基于石墨烯薄膜修饰电极的酶催化系统对二氯苯酚的检测2讲课文档
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
4
第4页，共21页。
2.2 石墨烯的制备
石墨稀氧化物是由天然石墨粉通过一种改进的 电化学方法制得的。通常,通过超声波法，将石墨烯 氧化物溶解在水中可以形成质量分数为0.1%的分散 液。然后将获得的棕色分散液在3000 rpm转速下离 心分离30分钟后移除没有溶解的石墨氧化物。然后 将均匀的石墨烯氧化物分散液
第21页，共21页。
2
第2页，共21页。
最近,基于酶反应的电化学传感器在痕量分析上显 示竞争优势，因为其高的放大效应和对酶的选择性高 。大量的测定酚化合物的生物传感器被广泛报道。在 大多数的这些实验中,已经进行了很多尝试来提高灵敏 度和通过酶固定在不同的材料来提高稳定性。石墨烯 因为它的独特的物理化学性质吸引了国际关注，如高 表面积,高电荷传输流动性,好的电催化活性和强大的 机械强度。石墨烯的这些特性，特别是便于酶组装可 以用来制造电化学生物传感器。最近,一些研究者发现 石墨烯对苯酚也有良好的吸收能力，这将有利于酚类 化合物在电极上的富集。考虑到高的导电率、高固定 化酶能力和对苯酚强的吸附性能,石墨烯应该是一个好 的制备2,4-DCP生物传感器材料。
PBS. Applied potential: -0.25 V vs. SCE. Insetwas the dependence of the sensitivity of the HRP/graphene biosensor onH2O2 concentration (S, sensitivity).
图5 Effect of pH of PBS on the biosensor response to 1.0
uM2,4-DCP in 0.1 M PBS containing 100.0 uMH2O2 at 0.25 V (vs. SCE).
第17页，共21页。
图 6 Effect of applied potential (vs. SCE) on the biosensor response
第20页，共21页。
3.5 生物传感器的稳定性和重现性
固定酶的一个原因是提高寿命,允许使用很长一段时间。
因此,评估生物传感器的寿命是在一个月内通过测量其对
1.0uM2,4-DCP的响应。两周后，生物传感器在电流响应上没有 明显的降低。考虑到这种生物传感器便宜和制备简单。这个范 围时间可以是可接受的。使用相同的电极，在检测1.0uM2,4 -DCP 10次来获得测量的重现性。相对标准偏差是4.3%。HRP/ 石墨烯生物传感器的重现性是通过10种不同时间制造的生物传 感器来评估的。这个测量电流的稳定电流状态,伴有1.0uM的2,4 -DCP的搅拌溶液，相对标准偏差为5.81%(n =10)。
第19页，共21页。
3.4 HRP/石墨烯生物传感器性能特点
图 8 Amperometric response of the HRP/GCE (A), and HRP/graphene/GCE (B), on successive addition of 2,4-DCP into 0.1 M pH 7.0PBS containing 100.0 mMH2O2 at -0.25 V (vs. SCE). Inset: Calibrationcurves of the HRP/GCE (A), and HRP/graphene/GCE (B), for 2,4-DCP.
to1.0 mM 2,4-DCP in 0.1 M pH 7.0 PBS containing 100.0 mMH2O2.
第18页，共21页。
过氧化氢浓度的影响
图 7 Calibration curves for 2,4-DCP determination with HRP/graphene sensor in the presence of (A) 10.0, (B) 50.0, (C) 100.0 and (D) 200.0uM of H2O2 in pH 7.0
第7页，共21页。
3 结果与讨论
3.1 石墨烯的特性描述 3.2 基于石墨烯的生物传感器对检测2,4-DCP
的可行性研究 3.3 检测的优化
8
第8页，共21页。
3.1 石墨烯的特性描述
