壳聚糖金属复合物修饰电极制备及其在过氧化氢电化学检测中的应用*

刘玉堂,王小见,刘承斌,唐艳红

(1.湖南大学化学化工学院,湖南长沙 410082;2.湖南大学材料科学与工程学院,湖南长沙 410082)

壳聚糖金属复合物修饰电极制备及其在过氧化氢电化学检测中的应用*

刘玉堂1†,王小见1,刘承斌1,唐艳红2

(1.湖南大学化学化工学院,湖南长沙 410082;2.湖南大学材料科学与工程学院,湖南长沙 410082)

原位制备了羧甲基壳聚糖/铜复合物修饰电极、羧甲基壳聚糖/银复合物修饰电极和壳聚糖/聚苯胺/钯复合物修饰电极,金属粒子均匀分散于聚合物薄膜中.3种修饰电极对H2O2均表现出了良好的检测性能,它们对H2O2的线性响应范围依次为1.0μmol/L～10.0mmol/L,10 μmol/L～6.0mmol/L和10μmol/L～7.0mmol/L,相关系数依次为0.999 7,0.999 9和0.999 8,灵敏度依次为33μA◦L◦mmol-1◦cm-2,37μA◦L◦mmol-1◦cm-2和46μA◦L◦mmol-1◦cm-2,检测限依次为:1μmol/L,1 nmol/L和1μmol/L.

壳聚糖;原位制备;金属粒子;修饰电极;H 2O2

壳聚糖分子结构中富含氨基与羟基,能与许多金属离子形成稳定的螯合物,可以在痕量分析中作为金属离子的吸附剂用于富集待测组分[1-2].水溶性壳聚糖如羧甲基壳聚糖更加丰富了壳聚糖的官能团,可以吸附更多的金属离子,进一步提高了壳聚糖基材料的性能及拓宽了材料的应用范围[3-4]

金属纳米粒子比金属本体表现出更高的催化活性,将其修饰到电极表面引起了电化学检测领域的极大兴趣[5-7],修饰电极的性能严重依赖于粒子的尺寸和密度,已经报道的修饰电极用金属粒子都是用溶液法预先合成,修饰到电极表面后其尺寸和密度将难以再调控.

本文介绍了一种在电极表面直接制备金属粒子的方法,即先在电极表面修饰一层羧甲基壳聚糖或壳聚糖/聚苯胺复合物薄膜,利用其丰富的官能团吸附金属离子,最后还原金属离子成金属粒子.这种制备方法简单,粒子分布均匀.虽然通过具有金属配位能力的聚合物在溶液中作反应器合成金属粒子的方法已有报道[8],但将聚合物反应器构建于电极表面直接合成金属粒子用于传感器的报道却很少.

过氧化氢(H 2O2)是多种酶催化反应的产物,与生物过程密切相关,也是许多工业生产过程中一种重要的中间体,因此灵敏、高效地检测H 2 O2在工业、制药、生物、环境检测及临床控制等领域具有重要的意义[9].

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

相对分子质量6 000壳聚糖(浙江金壳生物化学有限公司,脱乙酰度95%,纯度98%);苯胺(分析纯,使用前减压蒸馏两次);氯化钯(PdCl2,Sigma-A ldrich公司);1/15 mol/L磷酸盐缓冲溶液(PBS, pH 6.98).其余试剂均为国产分析纯,使用时未经进一步提纯.水为二次蒸馏水.

CHI 660C电化学工作站(上海辰华仪器公司),电化学检测采用三电极系统:铂片电极为对电极,饱和甘汞电极(SCE)为参比电极,修饰电极为工作电极;薄膜形貌用JEOL JSM-6700扫描电子显微镜(SEM)表征.

1.2 可溶性羧甲基壳聚糖的制备

圆底烧瓶中加入3.0 g壳聚糖、15.0 g氢氧化钠、100m L含有异丙醇的水溶液(体积比,V异丙醇∶V水= 80∶20),于50℃条件下搅拌碱化1.5 h后移入冰水浴中冷却,并缓慢滴加含有一氯乙酸的20 mL异丙醇溶液(0.75 g/m L,15 g),在室温下继续反应0.5 h,再将其移入55℃的油浴中继续反应5 h,反应完全后加入200m L无水乙醇终止反应.反应产物用蒸馏水溶解,过滤,滤液用相对分子质量2 000的透析袋透析3 d,以除去无机小分子.溶液浓缩后进行冷冻干燥得羧甲基壳聚糖2.8 g(产率90.5%).

1.3 电极的预处理

玻碳电极(d=4 mm)分别用0.3μm和0.05 μm的A 12 O3糊抛光至镜面,每次抛光后用蒸馏水冲洗干净,再分别在0.1 m ol/L HNO3、无水乙醇、蒸馏水中超声2min.金电极(d=2mm)采用同样的方法处理,之后用piranha试剂(V浓硫酸∶V30%H 2O2 =7∶3)浸泡15 min,用二次水冲洗数次,再在0.5mol/L的酸中循环扫描(-0.2～1.6 V, 0.1 V/s)至出现稳定的金特征峰.

