一種雙功能無酶過氧化氫光電化學(xué)傳感器的制備方法及應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于功能納米材料構(gòu)建的雙功能無酶過氧化氫傳感器的制備方法，所制備的傳感器操作簡單、攜帶方便、檢測快、成本低，可用于日常生產(chǎn)、生活等領(lǐng)域的對過氧化氫的快速、靈敏檢測。
【專利說明】
-種雙功能無酶過氧化氨光電化學(xué)傳感器的制備方法及應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種用于檢測過氧化氨的傳感器的制備方法，該傳感器集成了電化學(xué) 發(fā)光和光電化學(xué)雙重功能。屬于新型納米功能材料與電化學(xué)生物傳感分析技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 過氧化氨是一種氧化劑，一般情況下能夠分解為水和氧氣，但比較慢，當(dāng)加入催化 劑(或生物酶)時，反應(yīng)速度加快，由此可W即時得到過氧化氨的量或催化劑(或生物酶）的 量，同時在生物體內(nèi)過氧化氨也經(jīng)常W反應(yīng)中間體的形式存在，因此，過氧化氨在醫(yī)學(xué)診 斷、臨床治療、環(huán)境檢測和食品生產(chǎn)等領(lǐng)域均扮演著重要的角色，研究開發(fā)過氧化氨檢測方 法也就具有十分重要的應(yīng)用價值。電化學(xué)生物傳感分析技術(shù)由于操作簡便、檢測速度快等 優(yōu)勢，日益得到人們的重視。目前，用于檢測過氧化氨的電化學(xué)生物傳感分析技術(shù)按照檢測 手段來分主要有電化學(xué)傳感器、電化學(xué)發(fā)光傳感器和光電化學(xué)傳感器Ξ種。其中，電化學(xué)發(fā) 光傳感器和光電化學(xué)傳感器相對于電化學(xué)傳感器，具有背景信號噪音少、靈敏度高、檢測成 本低等特點，近幾年被越來越多的研究者所關(guān)注。
[0003] 電化學(xué)發(fā)光也稱為電化學(xué)發(fā)光，是指通過電化學(xué)方法在電極表面產(chǎn)生一些特殊的 物質(zhì)，運些物質(zhì)之間或者與體系中其他組分之間通過電子傳遞形成激發(fā)態(tài)，由激發(fā)態(tài)返回 到基態(tài)產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。電化學(xué)發(fā)光傳感器即通過改變電極表面的修飾材料，與分析物產(chǎn)生 電化學(xué)發(fā)光，在最優(yōu)條件下，根據(jù)分析物濃度與電化學(xué)發(fā)光強度的相關(guān)變化實現(xiàn)對分析物 的定性定量分析。
[0004] 光電化學(xué)傳感器是基于外加光源激發(fā)光電敏感材料導(dǎo)致電子-空穴對進行分離， 在合適的偏電位條件下，實現(xiàn)電子在電極、半導(dǎo)體及修飾物和分析物上的快速傳遞，并形成 光電流。在最優(yōu)條件下，分析物濃度的變化會直接影響光電流的大小，可W根據(jù)光電流的變 化實現(xiàn)對分析物的定性定量分析。
[0005] 但是，由于電化學(xué)發(fā)光傳感器需要外置光信號捕捉設(shè)備如光電二極管等，而光電 化學(xué)傳感器需要外設(shè)光源來激發(fā)光電敏感材料，運在一定程度上影響了二者操作的便捷 性，限制了他們在實際生產(chǎn)、生活中更為廣泛的應(yīng)用。因此，設(shè)計、制備更為簡便、快捷的檢 測過氧化氨的電化學(xué)生物傳感分析技術(shù)具有十分重要的實用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種操作簡單、攜帶方便、檢測快、成本低的過氧化氨傳感 器的制備方法，所制備的傳感器，可用于日常生產(chǎn)、生活等領(lǐng)域的對過氧化氨的快速、靈敏 檢測?；诖四康?