《武汉工程大学学报》 2013年08期
7-12
出版日期：2013-08-31
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
电纺聚乙烯醇纳米纤维膜无酶过氧化氢传感器的制备
0引言随着纳米材料科技的迅速发展，利用一些简单易操作的手段获得微观形貌可控的纳米材料成为各个领域研究的热点，静电纺丝法因能够连续生产直径在亚微米级甚至纳米级的高聚物纤维近年来受到越来越多的关注和重视\[12\].利用这种方法制得的纳米纤维膜具有原料来源多，易操作，纤维形貌较容易控制，能广泛应用于各行各业等优点.静电纺丝的实验装置\[35\]简单易操作，主要由高压直流电源，带有细小喷丝嘴的样品管和接地的接收装置三个部分组成，在静电纺丝过程中，在待纺溶液的表面张力和高压电源产生的电场的静电斥力的相互作用下形成喷射细流，接通高压电源后，喷射口液滴所受电场力与液体表面张力相等，喷丝口处形成“Taylor圆锥”，电压再增加到一定程度，溶液便会克服液体表面张力以纤维的状态喷出，在喷射的过程中，伴随着溶剂的快速挥发，干燥的纳米纤维膜就落在了接收装置上（见图1）.图1静电纺丝装置示意图Fig.1Schematic diagram of equipment ofelectrostatic spinning technology利用静电纺丝法制备化学修饰电极是一个很有发展潜力的研究领域，电纺纳米纤维修饰电极相比传统的共价键合法、滴涂法、旋涂法和电化学聚合法等具有更大的比表面积、更好的多孔疏松结构和更强的吸附能力.这些特性可以使待测物质更好更加高效的进行电子传递.静电纺丝技术问世以来已经有很多种聚合物被制成超细纤维，聚环氧乙烷，聚乙烯醇\[6\]，聚酰胺\[7\]，聚酯\[89\]等都被证实有很好的电纺效果，聚苯胺\[1013\]，聚乙炔，聚吡咯\[14\]，聚噻吩等导电高聚物也通过共混聚合物电纺的方法制得理想的微观形貌.聚乙烯醇是一种具有良好的化学和热力学稳定性的水溶性聚合物，呈纤性能较好，是一种良好的静电纺丝材料，而且聚乙烯醇纳米纤维膜具有韧性、强度较好\[1516\]的优点，由于它无毒和良好的生物相容性，因此可以用于生物酶传感器的制备\[1719\].本研究是利用静电纺丝法在电极表面纺上一层物质制得比表面积大，空隙率高，空洞连通性好的纳米纤维膜，并以此为基础建立灵敏度高、线性范围宽的生物化学传感器.过氧化氢不仅是工业生产、临床医学和环境科学等方面的重要物质，还是一些高选择性氧化酶反应的副产物，同时也是工业分析中一种常用的中间体，因此实现对过氧化氢的高灵敏低浓度的检测有着非常重要的实际意义.与化学发光、荧光、滴定法和光谱法相比，电化学方法因具有灵敏、简单、快速等优点而受到广泛的关注.迄今为止，利用静电纺丝的方法将聚乙烯醇修饰到裸铂电极表面，构建过氧化氢传感器的研究未见报道，结果发现修饰电极在一定条件下催化还原过氧化氢，该测定方法灵敏度高，检出限低，稳定性好，电极使用寿命长，有很好的应用价值.第8期万其进，等：电纺聚乙烯醇纳米纤维膜无酶过氧化氢传感器的制备武汉工程大学学报第35卷1实验部分1.1仪器与试剂CHI760B电化学工作站（上海辰华仪器公司），电化学实验用三电极体系：修饰电极为工作电极，Pt丝电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极（本研究所有电位均相对参比电极而言），KQ250型超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）；Super NW超纯水系统（Heal Force Development Co.，Ltd）.聚乙烯醇(PVA)（分析纯，上海sigmaaldrich公司）；过氧化氢(H2O2)；磷酸氢二钠与磷酸二氢钠缓冲液（pH=7.4）；高纯氮气（武钢气体公司）；所用试剂均为分析纯，所有溶液均采用超纯水配制，实验在常温下进行.电化学行为表征前溶液均通氮除氧.过氧化物酶（CAT）.1.2修饰电极的制备首先将裸铂电极在98%（质量分数）H2SO4∶30%（质量分数）H2O2=3∶7的溶液中浸泡10 min，电极用超纯水冲洗干净后，用0.05 μmAl2O3粉末抛光成镜面，依次在乙醇溶液和超纯水中超声10 min，水冲洗后，在0.5 mol/L的硫酸溶液中，在-0.2~1.4 V的范围内连续循环伏安法扫描10圈，取出干燥备用.6%（质量分数）聚乙烯醇溶液的制备:称取3.2 gPVA溶到50 mL水中，在恒温加热搅拌器上恒温85 ℃搅拌2 h，溶液冷却放置备用.将6%（质量分数）PVA溶液放置于10 mL塑料注射器中，通过高压电源在注射器针头（9#）和接受板之间形成18 kV的高压，保持注射器针头和接收板之间间距12 cm，通过注射泵控制流速为0.6 mL/h.