羧基化多壁碳纳米管修饰电极循环伏安法测定过氧化氢_彭春桃

・论　　著・

羧基化多壁碳纳米管修饰电极循环伏安法测定过氧化氢

彭春桃，林丽，连国军，马美萍，曹建明

（温州医学院　公共卫生学院，浙江　温州　３２５０３５）

［摘　要］目的：研究用羧基化多壁碳纳米管修饰电极伏安法测定过氧化氢的浓度。方法：采用涂布法制成羧基化多壁碳纳米管修饰电极；在ｐＨ＝７．０　ＫＨ２ＰＯ４-Ｎａ２ＨＰＯ４缓冲溶液中，采用该修饰电极伏安法测定Ｈ２Ｏ２。结果：该修饰电极对Ｈ２Ｏ２有着显著的电催化作用，与裸玻碳电极相比，其灵敏度大大提高，在１．２×１０－６～１．０×１０－３　ｍｏｌ／Ｌ浓度范围内，过氧化氢的氧化峰电流与其浓度呈良好的线性关系，检测限为３．１×１０－７　ｍｏｌ／Ｌ，将该修饰电极用于医用过氧化氢的测定，相对平均偏差为１．２％，平均回收率为９７．６％，结果满意。结论：该修饰电极响应快，灵敏度高，稳定性好，寿命长，适合于具有电活性生物分子的测定。［关键词］

碳纳米管；化学修饰电极；伏安法；过氧化氢

［文章编号］　１０００－２１３８（２００８）０１－００５７－０４

［中图分类号］　Ｏ６５７．１５［文献标识码］　Ａ

Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｙｄｒｏｇｅｎ　ｐｅｒｏｘｉｄｅ　ｂｙ　ｖｏｌｔａｍｍｅｔｒｙ　ｗｉｔｈ　ｍｕｌｔｉ－ｗａｌｌ　ｃａｒｂｏｎ　ｎａｎｏｔｕｂｅｓ　ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚｅｄｗｉｔｈ　ｃａｒｂｏｘｙｌｉｃ　ｇｒｏｕｐ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　　ＰＥＮＧ　Ｃｈｕｎ－ｔａｏ，　ＬＩＮ　Ｌｉ，　ＬＩＡＮ　Ｇｕｏ－ｊｕｎ，ＭＡ　Ｍｅｉ－ｐｉｎｇ，　ＣＡＯＪｉａｎ－ｍｉｎｇ．　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｐｕｂｌｉｃ　Ｈｅａｌｔｈ，　Ｗｅｎｚｈｏｕ　Ｍｅｄｉｃａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，　Ｗｅｎｚｈｏｕ，　３２５０３５

Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ：　Ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ａ　ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｙｄｒｏｇｅｎ　ｐｅｒｏｘｉｄｅ　（Ｈ２Ｏ２）ｂｙ　ｖｏｌｔａｍｍｅｔｒｙ　ｗｉｔｈ　ｍｕｌｔｉ－ｗａｌｌ　ｃａｒｂｏｎ　ｎａｎｏｔｕｂｅｓ　ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚｅｄ　ｗｉｔｈ　ｃａｒｂｏｘｙｌｉｃ　ｇｒｏｕｐ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ（ＣＭＥ）．　Ｍｅｔｈｏｄ：　Ｔｈｅ　ＣＭＥ　ｗａｓ　ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ，　ｗｈｉｃｈ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｉｍｍｏｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉ-ｗａｌｌ　ｃａｒｂｏｎ　ｎａｎｏｔｕｂｅｓｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚｅｄ　ｗｉｔｈ　ｃａｒｂｏｘｙｌｉｃ　ｇｒｏｕｐ．　Ｉｎ　ａ　ｍｅｄｉｕｍ　ｏｆ　ＫＨ２ＰＯ４-Ｎａ２ＨＰＯ４　ｂｕｆｆｅｒ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｐＨ＝７．０，　ｔｈｅ　ＣＭＥｗａｓ　ｕｔｉｌｉｚｅｄ　ｆｏｒ　ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｈ２Ｏ２　ｂｙ　ｖｏｌｔａｍｍｅｔｒｙ．　Ｒｅｓｕｌｔｓ：　Ｔｈｅ　ＣＭＥ　ｅｘｈｉｂｉｔｅｄ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ　ｃａｔａｌｙｔｉｃｏｘｉｄａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｈ２Ｏ２．　Ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｂａｒｅ　ｇｌａｓｓ　ｃａｒｂｏｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ，　ｔｈｅ　ＣＭＥ　ｃｏｕｌｄ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｔｈｅ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｈ２Ｏ２．　Ｔｈｅ　ｏｘｉｄａｔｉｏｎ　ｃｕｒｒｅｎｔｓ　ｗｅｒｅ　ｌｉｎｅａｒ　ｆｏｒ　Ｈ２Ｏ２　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　１．２×１０－６～１．０×１０－３　ｍｏｌ／Ｌ，　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｌｉｍｉｔ　ｗａｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｔｏ　ｂｅ　３．１×１０－７ｍｏｌ／Ｌ．　Ｔｈｅ　ＣＭＥ　ｈａｄ　ｂｅｅｎ　ａｐｐｌｉｅｄｔｏ　ａｓｓｅｓｓ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｅｎｔｓ　ｏｆ　Ｈ２Ｏ２　ｗｉｔｈ　ＲＳＤ　１．２％　ａｎｄ　ａｖｅｒａｇｅ　ｒｅｃｏｖｅｒｙ　ｒａｔｅ　９７．８％．　Ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ：　Ｔｈｅ　ＣＭＥ　ｓｈｏｗｓｈｉｇｈ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ，　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｌｏｎｇ-ｌｉｆｅ，　ａｎｄ　ｉｓ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｉｏｌｏｇｉｃ　ｍｏｌｅｃｕｌｅｓｗｉｔｈ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ａｃｔｉｖｉｔｙ．

