自组装L—半胱氨酸修饰金电极检测对硝基苯酚

连欢+张翠忠+张贞发+彭金云

【摘 要】制备了L-半胱氨酸自组装膜修饰的金电极，利用循环伏安法和差示脉冲伏安法研究了对硝基苯酚在该L-半胱氨酸自组装膜上的电化学行为，实验结果表明：相比于裸金电极，硝基苯酚在L-半胱氨酸自组装膜修饰的金电极上具有更高的电化学响应信号，这是由于L-半胱氨酸和对硝基苯酚之间存在氢键的作用，使得对硝基苯酚更容易聚集在电极表面。在最优实验条件下，该修饰电极在对硝基苯酚0～12.5μmol·L-1浓度范围内具有良好的线性关系，检出限为0.0295μmol·L-1（信噪比为3）；加标回收实验的回收率在95.51%至102.72%之间。

【关键词】L-半胱氨酸；自组装；对硝基苯酚；电催化

近几年来，通过物理修饰或者化学修饰的导电聚合膜或自组装膜被广泛应用于电化学传感领域[1-5]。自组装法利用分子间较弱的相互作用力，如疏水作用、氢键作用、堆积效应、静电作用、配位作用等，使得小的结构单元自发聚集成较大的组装体[6]。L-半胱氨酸中的S作为电子给体能够与金电极表面的Au配位形成S-Au键，从而通过S-Au键之间的强烈的相互作用，形成稳定的L-半胱氨酸自组装膜修饰金电极（L-Cys/Au）。本文利用L-半胱氨酸自组装修饰金电极研究了对硝基苯酚的电化学行为，并进行相关的分析检测，实验结果良好。

1 实验部分

1.1 试剂与实验仪器

L-半胱氨酸（L-Cys）（分析纯，天津市光复精细化工研究所），对硝基苯酚（分析纯，广东光华科技股份有限公司），亚铁氰化钾、铁氰化钾（分析纯，天津市广成化学试剂有限公司）。

CHI620E电化学工作站（上海辰华仪器公司），三电极系统为L-半胱氨酸自组装修饰金电极（L-Cys/Au）、金电极（Au）作工作电极，饱和甘汞电极作参比电极，铂柱电极作对电极。

1.2 修饰电极（L-Cys/Au）的制备

（1）配制浓度为20mmol·L-1的L-半胱氨酸修饰液。

（2）将金电极（AuE，直径2mm），分别用0.3μm和0.05μm的三氧化二铝在麂皮上仔细打磨抛光，并用二次水超声洗干净后，氮气吹干备用。

（3）将上述打磨好的金电极迅速浸泡在配置好的L-半胱氨酸修饰液中，浸泡液中不允许出现气泡，以免L-半胱氨酸氧化，一定时间后，将金电极取出，用二次蒸馏水冲洗干净，氮气吹干后备用。

1.3 实验方法

采用三电极测量体系，以金电极和L-Cys/Au修饰电极为工作电极，SCE为参比电极，铂柱电极为辅助电极，支持电解质溶液为0.1mol·L-1PBS，采用循环伏安法（CV），差示脉冲伏安法（DPV）进行测试。

2 实验结果与讨论

2.1 各电极在铁氰化钾中的电化学表征

如图1（A）是不同自组装时间的L-Cys/Au修饰电极的在铁氰化钾/亚铁氰化钾溶液中的循环伏安图（扫速为100mV·s-1）。图中的曲线a、b、c、d分别表示分别是金电极在20mmol·LL-半胱氨酸中溶液中自组装0、30、60和90min的修饰电极的循环伏安行为曲线。实验发现，随着自组装时间的增加，氧化还原峰响应电流增大后又逐渐减小，这是由于L-半胱氨酸在金电极表面上自组装时间决定了组装膜的厚度[7]，自组装时间越长，分子膜越致密，以至阻碍了探针分子在电极表面的电子转移，从而降低了探针分子在电极表面的电子转移速率，使氧化还原峰电流降低。

图1（B）中的曲线a是裸金电极的循环伏安曲线。曲线b是自组装30min的修饰电极的循环伏安行为曲线。实验结果表明，与裸金电极相比，铁氰化钾探针分子在L-Cys/Au电极上的氧化还原峰电流明显增强。结果表明与裸金电极相比，自组装30min的L-Cys/Au电极能有效的增加[Fe（CN）6]3-/4-在电极表面的电子转移速率。

