纳米金检测过氧化氢及其电流信号增强因素分析

马　晶，靳浪平，盛　洁，蒋中英

(伊犁师范学院电子与信息工程学院，新疆 伊宁 835000)



纳米金检测过氧化氢及其电流信号增强因素分析

马晶，靳浪平，盛洁，蒋中英

(伊犁师范学院电子与信息工程学院，新疆 伊宁 835000)

对金纳米颗粒与聚电解质(PAH/PSS)进行层层自组装构建了复合薄膜电极，将其用于过氧化氢检测，并对影响过氧化氢电流信号增强的因素进行了分析。结果表明，随着自组装层数的增加，循环伏安电流明显增大；以聚电解质结合纳米材料设计传感器时，需考虑所合成材料的密度与局限性、颗粒之间的电子耦合、纳米材料修饰配体等问题。

金纳米颗粒；过氧化氢；层层自组装；聚电解质；电流信号增强

过氧化氢是一种低成本的消毒剂、氧化剂、漂白剂和脱氧剂，检测过氧化氢对化工、食品安全、环保和卫生等领域具有潜在应用价值。在医疗诊断方面，致癌性疾病、帕金森氏病、老年痴呆等都与体内过氧化氢含量相关；在环境方面，过氧化氢含量超标会引起各种污染或产生负面影响[1-2]；在临床医学方面，过氧化氢可作为检测许多疾病最有效的标志[3-4]。所以，构建过氧化氢电化学传感器、实现准确灵敏的检测具有十分重要的意义。纳米材料合成技术、表面修饰技术为设计和构建新一代电化学传感器提供了新思路。过氧化氢的检测方法有很多[5-6]，其中层层自组装构建复合薄膜电极的电化学检测法能够促进过氧化氢与电极之间的电子转移，提高整个体系的灵敏度、检测限与催化活性[7-8]，但自组装中的配体对纳米材料表面的功能化或纳米材料之间的自我修饰影响较大，且设计此类传感器时需考虑合成材料的密度与局限性、颗粒之间的电子耦合、纳米材料修饰配体的选用等问题。如，金纳米颗粒与聚电解质功能化的层层自组装电极构建的电化学生物传感器的性能一般由金纳米颗粒的表面结构决定，尤其敏感于过氧化氢的电流信号，并且不同聚电解质与金纳米颗粒进行层层自组装时，电流信号会有不同的响应。

鉴于此，作者构建了一种金纳米颗粒与聚电解质(PAH/PSS)进行层层自组装的复合薄膜电极，将其用于检测过氧化氢，并对影响过氧化氢电流信号增强的因素进行了分析。

1　实验

1.1试剂与仪器

过氧化氢(H2O2，30%)、铁氰化钾(K3[Fe(CN)6])，南京化学试剂有限公司；聚烯丙胺盐酸盐(PAH)、聚苯乙烯磺酸钠(PSS)，上海杰仁化工有限公司。

CHI660A型电化学工作站，上海辰华仪器有限公司；微量进样针(精度1%，10μL)，天津琛航可苑科技发展有限公司。

1.2方法

循环伏安曲线测定：电化学工作站初始电位设置为0 V，高电位设置为0.6 V，低电位设置为-0.1 V，扫描速率0.1 V ·s-1，负向扫描。

过氧化氢测定：采用电流时间法。每隔100 s用微量进样针往PBS缓冲液中注入10 μL过氧化氢(注入过程中不要抖动)，测定I-t曲线。

2　结果与讨论

2.1ITO电极的表征

实验室利用K3[Fe(CN)6]作为探针来研究ITO电极的导电性、稳定性和可逆性[9]。用ITO电极测得的不同浓度K3[Fe(CN)6]溶液的循环伏安曲线如图1所示。

图1　 ITO电极测得的不同浓度K3[Fe(CN)6]溶液的循环伏安曲线Fig.1　Cyclic voltammetry curves of different concentrations of K3[Fe(CN)6] solution by ITO electrode

