沉积铂纳米粒子的SDS功能化碳纳米管修饰电极的制备及对H

摘要

本发明提供了一种沉积铂纳米粒子的SDS功能化碳纳米管修饰电极的制备及对H

说明书

技术领域

本发明涉及一种检测方法，具体是指沉积铂纳米粒子的SDS功能化碳纳米管修饰玻碳电极的制备及对H₂O₂的检测方法。

背景技术

碳纳米管（CNTs ），作为一种典型的纳米材料，由于其具有大的比表面积、好的化学稳定性、强的吸附能力、优异的电导性、促进电子转移反应等独特性质，因而是一种理想的电极材料，被广泛应用于传感器的制备。然而，由于CNTs大的表面张力，使碳纳米管疏水性增强，较易发生团聚，不利于其在电极表面的修饰,也不利于修饰后其优点的发挥。

十二烷基硫酸钠（SDS，C₁₂H₂₅SO₄Na ），是一种阴离子表面活性剂，其分子结构具有两亲性，一端为亲水基团，另一端为憎水基团。SDS 可以通过非共价相互作用吸附在碳纳米管表面，使CNTs的表面张力显著下降，从而改善了碳纳米管在水中的分散性，使碳纳米管的团聚和缠绕现象得到有效的抑制，大大增加了CNTs的比表面积，从而为金属纳米粒子在CNTs上的负载提供了更多的活性位点。

过氧化氢（H₂O₂ ）是一种活性氧物种（ROS ），它是大量酶催化反应的副产物。此外，在活的生物体内，H₂O₂可以作为调节多种生物学过程的信号分子。因此，快速、精确、可靠的检测H₂O₂有着重要的意义。现有的H₂O₂传感器大多是基于酶的生物传感器；然而，酶传感器的制备和应用还存在一些难点，例如，将酶固定到电极表面时，需要较多的操作步骤，是一个非常复杂的过程,其固定结果也会影响传感器的检测效果。并且，酶的价格昂贵，当温度较高时，酶极易丧失活性，其稳定性受周围环境的影响较大。因此，研制检测限低的无酶H₂O₂传感器有着重要的意义。铂纳米粒子（PtNPs）具有大的比表面积，好的生物兼容性，并可以降低H₂O₂在裸电极上存在的过电位。故其被广泛应用于代替酶来催化H₂O₂，从而构建成具有制备简单、响应快、重现性及稳定性好等优点的无酶H₂O₂传感器。

发明内容

基于上述，本发明的目的在于提供一种沉积铂纳米粒子的SDS功能化碳纳米管修饰电极的制备及对H₂O₂的检测方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种沉积铂纳米粒子的SDS功能化碳纳米管修饰电极的制备及对H₂O₂的检测方法其步骤是：

a.称取羧基化的多壁碳纳米管分散在0.25M的SDS水溶液中,随后放于超声波清洗仪中超声1 h，再磁力搅拌24h，将得到的产物用砂芯漏斗进行抽滤，再用大量的二次水冲洗，以除去未反应的SDS，得到的SDS功能化的多壁碳纳米管，在60℃下真空干燥12h，然后把制得的SDS功能化的多壁碳纳米管超声分散在二次蒸馏水中得到0.2mg/mL的分散液，待用； 

b.将裸的玻碳电极依次用0.3μm、0.05μm的三氧化二铝悬浊液抛光成镜面，再依次经体积分数为95 %的乙醇、二次蒸馏水超声清洗后，得到处理后的裸的玻碳电极；插入含有1mM铁氰化钾探针分子的0.1M氯化钾电解质溶液中，并采用以裸的玻碳电极为工作电极、铂柱为对电极、饱和甘汞电极为参比电极的三电极体系进行循环伏安扫描，对裸的玻碳电极进行表征；再将裸的玻碳电极取出用二次蒸馏水冲洗并吹干，备用；

c.将步骤b处理好的裸的玻碳电极上滴涂步骤a 制得SDS功能化的多壁碳纳米管分散液置于红外灯下烤干，得SDS功能化的多壁碳纳米管修饰的玻碳电极；再将SDS功能化的多壁碳纳米管修饰玻碳电极插入含有1.0 mM H₂PtCl₆ 的 0.2 M Na₂SO₄溶液中，在-0.2V下用计时电流法电化学沉积200s，使铂纳米粒子沉积在SDS功能化的多壁碳纳米管修饰玻碳电极表面，从而制得沉积有铂纳米粒子的SDS功能化的多壁碳纳米管修饰玻碳电极，即PtNPs/MWCNTs-SDS/GCE。 

