翟秀榮, 李永紅, 李繼森,岳呈陽, 雷曉武

(1．濟(jì)寧學(xué)院化學(xué)與化工系，山東 曲阜273155；2. 寧夏醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生與管理學(xué)院，寧夏 銀川750004)

NADH是目前已知300多種脫氫酶的輔酶[1]，在氧化還原反應(yīng)中可被氧化成NAD+，測定由脫氫酶催化反應(yīng)產(chǎn)生的NADH是發(fā)展底物專一性脫氫酶生物傳感器的基礎(chǔ)。NADH在傳統(tǒng)的裸電極如金、碳和鉑電極上的氧化是不可逆的[2-3]，需要較高氧化電位，易造成電極表面污染。因此，人們致力于研究新的電極材料和構(gòu)建方法去降低NADH的氧化過電位和減少電極表面的污染。一些碳材料如碳納米管[4]、有序介孔碳[5]和電子介體如酚噻嗪類染料[6]常用來降低NADH的氧化過電位，但是仍存在氧化能力不夠和修飾電極不穩(wěn)定等問題[7]。

碳材料如石墨烯[8]、碳納米管[9]和多孔碳[10]等廣泛用于電極材料。其中，多孔碳展現(xiàn)出優(yōu)越于其他碳材料的獨特性質(zhì)如好的熱和機械穩(wěn)定性、較高的導(dǎo)電性、較大比表面積和可調(diào)的孔徑等[11]。雜原子如N、B、P、S慘雜的多孔碳材料可以引入更多的缺陷點位，顯示出更優(yōu)異的電催化活性[12]。雜原子摻雜的多孔碳用于催化甲醇[13]、過氧化氫[14]和氧氣[15]的研究已被報道。然而，N, P, S共摻雜的多孔碳 (N, P, S@PC)應(yīng)用于電催化氧化NADH的研究還未見報道。

氧化還原介質(zhì)甲苯胺藍(lán)(TBO)通過簡單的自組裝方法修飾到N, P, S@PC表面，制備了一種新的電化學(xué)復(fù)合材料N, P, S@PC-TBO。N, P, S@PC既是TBO自組裝的載體又是NADH的催化劑。實驗結(jié)果表明，由于N, P, S@PC和TBO之間的協(xié)同效應(yīng)，N, P, S@PC-TBO修飾的玻碳(GC)電極具有較好的電催化NADH的性能。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

CHI 660C電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司，中國)用于所有的電化學(xué)測定。電化學(xué)實驗采用經(jīng)典的三電極體系：修飾的GC電極(直徑為3 mm)為工作電極，鉑絲電極為對電極，Ag/AgCl/KCl(3 mol/L)為參比電極。掃描電鏡圖(SEM)由JSM-6700F掃描儀(日本)獲得。X射線能量散射光譜(EDS)由由JEM-2100PLUS高分辨透射光譜儀(日本)獲得。所有電化學(xué)實驗均在室溫下進(jìn)行。

N, N′-二甲基甲酰胺(DMF)和NADH(還原型)均購自百靈威科技有限公司。TBO購自Sigma-Aldrich公司(美國)。濃度為1/15 mol/L pH為7.0的磷酸鹽緩沖溶液為支持電解質(zhì)。其它試劑均為分析純。所有用水均為二次蒸餾水。

1.2 N, P, S@PC的合成

根據(jù)文獻(xiàn)報道合成N, P, S@PC[16]。我們首先根據(jù)文獻(xiàn)報道方法制備金屬-有機框架化合物(MOF)[17]。然后，加入到含有三苯基磷(P源)、三氰二胺(N源)和二甲亞砜(S源)的甲醇溶液中，過濾后在900 ℃的N2氛圍下焙燒。最后，所得樣品分別用稀鹽酸和二次蒸餾水洗滌。

1.3 修飾電極的制備

修飾前，裸GC電極分別用0.3 μm和0.05 μm的Al2O3粉末在麂皮上拋光，然后依次在乙醇和二次蒸餾水中超聲清洗，并在N2下吹干。最后，裸GC電極在支持電解質(zhì)中，以50 mV/s的掃描速率，在-0.5-1.2 V電位之間進(jìn)行循環(huán)伏安掃描20圈。

