一种四电极系统过氧化氢电化学传感器的制备方法及应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于检测过氧化氢的传感器的制备方法，该传感器集成了电化学 发光和光电化学双重功能。属于新型纳米功能材料与电化学生物传感分析技术领域。
【背景技术】
[0002] 过氧化氢是一种氧化剂，一般情况下能够分解为水和氧气，但比较慢，当加入催化 剂(或生物酶)时，反应速度加快，由此可以即时得到过氧化氢的量或催化剂(或生物酶）的 量，同时在生物体内过氧化氢也经常以反应中间体的形式存在，因此，过氧化氢在医学诊 断、临床治疗、环境检测和食品生产等领域均扮演着重要的角色，研究开发过氧化氢检测方 法也就具有十分重要的应用价值。电化学生物传感分析技术由于操作简便、检测速度快等 优势，日益得到人们的重视。目前，用于检测过氧化氢的电化学生物传感分析技术按照检测 手段来分主要有电化学传感器、电化学发光传感器和光电化学传感器三种。其中，电化学发 光传感器和光电化学传感器相对于电化学传感器，具有背景信号噪音少、灵敏度高、检测成 本低等特点，近几年被越来越多的研究者所关注。
[0003] 电化学发光也称为电化学发光，是指通过电化学方法在电极表面产生一些特殊的 物质，这些物质之间或者与体系中其他组分之间通过电子传递形成激发态，由激发态返回 到基态产生发光现象。电化学发光传感器即通过改变电极表面的修饰材料，与分析物产生 电化学发光，在最优条件下，根据分析物浓度与电化学发光强度的相关变化实现对分析物 的定性定量分析。
[0004] 光电化学传感器是基于外加光源激发光电敏感材料导致电子-空穴对进行分离， 在合适的偏电位条件下，实现电子在电极、半导体及修饰物和分析物上的快速传递，并形成 光电流。在最优条件下，分析物浓度的变化会直接影响光电流的大小，可以根据光电流的变 化实现对分析物的定性定量分析。
[0005] 但是，由于电化学发光传感器需要外置光信号捕捉设备如光电二极管等，而光电 化学传感器需要外设光源来激发光电敏感材料，这在一定程度上影响了二者操作的便捷 性，限制了他们在实际生产、生活中更为广泛的应用。因此，设计、制备更为简便、快捷的检 测过氧化氢的电化学生物传感分析技术具有十分重要的实用价值。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种操作简单、携带方便、检测快、成本低的过氧化氢传感 器的制备方法，所制备的传感器，可用于日常生产、生活等领域的对过氧化氢的快速、灵敏 检测。基于此目的，本发明在同一电解池中，采用四电极系统，即两个工作电极、一个对电极 和一个参比电极，其中工作电极1采用ΙΤ0导电玻璃，在上面先修饰磷酸镍铵微纳材料 NH4NiP04和金@硫化银纳米棒溶胶Au@Ag2S NRs作为基底，然后在其上电聚合鲁米诺，该电极 作为电化学发光工作电极W1，工作电极2采用二氧化钛纳米片溶胶Ti02 NSs和辣根过氧化 物酶溶液HRP共同进行修饰，作为光电化学工作电极W2。进行检测时，在电解池中加入过氧 化氢后，在W1上施加阶跃电压，由于NH4NiP〇4稳定发光和增大Au@Ag2S NRs负载的作用、 NH4MPO4和Au@Ag2S NRs的协同催化作用以及Au@Ag2S NRs对电聚合鲁米诺的强吸附作用， 鲁米诺与过氧化氢反应，产生电化学发光，这便相当于"开灯"，当阶跃电压为0时，电化学发 光消失，这便相当于"关灯"，与此同时在W2上一直施加恒定电压，由于Ti0 2 NSs会因为电化 学发光产生的发光激发导致电子-空穴对进行分离，HRP催化过氧化氢产生氧气，使过氧化 氢成为空穴"给体"，从而在W2上得到光电流，当电化学发光消失，8卩"关灯"时，光电流随即 消失，产生的光电流的大小与过氧化氢浓度正相关，因此通过记录光电流的大小即可实现 对过氧化氢的检测。
[0007]基于以上发明原理，本发明采用的具体技术方案如下： 1. 一种四电极系统过氧化氢电化学传感器的制备方法，其特点在于，制备步骤为： (1) 电化学发光工作电极W1的制备方法，所述的W1是由在NH4MPO4和Au@Ag2S NRs共同 修饰的ΙΤ0导电玻璃上电聚合鲁米诺后制备得到的，其特点是，具体的制备步骤为： 1) 以ΙΤ0导电玻璃为工作电极，在电极表面滴涂NH4MPO4溶液，覆盖面积为1 cm X 1 cm，室温下瞭干； 2) 将1)得到的工作电极，在NH4NiP〇4表面滴涂Au@Ag2S NRs，覆盖面积为1 cm X 1 cm， 室温下晾干； 3 )将2 )得到的工作电极，浸入电解液中，浸入面积为NH4NiP〇4和Au@Ag2S NRs共同所覆 盖的面积，利用电化学三电极系统对工作电极进行电化学沉积，沉积后取出工作电极，使用 超纯水清洗，4 °C下避光干燥，制得电化学发光工作电极W1; 所述的NH4NiP04溶液为磷酸镍铵微纳材料水溶液，所述磷酸镍铵微纳材料为多孔片状 微纳材料，所述NH4NiP〇4的制备步骤为:在40mL水中加入2.0~4.0 g铵盐和0.15~0.25 