電紡聚乙烯醇納米纖維膜無酶過氧化氫傳感器的制備

萬其進(jìn), 尚艷利，汪召豪，崔 晗，楊年俊

(武漢工程大學(xué)綠色化工過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北省新型反應(yīng)器與綠色化學(xué)工藝重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074)

0 引 言

隨著納米材料科技的迅速發(fā)展，利用一些簡單易操作的手段獲得微觀形貌可控的納米材料成為各個領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，靜電紡絲法因能夠連續(xù)生產(chǎn)直徑在亞微米級甚至納米級的高聚物纖維近年來受到越來越多的關(guān)注和重視[1-2].利用這種方法制得的納米纖維膜具有原料來源多，易操作，纖維形貌較容易控制，能廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)等優(yōu)點(diǎn).

靜電紡絲的實(shí)驗(yàn)裝置[3-5]簡單易操作，主要由高壓直流電源，帶有細(xì)小噴絲嘴的樣品管和接地的接收裝置三個部分組成，在靜電紡絲過程中，在待紡溶液的表面張力和高壓電源產(chǎn)生的電場的靜電斥力的相互作用下形成噴射細(xì)流，接通高壓電源后，噴射口液滴所受電場力與液體表面張力相等，噴絲口處形成“Taylor圓錐”，電壓再增加到一定程度，溶液便會克服液體表面張力以纖維的狀態(tài)噴出，在噴射的過程中，伴隨著溶劑的快速揮發(fā)，干燥的納米纖維膜就落在了接收裝置上(見圖1).

圖1 靜電紡絲裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of equipment of electrostatic spinning technology

利用靜電紡絲法制備化學(xué)修飾電極是一個很有發(fā)展?jié)摿Φ难芯款I(lǐng)域，電紡納米纖維修飾電極相比傳統(tǒng)的共價鍵合法、滴涂法、旋涂法和電化學(xué)聚合法等具有更大的比表面積、更好的多孔疏松結(jié)構(gòu)和更強(qiáng)的吸附能力.這些特性可以使待測物質(zhì)更好更加高效的進(jìn)行電子傳遞.靜電紡絲技術(shù)問世以來已經(jīng)有很多種聚合物被制成超細(xì)纖維，聚環(huán)氧乙烷，聚乙烯醇[6]，聚酰胺[7]，聚酯[8-9]等都被證實(shí)有很好的電紡效果，聚苯胺[10-13]，聚乙炔，聚吡咯[14]，聚噻吩等導(dǎo)電高聚物也通過共混聚合物電紡的方法制得理想的微觀形貌.

聚乙烯醇是一種具有良好的化學(xué)和熱力學(xué)穩(wěn)定性的水溶性聚合物，呈纖性能較好，是一種良好的靜電紡絲材料，而且聚乙烯醇納米纖維膜具有韌性、強(qiáng)度較好[15-16]的優(yōu)點(diǎn)，由于它無毒和良好的生物相容性，因此可以用于生物酶傳感器的制備[17-19].本研究是利用靜電紡絲法在電極表面紡上一層物質(zhì)制得比表面積大，空隙率高，空洞連通性好的納米纖維膜，并以此為基礎(chǔ)建立靈敏度高、線性范圍寬的生物化學(xué)傳感器.

過氧化氫不僅是工業(yè)生產(chǎn)、臨床醫(yī)學(xué)和環(huán)境科學(xué)等方面的重要物質(zhì)，還是一些高選擇性氧化酶反應(yīng)的副產(chǎn)物，同時也是工業(yè)分析中一種常用的中間體，因此實(shí)現(xiàn)對過氧化氫的高靈敏低濃度的檢測有著非常重要的實(shí)際意義.與化學(xué)發(fā)光、熒光、滴定法和光譜法相比，電化學(xué)方法因具有靈敏、簡單、快速等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛的關(guān)注.迄今為止，利用靜電紡絲的方法將聚乙烯醇修飾到裸鉑電極表面，構(gòu)建過氧化氫傳感器的研究未見報道，結(jié)果發(fā)現(xiàn)修飾電極在一定條件下催化還原過氧化氫，該測定方法靈敏度高，檢出限低，穩(wěn)定性好，電極使用壽命長，有很好的應(yīng)用價值.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

CHI760B電化學(xué)工作站(上海辰華儀器公司)，電化學(xué)實(shí)驗(yàn)用三電極體系：修飾電極為工作電極，Pt絲電極為對電極，飽和甘汞電極為參比電極(本研究所有電位均相對參比電極而言)，KQ250型超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)；Super NW超純水系統(tǒng)(Heal Force Development Co.，Ltd).