1.4 修饰电极的制备

在0.01%的羧甲基壳聚糖溶液中,采用恒电位(-1.0 V,300 s)沉积方法在电极表面制备羧甲基壳聚糖薄膜.将羧甲基壳聚糖修饰电极浸入5.0 mmol/L的硫酸铜溶液或1%的硝酸银溶液中吸附金属离子10 min,用滤纸吸干电极表面残留的液体,然后在电极表面滴加20μL 2.0 mmol/L水合肼溶液,室温下放置10 min将金属离子还原成零价金属.用二次水冲洗电极数次以去除吸附不牢固的金属粒子,分别得到羧甲基壳聚糖/铜复合物修饰的玻碳电极和羧甲基壳聚糖/银复合物修饰的玻碳电极.

取200μL苯胺和0.5 m L 2%壳聚糖溶液,用0.5 mol/L的盐酸配成10 m L的混合液,超声30 min,使壳聚糖与苯胺混合均匀.将预处理过的金电极放入上述溶液中恒电位沉积(+0.9 V,200 s),用二次水冲洗以除去不牢固的附着物及单体,得到壳聚糖/聚苯胺复合物修饰的金电极.将该电极浸入1.0mmol/L的PdCl2溶液中吸附金属离子10m in,用滤纸吸干电极表面残留的液体,然后在电极表面滴加20μL 2.0 mmol/L水合肼溶液,室温下放置10 min将钯离子还原成零价钯.用二次水冲洗电极数次以去除吸附不牢固的钯粒子,得到壳聚糖/聚苯胺/钯复合物修饰的金电极.

2 结果与讨论

2.1 修饰电极的SEM表征

图1(a)为羧甲基壳聚糖修饰电极的表面形貌,从图1(a)中可以看出,电极表面形成一层致密的薄膜.薄膜中还存在不规则的碎片,该碎片可能为未完全溶解的羧甲基壳聚糖分子在电沉积过程中被夹带到了电极表面所致.图1(b)为该分子膜吸附铜离子并进行化学还原后的形貌,从图1(b)中可以发现,有大量的颗粒状物质出现,这些颗粒状物质是还原后得到的铜纳米颗粒.图1(c)为分子膜吸附银离子并进行化学还原后的形貌,可以清楚地看到银纳米粒子簇的形成.壳聚糖/聚苯胺复合物修饰电极的表面形貌如图1(d)所示,电极表面形成一层多孔薄膜,图1(e)显示钯粒子均匀分散于该复合薄膜中.这些SEM图直接证明了金属粒子在电极表面的原位生成及均匀分散.

2.2 修饰电极对H2O2的检测性能

2.2.1 羧甲基壳聚糖/铜修饰电极

在优化实验参数下,羧甲基壳聚糖/铜修饰电极对不同浓度H2 O2的计时电流曲线及线性关系如图2所示,图中电位为-0.3 V,数字1～11依次代表浓度为1,2,3,5,10,20,50,100,200,500和1 000 μmol/L.从图中可以看出,每滴加一次H2O2,还原电流迅速增大,并在10 s内达到稳定,具有快的响应速度.电极的还原电流在1～10 mm ol/L的浓度范围内呈现良好的线性关系.线性回归方程为:i (μA)=-0.582-4.17[H2O2](mmo l/L),相关系数r=0.999 7(n=19),灵敏度为33μA◦L◦mmo l-1◦cm-2,检测下限为1μmol/L.

图1 不同复合物电极表面电镜图Fig.1 SEM images of the different compositemodified electrode

2.2.2 羧甲基壳聚糖/银修饰电极

图3为羧甲基壳聚糖/银修饰电极在优化实验参数条件下(扫描速度4mV/s,脉冲宽度0.2 s,脉冲幅度50 mV)对不同浓度的H2 O2的差分脉冲伏安曲线及相应的线性关系曲线,曲线1～14分别表示浓度:0,10,20,50,100,160,400,700,1 000, 2 000,3 000,4 000,5 000和6 000μmo l/L.从图中可以看出,随着H 2 O2浓度的增加,响应电流不断增大.在10μm ol/L～6 mmol/L之间,该修饰电极的响应电流与H 2O2浓度呈现良好的线性关系.线性回归方程为:i(μA)=-8.97-4.64[H2O2] (mmol/L),相关系数r=0.999 9(n=13),灵敏度为37μA◦L◦mm ol-1◦cm-2.图4为羧甲基壳聚糖/银修饰电极连续两次分别在PBS (1/15 mol/L,pH 6.98)中不加H2 O2(曲线1)及加入1 nmol/L H 2O2(曲线2)时的差分脉冲伏安法曲线,从中可以看出:与修饰电极在PBS中的曲线对比,电极对1 nm ol/L浓度的H2O2响应明显,故该修饰电极对H 2O2的检测下限至少可达1 nmol/L.