g磷酸 盐，完全溶解后，加入0.15~0.25 g二氯化镍，在30~45°C下搅拌10~14h，离心分离，将产品置 于50 °C下干燥，即得到NH4NiP〇4; 所述的铵盐选自下列之一:氯化铵、溴化铵、磷酸铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵； 所述的磷酸盐选自下列之一:磷酸铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵； 所述的金@硫化银纳米棒溶胶Au@Ag2S NRs为核壳结构的棒状纳米材料的水溶液，所述 核壳结构的棒状纳米材料为以金纳米棒为核，硫化银纳米粒子为壳层的棒状纳米材料，所 述金纳米棒是棒状金纳米粒子，长度为20~40 nm; 所述的电解液为含有鲁米诺的硫酸溶液，所述的电解液中鲁米诺的浓度为1~10 mmol/ 1^，硫酸浓度为0.1~1.〇111〇1/1; 所述的电化学三电极系统，包括工作电极、参比电极和对电极，所述的参比电极为饱和 甘汞电极，所述的对电极为铂丝电极； 所述的电化学沉积过程，采用的电化学方法为循环伏安法，起始电压为-0.2 V，终止电 压为1.5 V，扫速为100 mv/s，循环20~30圈； (2) 光电化学工作电极W2的制备方法，所述的W2是由Ti02 NSs和HRP共同修饰的ΙΤ0导 电玻璃，其特点是，具体的制备步骤为： 1) 以ΙΤ0导电玻璃为工作电极，在电极表面滴涂8~12 uL Ti02 NSs，室温下晾干； 2) 将1)中得到的工作电极放入马弗炉中，在450 °C下进行退火处理，处理后冷却至室 温； 3)将2)中得到的工作电极表面滴涂8~12 uL HRP，4 °C下干燥，干燥后用超纯水清洗，4 °C下干燥，制得光电化学工作电极W2; 所述的Ti〇2 NSs为1 mg/mL的二氧化钛纳米片的水溶液，所述二氧化钛纳米片为方形 片状的二氧化钛纳米粒子，边长为60~80 nm; 所述的HRP为5 mU/mL的辣根过氧化物酶水溶液； (3 )四电极系统过氧化氢电化学传感器的制备方法： 1) 将W1和W2导电的一面相对插入电解池中，W1与W2间距为0.5 cm~1.5 cm; 2) 以Ag/AgCl为参比电极RE、铂丝电极为对电极CE，插入电解池中，与W1和W2共同组成 四电极系统； 3) 在电解池中加入10 mL pH值为11~13的NaOH溶液； 4) 将1)~3)所制得四电极系统以及电解池置于暗盒中，即制得四电极系统过氧化氢电 化学传感器。
[0008] 2.本发明所述的四电极系统过氧化氢电化学传感器应用于过氧化氢的检测，其 特点是具体的检测方法为： (1) 利用电化学工作站，在W1上采用阶跃电压的方法对W1施加阶跃电压，初始电压为0 v，阶跃电压为0.7~0.9 v，阶跃时间为10~30 s;同时，在W2上采用时间-电流方法对W2施加 恒定电压，电压为〇~0.6 v; (2) 在电解池中加入不同浓度的过氧化氢标准溶液，W2上的电流会随着过氧化氢浓度 的增大而相应增大，根据所得电流增大值与过氧化氢浓度之间的关系，绘制工作曲线； (3) 将待测过氧化氢溶液代替过氧化氢的标准溶液，按照（1)和(2)所述的过氧化氢检 测方法进行检测，根据所得到的电流增大值与所绘制的工作曲线得出待测过氧化氢溶液的 浓度。
[0009] 本发明的有益成果 (1) 本发明所述的过氧化氢传感器制备简单，操作方便，无需外部辅助设备，利用检测 设备的微型化、便携化，并实现了对过氧化氢的快速、灵敏、高选择性检测，具有广阔的市场 发展前景； (2) 本发明首次在同一电解池中采用四电极系统检测过氧化氢，并实现了电化学发光 与光电化学双功能信号放大策略。在电解池中随着过氧化氢浓度的增加，一方面，使得电化 学发光强度线性增加，所激发的光电流线形增大；另一方面，过氧化氢作为电子给体，使得 光电化学反应中光电流线形增大。因此，电化学发光和光电化学两种方法在同一电解池中、 同一电化学工作站下共同反应、相互作用，实现了对过氧化氢检测电信号的双重放大，极大 地提高了检测灵敏度和检出限，具有重要的科学意义和应用价值。
【具体实施方式】
[0010] 实施例1 一种四电极系统过氧化氢电化学传感器，具体的制备步骤为： (1)电化学发光工作电极W1的制备： 1) 以ΙΤ0导电玻璃为工作电极，在电极表面滴涂NH4MP04溶液，覆盖面积为1 cm X 1 cm，室温下瞭干； 2) 将1)得到的工作电极，在NH4NiP〇4表面滴涂Au@Ag2S NRs，覆盖面积为1 cm X 1 cm， 室温下晾干； 3 )将2 )得到的工作电极，浸入电解液中，浸入面积为NH4NiP〇4和Au@Ag2S NRs共同所覆 盖的面积，利用三电极系统对工作电极进行电化学沉积，沉积后取出工作电极，使用超纯水 清洗，4 °C下避光干燥，制得电化学发光工作电极W1; 所述的NH4NiP04溶液为磷酸镍铵微纳材料水溶液，所述磷酸镍铵微纳材料的制备步骤 为:在40mL水中加入2.0~4.0 g铵盐和0.15~0.2