自組裝L—半胱氨酸修飾金電極檢測(cè)對(duì)硝基苯酚

連歡+張翠忠+張貞發(fā)+彭金云

【摘 要】制備了L-半胱氨酸自組裝膜修飾的金電極，利用循環(huán)伏安法和差示脈沖伏安法研究了對(duì)硝基苯酚在該L-半胱氨酸自組裝膜上的電化學(xué)行為，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：相比于裸金電極，硝基苯酚在L-半胱氨酸自組裝膜修飾的金電極上具有更高的電化學(xué)響應(yīng)信號(hào)，這是由于L-半胱氨酸和對(duì)硝基苯酚之間存在氫鍵的作用，使得對(duì)硝基苯酚更容易聚集在電極表面。在最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下，該修飾電極在對(duì)硝基苯酚0～12.5μmol·L-1濃度范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系，檢出限為0.0295μmol·L-1（信噪比為3）；加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)的回收率在95.51%至102.72%之間。

【關(guān)鍵詞】L-半胱氨酸；自組裝；對(duì)硝基苯酚；電催化

近幾年來(lái)，通過(guò)物理修飾或者化學(xué)修飾的導(dǎo)電聚合膜或自組裝膜被廣泛應(yīng)用于電化學(xué)傳感領(lǐng)域[1-5]。自組裝法利用分子間較弱的相互作用力，如疏水作用、氫鍵作用、堆積效應(yīng)、靜電作用、配位作用等，使得小的結(jié)構(gòu)單元自發(fā)聚集成較大的組裝體[6]。L-半胱氨酸中的S作為電子給體能夠與金電極表面的Au配位形成S-Au鍵，從而通過(guò)S-Au鍵之間的強(qiáng)烈的相互作用，形成穩(wěn)定的L-半胱氨酸自組裝膜修飾金電極（L-Cys/Au）。本文利用L-半胱氨酸自組裝修飾金電極研究了對(duì)硝基苯酚的電化學(xué)行為，并進(jìn)行相關(guān)的分析檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果良好。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與實(shí)驗(yàn)儀器

L-半胱氨酸（L-Cys）（分析純，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所），對(duì)硝基苯酚（分析純，廣東光華科技股份有限公司），亞鐵氰化鉀、鐵氰化鉀（分析純，天津市廣成化學(xué)試劑有限公司）。

CHI620E電化學(xué)工作站（上海辰華儀器公司），三電極系統(tǒng)為L(zhǎng)-半胱氨酸自組裝修飾金電極（L-Cys/Au）、金電極（Au）作工作電極，飽和甘汞電極作參比電極，鉑柱電極作對(duì)電極。

1.2 修飾電極（L-Cys/Au）的制備

（1）配制濃度為20mmol·L-1的L-半胱氨酸修飾液。

（2）將金電極（AuE，直徑2mm），分別用0.3μm和0.05μm的三氧化二鋁在麂皮上仔細(xì)打磨拋光，并用二次水超聲洗干凈后，氮?dú)獯蹈蓚溆谩?/p>

（3）將上述打磨好的金電極迅速浸泡在配置好的L-半胱氨酸修飾液中，浸泡液中不允許出現(xiàn)氣泡，以免L-半胱氨酸氧化，一定時(shí)間后，將金電極取出，用二次蒸餾水沖洗干凈，氮?dú)獯蹈珊髠溆谩?/p>

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

采用三電極測(cè)量體系，以金電極和L-Cys/Au修飾電極為工作電極，SCE為參比電極，鉑柱電極為輔助電極，支持電解質(zhì)溶液為0.1mol·L-1PBS，采用循環(huán)伏安法（CV），差示脈沖伏安法（DPV）進(jìn)行測(cè)試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 各電極在鐵氰化鉀中的電化學(xué)表征

