一种双功能无酶过氧化氢光电化学传感器的制备方法及应用
【专利摘要】本发明公开了一种基于功能纳米材料构建的双功能无酶过氧化氢传感器的制备方法，所制备的传感器操作简单、携带方便、检测快、成本低，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。
【专利说明】
-种双功能无酶过氧化氨光电化学传感器的制备方法及应用
技术领域
[0001] 本发明设及一种用于检测过氧化氨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] 过氧化氨是一种氧化剂，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W即时得到过氧化氨的量或催化剂(或生物酶）的 量，同时在生物体内过氧化氨也经常W反应中间体的形式存在，因此，过氧化氨在医学诊 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，研究开发过氧化氨检测方 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，用于检测过氧化氨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Ξ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，运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W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，运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 测过氧化氨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、成本低的过氧化氨传感 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氨的快速、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采用金纳米棒溶胶Au NRs和电聚合鲁米诺共同进行修饰， 作为电化学发光工作电极W1，工作电极2采用还原石墨締负载二氧化铁纳米片溶胶rGO/ Ti化和氯化血红素化min溶液共同进行修饰，作为光电化学工作电极W2。进行检测时，在电 解池中加入过氧化氨后，在W1上施加阶跃电压，由于Au NRs的催化作用，鲁米诺与过氧化氨 反应，产生电化学发光，运便相当于"开灯"，当阶跃电压为ο时，电化学发光消失，运便相当 于"关灯"，与此同时在W2上一直施加恒定电压，由于rGO/Ti化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，Hemin催化过氧化氨产生氧气，使过氧化氨成为空穴"给 体"，从而在W2上得到光电流，当电化学发光消失，即"关灯"时，光电流随即消失，产生的光 电流的大小与过氧化氨浓度正相关，因此通过记录光电流的大小即可实现对过氧化氨的检 测。
[0007]基于W上发明原理，本发明采用的具体技术方案如下： 1. 一种双功能无酶过氧化氨光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Au NRs和电聚合鲁米诺共同修 饰的IT0导电玻璃，其特点是，具体的制备步骤为： nWiTO导电玻璃为工作电极，在电极表面滴涂Au NRs,覆盖面积为1 cm X 1 cm,室 溫下惊干； 2)将1)得到的工作电极，浸入电解液中，浸入面积为Au NRs所覆盖的面积，利用Ξ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Au NRs为金纳米棒的水溶液，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^10 mmol/ L，硫酸浓度为O.^l.O mol/l; 所述的Ξ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隶电 极，所述的对电极为销丝电极； 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rGO/Ti化和化min共同修饰的IT0 导电玻璃，其特点是，具体的制备步骤为： 1) W口0导电玻璃为工作电极，在电极表面滴涂8~12 μL rGO/Ti〇2,室溫下惊干； 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 溫； 3) 将2)中得到的工作电极表面滴涂8~12 μL Hemin,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rGO/Ti化为还原石墨締负载二氧化铁纳米片的水溶液，所述二氧化铁纳米片为 方形片状的二氧化铁纳米粒子，边长为60~80 nm; 所述的化min为5 μηιο 1 /L的氯化血红素水溶液； (3) 双功能无酶过氧化氨光电化学传感器的制备方法： 1)将W巧抓2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似Ag/AgCl为参比电极RE、销丝电极为对电极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血pH值为11~13的NaO田容液； 4) 将1)~3)所制得四电极系统W及电解池置于暗盒中，即制得双功能无酶过氧化氨光 电化学传感器。
