晾干。将此电极置于含有0.1MHClO4的H2PtCl6溶液(1%w/w)中进行电沉积,电位设定为-0.40V.半小时后,停止电沉积。实验中,对照电极为普通铂电极(直径2mm)。电极不用时,室温保存。2.3工作电极系统取10mLPB缓冲溶液(pH7.0)于烧杯中,连接三电极系统,工作电极为铂纳米颗粒/氧化石墨烯修饰的电极(PtNPs/GO/GC),待基线电流平稳后,加入一定量的H2O2,记录响应电流值。3结果与讨论3.1扫描速度tki对传感器响应电流的影响图1为PtNPs/GO/GC电极在-0.4V到+0.6V之间,扫描速度为0.1Vs-1下的循环伏安行为。在10mL0.01mol/L的PB缓冲溶液中(pH7.0),当未加入H2O2时,电流较小。当含有1.0mmol/LH2O2时,其还原峰电流急剧增加,证实了复合材料对过氧化氢的还原有催化作用。实验中考察了扫描速度对传感器响应电流的影响,当扫描速度从20增加到100mVs-1时,PtNPs/GO/GC电极在含有1.0mmol/LH2O2的缓冲溶液(pH为7.0)中的循环伏安行为如图2。还原峰电流随着扫描速度的增大而增加。同时为了进一步考察电流的特性,将峰电流对扫描速度的平方根作图得一直线(见内置图),说明此电流受扩散控制。3.2测量条件的选择3.2.1影响工作场所的影响从图3可以看出,随着工作电位的减小,响应电流逐渐增大。为避免更负电位下易还原物质的干扰,本实验中采用-0.10V作为工作电位。3.2.2ph值对s/go/gc电极响应的影响为了考察pH值对传感器响应电流的影响,测定了PtNPs/GO/GC电极在pH值范围为5.96到8.04的响应电流,从图4可发现,电极对H2O2的响应在pH为7.0时最大。因此本文其它实验选择在pH为7.0下条件下进行。3.3ptnps/go/gc电极对过氧化氢酶活性的影响铂是一种广泛用于检测过氧化氢的电极材料。图5是在-0.1V电位下,普通铂电极(a)、PtNPs/GC电极(b)和PtNPs/GO/GC电极(c)对持续加入0.01mmol/LH2O2的计时电流响应图。从图中可以看到,PtNPs/GO/GC电极比普通铂电极的灵敏度高10倍。而没有石墨烯只有铂纳米颗粒修饰的电极(PtNPs/GC电极)线性范围和稳定性都不及PtNPs/GO/GC电极,说明铂纳米颗粒和石墨烯有协同催化效应,复合材料具有良好的电催化活性。PtNPs/GO/GC电极的响应信号在5s内可达到稳定。图6是PtNPs/GO/GC电极对过氧化氢响应的工作曲线。从图中看出,传感器在4.00×10-5mol/L～6.11×10-3mol/L范围内有良好的线性关系。检测下限为1.2×10-5mol/L.线性方程为:i=0.564+0.111C,i表示电流(10-4A),C表示浓度(mmol/L).相关系数为0.9722.3.4ptnps/go/gc电极的响应实际样品中的电活性物质常常对过氧化氢的准确测定产生影响。本实验中,在所选择的测定条件下,测定了酒石酸、草酸、抗坏血酸、水杨酸、丙氨酸、柠檬酸、葡萄糖、谷氨酸等物质对PtNPs/GO/GC电极的影响,结果发现这些物质对过氧化氢传感器的响应电流都没有明显干扰。3.5传感器的寿命电极对过氧化氢的测定有很好的重现性,连续对1.0mmol/L的H2O2溶液测定5次,其R.S.D值为4.02%.电极在65d后测定1.0mmol/L的H2O2仍能保持原来响应的98.7%.由于电极上不需要修饰辣根过氧化物酶,因此,电极的寿命明显优于基于辣根过氧化物酶的生物传感器。电极不用时,在室温下放置保存。4高效电极传感器本文利用氧化石墨烯修饰电极并采用电沉积法制备了氧化石墨烯/铂纳米颗粒复合材料,研制了直接测定过氧化氢的无酶电化学传感器。电极的响应性