將62 mg TBO溶于40 mL pH=4.0的Mcllvine緩沖溶液中可制取5 mmol/L的甲苯胺藍(lán)溶液。10 mg N, P, S@PC超聲2 h可均勻分散于10 mL DMF中，得1.0 mg/mL的N, P, S@PC懸浮液。取5 μL 1.0 mg/mL 的N, P, S@PC懸浮液滴于GC電極表面，紅外燈下干燥。然后將N, P, S@PC/GC電極置于5 mmol/L的TBO溶液中浸泡2 h自組裝TBO，得N, P, S@PC-TBO/GC電極。裸GC電極置于5 mmol/L的TBO溶液中浸泡2 h可得TBO/GC電極。所得的電極分別置放于支持電解質(zhì)中，以50 mV/s的掃描速率，在-0.6-0.6 V范圍內(nèi)掃描至循環(huán)伏安圖穩(wěn)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 N, P, S@PC和復(fù)合物N, P, S@PC-TBO表征

圖1(A)和(B)所示是N, P, S@PC和復(fù)合物N, P, S@PC-TBO的SEM。從圖1(A)可看出，N, P, S@PC材料具有幾百納米的多孔結(jié)構(gòu)。而孔道的存在有利于電解質(zhì)的傳輸和電子的轉(zhuǎn)移。然而，當(dāng)TBO自組裝到N, P, S@PC表面后，表面形貌發(fā)生了明顯的變化(圖1(B))。

為進(jìn)一步探究所得N, P, S@PC材料的元素組成，我們采用EDS對其進(jìn)行表征，如圖1(C)所示。從EDS圖上可清楚的看出，其所含有的元素分別為：C、N、P、S、O、Cu和Si，其中Cu和Si為制樣時銅網(wǎng)基底元素。

圖1 (A)N, P, S@PC的SEM；(B)N, P, S@PC-TBO的SEM；(C)N, P, S@PC的EDS Fig.1 (A) SEM of N, P, S@PC; (B) SEM of N, P, S@PC-TBO composite; (C) EDS of N, P, S@PC

2.2 N, P, S@PC-TBO/GC電極的電化學(xué)性質(zhì)

圖2所示為裸GC、TBO/GC、N, P, S@PC/GC和N, P, S@PC-TBO/GC電極在支持電解質(zhì)中的循環(huán)伏安圖。裸GC電極(曲線1)和N, P, S@PC/GC(曲線3)均未出現(xiàn)明顯的氧化還原峰。TBO/GC電極(曲線2)呈現(xiàn)了一對TBO的氧化還原峰[18]。N, P, S@PC-TBO/GC電極(曲線4)呈現(xiàn)出很明顯的TBO氧化還原峰，半波電位E1/2(由氧化峰電位和還原峰電位計算所得的中間電位)在-359 mV左右。N, P, S@PC-TBO/GC電極與其它三個電極相比較，展現(xiàn)出最高的背景電流。這可能是由以下兩大因素引起的：① N, P, S@PC 具有較高的比表面積。② N, P, S@PC和TBO具有協(xié)同的導(dǎo)電性能。

圖2 裸 GC(曲線1)，TBO/GC(曲線2)，N, P, S@PC/GC(曲線3)和N, P, S@PC-TBO/GC(曲線4)電極在支持電解質(zhì)中的循環(huán)伏安曲線，掃描速率：50 mV/sFig.2 Cyclic voltammograms for the bare GC (curve 1), TBO/GC (curve 2), N, P, S@PC/GC (curve 3) and N, S@PC-TBO/GC (curve 4) electrode at a scan rate of 50 mV/ s, in the supporting electrolyte