，本發(fā)明在同一電解池中，采用四電極系統(tǒng)，即兩個工作電極、一個對電極 和一個參比電極，其中工作電極1采用金納米棒溶膠Au NRs和電聚合魯米諾共同進行修飾， 作為電化學(xué)發(fā)光工作電極W1，工作電極2采用還原石墨締負載二氧化鐵納米片溶膠rGO/ Ti化和氯化血紅素化min溶液共同進行修飾，作為光電化學(xué)工作電極W2。進行檢測時，在電 解池中加入過氧化氨后，在W1上施加階躍電壓，由于Au NRs的催化作用，魯米諾與過氧化氨 反應(yīng)，產(chǎn)生電化學(xué)發(fā)光，運便相當(dāng)于"開燈"，當(dāng)階躍電壓為ο時，電化學(xué)發(fā)光消失，運便相當(dāng) 于"關(guān)燈"，與此同時在W2上一直施加恒定電壓，由于rGO/Ti化會因為電化學(xué)發(fā)光產(chǎn)生的發(fā) 光激發(fā)導(dǎo)致電子-空穴對進行分離，Hemin催化過氧化氨產(chǎn)生氧氣，使過氧化氨成為空穴"給 體"，從而在W2上得到光電流，當(dāng)電化學(xué)發(fā)光消失，即"關(guān)燈"時，光電流隨即消失，產(chǎn)生的光 電流的大小與過氧化氨濃度正相關(guān)，因此通過記錄光電流的大小即可實現(xiàn)對過氧化氨的檢 測。
[0007]基于W上發(fā)明原理，本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案如下： 1. 一種雙功能無酶過氧化氨光電化學(xué)傳感器的制備方法，其特點在于，制備步驟為： (1) 電化學(xué)發(fā)光工作電極W1的制備方法，所述的W1是由Au NRs和電聚合魯米諾共同修 飾的IT0導(dǎo)電玻璃，其特點是，具體的制備步驟為： nWiTO導(dǎo)電玻璃為工作電極，在電極表面滴涂Au NRs,覆蓋面積為1 cm X 1 cm,室 溫下驚干； 2)將1)得到的工作電極，浸入電解液中，浸入面積為Au NRs所覆蓋的面積，利用Ξ電極 系統(tǒng)對工作電極進行電化學(xué)沉積，沉積后取出工作電極，使用超純水清洗，4 °C下避光干 燥，制得電化學(xué)發(fā)光工作電極W1; 所述的Au NRs為金納米棒的水溶液，所述金納米棒是棒狀金納米粒子，長度為20~40 nm； 所述的電解液為含有魯米諾的硫酸溶液，所述的電解液中魯米諾的濃度為^10 mmol/ L，硫酸濃度為O.^l.O mol/l; 所述的Ξ電極系統(tǒng)，包括工作電極、參比電極和對電極，所述的參比電極為飽和甘隸電 極，所述的對電極為銷絲電極； 所述的電化學(xué)沉積過程，采用的電化學(xué)方法為循環(huán)伏安法，起始電壓為-0.2 V，終止電 壓為1.5 V，掃速為100 mv/s，循環(huán)20~30圈； (2) 光電化學(xué)工作電極W2的制備方法，所述的W2是由rGO/Ti化和化min共同修飾的IT0 導(dǎo)電玻璃，其特點是，具體的制備步驟為： 1) W口0導(dǎo)電玻璃為工作電極，在電極表面滴涂8~12 μL rGO/Ti〇2,室溫下驚干； 2) 將1)中得到的工作電極放入馬弗爐中，在450 °C下進行退火處理，處理后冷卻至室 溫； 3) 將2)中得到的工作電極表面滴涂8~12 μL Hemin,4 °C下干燥，干燥后用超純水清 洗，4 °C下干燥，制得光電化學(xué)工作電極W2; 所述的rGO/Ti化為還原石墨締負載二氧化鐵納米片的水溶液，所述二氧化鐵納米片為 方形片狀的二氧化鐵納米粒子，邊長為60~80 nm; 所述的化min為5 μηιο 1 /L的氯化血紅素水溶液； (3) 雙功能無酶過氧化氨光電化學(xué)傳感器的制備方法： 1)將W巧抓2導(dǎo)電的一面相對插入電解池中，W1與W2間距為0.5 cm~1.5 cm; 2似Ag/AgCl為參比電極RE、銷絲電極為對電極CE，插入電解池中，與W1和W2共同組成 四電極系統(tǒng)； 3) 在電解池中加入10血pH值為11~13的NaO田容液； 4) 將1)~3)所制得四電極系統(tǒng)W及電解池置于暗盒中，即制得雙功能無酶過氧化氨光 電化學(xué)傳感器。