[0008] 2.本发明所述的双功能无酶过氧化氨光电化学传感器的应用于过氧化氨的检 巧。，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0~0.6 V; (2) 在电解池中加入不同浓度的过氧化氨标准溶液，W2上的电流会随着过氧化氨浓度 的增大而相应增大，根据所得电流增大值与过氧化氨浓度之间的关系，绘制工作曲线； (3) 将待测过氧化氨溶液代替过氧化氨的标准溶液，按照（1)和(2)所述的过氧化氨检 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氨溶液的 浓度。
[0009] 本发明的有益成果 (1) 本发明所述的双功能无酶过氧化氨光电化学传感器制备简单，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，并实现了对过氧化氨的快速、灵敏、高选择性检 巧。，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氨，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氨浓度的增加，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，过氧化氨作为电子给体，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，实现了对过氧化氨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，同时由于没有使用生物酶，从而对检测环境要求更为宽松， 具有重要的科学意义和市场应用价值。
【具体实施方式】
[0010] 实施例1 一种双功能无酶过氧化氨光电化学传感器，具体的制备步骤为： (1)电化学发光工作电极W1的制备： nWiTO导电玻璃为工作电极，在电极表面滴涂Au NRs，覆盖面积为1 cm X 1 cm,室 溫下惊干； 2)将1)得到的工作电极，浸入电解液中，浸入面积为Au NRs所覆盖的面积，利用Ξ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Au NRs为金纳米棒的水溶液，所述金纳米棒是棒状金纳米粒子，长度为20 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 mmol/L， 硫酸浓度为0.1 mol/l; 所述的Ξ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隶电 极，所述的对电极为销丝电极； 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-0.2V，终止电 压为1.5V，扫速为lOOmv/s，循环20圈。
[00川 （2)光电化学工作电极W2的制备： 1) W口ο导电玻璃为工作电极，在电极表面滴涂8 μL rGO/Ti02,室溫下惊干； 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 溫； 3) 将2)中得到的工作电极表面滴涂8 μL化min,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rGO/Ti化为还原石墨締负载二氧化铁纳米片的水溶液，所述二氧化铁纳米片为 方形片状的二氧化铁纳米粒子，边长为60~80 nm; 所述的化min为5 μηιο 1 /L的氯化血红素水溶液。
[0012] (3)双功能无酶过氧化氨光电化学传感器的制备方法： 1)将（1)中制备的W巧日(2)中制备的W2面面相对插入电解池中，W1与W2间距为0.5 cm; 2似Ag/AgCl为参比电极RE、销丝电极为对电极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的NaO田容液； 4) 将1)~3)所制得四电极系统W及电解池置于暗盒中，即制得双功能无酶过氧化氨光 电化学传感器。
[0013] 实施例2 -种双功能无酶过氧化氨光电化学传感器，具体的制备步骤为： (1)电化学发光工作电极W1的制备： 制备步骤同实施例1中W1的制备步骤，不同之处为金纳米棒的长度为30 nm，电解液中 鲁米诺的浓度为5 mmol/L，硫酸浓度为0.5 mol/L，循环伏安法进行电化学沉积时，循环25 圈。
[0014] (2)光电化学工作电极W2的制备： 1) W口0导电玻璃为工作电极，在电极表面滴涂10 μL rGO/Ti〇2,室溫下惊干； 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 溫； 3) 将2)中得到的工作电极表面滴涂10 μL Hemin，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; 其余同实施例1中W2的制备步骤。
[0015] (3)双功能无酶过氧化氨光电化学传感器的制备方法： 制备步骤同实施例1，不同之处为W1与W2间距为1.0 cm,在电解池中加入的化0H溶液的 抑值为12。
[0016] 实施例3 -种双功能无酶过氧化氨光电化学传感器，具体的制备步骤为： (1)电化学发光工作电极W1的制备： 制备步骤同实施例1中W1的制备步骤，不同之处为金纳米棒的长度为40 nm，电解液中 鲁米诺的浓度为10 mmol/L，硫酸浓度为1.0 mol/L，循环伏安法进行电化学沉积时，循环30 圈。