从图1可以看到，ITO电极测得的不同浓度K3[Fe(CN)6]溶液的循环伏安曲线均比较完整，氧化峰和还原峰没有二次出峰，表明ITO电极的可逆性和导电性较好。且随着K3[Fe(CN)6]浓度的增加，氧化还原电流逐渐增大，但峰电流整体都偏向于拟合曲线，这可能是因为实验过程中出现一些噪声所致。

图1中初始电位设置为0 V，沿负的电位扫描，当电位至[Fe(CN)6]3-的析出电位时，将产生阴极电流，阴极反应为：

[Fe(CN)6]3-+e-=[Fe(CN)6]4-

(1)

当电位至-0.1 V处开始阳极扫描，电极电位正向变化至[Fe(CN)6]3-的析出电位时，聚集在电极表面的还原产物[Fe(CN)6]4-被氧化，阳极反应为：

[Fe(CN)6]4--e-=[Fe(CN)6]3-

(2)

在该电极体系中，式(1)和式(2)中的电子转移速率很快，而且通过循环伏安曲线中氧化峰电位和还原峰电位之间的差值可知该电极过程可逆。一般地，当电极反应的DEp(氧化峰值和还原峰值之间的距离)接近59 mV时，可判断该反应为Nernst反应，即可逆反应。图1中，所有循环伏安曲线的DEp均接近59 mV，并且还原电流与氧化电流增加较快。这是因为，在阴极扫描中，[Fe(CN)6]3-获得电子还原成[Fe(CN)6]4-的速度较快，导致电极表面[Fe(CN)6]3-浓度不断降低，但反应电流却在迅速增大，从而引起电极表面Nernst层恢复、Nernst平衡的倾向增加，在阴极扫描中出现峰值电流及峰值电位；反向扫描时，电极表面产物[Fe(CN)6]4-的浓度接近于[Fe(CN)6]3-的初始浓度，即反向扫描所获得循环伏安曲线相当于[Fe(CN)6]3-初始浓度相同的[Fe(CN)6]4-的阳极循环伏安曲线，故阴极峰与阳极峰基本对称。

将不同浓度的K3[Fe(CN)6]溶液的循环伏安曲线进行叠加，发现峰电流随着浓度的增加而增大。对峰数据用标准曲线进行拟合处理，发现峰电流与K3[Fe(CN)6]浓度呈线性关系(图2)。

图2　K3[Fe(CN)6]浓度与氧化电流和还原电流的关系Fig.2　Relationship between K3[Fe(CN)6] concentration and oxidation current or reduction current

将不同扫描速率(0.1 V·s-1、0.2 V·s-1、0.3 V·s-1、0.4 V·s-1)下K3[Fe(CN)6]溶液的循环伏安曲线进行叠加，拟合出氧化还原电流与扫描速率的线性曲线如图3所示。

图3　扫描速率与氧化电流和还原电流的关系Fig.3　Relationship between scanning rate and oxidation current or reduction current

从图3可以看到，随着扫描速率的加快，峰电流逐渐增大。根据电化学理论，对于扩散控制的电极过程，峰电流与扫描速率的1/2次方呈正比关系：

Ip=2.69×105An3/2D1/2cv1/2

(3)

式中：Ip为峰电流，A；A为电极面积，cm2；n为电子转移数；D为反应物的扩散系数；c为反应物浓度，mmol·L-1；v为扫描速率，V·s-1。

对于表面吸附控制的电极反应过程，Ip与v1/2呈正比关系，用标准曲线法进行拟合处理，得出Ip与v1/2呈线性关系，相关系数为0.99979。

综上，可判断该电极体系稳定且可逆，以ITO作为工作电极可实现检测物的定量分析。

2.2复合薄膜电极的表征

通过金纳米颗粒与聚电解质(PAH/PSS)层层自组装膜(PAH/PSS/PAH/Au)修饰ITO电极构建复合薄膜电极ITO/PAH/PSS/PAH/Au-n(n为层数)，可明显加快电极界面的电子转移；利用金纳米颗粒与聚电解质PAH、PSS之间的相互交联提高过氧化氢电流信号的检测灵敏度。复合薄膜电极ITO/PAH/PSS/PAH/Au的几何模型如图4所示，图5是采用复合薄膜电极测得的过氧化氢的I-t曲线及过氧化氢浓度与电流线性表征图。