（A）不同自组装时间的裸金电极与L-Cys/Au电极在2mM[Fe（CN）6]3-/4-中循环伏安图；（B）裸金电极与L-Cys/Au电极在2mmol·L-1[Fe（CN）6]3-/4-中的循环伏安图

2.2 Au与L-Cys/Au电极的循环伏安（CV）行为

图2 裸金电极（a）和L-Cys/Au电极（b）在0.2mM对硝基苯酚溶液（pH=7.0）中的循环伏安行为

图2为裸金电极（曲线a）和L-Cys/Au电极（曲线b）在0.2mmol·L-1对硝基苯酚溶液（pH=7.0）中的电化学响应。与裸金电极相比， L-Cys/Au在对硝基苯酚中表现出比较大的峰电流，电化学信号增强。这表明L-Cys组装膜能有效地增强金电极对对硝基苯酚的催化作用，提高对硝基苯酚的检测灵敏度。

2.3 条件优化

为能充分发挥该传感器在对硝基苯酚检测中的优异性能，本实验分别对自组装时间，富集时间和富集电位进行了优化，实验表明，用于对硝基苯酚检测的修饰电极的最佳自组装时间是50min，最佳富集电位为1.0V，最佳富集时间为6min。

2.4 pH值的影响

图3（A）为自组装50min的L-Cys/Au电极在不同pH的对硝基苯酚中的循环伏安响应曲线，图3（B）为不同的pH值与峰电流与峰电位的关系图。由图可知，随着pH值的增大，其氧化峰电流呈现先增大后减小的趋势，pH值为中性时有利于对硝基苯酚的检测。氧化峰电位随着pH值的增加，依次递减，并且与pH值呈线性。线性方程为：Epa=1.2299-0.0554pH（Epa：V），相关系为R2=0.9993，斜率接近0.059V，这表明对硝基苯酚在该电极上是两电子和两质子转移的过程[8]。

（A）pH值的对硝基苯酚在L-Cys/Au上循环伏安行为的影响；

（B）氧化峰电流、峰电位与pH值的关系图

2.5 扫速的影响

图4（A）为不同扫速时L-Cys/Au电极在0.2M的对硝基苯酚中的循环伏安响应曲线图，图4（B）是扫速平方根与还原氧化峰电流的线性关系图，实验结果表明，对硝基苯酚氧化还原峰电流随扫速的增加而增加并与扫描速度的二次方根形呈线性，由此可知，对硝基苯酚在L-Cys/Au电极上是受扩散控制的过程。其中，氧化峰电流线性方程为Ipa=-12.2517+167.4093v （Ipa：μ A， v1/2：mV1/2·s-1/2），R2=0.993，还原峰电流线性方程为Ipc=10.7271-112.9080v（Ipc：μ A，v1/2：mV1/2·s-1/2），R2=0.991。

（A）扫描速度的优化图，从低到高（a到i）依次为10、30、50、70、90、110、130、150、170、190、210、230、250mV·s-1；（B）氧化还原峰电流与扫速平方根的线性关系图

2.6 对硝基苯酚电分析方法及应用

采用差分脉冲法对不同浓度的对硝基苯酚溶液进行了测定，实验结果如图5所示随着浓度的增加，对硝基苯酚的峰电流依次增加，并且氧化峰电流与对硝基苯酚的浓度呈现出良好的线性关系，线性方程为Ipa（μA）=1.2786c（μmol·L-1）-0.7582（R2=0.998），检出限为0.0295μmol·L-1。

（A）不同浓度的对硝基苯酚溶液在 L-Cys/Au电极上的差分脉冲伏安行为。从a至g依次为0，0.5，4.75，8，8.75，11.55，12.5μM；（B）浓度与峰电流的线性关系图

2.7 对硝基苯酚样品检测与回收实验

为了评估该传感器的实际应用性，本实验应用标准加入法，测定了对硝基苯酚环境标准样品的回收率，结果如表1所示，加标回收率范围95.51%～102.72%之间，标准偏差均小于5%，这表明该传感器可以应用于实际样品检测。

3 结论

本论文通过自组装的方法制备的L-半胱氨酸修饰的金电极，能有效促进电子转移速率，增强电化学响应信号，具有制备简易、操作简单、稳定性好、经济价廉，检测灵敏度高，稳定性好的特点，可用于实际样品的测定。

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[责任编辑：汤静]