基于TB/Nafion膜的pH传感器

钟 霞，袁 若，柴雅琴

（西南大学化学化工学院，重庆400715）

0 引言

多年来，电位型pH传感器一直是一个热门的研究课题[1～3]，电位型pH传感器具有仪器装置简便、使用方便等优点。电位型pH传感器可分为全固态玻璃电极以及非玻璃型pH电极 (如中性载体pH电极、光导纤维pH传感器、化学修饰pH传感器、固体合金电极和pH酶传感器等)。近年来电流型pH传感器研究也开始受到了人们的关注[4]。

Nafion是一种常用的聚和物。Nafion上富含大量的亲水性磺酸基团，能通过简单的离子交换使许多带正电荷的染料牢固地固定到电极表面[4]形成具有良好氧化还原电活性的Nafion/染料复合膜。而且Nafion膜也具有较好的阳离子选择性和生物相容性[5]，因此常被用于电极表面的修饰和传感器的构建。

甲苯胺蓝（TB）作为一种生物染料，是一种比较活泼的电子传递体[6]。该文利用自组装技术将Nafion和甲苯胺蓝自组装到电极表面形成TB/Nafion膜修饰电极。该修饰电极在一定pH范围内，用循环伏安法进行测试，其循环伏安曲线的峰电位与pH呈线性关系。该pH传感器制备方法简单、响应灵敏、稳定性好，并将其用于磷酸缓冲溶液的测定。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

Nafion(ω ＝5%)购自 Aldrich；甲苯胺蓝（TB）购 自 上 海 化 学 试 剂 公 司 ，KH2PO4，Na2HPO4，KCl均为分析纯试剂。实验用水均为二次去离子水。

CHI600A型电化学工作站（上海辰华仪器公司），pHS-4C型酸度计 （成都方舟科技开发公司），玻碳电极（天津艾达科技发展公司）。

1.2 pH传感器的制备

将玻碳电极 (GCE,φ=4 mm)分别在0.3和0.05 μm的Al2O3上抛光打磨，用水冲洗干净，再置于无水乙醇和水中各超声清洗5 min，室温下晾干。取ω(Nafion)=5%的溶液3 μL滴涂于预处理好的GCE表面，于室温下晾干成膜。然后浸入1mL 5 mmol/L的甲苯胺蓝溶液中30 min，取出后用二次水冲洗干净并在室温下晾干，修饰电极简写为：TB/Nafion/GCE。当修饰电极不使用时，保存于4℃冰箱中。图1为电极制备过程示意图。

图1 TB/Nafion膜修饰电极的制备示意图Fig.1 The preparation process of the TB/Nafion/GCE

1.3 磷酸缓冲溶液（PBS）的配制

分别取一定量的 KH2PO4、Na2HPO4和 KCl，配制 pH 为 3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0 和 6.5 的0.1 mol/L KH2PO4-Na2HPO4标准溶液（PBS）各 50mL（含 0.1 mol/L KCl作为支持电解质）。

1.4 pH传感器的性能测试

该实验采用三电极体系：饱和甘汞电极（SCE）作为参比电极，铂丝电极作为对电极，修饰电极为工作电极。在2mL不同pH的PBS缓冲溶液中（含 0.1 mol/L KCl作为支持电解质），在室温下，电位扫描速率为50 mV/s，电位扫描范围为-0.6～0.2 V，采用循环-伏安电化学方法研究了电极的响应性能。

2 结果和讨论

2.1 pH电极修饰过程的电化学循环伏安（CV）曲线

在 pH4.0 的 PBS 中，-0.6 ～ 0.2 V 的电位范围内以50 mV/s扫速进行循环伏安扫描。由图2可见，裸GCE的CV曲线上没有出现氧化还原峰（曲线a），这是因为体系中没有电活性物质的存在。将Nafion膜修饰到电极上后，CV曲线的电流值进一步降低（曲线b），说明修饰在电极表面的不导电的Nafion膜进一步阻碍了电子的传输。当TB与Nafion膜发生了离子交换，TB被牢固的固定在电极表面，形成TB/Nafion膜修饰电极后，该修饰电极在pH4.0的磷酸缓冲溶液中出现了一对可逆的氧化还原峰（曲线c），说明通过离子交换，TB成功的固定在了Nafion膜里。

图2 不同修饰电极在0.1 mol/L PBS中的循环伏安曲线Fig.2 CVs of the electrode at different stages:(a)bare GCE,(b)Nafion/GCE,(c)TB/Nafion/GCE