纺丝10 min后即可在电极上形成一层明显的白色纳米纤维膜.2结果与讨论2.1扫描电镜（SEM）图2为电纺PVA纳米纤维的SEM图，表明质量分数为6%PVA纳米纤维形成了层次分明的网状结构，其纤维直径约为200 nm.并且具有光滑的表面.聚合物都有其可纺的黏度范围，当聚乙烯醇的浓度增加到8%时，溶液的电纺性变差，在电纺过程中的聚合物液滴明显增加，电纺溶液难以转变为纤维.实验确定质量分数为6%PVA为电纺的最佳浓度：电压为18 kV，间距12 cm，注射速度0.6 mL/h.由图2可以说明已经成功制备了微观形貌良好的PVA纳米纤维膜修饰电极.图2PVA纳米纤维的扫描电镜图Fig.2The SEM of PVA nanofibers2.2不同电极在\[Fe(CN)6\]3-/4-溶液中的电化学响应用循环伏安法研究了在相同的条件下Pt（a）和PVA/Pt（b）电极在0.005 mol/L的\[Fe(CN)6\]3-/4-+0.1 mol/L KCl溶液中的电化学行为（如图3所示），比较曲线（a）和曲线(b)可知，裸电极和PVA/Pt修饰电极在\[Fe(CN)6\]3-/4-溶液中的峰电位差没有明显变化，说明修饰电极的可逆性很好.同时氧化还原峰电流明显增大，这说明电极表面成功的修饰上了一层PVA纳米纤维膜，同时也表明修饰电极相比裸铂电极有更大的有效表面积，纳米材料有效表面积越大，电催化性能越好，灵敏度越高.这意味着聚乙烯醇纳米纤维修饰电极相比裸电极具有更高的电子催化活性.图3Pt(a)和PVA/Pt(b)在0.005 mol/L\[Fe(CN)6\]3-/4-+0.1 mol/LKCl溶液中的循环伏安图Fig.3Cyclic voltammograms of Pt(a) and PVA/Pt(b) in 0.005 mol/L\[Fe(CN)6\]3-/4-+0.1 mol/L KCl solution at scan rate of 100 mV/s2.3电极的交流阻抗表征电化学交流阻抗能有效准确的表征修饰电极界面的电子传递特性，在交流阻抗图谱中，高频区的半圆部分代表了界面电子传输过程中的电子传递，在低频区的直线部分反映了扩散过程的电子传递.由图4可知，PVA修饰电极相对于裸电极，在高频地区出现一个直径相对较小的圆弧，表明了修饰电极具有比裸铂电极更小的阻抗，说明修饰电极这种层次分明的网状结构促进了电子的传递，\[Fe(CN)6\]3-/4-更容易到达电极表面发生反应，静电纺丝法制得的纳米纤维膜起到了增强电子传输的作用.这个结果与两种电极在\[Fe(CN)6\]3-/4-的循环伏安法中结论保持一致，这也从侧面证明聚乙烯醇纳米纤维膜修饰电极制备成功.图4Pt(a)和PVA/Pt(b)在0.005 mol/L\[Fe(CN)6\]3-/4-+0.1 mol/L KCl溶液中的交流阻抗图谱Fig.4Impendance plots of Pt(a) and PVA/Pt(b) in 0.005 mol/L \[Fe(CN)6\]3-/4-+0.1 mol/L KCl solution2.4修饰电极在不同底液中的循环伏安图图5所示是PVA/Pt电极分别在PBS底液（a）和含有7.8×10-5mol/L的H2O2的PBS溶液(b)，CAT/PVA/Pt电极在含有7.8×10-5 mol/L的H2O2的PBS溶液(c)中的循环伏安图，曲线b与曲线a相比，峰电位有一定的正移，还原峰电流明显增大，表明PVA/Pt电极对H2O2有很好的电催化还原作用.曲线c与曲线b相比，无酶过氧化氢传感器具有更大的响应电流和更好的电子传递能力.图5PVA/Pt在几种PBS中的循环伏安图Fig.5Cyclic voltammograms of PVA/Pt in PBS solutions注： (a)PBS（pH=7.4）；（b）含有7.8×10-5 mol/L H2O2的PBS（pH=7.4）底液；(c)CAT/PVA/Pt电极在含有7.8×10-5 mol/L的H2O2的PBS溶液.2.5H2O2的峰电流与扫描速度的关系在最佳实验条件下，将PVA/Pt修饰电极置于含有7.8×10-5 mol/L的H2O2的PBS溶液中，研究了H2O2在不同的扫速下的循环伏安行为，由图6可知，扫速在20～240 mV/s范围内，PVA/Pt修饰电极对H2O2响应的还原峰电流随着扫速的增大而规律性增大，峰电流与扫速呈现良好的线性关系，表明PVA/Pt电极对H2O2的氧化还原过程是受吸附控制的.图6PVA/Pt在7.8×10-5 mol/L的H2O2溶液中不同扫描速度的循环伏安图（A）及PVA/Pt在7.8×10-5 mol/L H2O2+PBS(pH=7.4)溶液中扫速与峰电流的线性关系图（B）Fig.6Cyclic voltammograms of PVA/Pt(b) in 7.8×10-5 mol/L H2O2 solution at different scan rate (A) and Linear ship between the scan rate and peak current while PVA/Pt in 7.8×10-5 mol/L H2O2+PBS(pH=7.4)solution （B）2.6不同电极对H2O2溶液的安培响应图7是Pt(a),PVA/Pt(b)和CAT/PVA/Pt(c)三支不同电极在0.2 mol/L PBS（pH=7.4）缓冲溶液中对H2O2的响应i\|t曲线图，由图可知，PVA/Pt修饰电极对H2O2的响应电流约是裸电极的3倍，电流有明显的增大，表明修饰电极对H2O2有更好的响应.