[0017] (2)光电化学工作电极W2的制备： 1) W口0导电玻璃为工作电极，在电极表面滴涂12 μL rGO/Ti〇2,室溫下惊干； 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 溫； 3)将2)中得到的工作电极表面滴涂12 μL Hemin，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; 其余同实施例1中W2的制备步骤。
[0018] (3)双功能无酶过氧化氨光电化学传感器的制备方法： 制备步骤同实施例1，不同之处为W1与W2间距为1.5 cm,在电解池中加入的化0H溶液的 抑值为13。
[0019] 实施例4 一种双功能无酶过氧化氨光电化学传感器的应用 实施例1制备的一种双功能无酶过氧化氨光电化学传感器应用于过氧化氨的检测，其 检测步骤为： (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 V，阶跃时间为10 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0 V; (2) 在电解池中加入不同浓度的过氧化氨标准溶液，W2上的电流会随着过氧化氨浓度 的增大而相应增大，根据所得电流增大值与过氧化氨浓度之间的关系，绘制工作曲线； (3) 将待测过氧化氨溶液代替过氧化氨的标准溶液，按照（1)和(2)所述的过氧化氨检 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氨溶液的 浓度。
[0020] 实施例5 -种双功能无酶过氧化氨光电化学传感器的应用 实施例2制备的一种双功能无酶过氧化氨光电化学传感器应用于过氧化氨的检测，其 检测步骤为： (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0.8 V，阶跃时间为20 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0.3 V; (2) 和(3)同实施例4。
[0021 ]实施例6 -种双功能无酶过氧化氨光电化学传感器的应用 实施例3制备的一种双功能无酶过氧化氨光电化学传感器应用于过氧化氨的检测，其 检测步骤为： (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0.9 V，阶跃时间为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0.6 V; (2) 和(3)同实施例4。
[0022] 实施例7实施例1-3所制备的双功能无酶过氧化氨光电化学传感器，应用于过氧 化氨的检测，具有优良的检测效果，检测限为25 pmol/L。
[0023] 实施例8人血清中过氧化氨的检测 准确移取人血清样品，加入一定摩尔浓度的过氧化氨标准溶液，W未加入过氧化氨的 人血清为空白，进行加标回收实验，按照实施例4~6的步骤进行检测，测定样品中过氧化氨 的回收率，检测结果见表1。
[0024] 表1人血清中过氧化氨的检测结果
表1检测结果可知，结果的相对标准偏差(RSD)不大于3.3 %，回收率为94~106%，表明 本发明可用于人血清中过氧化氨的检测，方法的灵敏度高、特异性强，结果准确可靠。
【主权项】
1. 一种双功能无酶过氧化氢光电化学传感器的制备方法，其特征在于，采用金纳米棒 溶胶Au NRs和电聚合鲁米诺共同修饰的ITO导电玻璃作为电致化学发光工作电极W1，还原 石墨稀负载二氧化钛纳米片溶胶rGO/Ti〇2和氯化血红素 Hemin溶液共同修饰的ITO导电玻 璃作为光电化学工作电极W2，Ag/AgCl电极作为参比电极RE、铂丝电极作为对电极CE，将四 个电极共同插入同一电解池中组成四电极系统，将制得的四电极系统置于暗盒中，即制得 双功能无酶过氧化氢光电化学传感器。2. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的金纳米棒溶胶Au NRs为金纳米 棒的水溶液，所述金纳米棒是棒状金纳米粒子，长度为20~40 nm。3. 根据权利要求1所述的双功能无酶过氧化氢光电化学传感器的制备方法，其特征在 于，所述的还原石墨稀负载二氧化钛纳米片溶胶rGO/Ti〇2为还原石墨稀负载二氧化钛纳米 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。4. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，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。5. 根据权利要求1所述的制备方法制备的过氧化氢光电化学传感器，其特征在于，所述 的过氧化氢光电化学传感器应用于过氧化氢检测的步骤为: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0~0.6 v;在电解池中 加入待测过氧化氢溶液，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 流增大值得出待测过氧化氢溶液浓度。
【文档编号】G01N21/76GK105823773SQ201610148504
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月16日
【发明人】张勇, 范大伟, 王雪萍, 李燕, 魏琴
【申请人】济南大学