[0008] 2.本發(fā)明所述的雙功能無酶過氧化氨光電化學(xué)傳感器的應(yīng)用于過氧化氨的檢 巧。，其特點是具體的檢測方法為： (1) 利用電化學(xué)工作站，在W1上采用階躍電壓的方法對W1施加階躍電壓，初始電壓為0 V，階躍電壓為0.7~0.9 V，階躍時間為10~30 S;同時，在W2上采用時間-電流方法對W2施加 恒定電壓，電壓為0~0.6 V; (2) 在電解池中加入不同濃度的過氧化氨標(biāo)準(zhǔn)溶液，W2上的電流會隨著過氧化氨濃度 的增大而相應(yīng)增大，根據(jù)所得電流增大值與過氧化氨濃度之間的關(guān)系，繪制工作曲線； (3) 將待測過氧化氨溶液代替過氧化氨的標(biāo)準(zhǔn)溶液，按照（1)和(2)所述的過氧化氨檢 測方法進行檢測，根據(jù)所得到的電流增大值與所繪制的工作曲線得出待測過氧化氨溶液的 濃度。
[0009] 本發(fā)明的有益成果 (1) 本發(fā)明所述的雙功能無酶過氧化氨光電化學(xué)傳感器制備簡單，操作方便，無需外部 輔助設(shè)備，利用檢測設(shè)備的微型化、便攜化，并實現(xiàn)了對過氧化氨的快速、靈敏、高選擇性檢 巧。，具有廣闊的市場發(fā)展前景； (2) 本發(fā)明首次在同一電解池中采用四電極系統(tǒng)檢測過氧化氨，并實現(xiàn)了電化學(xué)發(fā)光 與光電化學(xué)雙功能信號放大策略。在電解池中隨著過氧化氨濃度的增加，一方面，使得電化 學(xué)發(fā)光強度線性增加，所激發(fā)的光電流線形增大；另一方面，過氧化氨作為電子給體，使得 光電化學(xué)反應(yīng)中光電流線形增大。因此，電化學(xué)發(fā)光和光電化學(xué)兩種方法在同一電解池中、 同一電化學(xué)工作站下共同反應(yīng)、相互作用，實現(xiàn)了對過氧化氨檢測電信號的雙重放大，極大 地提高了檢測靈敏度和檢出限，同時由于沒有使用生物酶，從而對檢測環(huán)境要求更為寬松， 具有重要的科學(xué)意義和市場應(yīng)用價值。
【具體實施方式】
[0010] 實施例1 一種雙功能無酶過氧化氨光電化學(xué)傳感器，具體的制備步驟為： (1)電化學(xué)發(fā)光工作電極W1的制備： nWiTO導(dǎo)電玻璃為工作電極，在電極表面滴涂Au NRs，覆蓋面積為1 cm X 1 cm,室 溫下驚干； 2)將1)得到的工作電極，浸入電解液中，浸入面積為Au NRs所覆蓋的面積，利用Ξ電極 系統(tǒng)對工作電極進行電化學(xué)沉積，沉積后取出工作電極，使用超純水清洗，4°C下避光干燥， 制得電化學(xué)發(fā)光工作電極W1; 所述的Au NRs為金納米棒的水溶液，所述金納米棒是棒狀金納米粒子，長度為20 nm; 所述的電解液為含有魯米諾的硫酸溶液，所述的電解液中魯米諾的濃度為1 mmol/L， 硫酸濃度為0.1 mol/l; 所述的Ξ電極系統(tǒng)，包括工作電極、參比電極和對電極，所述的參比電極為飽和甘隸電 極，所述的對電極為銷絲電極； 所述的電化學(xué)沉積過程，采用的電化學(xué)方法為循環(huán)伏安法，起始電壓為-0.2V，終止電 壓為1.5V，掃速為lOOmv/s，循環(huán)20圈。
[00川 （2)光電化學(xué)工作電極W2的制備： 1) W口ο導(dǎo)電玻璃為工作電極，在電極表面滴涂8 μL rGO/Ti02,室溫下驚干； 2) 將1)中得到的工作電極放入馬弗爐中，在450 °C下進行退火處理，處理后冷卻至室 溫； 3) 將2)中得到的工作電極表面滴涂8 μL化min,4 °C下干燥，干燥后用超純水清洗，4 °C下干燥，制得光電化學(xué)工作電極W2; 所述的rGO/Ti化為還原石墨締負載二氧化鐵納米片的水溶液，所述二氧化鐵納米片為 方形片狀的二氧化鐵納米粒子，邊長為60~80 nm; 所述的化min為5 μηιο 1 /L的氯化血紅素水溶液。