聚乙烯醇(PVA)(分析純，上海sigma-aldrich公司)；過氧化氫(H2O2)；磷酸氫二鈉與磷酸二氫鈉緩沖液(pH=7.4)；高純氮?dú)?武鋼氣體公司)；所用試劑均為分析純，所有溶液均采用超純水配制，實(shí)驗(yàn)在常溫下進(jìn)行.電化學(xué)行為表征前溶液均通氮除氧.過氧化物酶(CAT).

1.2 修飾電極的制備

首先將裸鉑電極在98%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))H2SO4∶30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))H2O2=3∶7的溶液中浸泡10 min，電極用超純水沖洗干凈后，用0.05 μmAl2O3粉末拋光成鏡面，依次在乙醇溶液和超純水中超聲10 min，水沖洗后，在0.5 mol/L的硫酸溶液中，在-0.2～1.4 V的范圍內(nèi)連續(xù)循環(huán)伏安法掃描10圈，取出干燥備用.

6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))聚乙烯醇溶液的制備:稱取3.2 gPVA溶到50 mL水中，在恒溫加熱攪拌器上恒溫85 ℃攪拌2 h，溶液冷卻放置備用.

將6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))PVA溶液放置于10 mL塑料注射器中，通過高壓電源在注射器針頭(9#)和接受板之間形成18 kV的高壓，保持注射器針頭和接收板之間間距12 cm，通過注射泵控制流速為0.6 mL/h.紡絲10 min后即可在電極上形成一層明顯的白色納米纖維膜.

2 結(jié)果與討論

2.1 掃描電鏡(SEM)

圖2為電紡PVA納米纖維的SEM圖，表明質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%PVA納米纖維形成了層次分明的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其纖維直徑約為200 nm.并且具有光滑的表面.聚合物都有其可紡的黏度范圍，當(dāng)聚乙烯醇的濃度增加到8%時，溶液的電紡性變差，在電紡過程中的聚合物液滴明顯增加，電紡溶液難以轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維.實(shí)驗(yàn)確定質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%PVA為電紡的最佳濃度：電壓為18 kV，間距12 cm，注射速度0.6 mL/h.由圖2可以說明已經(jīng)成功制備了微觀形貌良好的PVA納米纖維膜修飾電極.

圖2 PVA納米纖維的掃描電鏡圖Fig.2 The SEM of PVA nanofibers

2.2 不同電極在[Fe(CN)6]3-/4-溶液中的電化學(xué)響應(yīng)

用循環(huán)伏安法研究了在相同的條件下Pt(a)和PVA/Pt(b)電極在0.005 mol/L的[Fe(CN)6]3-/4-+0.1 mol/L KCl溶液中的電化學(xué)行為(如圖3所示)，比較曲線(a)和曲線(b)可知，裸電極和PVA/Pt修飾電極在[Fe(CN)6]3-/4-溶液中的峰電位差沒有明顯變化，說明修飾電極的可逆性很好.同時氧化還原峰電流明顯增大，這說明電極表面成功的修飾上了一層PVA納米纖維膜，同時也表明修飾電極相比裸鉑電極有更大的有效表面積，納米材料有效表面積越大，電催化性能越好，靈敏度越高.這意味著聚乙烯醇納米纖維修飾電極相比裸電極具有更高的電子催化活性.