用沉积铂纳米粒子的SDS功能化碳纳米管修饰电极对H₂O₂的检测方法，其步骤是：

a.以沉积有铂纳米粒子的SDS功能化的多壁碳纳米管修饰玻碳电极为工作电极、铂柱为对电极、饱和甘汞电极为参比电极组成三电极体系，并将三电极体系共同浸入含有不同浓度的H₂O₂ 的N₂饱和的0.2M、pH为7.0的磷酸盐缓冲溶液中进行计时电流扫描，分别得到在这些浓度下的H₂O₂的计时电流曲线图；

 b.采用origin软件作图，绘制PtNPs/MWCNTs-SDS/GCE在上述不同浓度H₂O₂下的计时电流曲线和峰电流与其浓度的关系图。

本发明优点和产生的有益效果是：

1、与传统的基于酶的H₂O₂传感器相比，本发明研制的沉积铂纳米粒子的SDS功能化碳纳米管修饰电极具有制备简单、响应快等优点，并对H₂O₂有较好的检测效果。这主要是由于在SDS功能化的多壁碳纳米管上沉积PtNPs的缘故，SDS功能化的多壁碳纳米管作为PtNPs的负载基质不仅增大了PtNPs的负载量，而且还改善了其尺寸和分散性，从而使其催化活性有了很大的提高。

为了说明本发明的特点，表1为本发明研制的沉积铂纳米粒子的SDS功能化碳纳米管修饰玻碳电极对H₂O₂检测性能与现有的修饰电极对H₂O₂的检测性能的比较：

从表1可以看出，与现有修饰电极对H₂O₂检测性能相比，本发明具有较宽的线性范围（5.8 × 10^-9- 1.1 × 10^-3 mol/L）和较低的检测限（1.9 × 10^-9 mol/L），这说明本发明研制的修饰电极对H₂O₂有很好的检测效果。 

2、本发明研制的沉积铂纳米粒子的SDS功能化碳纳米管修饰电极对H₂O₂有较好的响应,且降低了其在裸电极上的过电位，表现出很好的电催化活性。对H₂O₂的检测具有线性范围宽，检测限低，制备修饰电极快速简便，用该修饰电极检测H₂O₂灵敏度高等优点，有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明裸的玻碳电极、 MWCNTs-SDS修饰电极、PtNPs/MWCNTs- SDS修饰电极在含5.0mM 铁氰化钾和亚铁氰化钾的0.1M KCl溶液中的电化学阻抗谱图。图中，a:裸的玻碳电极；b: MWCNTs-SDS修饰电极；c: PtNPs/MWCNTs-SDS修饰电极。

图2为四种不同的修饰电极在含有2.0mM H₂O₂的 N₂饱和的0.2M PBS( pH 7.0)中的循环伏安扫描示意图：图中，(a) 裸的GCE, (b) MWCNT- SDS/GCE, (c) PtNPs/GCE , (d) PtNPs/MWCNTs/GCE以及（e）PtNPs/ MWCNT- SDS/GCE，扫速为50 mV/s.

图.3为PtNPs/MWCNT-SDS/GCE对0 , 5.8 × 10^-9 ,1.2 × 10^-8 , 2.3× 10^-8 , 5.8 × 10^-8 , 2.2 × 10^-7 , 5.1 × 10^-7 , 1.3 × 10^-6 , 2.4 × 10^-6 ,5 × 10^-6 M浓度的H₂O₂检测的计时电流曲线图。

图.4为不同浓度的H₂O₂（0 , 5.8 × 10^-9 ,1.2 × 10^-8 , 2.3× 10^-8 , 5.8 × 10^-8 , 2.2 × 10^-7 , 5.1 × 10^-7 , 1.3 × 10^-6 , 2.4 × 10^-6 ,5 × 10^-6 M）在PtNPs/MWCNT-SDS/GCE上的峰电流与其浓度的对数之间的线性关系图。

图.5为PtNPs/MWCNT-SDS/GCE对1.3 × 10^-5 ,2.5 × 10^-5, 5.7× 10^-5 , 1.1 × 10^-4 , 2.2 × 10^-4 , 5.1 × 10^-4 , 1.1 × 10^-3 M 浓度的H₂O₂检测的计时电流曲线图。

图.6为不同浓度的H₂O₂（1.3 × 10^-5 ,2.5 × 10^-5, 5.7× 10^-5 , 1.1 × 10^-4 , 2.2 × 10^-4 , 5.1 × 10^-4 , 1.1 × 10^-3 M）在PtNPs/MWCNT-SDS/GCE上的峰电流与其浓度的线性关系图。

 

