唐小強 陳裕雲(yún) 羅燕妮 韋富存 杜方凱 譚學才

摘要：采用簡便的兩步水熱原位生長法，以FTO為基底制備了二氧化鈦納米棒（TiO2nanorods，TiO2NRs）/硫銦鋅納米片（ZnIn₂S₄nanosheets，ZnIn₂S₄NSs）復合材料（TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs/FTO），并基于此構建了一種新型谷胱甘肽（GSH）光電化學傳感器。分別采用掃描電鏡（SEM）、X射線能譜儀（EDX）、X射線粉末衍射儀（XRD）和紫外-可見漫反射吸收光譜（UV-visDRS）對TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs/FTO復合材料的形貌、結構和性能進行了表征，通過電流-時間法（i-t）和電化學阻抗法（EIS）研究了PEC傳感器的性能。結果表明，光電流大小與GSH濃度在1～130μmol/L范圍內呈良好的線性關系，相關系數(shù)R=0.9919，檢出限為0.1μmol/L（S/N=3）。此傳感器具有較高的穩(wěn)定性和良好的選擇性及重現(xiàn)性，將其應用于市售的谷胱甘肽片和注射用還原型谷胱甘肽的檢測，加標回收率為99%～110%。

關鍵詞：二氧化鈦納米棒;硫銦鋅納米片;光電化學傳感器;谷胱甘肽

1引言

谷胱甘肽（Glutathione，GSH）是由谷氨酸、半胱氨酸及甘氨酸三種氨基酸組成的一種三肽化合物，具有解毒、抗氧化、護肝、維持細胞穩(wěn)態(tài)和增強免疫力等多種重要生理功能[1，2]。研究發(fā)現(xiàn)，帕金森綜合癥、阿爾茨海默氏癥等疾病的發(fā)生與谷胱甘肽在人體中的含量變化有關[3～5]。因此，開發(fā)靈敏檢測GSH含量的分析方法，具有十分重要的實際意義。目前，檢測谷胱甘肽的分析方法主要有表面增強拉曼光譜法[6]、高效液相色譜法[7]、毛細管電泳法[8]、電化學分析法[9]、熒光光譜法[10]和比色法[11]等，盡管這些分析方法各有優(yōu)點，但仍存在儀器設備昂貴、成本高或者樣品前處理復雜、耗時長等不足。光電化學（Photoelectrochemical，PEC）傳感器利用檢測物與光電化學活性材料之間的相互作用產生的光電流變化和檢測物濃度之間的關系實現(xiàn)定量分析[12]。與傳統(tǒng)的光學和電化學方法相比，由于激發(fā)信號和檢測信號完全分離，PEC傳感器具有較低的背景信號和更高的靈敏度[13]。目前，大多數(shù)PEC傳感器都是基于半導體材料構建，如TiO2[14，15]、CdS[16]和ZnO[17，18]等。其中，TiO2具有良好的光穩(wěn)定性、價格低廉且安全無毒等特性，成為研究最成熟的光電活性材料之一。然而，TiO2禁帶寬度較大（3.0～3.2eV），僅能吸收紫外光，且光生電子-空穴易發(fā)生復合，極大限制了其應用范圍。ZnIn₂S₄是一種三元硫屬化合物半導體材料，其帶隙為2.34～2.55eV，對可見光具有良好的吸收且化學穩(wěn)定性高[19，20]。將ZnIn₂S₄與TiO2復合構筑異質結構，可以增強對可見光的吸收，有效抑制光生電子-空穴的復合，從而提高材料光催化活性[21]。目前，基于TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs復合材料構建的PEC傳感器鮮有報道。

本研究采用簡單的兩步水熱反應，在FTO電極上原位生長ZnIn₂S₄NSs包覆TiO2NRs復合材料（TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs/FTO），利用TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs材料優(yōu)異的光電化學性能，構建了一種檢測谷胱甘肽的PEC傳感器?；贕SH可被光生空穴氧化生成氧化型谷胱甘肽（Glutathionedisulfide，GSSG），降低光生電子-空穴對復合率，從而增大光電流的原理，實現(xiàn)了對GSH的靈敏檢測。傳感器制備及檢測原理如圖1所示。

2實驗部分

2.1儀器與試劑

CHI760D（上海辰華儀器有限公司）;PEAC200A型光電化學反應儀（天津艾達恒晟科技發(fā)展有限公司）;NovaNanoSEM場發(fā)射掃描電子顯微鏡（荷蘭Philips公司）;U-3900紫外-可見吸收光譜儀（日本HITACHI公司）;FTO導電玻璃（華南湘城科技有限公司）。