圖3 Pt(a)和PVA/Pt(b)在0.005 mol/L[Fe(CN)6]3-/4-+0.1 mol/LKCl溶液中的循環(huán)伏安圖Fig.3 Cyclic 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/s

2.3 電極的交流阻抗表征

電化學(xué)交流阻抗能有效準(zhǔn)確的表征修飾電極界面的電子傳遞特性，在交流阻抗圖譜中，高頻區(qū)的半圓部分代表了界面電子傳輸過程中的電子傳遞，在低頻區(qū)的直線部分反映了擴(kuò)散過程的電子傳遞.由圖4可知，PVA修飾電極相對于裸電極，在高頻地區(qū)出現(xiàn)一個直徑相對較小的圓弧，表明了修飾電極具有比裸鉑電極更小的阻抗，說明修飾電極這種層次分明的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)促進(jìn)了電子的傳遞，[Fe(CN)6]3-/4-更容易到達(dá)電極表面發(fā)生反應(yīng)，靜電紡絲法制得的納米纖維膜起到了增強(qiáng)電子傳輸?shù)淖饔?這個結(jié)果與兩種電極在[Fe(CN)6]3-/4-的循環(huán)伏安法中結(jié)論保持一致，這也從側(cè)面證明聚乙烯醇納米纖維膜修飾電極制備成功.

圖4 Pt(a)和PVA/Pt(b)在0.005 mol/L[Fe(CN)6]3-/4-+0.1 mol/L KCl溶液中的交流阻抗圖譜Fig.4 Impendance plots of Pt(a) and PVA/Pt(b) in 0.005 mol/L [Fe(CN)6]3-/4-+0.1 mol/L KCl solution

2.4 修飾電極在不同底液中的循環(huán)伏安圖

圖5所示是PVA/Pt電極分別在PBS底液(a)和含有7.8×10-5mol/L的H2O2的PBS溶液(b)，CAT/PVA/Pt電極在含有7.8×10-5mol/L的H2O2的PBS溶液(c)中的循環(huán)伏安圖，曲線b與曲線a相比，峰電位有一定的正移，還原峰電流明顯增大，表明PVA/Pt電極對H2O2有很好的電催化還原作用.曲線c與曲線b相比，無酶過氧化氫傳感器具有更大的響應(yīng)電流和更好的電子傳遞能力.

圖5 PVA/Pt在幾種PBS中的循環(huán)伏安圖Fig.5 Cyclic 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電極在含有7.8×10-5 mol/L的H2O2的PBS溶液.

2.5 H2O2的峰電流與掃描速度的關(guān)系

在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，將PVA/Pt修飾電極置于含有7.8×10-5mol/L的H2O2的PBS溶液中，研究了H2O2在不同的掃速下的循環(huán)伏安行為，由圖6可知，掃速在20～240 mV/s范圍內(nèi)，PVA/Pt修飾電極對H2O2響應(yīng)的還原峰電流隨著掃速的增大而規(guī)律性增大，峰電流與掃速呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，表明PVA/Pt電極對H2O2的氧化還原過程是受吸附控制的.

圖6 PVA/Pt在7.8×10-5 mol/L的H2O2溶液中不同掃描速度的循環(huán)伏安圖(A)及PVA/Pt在7.8×10-5 mol/L H2O2+PBS(pH=7.4)溶液中掃速與峰電流的線性關(guān)系圖(B)Fig.6 Cyclic 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 不同電極對H2O2溶液的安培響應(yīng)

圖7是Pt(a),PVA/Pt(b)和CAT/PVA/Pt(c)三支不同電極在0.2 mol/L PBS(pH=7.4)緩沖溶液中對H2O2的響應(yīng)i-t曲線圖，由圖可知，PVA/Pt修飾電極對H2O2的響應(yīng)電流約是裸電極的3倍，電流有明顯的增大，表明修飾電極對H2O2有更好的響應(yīng).曲線c與曲線b相比,加入相同濃度的H2O2，無酶過氧化氫傳感器對H2O2響應(yīng)電流的變化量更大，這也證明了聚乙烯醇納米纖維修飾電極這種無酶過氧化氫傳感器具有較好的電化學(xué)性能.