具体实施方式

本发明实施过程中所使用的仪器和试剂：

CHI 660C电化学工作站（上海辰华仪器公司）用于进行循环伏安的实验，石英管加热式自动双重纯水蒸馏器（1810B，上海亚太技术玻璃公司）用于蒸二次蒸馏水。电子天平（北京赛多利斯仪器有限公司），用于称量药品。超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）。三氧化二铝打磨粉（0.30m，0.05m，上海辰华仪器试剂公司）用于处理玻碳电极。饱和甘汞参比电极，铂对电极，磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、氯化钾（西安化学试剂厂）；氯铂酸 (H₂PtCl₆·6H₂O，阿拉丁试剂公司)；十二烷基硫酸钠（C₁₂H₂₅SO₄Na，上海试剂公司）。多壁碳纳米管（深圳纳米港有限公司）；高纯氮气（纯度为99.999%（O₂≤ 0．001％））。实验过程中使用的水均为二次蒸馏水，实验所用的试剂均为分析纯，多壁碳纳米管的羧基化是通过使用体积比为3：1的浓盐酸和双氧水超声8个小时，然后洗至中性，再在70°C下烘干实现的。

下面，结合附图对本发明的技术方案再作进一步的说明：

一种沉积铂纳米粒子的SDS功能化碳纳米管修饰电极的制备及对H₂O₂的检测方法，包括以下步骤：

a.称取0.1g羧基化的多壁碳纳米管分散在400mL的0.25M的SDS水溶液中，随后，放于超声波清洗仪中超声1 h，再磁力搅拌24h。将得到的产物用砂芯漏斗进行抽滤，再用大量的二次水冲洗，以除去未反应的SDS，得到的SDS功能化的多壁碳纳米管，在60℃下真空干燥12h，然后把制得的SDS功能化的多壁碳纳米管超声分散在二次蒸馏水中得到0.2mg/mL的分散液，待用；

b.将裸的玻碳电极依次用0.3μm、0.05μm的三氧化二铝悬浊液抛光成镜面，再依次经体积分数为95 %的乙醇、二次蒸馏水超声清洗后，得到处理后的裸的玻碳电极；插入含有1mM铁氰化钾探针分子的0.1M氯化钾电解质溶液中，并采用以裸的玻碳电极为工作电极、铂柱为对电极、饱和甘汞电极为参比电极的三电极体系进行循环伏安扫描，对裸的玻碳电极进行表征；再将裸的玻碳电极取出用二次蒸馏水冲洗并吹干，备用；

c.在步骤b处理好的裸的玻碳电极上滴涂10μL步骤a 制得SDS功能化的多壁碳纳米管分散液置于红外灯下烤干，制得SDS功能化的多壁碳纳米管修饰的玻碳电极；再将此修饰玻碳电极插入含有1.0 mM H₂PtCl₆ 的 0.2 M Na₂SO₄溶液中，在-0.2V下用计时电流法电化学沉积200s，使铂纳米粒子沉积在SDS功能化的多壁碳纳米管修饰玻碳电极表面，从而制得沉积有铂纳米粒子的SDS功能化的多壁碳纳米管修饰玻碳电极，即PtNPs/MWCNTs–SDS /GCE；

下面，本发明采用循环伏安技术和电化学阻抗技术对沉积铂纳米粒子的SDS功能化碳纳米管修饰电极进行电化学表征：

在电化学工作站的技术选项中选择循环伏安技术和电化学阻抗技术，饱和甘汞电极为参比电极，铂柱为对电极，直径3mm的沉积有铂纳米粒子的SDS功能化的多壁碳纳米管修饰玻碳电极为工作电极（PtNPs/MWCNTs -SDS）。循环伏安技术的电位窗设置为-0.3V～0.8V。图1为本发明不同修饰（玻碳）电极在含有5.0 mM 铁氰化钾和亚铁氰化钾的0.1M KCl溶液中的电化学阻抗谱图。图中，a曲线代表裸的玻碳电极；b曲线代表SDS功能化的多壁碳纳米管修饰电极；c曲线代表PtNPs/MWCNTs-SDS修饰电极。从图1可以看出：裸的玻碳电极阻抗谱是由一个小的半圆和一条接近于直线的尾线组成（曲线a），通过拟合得出其Ret值为：100Ω。然而，当在电极表面修饰了MWCNTs-SDS复合物后（曲线b），发现MWCNTs-SDS修饰电极的阻抗值较裸的玻碳电极有所降低，其Ret值降至48Ω。此外，当用PtNPs/MWCNTs-SDS/GCE 修饰电极在上述条件下进行电化学阻抗实验，发现其Ret值较前两者有了显著的降低，其值为32Ω。由上可知， MWCNTs-SDS 和 PtNPs/MWCNTs-SDS 可以在电极表面和电解质之间形成高的电子转移通道，明显的改善了探针分子向电极表面的扩散。此外，由图1可见，PtNPs/MWCNTs-SDS 修饰电极的Ret在三者中是最低的，这是由于Pt纳米粒子可以大大增加电极表面的活性面积，以及PtNPs和碳纳米管之间存在协同作用，致使PtNPs/MWCNTs-SDS 修饰电极的Ret是最低的。