一系列用于表面探测的测量,如拉曼光谱，透射电子显微镜 (TEM)和扫描电子显微镜(SEM),来描述获得的石墨烯的特征。拉 曼光谱被用来反映从原始的石墨到石墨烯氧化物然后到还原石墨 烯的结构变化(图1A)。在拉曼光谱的原始石墨显示一个突出的G 峰在1580cm-1，对应这个一阶散射的E2g 态(图1A-a)。在拉曼光 谱的石墨烯氧化物(图1 A- b),G带扩大,和D带在1350cm-1变得突出 ,还原在sp2域占主要地位，可能是由于大量的氧化。石墨烯的拉 曼光谱还包含G和D带,然而,D / G强度相比石墨烯氧化物增加(图 1A-c)。这一变化显示在sp2域内还原脱落石墨烯氧化物减少。图1 B显示了石墨烯纳米片的TEM图片。清楚地说明了片状的形状。 图 C和D是SEM图像的石墨烯和石墨烯壳聚糖复合材料沉积在 GCE表面图。
研究
HRP + H2O2 → Compound-I + H2O
(1a)
Compound-I + Cl2C6H3OH→Compound-II
+ Cl2C6H3O*
(1b)
Compound-II + Cl2C6H3OH→HRP + Cl2C6H3O*
+ H2O
(1c)
Cl2C6H3O* + e-+ H+ →Cl2C6H3OH
第5页，共21页。
2.3 基于石墨烯2,4-DCP生物传感器的制备
基于石墨烯的传感器的制备过程如下：将2毫克 石墨烯加入到1毫升的1.0%（W/V）的壳聚糖水溶 液中，通过超声破碎法形成均匀的分散液。将50微 升的HRP加入到50微升质量分数为2mg/mL的石墨 烯壳聚糖水性悬浮液中，为了吸附HRP，将此混合 溶液在室温下充分振荡30分钟。经过吸附过程，通 过注射器，将5微升上述的混合液分散到预处理过的 玻碳电极表面。将电极在4℃下自然晾干，如果不用 的话，将修饰电极储存在4℃。
(1d)
12
第12页，共21页。
方案1 使用HRP/石墨烯修饰玻碳电极检测2,4-DCP的示意图
第13页，共21页。
图 3（A）HRP/石墨烯生物传感器在不同溶液中的循环伏安图 图3（B） HRP/石墨烯生物传感器在不同溶液中的安培电流图
第14页，共21页。
3.3检测条件的优化
❖ HRP浓度的影响 过氧化氢浓度的影响
第15页，共21页。
图4 Effect of HRP concentration on the biosensor response to 1.0 uM2,4-DCP in 0.1 M pH 7.0 PBS containing 100.0 uMH2O2 at 0.25 V (vs. SCE).
第16页，共21页。
基于石墨烯薄膜修饰电极的酶催化系统对二氯苯酚的检测
第1页，共21页。
1 引言
2,4-DCP是一个重要的中间物，来制造一些常用的含苯氧基 除草剂,制药、杀真菌剂,和杀虫剂。然而,其高毒性、强烈气味 、不易降解，疑似致癌、致突变的属性意味着2,4-DCP作为一个 环境污染物带来了严重的生态问题。高度危险和有毒特征的 2,4-DCP需要简单,快速、灵敏、准确的分析方法,并将其量化。 本文提出了一些方法如高效液相色谱法、气相色谱法,分光光度 法，化学发光法。然而这些方法要么是不方便,不稳定,昂贵的 或是操作复杂。他们也不能用于体内和就地检测。在过去的一 年里，电化学方法已经得到广泛的重视，由于其巨大的优势,例 如简单的操作、快速响应、良好的灵敏度、低成本和现场检测 。一些关于通过电化学方法检测2,4-DCP已经出现。然而,通常 需要高的氧化电势(700 - 900 mV)，在这个情况下，就会导致 来自一些共存化合物的严重的干扰因素。2,4-DCP的电极氧化产 物也会在电极上积累，产生积垢。
第3页，共21页。
2 实验部分
2.1 仪器和试剂
石墨、联氨溶液(50wt%),氨溶液(28wt%)和2,4DCP的分析级。拉曼光谱，石墨,石墨烯氧化物。 透射电子显微镜(TEM)，扫描电子显微镜(SEM)， 发射扫描电子显微镜（ESEM），电化学分析仪, 常规的三电极体系，用铂箔作为辅助电极，饱和 甘汞电极(SCE)为参比电极。工作电极为裸露或 修饰的玻碳电极（GCE)
第6页，共21页。
2.4 2,4-DCP的检测
2,4-DCP的测定是在室温下在含有H2O2的0.1M pH 为7.0的PBS溶液中进行的。对于电流的检测，所以的 测量值都是在运用一个最适当的电势（相比甘汞电极 而言）加到工作电极上，并在加入2,4-DCP以后，相 比较未加入的电势，电势基流会衰减到更稳定的状态 。在加入了2,4-DCP以后，我们对电流峰值变化做了 记录。在所以的极普法测量中，要通过充分搅拌溶液 来获得对流运输。
9
第9页，共21页。
图1 （A）拉曼光谱对散装石墨（a）石墨烯氧化物（b）和石墨烯（c
）；(B)石墨烯的TEM图片；(C)石墨烯的SEM图片;(D)石墨烯壳聚 糖复合物的SEM图片。
第10页，共21页。
图2 石墨烯壳聚糖溶液的照片(A)和石墨烯水溶液照片（B）