鈦酸四丁酯（C16H36O4Ti）、三氯化銦（InCl3·4H2O）、硫代乙酰胺（CH3CSNH2，TAA）、無水NaSO4等均為分析純（上海麥克林生化科技有限公司）。谷胱甘肽片（0.1g，重慶藥友制藥有限責任公司）;注射用還原型谷胱甘肽（0.6g，重慶藥友制藥有限責任公司）。實驗用水為超純水。

2.2修飾電極的制備

FTO電極（5×0.8cm）預處理：將FTO依次用丙酮、無水乙醇、超純水超聲清洗20min，待自然晾干后，100℃干燥2h。

參照文獻＼[22]的方法制備TiO2NRs：在100mL燒杯中加入30mL水和30mL濃HCl，混合攪拌5min后，加入1mL鈦酸四丁酯，繼續(xù)攪拌25min，然后將5mL混合溶液移至25mL聚四氟乙烯反應釜中，將洗凈的FTO電極倚靠在反應釜內，150℃下反應4h。待其自然冷卻后，依次用水和無水乙醇洗滌，室溫下晾干，然后在空氣氣氛下450℃煅燒60min（升溫速率5℃/min），即可制得TiO2NRs/FTO。

根據(jù)文獻＼[23，24]方法制備ZnIn₂S₄NSs：分別稱取71.89mgZnSO4·7H2O、146.62mgInCl3·4H2O和75.13mgTAA溶于10mL水中，混合攪拌30min，移取5mL混合溶液至25mL聚四氟乙烯反應釜中，然后將上述制得的TiO2NRs/FTO放入反應釜中，150℃反應60min，待自然冷卻后，依次用水和乙醇洗滌，60℃真空干燥12h，所得樣品記為TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs/FTO。

2.3實驗方法

采用三電極體系，以TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs/FTO為工作電極，Ag/AgCl電極為參比電極，Pt電極為輔助電極。以白光為激發(fā)光源，無水NaSO4溶液（pH=7.0，0.1mol/L）為電解液，在0V偏壓下，采用電流-時間曲線法對GSH進行光電化學檢測。

3結果與討論

3.1光電材料的表征

由TiO2NRs的掃描電鏡（SEM）圖（圖2A和2B）可見，在FTO電極表面水熱原位生長的TiO2為棒狀結構。由TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs的SEM圖（圖2C）可見，TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs是由許多納米片相互交替分布而構成的片狀結構，均勻負載在TiO2NRs表面上。由TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs復合材料的X射線能譜（EDX，圖2D）可知，此復合材料中同時含有Ti、O、Zn、In和S等元素。

采用X射線衍射技術（XRD）對所制備樣品作進一步表征。由不同修飾電極的XRD圖譜（圖3A）可見，與裸FTO電極（a線）相比，TiO2NRs/FTO在36.1°、41.3°、62.8°和69.8°處出現(xiàn)了4個明顯的衍射峰（b線），分別對應于四方金紅石相TiO2（JCPDS21-1276）的（101）、（111）、（002）和（112）面，說明所制備的TiO2NRs為金紅石相[25]。對于TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs/FTO（c線），除了有源自FTO基底和TiO2NRs的衍射峰之外，還觀察到了明顯的、可歸屬于六方相結構ZnIn₂S₄衍射信號（JCPDS65-2023）[26]。上述結果表明，在FTO基底上已成功制備了ZnIn₂S₄NSs包覆TiO2NRs的復合材料。

由圖3B可知，TiO2NRs光吸收波長位于﹤400nm的紫外光區(qū)，經(jīng)ZnIn₂S₄NSs包覆后，光吸收波長范圍紅移至可見光區(qū)，說明TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs復合材料可提高對可見光的吸收和利用率。

3.2不同修飾電極的光電性能和交流阻抗表征

不同修飾電極在外加電位為0V條件下所產生的光電流曲線如圖4A所示，裸FTO電極（曲線a）在光照射下幾乎不產生光電流，而TiO2NRs/FTO（曲線b）和TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs/FTO（曲線c）分別產生約6.6μA和55.4μA的光電流，TiO2NRs@ZnIn₂S₄NRs/FTO生成的光電流比TiO2NRs/FTO提高了8.4倍。此結果表明，TiO2NRs和ZnIn₂S₄NSs復合形成的異質結構，有效增強了材料對可見光的吸收，顯著提高了光電轉換效率[27]。當加入GSH溶液時，TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs/FTO電極的光電流得到進一步提高（曲線d），這是由于可充當電子供體的GSH被Znln₂S₄NSs的光生空穴氧化，生成GSSH，促進了光生電子-空穴分離，降低了光生電子和空穴的復合量[28]。