圖3(A)所示為N, P, S@PC-TBO/GC電極在不同電位掃描速率下的循環(huán)伏安圖。隨著掃描速率的增大，陽極和陰極峰的峰電位分別向正和負(fù)的方向移動，因此兩峰間的距離△Ep越來越大。掃描速率為30 mV/s時，△Ep為104 mV。掃描速率為210 mV/s時，△Ep為206 mV。這表明N, P, S@PC-TBO/GC電極的氧化與還原峰的峰電位與掃描速率有關(guān)。然而，半波電位E1/2的大小幾乎與掃描速率無關(guān)。當(dāng)掃描速率在30-210 mV/s的范圍內(nèi)時(圖3(B))，氧化峰和還原峰的峰電流均與掃描速率呈現(xiàn)直線關(guān)系，這說明N, P, S@PC-TBO修飾電極的氧化還原過程是一個快速的表面控制過程。

圖3 (A)：N, P, S@PC-TBO/GC電極在支持電解質(zhì)中，在不同掃描速率：30, 60, 90, 120, 150, 180 和 210 mV/ s下的循環(huán)伏安曲線。(B)：陽極和陰極峰的峰電流與掃描速率的關(guān)系曲線Fig.3 (A)：Cyclic voltammograms of the N, P, S@PC-TBO/GC electrode recorded at different scan rates: 30, 60, 90, 120, 150, 180 and 210 mV/ s from inner to outer. (B): cathodic and anodic peak currents versus scan rate in the supporting electrolyte

如圖4所示為N, P, S@PC-TBO/GC電極連續(xù)掃描的循環(huán)伏安圖，通過電流的降低考察電極的穩(wěn)定性。在支持電解質(zhì)中，以50 mV/s的掃描速率，電位從-0.80-0.60 V連續(xù)掃描60圈后，電流幾乎沒有降低。這說明N, P, S@PC-TBO/GC電極具有較好的穩(wěn)定性，可能歸因為：N, P, S@PC與TBO的之間存在氫鍵相互作用力。

圖4 N, P, S@PC-TBO/GC電極在支持電解質(zhì)中，以50 mV/ s的掃描速率，連續(xù)掃描60圈的循環(huán)伏安曲線Fig.4 Cyclic voltammograms recorded at the N, P, S@PC-TBO/GC electrode for 60 cycles in the supporting electrolyte, scan rate: 50 mV/ s

2.3 N, P, S@PC-TBO/GC電極電催化氧化NADH性能

通過循環(huán)伏安和安培技術(shù)表征N, P, S@PC-TBO/GC電極電催化氧化NADH的性能。圖5比較了裸GC(A)、 TBO/GC(B)、N, P, S@PC/GC(C)和 N, P, S@PC-TBO/GC(D)電極于支持電解質(zhì)中電催化氧化1.0 mmol/L NADH的循環(huán)伏安圖。由圖5(A-C)可見，在裸GC電極，TBO/GC電極和N, P, S@PC/GC電極上，NADH的氧化峰電位分別出現(xiàn)在+0.319，-0.050和-0.074 V。N, P, S@PC/GC電極和TBO/GC電極與裸GC電極相比，NADH的氧化峰電位發(fā)生了明顯的降低，這表明N, P, S@PC和TBO都具有較好的電催化NADH的性能。而對于N, P, S@PC-TBO/GC電極(圖5D)，NADH氧化峰電位出現(xiàn)在-0.203 V，并且氧化峰電流有顯著提高，這說明此修飾電極具有最好的電催化氧化NADH的性能。圖6所示為，在-0.203 V的應(yīng)用電位下，不同電極在支持電解質(zhì)中連續(xù)加入0.2 mmol/L NADH的計時電流曲線。裸GC電極的電流響應(yīng)非常小(曲線1)，TBO/GC電極(曲線2)和N, P, S@PC/GC電極(曲線3)的電流響應(yīng)分別為0.66和0.95 μA。特別是N, P, S@PC-TBO/GC電極能更快、更靈敏的電催化氧化NADH。加入0.2 mmol/L NADH后，N, P, S@PC-TBO/GC電極(曲線4)催化電流達(dá)到了2.42 μA。N, P, S@PC-TBO/GC電極電流的響應(yīng)時間分別由TBO/GC電極的3 s和N, P, S@PC/GC電極的16 s降低到了2 s。