[0012] (3)雙功能無酶過氧化氨光電化學(xué)傳感器的制備方法： 1)將（1)中制備的W巧日(2)中制備的W2面面相對插入電解池中，W1與W2間距為0.5 cm; 2似Ag/AgCl為參比電極RE、銷絲電極為對電極CE，插入電解池中，與W1和W2共同組成 四電極系統(tǒng)； 3) 在電解池中加入10 mL pH值為11的NaO田容液； 4) 將1)~3)所制得四電極系統(tǒng)W及電解池置于暗盒中，即制得雙功能無酶過氧化氨光 電化學(xué)傳感器。
[0013] 實施例2 -種雙功能無酶過氧化氨光電化學(xué)傳感器，具體的制備步驟為： (1)電化學(xué)發(fā)光工作電極W1的制備： 制備步驟同實施例1中W1的制備步驟，不同之處為金納米棒的長度為30 nm，電解液中 魯米諾的濃度為5 mmol/L，硫酸濃度為0.5 mol/L，循環(huán)伏安法進行電化學(xué)沉積時，循環(huán)25 圈。
[0014] (2)光電化學(xué)工作電極W2的制備： 1) W口0導(dǎo)電玻璃為工作電極，在電極表面滴涂10 μL rGO/Ti〇2,室溫下驚干； 2) 將1)中得到的工作電極放入馬弗爐中，在450 °C下進行退火處理，處理后冷卻至室 溫； 3) 將2)中得到的工作電極表面滴涂10 μL Hemin，4 °C下干燥，干燥后用超純水清洗，4 °C下干燥，制得光電化學(xué)工作電極W2; 其余同實施例1中W2的制備步驟。
[0015] (3)雙功能無酶過氧化氨光電化學(xué)傳感器的制備方法： 制備步驟同實施例1，不同之處為W1與W2間距為1.0 cm,在電解池中加入的化0H溶液的 抑值為12。
[0016] 實施例3 -種雙功能無酶過氧化氨光電化學(xué)傳感器，具體的制備步驟為： (1)電化學(xué)發(fā)光工作電極W1的制備： 制備步驟同實施例1中W1的制備步驟，不同之處為金納米棒的長度為40 nm，電解液中 魯米諾的濃度為10 mmol/L，硫酸濃度為1.0 mol/L，循環(huán)伏安法進行電化學(xué)沉積時，循環(huán)30 圈。
[0017] (2)光電化學(xué)工作電極W2的制備： 1) W口0導(dǎo)電玻璃為工作電極，在電極表面滴涂12 μL rGO/Ti〇2,室溫下驚干； 2) 將1)中得到的工作電極放入馬弗爐中，在450 °C下進行退火處理，處理后冷卻至室 溫； 3)將2)中得到的工作電極表面滴涂12 μL Hemin，4 °C下干燥，干燥后用超純水清洗，4 °C下干燥，制得光電化學(xué)工作電極W2; 其余同實施例1中W2的制備步驟。
[0018] (3)雙功能無酶過氧化氨光電化學(xué)傳感器的制備方法： 制備步驟同實施例1，不同之處為W1與W2間距為1.5 cm,在電解池中加入的化0H溶液的 抑值為13。
[0019] 實施例4 一種雙功能無酶過氧化氨光電化學(xué)傳感器的應(yīng)用 實施例1制備的一種雙功能無酶過氧化氨光電化學(xué)傳感器應(yīng)用于過氧化氨的檢測，其 檢測步驟為： (1) 利用電化學(xué)工作站，在W1上采用階躍電壓的方法對W1施加階躍電壓，初始電壓為0 V，階躍電壓為0.7 V，階躍時間為10 S ;同時，在W2上采用時間-電流方法對W2施加恒定電 壓，電壓為0 V; (2) 在電解池中加入不同濃度的過氧化氨標(biāo)準(zhǔn)溶液，W2上的電流會隨著過氧化氨濃度 的增大而相應(yīng)增大，根據(jù)所得電流增大值與過氧化氨濃度之間的關(guān)系，繪制工作曲線； (3) 將待測過氧化氨溶液代替過氧化氨的標(biāo)準(zhǔn)溶液，按照（1)和(2)所述的過氧化氨檢 測方法進行檢測，根據(jù)所得到的電流增大值與所繪制的工作曲線得出待測過氧化氨溶液的 濃度。
[0020] 實施例5 -種雙功能無酶過氧化氨光電化學(xué)傳感器的應(yīng)用 實施例2制備的一種雙功能無酶過氧化氨光電化學(xué)傳感器應(yīng)用于過氧化氨的檢測，其 檢測步驟為： (1) 利用電化學(xué)工作站，在W1上采用階躍電壓的方法對W1施加階躍電壓，初始電壓為0 V，階躍電壓為0.8 V，階躍時間為20 S ;同時，在W2上采用時間-電流方法對W2施加恒定電 壓，電壓為0.3 V; (2) 和(3)同實施例4。