第11页，共21页。
3.2 基于石墨烯检测2,4-DCP的生物传感器的可行性
第4页，共21页。
2.2 石墨烯的制备
石墨稀氧化物是由天然石墨粉通过一种改进的 电化学方法制得的。通常,通过超声波法，将石墨烯 氧化物溶解在水中可以形成质量分数为0.1%的分散 液。然后将获得的棕色分散液在3000 rpm转速下离 心分离30分钟后移除没有溶解的石墨氧化物。然后 将均匀的石墨烯氧化物分散液
第21页，共21页。
2
第2页，共21页。
最近,基于酶反应的电化学传感器在痕量分析上显 示竞争优势，因为其高的放大效应和对酶的选择性高 。大量的测定酚化合物的生物传感器被广泛报道。在 大多数的这些实验中,已经进行了很多尝试来提高灵敏 度和通过酶固定在不同的材料来提高稳定性。石墨烯 因为它的独特的物理化学性质吸引了国际关注，如高 表面积,高电荷传输流动性,好的电催化活性和强大的 机械强度。石墨烯的这些特性，特别是便于酶组装可 以用来制造电化学生物传感器。最近,一些研究者发现 石墨烯对苯酚也有良好的吸收能力，这将有利于酚类 化合物在电极上的富集。考虑到高的导电率、高固定 化酶能力和对苯酚强的吸附性能,石墨烯应该是一个好 的制备2,4-DCP生物传感器材料。
PBS. Applied potential: -0.25 V vs. SCE. Insetwas the dependence of the sensitivity of the HRP/graphene biosensor onH2O2 concentration (S, sensitivity).
图5 Effect of pH of PBS on the biosensor response to 1.0
uM2,4-DCP in 0.1 M PBS containing 100.0 uMH2O2 at 0.25 V (vs. SCE).
第17页，共21页。
图 6 Effect of applied potential (vs. SCE) on the biosensor response
第20页，共21页。
3.5 生物传感器的稳定性和重现性
固定酶的一个原因是提高寿命,允许使用很长一段时间。
因此,评估生物传感器的寿命是在一个月内通过测量其对
1.0uM2,4-DCP的响应。两周后，生物传感器在电流响应上没有 明显的降低。考虑到这种生物传感器便宜和制备简单。这个范 围时间可以是可接受的。使用相同的电极，在检测1.0uM2,4 -DCP 10次来获得测量的重现性。相对标准偏差是4.3%。HRP/ 石墨烯生物传感器的重现性是通过10种不同时间制造的生物传 感器来评估的。这个测量电流的稳定电流状态,伴有1.0uM的2,4 -DCP的搅拌溶液，相对标准偏差为5.81%(n =10)。
第19页，共21页。
3.4 HRP/石墨烯生物传感器性能特点
图 8 Amperometric response of the HRP/GCE (A), and HRP/graphene/GCE (B), on successive addition of 2,4-DCP into 0.1 M pH 7.0PBS containing 100.0 mMH2O2 at -0.25 V (vs. SCE). Inset: Calibrationcurves of the HRP/GCE (A), and HRP/graphene/GCE (B), for 2,4-DCP.
to1.0 mM 2,4-DCP in 0.1 M pH 7.0 PBS containing 100.0 mMH2O2.
第18页，共21页。
过氧化氢浓度的影响
图 7 Calibration curves for 2,4-DCP determination with HRP/graphene sensor in the presence of (A) 10.0, (B) 50.0, (C) 100.0 and (D) 200.0uM of H2O2 in pH 7.0
第7页，共21页。
3 结果与讨论
3.1 石墨烯的特性描述 3.2 基于石墨烯的生物传感器对检测2,4-DCP
的可行性研究 3.3 检测的优化
8
第8页，共21页。
3.1 石墨烯的特性描述