图4　复合薄膜电极ITO/PAH/PSS/PAH/Au的几何模型Fig.4　Genometric model of composite film electrode ITO/PAH/PSS/PAH/Au

该复合薄膜电极可利用传统的电化学探针[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-来表征循环伏安响应，如图6所示。

从图6可以看出，随着自组装层数的增加，循环伏安电流明显增大。这主要是因为，随着自组装层数的增加，PAH/PSS/PAH/Au膜的厚度增加，膜选择性相应提高；另一方面，由于聚电解质的亲水性减小了聚电解质正负离子基团和水分子之间的作用力，加快了探针溶液通过膜的速度，因此循环伏安曲线中的氧化还原电流增大。

为优化过氧化氢检测，将金纳米颗粒嵌入到电极界面构建电化学传感平台。在过氧化氢的氧化电压为0.65 V时，每隔100 s往电解体系中注入10 μL的过氧化氢，经计算每次搅拌时浓度会增加0.1 mmol·L-1，采用复合薄膜电极测得的过氧化氢的I-t曲线如图7所示。

从图7可以看到，随着自组装层数的增加，电流信号明显增强。用ITO/PAH/PSS/PAH/Au-1时，首次滴定过氧化氢于25 mmol·L-1的PBS缓冲液中，过氧化氢产生阳极电流约为0.008 μA；用ITO/PAH/PSS/PAH/Au-2时，约为0.22 μA；用ITO/PAH/PSS/PAH/Au-3时，约为0.8 μA。即滴定相同量过氧化氢时，自组装三层比自组装一层的阳极电流增大了100倍，表明随着自组装层数的增加，电极界面响应也更加灵敏。

a～k：H2O2浓度(mmol·L-1)：0.9,1.0,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.7,1.8,1.9

图5过氧化氢的I-t曲线(a)及过氧化氢浓度与电流线性表征图(b)

Fig.5I-tcurve of hydrogen peroxide(a) and relationship curve between H2O2concentration and current(b)

图6　采用不同复合薄膜电极测得的 K3[Fe(CN)6]溶液的循环伏安曲线Fig.6　Cyclic voltammetry curves of K3[Fe(CN)6] solution by different composite film electrodes

图8是不同复合薄膜电极的灵敏度校准曲线。

图7采用不同复合薄膜电极测得的过氧化氢的I-t曲线

Fig 7I-tcurves of hydrogen peroxide by different composite film electrodes

图8　不同复合薄膜电极的灵敏度校准曲线Fig.8　Sensitivity calibration curves of different composite film electrodes

从图8可以看出，复合薄膜电极ITO/PAH/PSS/PAH/Au-3的电流响应灵敏度最高。

2.3影响过氧化氢电流信号增强的因素

据报道，电流信号增强直接归因于多层膜内纳米粒子的存在，但是相对于ITO电极的界面响应，多层膜信号增强与纳米粒子的密度没有直接关系，而是膜与膜之间的充电电荷或者电容能力增加所致。不同聚电解质电流增强效应的耗散表明所观察到的函数不一定是纳米金网络的简单函数，而是工作电极表面的延伸，如果自组装膜可有效地扩展工作电极表面到溶液体系中，会导致电流响应没有增强反而减弱。

据报道[10-13]，纳米颗粒之间的通信(如电子耦合)也是影响过氧化氢电流信号增强的因素。研究发现，颗粒之间的电子耦合较小会减弱过氧化氢的电流信号。因此，对于过氧化氢的电流信号检测，颗粒与膜之间以及颗粒与颗粒之间的电子耦合是影响其灵敏度的一个重要因素。