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｃａｒｂｏｎ　ｎａｎｏｔｕｂｅｓ　ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚｅｄ　ｗｉｔｈ　ｃａｒｂｏｘｙｌｉｃ　ｇｒｏｕｐ；　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｍｏｄｉｆｉｅｄｅｌｅｃｔｒｏｄｅ；　ｖｏｌｔａｍｍｅｔｒｙ；　ｈｙｄｒｏｇｅｎ　ｐｅｒｏｘｉｄｅ

收稿日期：２００７－０４－０６

基金项目：浙江省教育厅科学基金资助项目（２００６１８１１）。作者简介：彭春桃（１９７７－），女，江西安福人，硕士生。通讯作者：曹建明，教授，硕士生导师，ｗｙｃｊｍｉ＠１６３．ｃｏｍ。

过氧化氢（Ｈ２Ｏ２，别名双氧水）是一种强氧化剂，其水溶液在医药、食品、化工等领域用途广泛。３％的Ｈ２Ｏ２溶液作为医用消毒剂，常用于清洗创口，但其性质不稳定，易分解，导致浓度降低，达不到

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　　　　（本文编辑：毛文明）

第38卷温　州　医　学　院　学　报第1期

应有的消毒效果，给患者带来不必要的痛苦，因此建立简便、快速、灵敏、可靠的分析方法随时监测其有效浓度显得尤为重要。目前测定Ｈ２Ｏ２的方法有

４］滴定法［１］、光谱法［２］、化学发光法［３，和电化学分析

将玻碳电极以金相砂纸、Ａｌ２Ｏ３粉末（０．０５μｍ）在麂皮上打磨至光亮，并依次在１　ｍｏｌ／Ｌ　ＮａＯＨ、１　ｍｏｌ／Ｌ　ＨＮＯ３、丙酮以及二次蒸馏水中超声洗涤。在０．２　ｍｏｌ／Ｌ，ｐＨ＝７．０的ＰＢＳ缓冲溶液中从－０．２～＋０．６　Ｖ范围内进行循环扫描至基线平稳。然后在预处理后的玻碳电极表面滴涂２．５μｌ　ＭＷＮＴ溶液，在红外灯下烘至溶剂完全挥发即可使用。２

结果和讨论

在

法［５］等，其中电化学分析法因具有较高的灵敏度、良好的线性范围、快速的响应而被广泛使用。

碳纳米管由于其独特的性质以及潜在的应用前景已成为世界范围内研究热点之一［６］。它分为多壁

［７］碳纳米管（ＭＷＮＴ）和单壁碳纳米管（ＳＷＮＴ），当

它发生断裂时，其断口的碳原子具有很高的活性，容易被氧化成羧基或其他基团。将碳纳米管用硝酸处理，可在其断口引入羧基，而经过羧基化的碳纳米管则对多巴胺、次黄嘌呤、巯基化合物等生物分子具有很好的电催化作用［８，９］。本实验制备了羧基化多壁碳纳米管（ＭＷＮＴ－ＣＯＯＨ）修饰电极，并首次采用伏安法直接测定Ｈ２Ｏ２，结果表明该修饰电极对Ｈ２Ｏ２有着显著的电催化作用，其检测的灵敏度大大提高，将该方法用于医用过氧化氢的测定，获得了满意的结果。１１．１