圖7 Pt(a),PVA/Pt(b)和CAT/PVA/Pt(c)在0.2 mol/L PBS(pH=7.4)緩沖溶液中相同的時間間隔內(nèi)連續(xù)滴加39 μM的H2O2I-t曲線Fig.7 The i-t responses of Pt(a), PVA/Pt(b) and CAT/PVA/Pt(c) at -0.4 V with successive addition of 39 μmol H2O2

2.7 實(shí)驗(yàn)最佳條件的選擇

2.7.1 最佳pH的選擇 PVA/Pt修飾電極在不同pH值(6.6～7.8)PBS緩沖溶液中對濃度為0.039 mol/L的H2O2利用電流時間曲線進(jìn)行電化學(xué)行為表征，電位均設(shè)定在-0.4 V.將修飾電極對H2O2的響應(yīng)電流對pH做圖，如圖8所示，由圖可知，pH在6.6～7.4范圍內(nèi)，加入相同濃度的H2O2電流的變化量越來越大，當(dāng)pH=7.4時響應(yīng)電流到最大，當(dāng)超過7.4時電流的變化量又開始逐漸減小，所以本實(shí)驗(yàn)選擇測定底液的pH為7.4的PBS.

圖8 不同pH(6.6～7.8)中0.039 mol/L H2O2的還原電流與pH的折線圖Fig.8 reduction current of 0.039 mol/L H2O2 in the solutions at different pH(6.6～7.8)

2.7.2 最佳還原電位的選擇 圖9所示為PVA/Pt修飾電極在-0.2～-0.5 V電位范圍內(nèi)的電流時間曲線圖，由圖可知隨著電位的負(fù)移，加入相同濃度的H2O2，電流的變化量越來越大.對比曲線c與曲線d發(fā)現(xiàn)，雖然d的電流變化量相對大一些，但是曲線c的噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于曲線d，在此電位下，PVA/Pt修飾電極對H2O2的靈敏度較高，穩(wěn)定性較高，檢測限較低.所以在本實(shí)驗(yàn)中選擇-0.4 V為最佳還原電位.

圖9 PVA/Pt修飾電極在不同還原電位下對H2O2的電流時間曲線圖Fig.9 The 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 線性范圍和檢出限

圖10是PVA/Pt修飾電極對不同濃度H2O2響應(yīng)的濃度曲線圖，由圖可知，在7.8×10-6～2.9×10-3mol/L濃度范圍內(nèi)還原電流與過氧化氫的濃度呈良好的線性關(guān)系，線性回歸方程i(μA)=-32.44c-7.963.檢測限為1.1×10-6mol/L，可以將其用于小分子H2O2的定量分析.

圖10 在最佳實(shí)驗(yàn)條件下PVA/Pt修飾電極對H2O2的電流時間曲線圖(A)和還原電流與H2O2濃度的線性關(guān)圖(B)Fig.10 The 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)

2.9 穩(wěn)定性和重現(xiàn)性

用PVA/Pt修飾電極平行測10次0.039 mol/L H2O2，連續(xù)滴加相同量的H2O2，電流的變化量基本穩(wěn)定，其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差控制在5%以內(nèi),由此可以說明該修飾電極的重現(xiàn)性很好，同時還將新制備的修飾電極真空放置15 d后測定同一濃度的H2O2，在連續(xù)滴加的過程中，其電流變化量無明顯變化，表明聚乙烯醇修飾電極具有較好的穩(wěn)定性.良好的穩(wěn)定性和較好的重現(xiàn)性表明該修飾電極可以作為有效測定H2O2的化學(xué)生物傳感器使用.

3 結(jié) 語

本研究以裸鉑電極為基體電極，運(yùn)用靜電紡絲的方法，制備得到PVA/Pt修飾電極，相比傳統(tǒng)的滴涂，浸泡，電聚合等方法，靜電紡絲法制備得到的PVA/Pt電極靈敏度更高，穩(wěn)定性更好.

本實(shí)驗(yàn)旨在為制備更好的化學(xué)生物傳感器打好基礎(chǔ)，鑒于PVA/Pt比裸Pt電極有更小的阻抗，更好的電流響應(yīng)，更高的靈敏度和更好的穩(wěn)定性，在聚乙烯醇修飾電極的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的修飾，這在生物傳感器的制備及應(yīng)用上可能會有更好的發(fā)展前景.

致謝

感謝國家自然科學(xué)基金委員會和武漢工程大學(xué)研究生處對本研究的資助和支持.

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