[0021 ]實施例6 -種雙功能無酶過氧化氨光電化學(xué)傳感器的應(yīng)用 實施例3制備的一種雙功能無酶過氧化氨光電化學(xué)傳感器應(yīng)用于過氧化氨的檢測，其 檢測步驟為： (1) 利用電化學(xué)工作站，在W1上采用階躍電壓的方法對W1施加階躍電壓，初始電壓為0 V，階躍電壓為0.9 V，階躍時間為30 S ;同時，在W2上采用時間-電流方法對W2施加恒定電 壓，電壓為0.6 V; (2) 和(3)同實施例4。
[0022] 實施例7實施例1-3所制備的雙功能無酶過氧化氨光電化學(xué)傳感器，應(yīng)用于過氧 化氨的檢測，具有優(yōu)良的檢測效果，檢測限為25 pmol/L。
[0023] 實施例8人血清中過氧化氨的檢測 準(zhǔn)確移取人血清樣品，加入一定摩爾濃度的過氧化氨標(biāo)準(zhǔn)溶液，W未加入過氧化氨的 人血清為空白，進行加標(biāo)回收實驗，按照實施例4~6的步驟進行檢測，測定樣品中過氧化氨 的回收率，檢測結(jié)果見表1。
[0024] 表1人血清中過氧化氨的檢測結(jié)果
表1檢測結(jié)果可知，結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)不大于3.3 %，回收率為94~106%，表明 本發(fā)明可用于人血清中過氧化氨的檢測，方法的靈敏度高、特異性強，結(jié)果準(zhǔn)確可靠。
【主權(quán)項】
1. 一種雙功能無酶過氧化氫光電化學(xué)傳感器的制備方法，其特征在于，采用金納米棒 溶膠Au NRs和電聚合魯米諾共同修飾的ITO導(dǎo)電玻璃作為電致化學(xué)發(fā)光工作電極W1，還原 石墨稀負載二氧化鈦納米片溶膠rGO/Ti〇2和氯化血紅素 Hemin溶液共同修飾的ITO導(dǎo)電玻 璃作為光電化學(xué)工作電極W2，Ag/AgCl電極作為參比電極RE、鉑絲電極作為對電極CE，將四 個電極共同插入同一電解池中組成四電極系統(tǒng)，將制得的四電極系統(tǒng)置于暗盒中，即制得 雙功能無酶過氧化氫光電化學(xué)傳感器。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述的金納米棒溶膠Au NRs為金納米 棒的水溶液，所述金納米棒是棒狀金納米粒子，長度為20~40 nm。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙功能無酶過氧化氫光電化學(xué)傳感器的制備方法，其特征在 于，所述的還原石墨稀負載二氧化鈦納米片溶膠rGO/Ti〇2為還原石墨稀負載二氧化鈦納米 片的水溶液，所述二氧化鈦納米片為方形片狀的二氧化鈦納米粒子，邊長為60~80 nm。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，將W1和W2導(dǎo)電的一面相對插入電解池 中，W1與W2間距為0.5 cm~1.5 cm。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法制備的過氧化氫光電化學(xué)傳感器，其特征在于，所述 的過氧化氫光電化學(xué)傳感器應(yīng)用于過氧化氫檢測的步驟為:利用電化學(xué)工作站，在W1上采 用階躍電壓的方法對W1施加階躍電壓，初始電壓為0 V，階躍電壓為0.7~0.9 V，階躍時間為 10~30 s;同時，在W2上采用時間-電流方法對W2施加恒定電壓，電壓為0~0.6 v;在電解池中 加入待測過氧化氫溶液，W2上的電流會隨著過氧化氫濃度的增大而相應(yīng)增大，根據(jù)所得電 流增大值得出待測過氧化氫溶液濃度。
【文檔編號】G01N21/76GK105823773SQ201610148504
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月16日
【發(fā)明人】張勇, 范大偉, 王雪萍, 李燕, 魏琴
【申請人】濟南大學(xué)