材料和方法仪器和试剂

电化学分析仪ＣＨＩ６５０ｃ（上海

２．１ＭＷＮＴ－ＣＯＯＨ修饰电极对Ｈ２Ｏ２的电催化氧化

０．２　ｍｏｌ／Ｌ，ｐＨ＝７．０的ＰＢＳ缓冲液中，ＭＷＮＴ－ＣＯＯＨ修饰电极经循环伏安扫描，表现出一对氧化还原峰（见图１Ｂ－曲线３），峰电位和峰电流十分稳定。在１００　ｍＶ／ｓ扫速下，氧化还原峰电位分别为－０．１０２　Ｖ和－０．１５２Ｖ。修饰电极的氧化还原峰很宽，背景电流也大，这是由于电极表面电荷增加所致。根据文献可知在ＭＷＮＴ膜中电活性基团为羧基，在电极上得到４个电子被还原为醇基，再氧化后重新变成羧基。

图１中曲线２和４分别为裸玻碳电极和ＭＷＮＴ－ＣＯＯＨ修饰电极在含１．０×１０－４　ｍｏｌ／Ｌ　Ｈ２Ｏ２的ＰＢＳ缓冲溶液中的循环伏安图。图中表明在－０．２～＋０．６　Ｖ电位范围内，Ｈ２Ｏ２在裸玻碳电极上的电化学氧化电位很大，只出现拖尾现象，而在修饰电极上出现了一明显的氧化峰，氧化峰电位为＋０．１４２　Ｖ；说明该修饰电极对Ｈ２Ｏ２具有很好的催化氧化作用，其可能的原因是ＭＷＮＴ－ＣＨ２ＯＨ在氧化过程中，产生的不稳定中间体参与并催化了Ｈ２Ｏ２的氧化反应。但对于具体的催化过程我们还在进一步的研究中。

此外，我们还研究了扫速对１．０×１０－４　ｍｏｌ／ＬＨ２Ｏ２在ＭＷＮＴ－ＣＯＯＨ修饰电极上的电化学行为。图２的结果表明，在扫速１０～１００　ｍＶ／ｓ内，氧化峰电流与扫速的一次方成正比，这说明Ｈ２Ｏ２在ＭＷＮＴ－ＣＯＯＨ修饰电极上的响应电流是一种吸附电流。２．２

底液的选择及ｐＨ的影响

分别以ＨＡｃ-ＮａＡｃ、

ＫＣｌ、ＮａＣｌ、ＮＨ３－ＮＨ４Ｃｌ、ＰＢＳ为支持电解质，考察不同底液中Ｈ２Ｏ２在修饰电极上的行为。结果表明，只有在ＰＢＳ缓冲体系中Ｈ２Ｏ２会出峰且峰形好，故选择ＰＢＳ溶液为底液。

同时试验了相同浓度Ｈ２Ｏ２在ｐＨ为６．０～８．０的ＰＢＳ缓冲液中修饰电极氧化峰电流的大小，图３表明当ｐＨ从６．０到７．０时，峰电流迅速增大，超过７．０以后峰电流增长缓慢。考虑到在ｐＨ＝７．０时体系最稳定且重复性很好，故选择０．２　ｍｏｌ／Ｌ　ｐＨ为７．０

辰华仪器有限公司产品）；三电极工作系统：饱和甘汞电极（ＳＣＥ）为参比电极，铂丝电极为对电极，裸玻碳电极或者ＭＷＮＴ修饰玻碳电极为工作电极；实验数据和伏安图均由计算机采集、处理和记录；傅立叶红外光谱仪（Ｎｉｃｏｌｅｔ　公司产品，美国）。