一系列用于表面探测的测量,如拉曼光谱，透射电子显微镜 (TEM)和扫描电子显微镜(SEM),来描述获得的石墨烯的特征。拉 曼光谱被用来反映从原始的石墨到石墨烯氧化物然后到还原石墨 烯的结构变化(图1A)。在拉曼光谱的原始石墨显示一个突出的G 峰在1580cm-1，对应这个一阶散射的E2g 态(图1A-a)。在拉曼光 谱的石墨烯氧化物(图1 A- b),G带扩大,和D带在1350cm-1变得突出 ,还原在sp2域占主要地位，可能是由于大量的氧化。石墨烯的拉 曼光谱还包含G和D带,然而,D / G强度相比石墨烯氧化物增加(图 1A-c)。这一变化显示在sp2域内还原脱落石墨烯氧化物减少。图1 B显示了石墨烯纳米片的TEM图片。清楚地说明了片状的形状。 图 C和D是SEM图像的石墨烯和石墨烯壳聚糖复合材料沉积在 GCE表面图。
研究
HRP + H2O2 → Compound-I + H2O
(1a)
Compound-I + Cl2C6H3OH→Compound-II
+ Cl2C6H3O*
(1b)
Compound-II + Cl2C6H3OH→HRP + Cl2C6H3O*
+ H2O
(1c)
Cl2C6H3O* + e-+ H+ →Cl2C6H3OH
第5页，共21页。
2.3 基于石墨烯2,4-DCP生物传感器的制备
基于石墨烯的传感器的制备过程如下：将2毫克 石墨烯加入到1毫升的1.0%（W/V）的壳聚糖水溶 液中，通过超声破碎法形成均匀的分散液。将50微 升的HRP加入到50微升质量分数为2mg/mL的石墨 烯壳聚糖水性悬浮液中，为了吸附HRP，将此混合 溶液在室温下充分振荡30分钟。经过吸附过程，通 过注射器，将5微升上述的混合液分散到预处理过的 玻碳电极表面。将电极在4℃下自然晾干，如果不用 的话，将修饰电极储存在4℃。
(1d)
12
第12页，共21页。
方案1 使用HRP/石墨烯修饰玻碳电极检测2,4-DCP的示意图
第13页，共21页。
图 3（A）HRP/石墨烯生物传感器在不同溶液中的循环伏安图 图3（B） HRP/石墨烯生物传感器在不同溶液中的安培电流图
第14页，共21页。
3.3检测条件的优化
❖ HRP浓度的影响 过氧化氢浓度的影响
第15页，共21页。
图4 Effect of HRP concentration on the biosensor response to 1.0 uM2,4-DCP in 0.1 M pH 7.0 PBS containing 100.0 uMH2O2 at 0.25 V (vs. SCE).
第16页，共21页。
基于石墨烯薄膜修饰电极的酶催化系统对二氯苯酚的检测
第1页，共21页。
1 引言
2,4-DCP是一个重要的中间物，来制造一些常用的含苯氧基 除草剂,制药、杀真菌剂,和杀虫剂。然而,其高毒性、强烈气味 、不易降解，疑似致癌、致突变的属性意味着2,4-DCP作为一个 环境污染物带来了严重的生态问题。高度危险和有毒特征的 2,4-DCP需要简单,快速、灵敏、准确的分析方法,并将其量化。 本文提出了一些方法如高效液相色谱法、气相色谱法,分光光度 法，化学发光法。然而这些方法要么是不方便,不稳定,昂贵的 或是操作复杂。他们也不能用于体内和就地检测。在过去的一 年里，电化学方法已经得到广泛的重视，由于其巨大的优势,例 如简单的操作、快速响应、良好的灵敏度、低成本和现场检测 。一些关于通过电化学方法检测2,4-DCP已经出现。然而,通常 需要高的氧化电势(700 - 900 mV)，在这个情况下，就会导致 来自一些共存化合物的严重的干扰因素。2,4-DCP的电极氧化产 物也会在电极上积累，产生积垢。
第3页，共21页。
2 实验部分
2.1 仪器和试剂
石墨、联氨溶液(50wt%),氨溶液(28wt%)和2,4DCP的分析级。拉曼光谱，石墨,石墨烯氧化物。 透射电子显微镜(TEM)，扫描电子显微镜(SEM)， 发射扫描电子显微镜（ESEM），电化学分析仪, 常规的三电极体系，用铂箔作为辅助电极，饱和 甘汞电极(SCE)为参比电极。工作电极为裸露或 修饰的玻碳电极（GCE)
第6页，共21页。
2.4 2,4-DCP的检测
2,4-DCP的测定是在室温下在含有H2O2的0.1M pH 为7.0的PBS溶液中进行的。对于电流的检测，所以的 测量值都是在运用一个最适当的电势（相比甘汞电极 而言）加到工作电极上，并在加入2,4-DCP以后，相 比较未加入的电势，电势基流会衰减到更稳定的状态 。在加入了2,4-DCP以后，我们对电流峰值变化做了 记录。在所以的极普法测量中，要通过充分搅拌溶液 来获得对流运输。
9
第9页，共21页。
图1 （A）拉曼光谱对散装石墨（a）石墨烯氧化物（b）和石墨烯（c
）；(B)石墨烯的TEM图片；(C)石墨烯的SEM图片;(D)石墨烯壳聚 糖复合物的SEM图片。
第10页，共21页。
图2 石墨烯壳聚糖溶液的照片(A)和石墨烯水溶液照片（B）
第11页，共21页。
3.2 基于石墨烯检测2,4-DCP的生物传感器的可行性