如圖1（A）是不同自組裝時(shí)間的L-Cys/Au修飾電極的在鐵氰化鉀/亞鐵氰化鉀溶液中的循環(huán)伏安圖（掃速為100mV·s-1）。圖中的曲線a、b、c、d分別表示分別是金電極在20mmol·LL-半胱氨酸中溶液中自組裝0、30、60和90min的修飾電極的循環(huán)伏安行為曲線。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著自組裝時(shí)間的增加，氧化還原峰響應(yīng)電流增大后又逐漸減小，這是由于L-半胱氨酸在金電極表面上自組裝時(shí)間決定了組裝膜的厚度[7]，自組裝時(shí)間越長(zhǎng)，分子膜越致密，以至阻礙了探針分子在電極表面的電子轉(zhuǎn)移，從而降低了探針分子在電極表面的電子轉(zhuǎn)移速率，使氧化還原峰電流降低。

圖1（B）中的曲線a是裸金電極的循環(huán)伏安曲線。曲線b是自組裝30min的修飾電極的循環(huán)伏安行為曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與裸金電極相比，鐵氰化鉀探針分子在L-Cys/Au電極上的氧化還原峰電流明顯增強(qiáng)。結(jié)果表明與裸金電極相比，自組裝30min的L-Cys/Au電極能有效的增加[Fe（CN）6]3-/4-在電極表面的電子轉(zhuǎn)移速率。

（A）不同自組裝時(shí)間的裸金電極與L-Cys/Au電極在2mM[Fe（CN）6]3-/4-中循環(huán)伏安圖；（B）裸金電極與L-Cys/Au電極在2mmol·L-1[Fe（CN）6]3-/4-中的循環(huán)伏安圖

2.2 Au與L-Cys/Au電極的循環(huán)伏安（CV）行為

圖2 裸金電極（a）和L-Cys/Au電極（b）在0.2mM對(duì)硝基苯酚溶液（pH=7.0）中的循環(huán)伏安行為

圖2為裸金電極（曲線a）和L-Cys/Au電極（曲線b）在0.2mmol·L-1對(duì)硝基苯酚溶液（pH=7.0）中的電化學(xué)響應(yīng)。與裸金電極相比， L-Cys/Au在對(duì)硝基苯酚中表現(xiàn)出比較大的峰電流，電化學(xué)信號(hào)增強(qiáng)。這表明L-Cys組裝膜能有效地增強(qiáng)金電極對(duì)對(duì)硝基苯酚的催化作用，提高對(duì)硝基苯酚的檢測(cè)靈敏度。

2.3 條件優(yōu)化

為能充分發(fā)揮該傳感器在對(duì)硝基苯酚檢測(cè)中的優(yōu)異性能，本實(shí)驗(yàn)分別對(duì)自組裝時(shí)間，富集時(shí)間和富集電位進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)表明，用于對(duì)硝基苯酚檢測(cè)的修飾電極的最佳自組裝時(shí)間是50min，最佳富集電位為1.0V，最佳富集時(shí)間為6min。

2.4 pH值的影響

圖3（A）為自組裝50min的L-Cys/Au電極在不同pH的對(duì)硝基苯酚中的循環(huán)伏安響應(yīng)曲線，圖3（B）為不同的pH值與峰電流與峰電位的關(guān)系圖。由圖可知，隨著pH值的增大，其氧化峰電流呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，pH值為中性時(shí)有利于對(duì)硝基苯酚的檢測(cè)。氧化峰電位隨著pH值的增加，依次遞減，并且與pH值呈線性。線性方程為：Epa=1.2299-0.0554pH（Epa：V），相關(guān)系為R2=0.9993，斜率接近0.059V，這表明對(duì)硝基苯酚在該電極上是兩電子和兩質(zhì)子轉(zhuǎn)移的過(guò)程[8]。

（A）pH值的對(duì)硝基苯酚在L-Cys/Au上循環(huán)伏安行為的影響；

（B）氧化峰電流、峰電位與pH值的關(guān)系圖

2.5 掃速的影響

圖4（A）為不同掃速時(shí)L-Cys/Au電極在0.2M的對(duì)硝基苯酚中的循環(huán)伏安響應(yīng)曲線圖，圖4（B）是掃速平方根與還原氧化峰電流的線性關(guān)系圖，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)硝基苯酚氧化還原峰電流隨掃速的增加而增加并與掃描速度的二次方根形呈線性，由此可知，對(duì)硝基苯酚在L-Cys/Au電極上是受擴(kuò)散控制的過(guò)程。其中，氧化峰電流線性方程為Ipa=-12.2517+167.4093v （Ipa：μ A， v1/2：mV1/2·s-1/2），R2=0.993，還原峰電流線性方程為Ipc=10.7271-112.9080v（Ipc：μ A，v1/2：mV1/2·s-1/2），R2=0.991。