2.2 修饰电极对不同pH的缓冲溶液的CV响应

将修饰好的工作电极置于不同pH值的PBS中进行CV扫描，得到的CV响应曲线如图3所示。随着pH从3.0到6.5变化，修饰电极的氧化还原峰电流逐渐降低，对应的氧化还原峰电位均负移。在pH=4.0时，其CV曲线表现出良好的可逆性。这主要是由于甲苯胺蓝的氧化还原反应中有H+参与，因而随pH的增加，H+浓度降低，使得甲苯胺蓝的氧化还原电对的氧化还原反应可逆性减弱。

根据测试得到的循环伏安曲线，以pH为横坐标，还原峰电位为纵坐标，可以得到峰电位与pH的关系曲线。由图4可见，在pH3.0～pH6.5还原峰电位与溶液的pH呈良好的线性响应，其线性方程为 y=-0.091 2x+0.341 9， 线性相关系数为 0.995 8。

图3 修饰电极在 pH 为 3.0～6.5 的 0.1 mol/L PBS 的CV图Fig.3 CV responding of the TB/Nafion/GCE in 0.1 mol/L PBS at different pH

2.3 修饰电极的重现性及寿命

同一根修饰电极在 pH 为 3.6,4.5,5.8 这一组缓冲溶液中，每隔一天测量一组数据，连续三天，其结果RSD≤0.42%。该电极不使用时，用蒸馏水冲洗，吸干，保存于4℃冰箱中。该修饰电极至少可以使用30 d。

图4 测定0.1 mol/L PBS的标准工作曲线Fig.4 Calibration curve of the modified GCE responding to 0.1 mol/L PBS at different pH

2.4 修饰电极的应用

将修饰电极用于 pH3.0～pH6.5之间的任意9个样品溶液，先用酸度计测量其pH。然后再用修饰电极进行测定，记录其还原峰电位值，并计算其pH（表1）。由表1可见，TB/Nafion膜修饰的pH传感器用于弱酸性样品pH的测定，与玻璃电极所测值是比较接近的，说明该修饰电极可以应用于弱酸性样品pH的测定。

表1 TB/Nafion/GCE修饰电极与玻璃电极测定不同pH的PBSTab.1 The pH of PBS determined by TB/Nafion/GCE and a glass pH electrode

3 结论

该文成功的制备了基于TB/Nafion膜修饰的电流型pH传感器，该修饰电极可以应用于弱酸性样品pH的测定。

[1]Yu R Q,Zhang Z R,Shen G L.Potentiometric sensors:Aspects of the recent development[J].Chem.Sensor.,1998,18(3):9～10.

[2]薛晓康,郭兴蓬,余成平.电位型聚吡咯pH传感器的制备[J].应用化学,2005,22(4):435～439.

[3]王刚,万其进,叶永康.pH化学传感器的进展[J].分析科学学报,1999,15(3):246～251.

[4]卓颖,袁若.仪器分析实验教学改革尝试:新型pH传感器[J].现代预防医学,2011,38(6):1 083～1 085.

[5]Zhuo Y,Yuan R,Chai Y， et al.Amperometric enzyme immunosensors based on layer-by-layer assembly of gold nanoparticles and thionine on Nafion modified electrode surface for α-1-fetoprotein determinations[J].Sensors.Actuat.B.,2006,114:631～639.

[6]Cai C X,Xue K H.Electrochemical polymerization of toluidine blue o and its electrocatalytic activity toward NADH oxidation[J].Talanta,1998,47:1 107～1 119.阜阳师范学院学报，2003，21：17～20.

[5]Liu C Y， Bard A J，Wudl F,et al.Electrochemical characterization of films of single-walled carbon nanotubes and their possible application，electrochem[J].Solid-State Lett，2001,2：915～920.

[6]Chen S H,Yuan R，Chai Y Q，et a1.Amperometric thirdgeneration hydrogen peroxide biosensor based on the immobilization of hemoglobin on multiwall carbon nanotubes and gold colloidal nanoparticles[J].Biosensors and Bioelectronics,2007,22:1 268～1 274.

[7]Kang X H,Mai Z B,Zou X Y,et al.Anovel glucose biosensor based on immobilization of glucoseoxidase in chitosan on a glassy carbon electrode modied with goldplatinum alloy nanoparticles/multiwall carbon nanotubes[J].Analytical Biochemistry,2007,369:71～79.