为了更进一步考察沉积铂纳米粒子的SDS功能化碳纳米管修饰电极的电催化作用，图2表示为不同修饰（玻碳）电极在含有2.0mM的H₂O₂的N₂饱和的0.2M pH为7.0的PBS中的循环伏安曲线。图中，a曲线代表裸的玻碳电极；b曲线代表SDS功能化的多壁碳纳米管修饰电极；c曲线代表 PtNPs修饰电极；d曲线代表PtNPs/MWCNTs修饰电极；e曲线代表PtNPs/MWCNTs-SDS修饰电极。由图可得，H₂O₂ 在裸的GCE(a曲线)和MWCNTs-SDS/GCE (b曲线)上没有出现氧化还原峰，可以说H₂O₂在这两种修饰电极上几乎没有氧化还原活性。这表明H₂O₂的氧化还原反应在上述电极上具有慢的电极动力学以及较高的超电势，故其难以实现。与此相反，基于Pt纳米粒子的修饰电极则对H₂O₂表现出较大的催化电流，较低的过电位 (0.091 V) ，呈现出如曲线c-e所示的优良的响应信号。由此可得，PtNPs对H₂O₂有明显的电催化作用，也表明氧化铂表面能很好地促进H₂O₂的检测。此外，与H₂O₂在PtNPs/GCE（c曲线）和PtNPs/MWCNTs /GCE (d曲线)上的响应相比，PtNPs/MWCNTs-SDS/GCE (e曲线)表现出更高的催化电流,其催化电流(I_pc)分别是其在PtNPs/GCE（c曲线）和PtNPs/MWCNTs/GCE上的1.6倍和1.3倍，这表明MWCNTs-SDS对H₂O₂的检测性能起着至关重要的作用,它提供了大的比表面积来沉积大量的铂纳米粒子，因而使PtNPs/MWCNTs- SDS/GCE对H₂O₂起到了明显的电催化作用。

d. 用PtNPs/MWCNTs-SDS/GCE为工作电极、铂柱为对电极、饱和甘汞电极为参比电极组成三电极体系，并将其共同浸入含有H₂O₂浓度为：0 , 5.8 × 10^-9 ,1.2 × 10^-8 , 2.3× 10^-8 , 5.8 × 10^-8 , 2.2 × 10^-7 , 5.1 × 10^-7 , 1.3 × 10^-6 , 2.4 × 10^-6 ， 5 × 10^-6 ，1.3 × 10^-5 ,2.5 × 10^-5, 5.7× 10^-5 , 1.1 × 10^-4 , 2.2 × 10^-4 , 5.1 × 10^-4 , 1.1 × 10^-3 M的N₂饱和的0.2M、pH为7.0的磷酸盐缓冲溶液中进行计时电流扫描，采用origin软件作图，绘制PtNPs/MWCNTs-SDS/GCE在不同浓度H₂O₂下的计时电流曲线和峰电流与其浓度的关系图。

图3和图5是PtNPs/MWCNTs-SDS/GCE在含有不同浓度的H₂O₂的N₂-饱和的 0.2M PBS (pH 7.0)溶液中的计时电流曲线图（i-t curve），电位为-0.1V。由图可知，随着H₂O₂浓度的增加，峰电流也随之不断增大。当其浓度在5.8 × 10^-9- 5.0 × 10^-6 mol/L范围内，H₂O₂的峰电流与其浓度的对数呈良好的线性关系(见图.4)，其线性回归方程为： Ip(μA)=0.4493lg[H₂O₂]+4.0968 (n=9)，R²为0.9946；而当其浓度在1.3 × 10^-5 - 1.1×10^-3mol/L范围内，峰电流与其浓度呈良好的线性关系(见图.6)，其线性回归方程为:Ip(μA)=0.0058[H₂O₂] (μM)+1.6421 (n=7)，R²=0.9997。由上可得，本发明对H₂O₂检测的线性范围为5.8 × 10^-9- 1.1 × 10^-3 mol/L，检测限为1.9 × 10^-9 mol/L（S/N=3）。本发明与现有的修饰电极对H₂O₂的检测相比，具有线性范围宽，检测限低，检测过程简单，灵敏度高等特点。因此，本发明研制的这种修饰电极能很好地检测H₂O₂，尤其是对较低浓度的H₂O₂的检测。

（3）、修饰电极的后处理

检测完毕后，将沉积有铂纳米粒子的修饰电极从电化学检测池中取出，在二次蒸馏水中超声1分钟，电极表面的铂纳米粒子和SDS功能化的碳纳米管可以完全脱落，以备下次使用。