图2 羧甲基壳聚糖/铜修饰电极对H2 O2的电流响应Fig.2 Current responses to H2 O2 for carboxymethyl chitosan/Cu com positemodified electrode

图3 羧甲基壳聚糖/银修饰电极对H2 O2的电流响应Fig.3 Current responses to H2 O2 for carboxymethyl chitosan/Ag compositemodified electrode

从相关系数及检测限的数值可以看出,用差分脉冲伏安法获得的线性方程的线性关系比计时电流法获得的线性关系好,而且检测限更低,这是因为差分脉冲伏安法背景干扰小,使灵敏度更高.

图4 羧甲基壳聚糖/银修饰电极在PBS中伏安曲线Fig.4 DPVs o f a carboxymethy l chitosan/Ag compositemodified electrode in PBS

2.2.3 壳聚糖/聚苯胺/钯修饰电极

图5为壳聚糖/聚苯胺/钯修饰电极在含不同浓度H2O2的PBS(1/15 mol/L,pH 6.98)中的差分脉冲伏安曲线及其线性关系曲线,图中扫描速度4m V/s,脉冲宽度0.2 s,脉冲幅度50mV,曲线1～14分别表示浓度:0,10,20,50,80,150,250,400, 550,1 000,2 000,3 000,5 000和7 000μmol/L.从图中可以看出,随着过氧化氢浓度的增加,响应电流不断增大.修饰电极在H2O2浓度为10～7 000 μmol/L之间呈现良好的线性关系,线性回归方程为:i(μA)=-2.33-1.44[H2O2](mm ol/L),相关系数r=0.999 8(n=13),灵敏度为46μA◦L◦mmol-1◦cm-2.图6为低浓度时的差分脉冲伏安曲线,曲线1～6分别对应1～6 m ol/L H2O2.从中可以看出,修饰电极对低浓度H 2 O2有很好的响应,在加入1μmol/LH 2O2时,电流增加明显,因此该修饰电极对H2 O2的最低检测浓度至少为1 μmol/L.

图5 壳聚糖/聚苯胺/钯修饰电极在PBS中伏安曲线和线性关系Fig.5 DPVs of a chitosan/po lyaniline/Pd compositemodified electrode in PBS and the corresponding calibration curve

图6 壳聚糖/聚苯胺/银修饰电极对低浓度H2 O2差分脉冲伏安曲线Fig.6 DPVs of the chitosan/po lyaniline/Pd composite modified electrode to low concentrations of H2 O2

3 结 论

研究了一种原位制备金属粒子修饰电极的方法,制备了壳聚糖分别与铜、银和钯的金属粒子复合物修饰电极,金属离子在聚合物网状结构中得到充分分散,而且金属粒子的尺寸可通过复合膜金属离子的含量来控制.该3种电极对H2 O2均表现出了很好的检测性能.用该方法可构筑多种化学传感电极,并可用于多种物质的检测.

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Chitosanmetal Composite Modified Electrodes:Preparation and Their Application in the Electrochemical Detection of Hydrogen Peroxide

LIU Yu-tang1†,WANG Xiao-jian1,LIU Cheng-bin1,TANG Yan-hong2

(1.Co llege of Chemistry and Chem ica l Engineering,Hunan Univ,Changsha,Hunan 410082,China;
2.College of Materials Science and Engineering,H unan Univ,Changsha,H unan 410082,China)

Carboxymethy l chitosan/Cu composite,carboxymethy l chitosan/Ag composite and chitosan/polyaniline/Pd com positemodified electrodes were prepared through in situ electrodeposition.The resultantmetal particlesw ere uniform ly dispersed in the polymer film s.The three electrodes showed good analytic performances to H2 O2 w ith the linear H 2O2 concentration ranges of 1.0 mol/L～10.0 mmol/L, 10 mo l/L～6.0 mmol/L,10 mol/L～7.0 mmol/L,the related coefficients corresponding to 0.999 7, 0.999 9 and 0.999 8,the sensitivities corresponding to 33,37 and 46μA◦L◦mm ol-1◦cm-2,and the detection limits corresponding to 1μmol/L,1 nmol/L and 1μmol/L,respectively.

Chitosan;in situ preparation;metal particles;modified electrode;H 2O2

Q657.1

A *

2010-10-09

湖南省自然科学基金资助项目(10JJ5051);湖南省科技计划资助项目(2010WK 3033)

刘玉堂(1971-),男,湖北监利人,湖南大学副研究员

†通讯联系人,E-mail:liuyutang@126.com

1674-2974(2011)04-0057-04