電化學阻抗譜技術（EIS）是研究電極表面性質的一種有效方法，Nyquist阻抗譜圖中，位于高頻區(qū)的半圓直徑大小相當于電子傳遞阻抗（Ret）。如圖4B所示，裸FTO電極的阻抗值最?。≧et=35Ω，曲線a），說明＼[Fe（CN）6]3Symbolm@@/4Symbolm@@在裸FTO電極界面上電子傳遞阻力較小;TiO2NRs/FTO電極的阻抗值明顯增大（Ret=170Ω，曲線b），這可能是由于負載的TiO2NRs阻礙了探針＼[Fe（CN）6]3Symbolm@@/4Symbolm@@在電極表面的電子轉移所致;TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs/FTO的阻抗值最大（Ret=325Ω，c線），這是由于經(jīng)ZnIn₂S₄NSs包覆，＼[Fe（CN）6]3Symbolm@@/4Symbolm@@的電子轉移阻力進一步地增大，導致其阻抗值繼續(xù)增加。

3.3實驗條件的優(yōu)化

3.3.1水熱反應條件對光電流值的影響考察了水熱反應的時間和溫度對ZnIn₂S₄NSs包覆TiO2NRs復合材料的光電化學性能的影響。在15～90min反應時間內，TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs/FTO的光電流值隨著反應時間的延長而增大，反應時間為60min時，其光電流值達到最大值。在6個不同反應溫度（110、130、150、170、190、210℃）中，150℃時TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs/FTO的光電流最大。因此，選取60min和150℃為水熱反應的最佳時間和溫度。

3.3.2工作電位對光電流值的影響如圖5所示，在Symbolm@@0.2～+0.2V范圍內，TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs/FTO光電流值隨著電位的增加而增大，0V時光電流大小相當于+0.2V處產生光電流值的85%。但是，過高的正電位可能會將GSH氧化生成GSSG，影響測定結果。此外，低電位有利于消除共存于真實樣品中的其它還原物質的干擾[29]。因此，綜合考慮傳感器的選擇性和靈敏度，采用0V作為此PEC傳感器的工作電位。

3.4光電化學傳感器檢測GSH的性能

圖6A為此PEC傳感器檢測不同濃度的GSH的光電流響應圖，圖6B為TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs/FTO光電響應值與GSH濃度的線性關系曲線，二者在1～130μmol/L范圍內呈良好的線性關系，線性方程為I（μA）=60.41+0.51C（μmol/L），相關系數(shù)為0.9919，檢出限為0.1μmol/L（S/N=3）。與相關文獻報道的檢測GSH方法相比（表1），所構建的PEC傳感器具有較低的檢出限。

3.5電極的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性和選擇性

在相同的優(yōu)化條件下，分別制備5根TiO2NRs@ZnIn₂S₄NSs/FTO電極，用于GSH溶液的測定，其光電流的相對標準偏差（RSD）為1.9%。采用同一根電極對50μmol/LGSH溶液連續(xù)測定10次（圖7A），其光響應電流未見明顯變化，RSD=3.4%。此外，將同一批制備好的工作電極于室溫條件下封存，每隔一天取出，對50μmol/LGSH溶液進行光電流測試，9d后其光電流響應值降到初始值的93%（圖7B）。上述結果說明此修飾電極具有良好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。

選擇幾種常見的氨基酸以及樣品組分作為干擾成分，加入到60μmol/LGSH溶液中進行檢測。在誤差允許范圍內，50倍的谷氨酸、賴氨酸、甘氨酸、亮氨酸、精氨酸，100倍的水楊酸、檸檬酸、葡萄糖、蔗糖、甘露醇、Zn2+、Mg2+、ClSymbolm@@、CO2Symbolm@@3、NOSymbolm@@3對測定沒有影響，表明此傳感器對GSH具有較好的選擇性。

3.6實際樣品分析

采用本方法測定市售的谷胱甘肽片和注射用還原型谷胱甘肽中的GSH，結果如表2所示，加標回收率分別為100%～110%和99%～101%，平行測定5次，樣品相對標準偏差（RSD）均小于5%，說明本分析方法具有較好的準確度。

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