ＭＷＮＴ（直径和长度分别为１０～３０　ｎｍ和１～１０μｍ，Ｓｕｎ　Ｎａｎｏｔｅｃｈ　Ｃｏ．Ｌｔｄ产品，深圳）；Ｈ２Ｏ２标准溶液（３０％，分析纯，江苏省宜兴市第二化学试剂厂生产）；医用Ｈ２Ｏ２（江苏省宜兴市第二化学试剂厂生产）；ＫＭｎＯ４（分析纯，浙江杭州萧山化学试剂厂生产）；Ｎａ２Ｃ２Ｏ４（分析纯，上海市第二化学试剂厂生产）；缓冲溶液为０．２　ｍｏｌ／Ｌ，ｐＨ＝７．０的ＫＨ２ＰＯ４-Ｎａ２ＨＰＯ４（ＰＢＳ）；其他试剂均为分析纯，水为二次蒸馏水。１．２

ＭＷＮＴ－ＣＯＯＨ电极的制备

将ＭＷＮＴ用硝酸回流

４８　ｈ后经重蒸水冲洗抽滤去除残余硝酸，红外灯烘干后进行红外表征。从傅立叶变换红外光谱图上来看，在１７５０　ｃｍ－１（ｎＣ＝Ｏ，ＣＯＯＨ）处出现吸收峰，表明在ＭＷＮＴ表面有羧基存在。称取１．０　ｍｇ羧基化的ＭＷＮＴ溶于１０　ｍｌ二甲基甲酰胺（ＤＭＦ）中，超声波搅拌后，ＭＷＮＴ分散于ＤＭＦ中，形成０．１　ｍｇ／ｍｌ的黑色溶液。

第38卷彭春桃，等：羧基化多壁碳纳米管修饰电极循环伏安法测定过氧化氢第1期

～１．０×１０－３　ｍｏｌ／Ｌ　范围内，Ｈ２Ｏ２的氧化峰电流与其浓度具有良好的线性关系，其线性回归方程为：∣｜ｉｐ｜＝６．０２８×１０－５＋０．４７５　ｃ（Ｈ２Ｏ２），相关系数ｒ＝０．９９８６，检出限为３．１×１０－７ｍｏｌ／Ｌ。见图４。２．４

电极的稳定性、重现性和干扰试验

修饰电

极循环伏安扫描１５次，Ｈ２Ｏ２在修饰电极上的氧化和还原峰电流仅变化几个微安，电极修饰好之后干燥保存，一周后做循环伏安扫描，得到的电流响应几乎不变，可见修饰电极的稳定性很好。使用同一支修饰电极在５．０×１０－５　ｍｏｌ／Ｌ　Ｈ２Ｏ２溶液中，平行测定６次，峰电流测定结果的相对标准偏差为２．４％，说明电极的重现性较好。

的磷酸缓冲液为底液。２．３

线性范围和检出限

先用ＫＭｎＯ４将３０％　Ｈ２Ｏ２

标准溶液进行标定，再按实验所选的条件分别对稀释后不同浓度的Ｈ２Ｏ２溶液进行循环伏安法测定，如图４所示，随着浓度的增大，Ｈ２Ｏ２在修饰电极上的氧化电流也随着增大。实验结果表明，在１．２×１０－６

Ｈ２Ｏ２浓度为５．０×１０－５　ｍｏｌ／Ｌ时，加入４０倍的葡萄糖、４０倍量的尿素、８０倍量的Ｌ-谷氨酸及Ｌ-甘氨酸、８０倍量的柠檬酸不干扰测定，其他常见的无机离子如铜、锌、钠等对测定均无影响。２．５样品分析及回收率的测定将医用Ｈ２Ｏ２溶液稀释后，充分混匀成测试液，以三电极系统在－０．２～

第38卷温　州　医　学　院　学　报第1期

＋０．６　Ｖ范围内进行伏安法测定，结果列于表１。通过换算可得医用Ｈ２Ｏ２溶液的平均浓度为０．９８４５　ｍｏｌ／Ｌ，与高锰酸钾法测定结果为０．９９６０　ｍｏｌ／Ｌ相近，可见这种方法可用于Ｈ２Ｏ２的分析测定。

表１　　Ｈ２Ｏ２样品及回收率的测定

样品号１２３

Ｈ２Ｏ２含量（１０－４　ｍｏｌ／Ｌ）４．９１２４．８９９４．９５６

Ｈ２Ｏ２加入量（１０－４　ｍｏｌ／Ｌ）５．０００４．０００６．０００

Ｈ２Ｏ２测定总量（１０－４　ｍｏｌ／Ｌ）

９．７３３８．６７６１０．６３

回收率（％）９８．２９７．５９７．０

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