（A）掃描速度的優(yōu)化圖，從低到高（a到i）依次為10、30、50、70、90、110、130、150、170、190、210、230、250mV·s-1；（B）氧化還原峰電流與掃速平方根的線性關(guān)系圖

2.6 對(duì)硝基苯酚電分析方法及應(yīng)用

采用差分脈沖法對(duì)不同濃度的對(duì)硝基苯酚溶液進(jìn)行了測(cè)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示隨著濃度的增加，對(duì)硝基苯酚的峰電流依次增加，并且氧化峰電流與對(duì)硝基苯酚的濃度呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，線性方程為Ipa（μA）=1.2786c（μmol·L-1）-0.7582（R2=0.998），檢出限為0.0295μmol·L-1。

（A）不同濃度的對(duì)硝基苯酚溶液在 L-Cys/Au電極上的差分脈沖伏安行為。從a至g依次為0，0.5，4.75，8，8.75，11.55，12.5μM；（B）濃度與峰電流的線性關(guān)系圖

2.7 對(duì)硝基苯酚樣品檢測(cè)與回收實(shí)驗(yàn)

為了評(píng)估該傳感器的實(shí)際應(yīng)用性，本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)加入法，測(cè)定了對(duì)硝基苯酚環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)樣品的回收率，結(jié)果如表1所示，加標(biāo)回收率范圍95.51%～102.72%之間，標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于5%，這表明該傳感器可以應(yīng)用于實(shí)際樣品檢測(cè)。

3 結(jié)論

本論文通過(guò)自組裝的方法制備的L-半胱氨酸修飾的金電極，能有效促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移速率，增強(qiáng)電化學(xué)響應(yīng)信號(hào)，具有制備簡(jiǎn)易、操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、經(jīng)濟(jì)價(jià)廉，檢測(cè)靈敏度高，穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，可用于實(shí)際樣品的測(cè)定。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Amanda L. Eckermann， Daniel J. Feld， Justine A. Shaw， et al. Electrochemistry of redox-active self-assembled monolayers[J]. Coordination Chemistry Reviews，2010，1769-1802.

[2]Chen Wei， Ying Wang， Christian Brückner， et al. Poly[meso-tetrakis（2-thienyl）porphyrin] for the sensitive electrochemical detection of explosives[J]. Sensors and Actuators B： Chemical，2010，147（1）：191-197.

[3]Lu Xiao-Quan.，Quan Yan-Li，Xue Zhong-Hua， et al. Determination of explosives based on novel type of sensor using porphyrin functionalized carbon nanotubes[J]. Colloids Surf B Biointerfaces，2011，88（1）：396-401.

[4]Robert G. Bozic， Alan C.West， Rastislav Levicky. Squarewave voltammetric detection of 2，4，6-trinitrotoluene and 2，4-dinitrotoluene on a gold electrode modified with self-assembled monolayers[J]. Sensors and Actuators B： Chemical.2008，133（3）：509-515.

[5]Yang Ping， Hui Cai， Shan-tang Liu， et al. Electrochemical reduction of 2，4-dinitrophenol on nanocomposite electrodes modified with mesoporous silica and poly（vitamin B1） films[J]. Electrochimica Acta，2011，56（20）：7097-7103.

[6]王麗，李巍，劉東志，王麗昌，等.溶液自組裝法制備卟啉納米材料研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2013，32（9）：2160-2165.

[7]王亞珍，鄭武. L-半胱氨酸自組裝金電極測(cè)定鮮橙多中抗壞血酸的含量[J].化學(xué)傳感器，2008，28（3）：53-57.

[8]周耀渝，湯淋，李貞，等.有序介孔碳載金/L-賴氨酸/納米金修飾電極的制備及其對(duì)鄰苯二酚、對(duì)苯二酚的檢測(cè)相應(yīng)研究[J].環(huán)境科學(xué)，2013，34（3）：1211-1216.

[責(zé)任編輯：湯靜]