圖5 裸GC(A)、TBO/GC(B)、N, P, S@PC/GC(C)和N, P, S@PC-TBO/GC(D)電極在支持電解質(zhì)中的循環(huán)伏安圖，掃描速率為：50 mV/s。曲線1和2分別對應(yīng)加與不加1.0 mmol/L NADHFig.5 Cyclic voltammograms of the bare GC(A), TBO/GC (B), N, P, S@PC/GC (C) and N, P, S@PC-TBO/GC (D) electrode with (curve 1) and without (curve 2) 1.0 mmol/L NADH in the supporting electrolyte, respectively, in all cases

圖6 應(yīng)用電位為-0.203 V時，裸 GC(1)、TBO/GC(2)、N, P, S@PC/GC(3)和 N, P, S@PC-TBO/GC(4)電極連續(xù)加入0.2 mmol/L NADH的電流-時間曲線Fig.6 Amperometric current response of the bare GC(1), TBO/GC(2), N, P, S@PC/GC(3) and N, P, S@PC-TBO/GC (4) electrode upon successive addition of 0.2 mmol/L NADH, at the applied potential of-0.203 V

N, P, S@PC-TBO/GC電極電催化氧化NADH的氧化峰電位進(jìn)一步降低、催化電流進(jìn)一步提高，可能是以下因素引起的：① N, P, S@PC與TBO之間有相互作用，可以提高TBO的吸附量；② N, P, S@PC可以促進(jìn)TBO與NADH之間的電子和離子轉(zhuǎn)移；③ N, P, S@PC與TBO之間有協(xié)同電催化氧化NADH的作用。

圖7(A)、(B)所示為N, P, S@PC-TBO/GC電極檢測NADH的催化電流與濃度之間的關(guān)系，線性方程為：y= 0.007 6x+0.8，其中y代表電流(μA)，x代表NADH濃度(μmol/L)。檢測的線性范圍為1×10-6-2×10-3mol/L(相關(guān)系數(shù)為0.997)，檢測限為3×10-7mol/L (信/噪 = 3)，靈敏度為107.6 μA/( mmol·L-1·cm-2)。

圖7 應(yīng)用電位為-0.203 V時，N, P, S@PC-TBO/GC電極測定NADH的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.7 Calibration curve for NADH for the N, P, S@PC-TBO/GC electrode, at the applied potential of-0.203 V

通過長時間安培電流的改變來考察N, P, S@PC-TBO/GC電極電催化氧化NADH的穩(wěn)定性能。圖8所示為在應(yīng)用電位為-0.203 V時，連續(xù)35 min電催化氧化NADH后電流降低了約12%。在-0.203 V應(yīng)用電位下，共存的干擾物質(zhì)如抗壞血酸和尿酸的響應(yīng)相對于NADH的響應(yīng)可忽略，這表明N, P, S@PC-TBO/GC電極具有較高的選擇性。同一根N, P, S@PC-TBO/GC電極連續(xù)10次測量0.2 mmol/L NADH，其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.9%。用5根不同N, P, S@PC-TBO/GC電極對0.2 mmol/L NADH進(jìn)行檢測，其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.6%。以上結(jié)果表明，N, P, S@PC-TBO/GC電極在低電位檢測NADH時具有良好的重現(xiàn)性。

圖8 應(yīng)用電位為-0.203 V時，N, P, S@PC-TBO/GC電極在支持電解質(zhì)中加入0.2 mmol/L NADH的電流-時間曲線Fig.8 Stability of the current response of 0.2 mmol/L NADH at the N, P, S@PC-TBO/GC electrode at the applied potential of-0.203 V in the supporting electrolyte

3 結(jié) 論

將TBO自組裝到N, P, S@PC的表面制備了一種新的復(fù)合物N, P, S@PC-TBO。由于N, P, S@PC和TBO的之間協(xié)同效應(yīng)，N, P, S@PC-TBO修飾的GC電極具有較好的電催化NADH的性能如：低的應(yīng)用電位、快的響應(yīng)時間、寬的線性范圍、低的檢測限和好的穩(wěn)定性。因此，N, P, S@PC-TBO/GC電極在構(gòu)建檢測NADH的電化學(xué)生物傳感器領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景。