在任何以扩散为基础的电化学实验中，分析物(如过氧化氢)到电极界面的大量传输对电流响应有显著影响。通常利用渗透率来标定其影响程度，渗透率定义为0.1 mmol·L-1的过氧化氢在修饰电极上产生的电流与裸电极产生的电流之比。本研究中，过氧化氢分子可能是被氧化在纳米金薄膜内且伴随电子传输信号，然后以电子跳跃机制快速转换到工作电极上，从而产生电流信号[14]。

此外，纳米颗粒的修饰配体也对过氧化氢电流信号的增强有显著影响。据报道[15]，硫醇基修饰金纳米颗粒时，过氧化氢的界面响应可能被抑制，因为修饰配体相当于一个烷硫醇屏障，阻止了过氧化氢到金纳米颗粒表面的电子传输，或者说电子传输依赖于动力学的运动距离。

2.4讨论

基于金纳米颗粒与聚电解质的层层自组装构建了一种高敏感度的传感器平台，可有效增强过氧化氢的电流信号，在构建传感器时需要考虑以下因素：(1)金纳米颗粒的密度和局限性；(2)颗粒之间电子耦合和膜组装以及电极本身；(3)过氧化氢分析物在电极与金纳米颗粒之间的渗透率；(4)纳米颗粒的修饰配体。另外，为了增强过氧化氢的电流响应，纳米颗粒的保护层需要由小的芳香族羧基分子组成，虽然硫醇保护的纳米金(如MPA-NPs和MBA-NPs)对整个传感系统可提供更大程度的稳定，但是结合纳米粒子保护硫醇的链长必须足够短，以防止引入电子传输距离或引入对过氧化氢的传输屏障。

3　结论

对金纳米颗粒与聚电解质(PAH/PSS)进行层层自组装构建了复合薄膜电极。随着自组装层数的增加，循环伏安电流明显增大。以聚电解质结合纳米材料设计传感器时，需考虑所合成材料的密度与局限性、颗粒之间的电子耦合、纳米材料修饰配体等问题。通过调整金纳米颗粒尺寸、形状和多孔性及聚电解质侧链的疏水性，优化传感器构建方案，使该类传感器有更好的应用前景。

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Detection of Hydrogen Peroxide by Gold Nanoparticles and Analysis of Its Current Signal Enhancement Factors

MA Jing,JIN Lang-ping,SHENG Jie,JIANG Zhong-ying

(SchoolofElectronicandInformationEngineering,YiliNormalUniversity,Yining835000,China)

Todetecthydrogenperoxide,acompositefilmelectrodewasconstructedbygoldnanoparticlesandpolyelectrolyte(PAH/PSS) vialayerbylayerself-assemblytechnique.Andthecurrentsignalenhancementfactorsofhydrogenperoxidewereanalyzed.Resultsindicatedthat,withtheincreaseofself-assemblylayer,thecyclicvoltammetrycurrentwasobviouslyincreased.Aseriesofproblemssuchasdensityandlimitationsofmaterials,electroniccouplingofnanoparticles,modifiedligandofnanocompositesneedtobeconsideredwhenconstructingsensorbypolyelectrolytecombinedwithnanocomposites.

goldnanoparticle;hydrogenperoxide;layerbylayerself-assembly;polyelectrolyte;currentsignalenhancement

伊犁师范学院微纳电传感技术与仿生器械校级重点实验室开放课题(2016WNZD01)，伊犁师范学院一般资助项目(2013YSYB19)

10.3969/j.issn.1672-5425.2016.10.015

O 657.1

A

1672-5425(2016)10-0065-05

马晶，靳浪平，盛洁，等.纳米金检测过氧化氢及其电流信号增强因素分析[J].化学与生物工程，2016，33(10)：65-69.