曲线c与曲线b相比,加入相同浓度的H2O2，无酶过氧化氢传感器对H2O2响应电流的变化量更大，这也证明了聚乙烯醇纳米纤维修饰电极这种无酶过氧化氢传感器具有较好的电化学性能.图7Pt(a),PVA/Pt(b)和CAT/PVA/Pt(c)在0.2 mol/L PBS（pH=7.4）缓冲溶液中相同的时间间隔内连续滴加39 μM的H2O2I\|t曲线Fig.7The i\|t responses of Pt(a), PVA/Pt(b) and CAT/PVA/Pt(c) at -0.4 V with successive addition of 39 μmol H2O22.7实验最佳条件的选择2.7.1最佳pH的选择PVA/Pt修饰电极在不同pH值（6.6~7.8）PBS缓冲溶液中对浓度为0.039 mol/L的H2O2利用电流时间曲线进行电化学行为表征，电位均设定在-0.4 V.将修饰电极对H2O2的响应电流对pH做图，如图8所示，由图可知，pH在6.6~7.4范围内，加入相同浓度的H2O2电流的变化量越来越大，当pH=7.4时响应电流到最大，当超过7.4时电流的变化量又开始逐渐减小，所以本实验选择测定底液的pH为7.4的PBS.图8不同pH(6.6~7.8)中0.039 mol/L H2O2的还原电流与pH的折线图Fig.8reduction current of 0.039 mol/L H2O2 in the solutions at different pH(6.6~7.8)2.7.2最佳还原电位的选择图9所示为PVA/Pt修饰电极在-0.2~-0.5 V电位范围内的电流时间曲线图，由图可知随着电位的负移，加入相同浓度的H2O2，电流的变化量越来越大.对比曲线c与曲线d发现，虽然d的电流变化量相对大一些，但是曲线c的噪声远远小于曲线d，在此电位下，PVA/Pt修饰电极对H2O2的灵敏度较高，稳定性较高，检测限较低.所以在本实验中选择-0.4 V为最佳还原电位.图9PVA/Pt修饰电极在不同还原电位下对H2O2的电流时间曲线图Fig.9The i\|t responses of PVA/Pt at different potential with successive addition of 39 μmol H2O2注：-0.2V(a)，-0.3V(b)，-0.4V(c)，-0.5V(d).2.8线性范围和检出限图10是PVA/Pt修饰电极对不同浓度H2O2响应的浓度曲线图，由图可知，在7.8×10-6~2.9×10-3 mol/L浓度范围内还原电流与过氧化氢的浓度呈良好的线性关系，线性回归方程图10在最佳实验条件下PVA/Pt修饰电极对H2O2的电流时间曲线图（A）和还原电流与H2O2浓度的线性关图（B）Fig.10The i\|t responses of PVA/Pt at -0.4 V with successive addition of different levels of H2O2（A） and linearship between the concentration of H2O2 and the reduction current （B）i(μA)=-32.44c-7.963.检测限为1.1×10-6mol/L，可以将其用于小分子H2O2的定量分析.2.9稳定性和重现性用PVA/Pt修饰电极平行测10次0.039 mol/L H2O2，连续滴加相同量的H2O2，电流的变化量基本稳定，其相对标准偏差控制在5%以内,由此可以说明该修饰电极的重现性很好，同时还将新制备的修饰电极真空放置15 d后测定同一浓度的H2O2，在连续滴加的过程中，其电流变化量无明显变化，表明聚乙烯醇修饰电极具有较好的稳定性.良好的稳定性和较好的重现性表明该修饰电极可以作为有效测定H2O2的化学生物传感器使用.3结语本研究以裸铂电极为基体电极，运用静电纺丝的方法，制备得到PVA/Pt修饰电极，相比传统的滴涂，浸泡，电聚合等方法，静电纺丝法制备得到的PVA/Pt电极灵敏度更高，稳定性更好.本实验旨在为制备更好的化学生物传感器打好基础，鉴于PVA/Pt比裸Pt电极有更小的阻抗，更好的电流响应，更高的灵敏度和更好的稳定性，在聚乙烯醇修饰电极的基础上进行进一步的修饰，这在生物传感器的制备及应用上可能会有更好的发展前景.致谢感谢国家自然科学基金委员会和武汉工程大学研究生处对本研究的资助和支持.