基于TB/Nafion膜的pH傳感器

鐘 霞，袁 若，柴雅琴

（西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶400715）

0 引言

多年來，電位型pH傳感器一直是一個(gè)熱門的研究課題[1～3]，電位型pH傳感器具有儀器裝置簡(jiǎn)便、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。電位型pH傳感器可分為全固態(tài)玻璃電極以及非玻璃型pH電極 (如中性載體pH電極、光導(dǎo)纖維pH傳感器、化學(xué)修飾pH傳感器、固體合金電極和pH酶?jìng)鞲衅鞯?。近年來電流型pH傳感器研究也開始受到了人們的關(guān)注[4]。

Nafion是一種常用的聚和物。Nafion上富含大量的親水性磺酸基團(tuán)，能通過簡(jiǎn)單的離子交換使許多帶正電荷的染料牢固地固定到電極表面[4]形成具有良好氧化還原電活性的Nafion/染料復(fù)合膜。而且Nafion膜也具有較好的陽離子選擇性和生物相容性[5]，因此常被用于電極表面的修飾和傳感器的構(gòu)建。

甲苯胺藍(lán)（TB）作為一種生物染料，是一種比較活潑的電子傳遞體[6]。該文利用自組裝技術(shù)將Nafion和甲苯胺藍(lán)自組裝到電極表面形成TB/Nafion膜修飾電極。該修飾電極在一定pH范圍內(nèi)，用循環(huán)伏安法進(jìn)行測(cè)試，其循環(huán)伏安曲線的峰電位與pH呈線性關(guān)系。該pH傳感器制備方法簡(jiǎn)單、響應(yīng)靈敏、穩(wěn)定性好，并將其用于磷酸緩沖溶液的測(cè)定。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

Nafion(ω ＝5%)購(gòu)自 Aldrich；甲苯胺藍(lán)（TB）購(gòu) 自 上 海 化 學(xué) 試 劑 公 司 ，KH2PO4，Na2HPO4，KCl均為分析純?cè)噭?。?shí)驗(yàn)用水均為二次去離子水。

CHI600A型電化學(xué)工作站（上海辰華儀器公司），pHS-4C型酸度計(jì) （成都方舟科技開發(fā)公司），玻碳電極（天津艾達(dá)科技發(fā)展公司）。

1.2 pH傳感器的制備

將玻碳電極 (GCE,φ=4 mm)分別在0.3和0.05 μm的Al2O3上拋光打磨，用水沖洗干凈，再置于無水乙醇和水中各超聲清洗5 min，室溫下晾干。取ω(Nafion)=5%的溶液3 μL滴涂于預(yù)處理好的GCE表面，于室溫下晾干成膜。然后浸入1mL 5 mmol/L的甲苯胺藍(lán)溶液中30 min，取出后用二次水沖洗干凈并在室溫下晾干，修飾電極簡(jiǎn)寫為：TB/Nafion/GCE。當(dāng)修飾電極不使用時(shí)，保存于4℃冰箱中。圖1為電極制備過程示意圖。

圖1 TB/Nafion膜修飾電極的制備示意圖Fig.1 The preparation process of the TB/Nafion/GCE

1.3 磷酸緩沖溶液（PBS）的配制

分別取一定量的 KH2PO4、Na2HPO4和 KCl，配制 pH 為 3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0 和 6.5 的0.1 mol/L KH2PO4-Na2HPO4標(biāo)準(zhǔn)溶液（PBS）各 50mL（含 0.1 mol/L KCl作為支持電解質(zhì)）。

1.4 pH傳感器的性能測(cè)試

該實(shí)驗(yàn)采用三電極體系：飽和甘汞電極（SCE）作為參比電極，鉑絲電極作為對(duì)電極，修飾電極為工作電極。在2mL不同pH的PBS緩沖溶液中（含 0.1 mol/L KCl作為支持電解質(zhì)），在室溫下，電位掃描速率為50 mV/s，電位掃描范圍為-0.6～0.2 V，采用循環(huán)-伏安電化學(xué)方法研究了電極的響應(yīng)性能。

2 結(jié)果和討論

2.1 pH電極修飾過程的電化學(xué)循環(huán)伏安（CV）曲線

在 pH4.0 的 PBS 中，-0.6 ～ 0.2 V 的電位范圍內(nèi)以50 mV/s掃速進(jìn)行循環(huán)伏安掃描。由圖2可見，裸GCE的CV曲線上沒有出現(xiàn)氧化還原峰（曲線a），這是因?yàn)轶w系中沒有電活性物質(zhì)的存在。將Nafion膜修飾到電極上后，CV曲線的電流值進(jìn)一步降低（曲線b），說明修飾在電極表面的不導(dǎo)電的Nafion膜進(jìn)一步阻礙了電子的傳輸。當(dāng)TB與Nafion膜發(fā)生了離子交換，TB被牢固的固定在電極表面，形成TB/Nafion膜修飾電極后，該修飾電極在pH4.0的磷酸緩沖溶液中出現(xiàn)了一對(duì)可逆的氧化還原峰（曲線c），說明通過離子交換，TB成功的固定在了Nafion膜里。

圖2 不同修飾電極在0.1 mol/L PBS中的循環(huán)伏安曲線Fig.2 CVs of the electrode at different stages:(a)bare GCE,(b)Nafion/GCE,(c)TB/Nafion/GCE

2.2 修飾電極對(duì)不同pH的緩沖溶液的CV響應(yīng)

將修飾好的工作電極置于不同pH值的PBS中進(jìn)行CV掃描，得到的CV響應(yīng)曲線如圖3所示。隨著pH從3.0到6.5變化，修飾電極的氧化還原峰電流逐漸降低，對(duì)應(yīng)的氧化還原峰電位均負(fù)移。在pH=4.0時(shí)，其CV曲線表現(xiàn)出良好的可逆性。這主要是由于甲苯胺藍(lán)的氧化還原反應(yīng)中有H+參與，因而隨pH的增加，H+濃度降低，使得甲苯胺藍(lán)的氧化還原電對(duì)的氧化還原反應(yīng)可逆性減弱。

根據(jù)測(cè)試得到的循環(huán)伏安曲線，以pH為橫坐標(biāo)，還原峰電位為縱坐標(biāo)，可以得到峰電位與pH的關(guān)系曲線。由圖4可見，在pH3.0～pH6.5還原峰電位與溶液的pH呈良好的線性響應(yīng)，其線性方程為 y=-0.091 2x+0.341 9， 線性相關(guān)系數(shù)為 0.995 8。

圖3 修飾電極在 pH 為 3.0～6.5 的 0.1 mol/L PBS 的CV圖Fig.3 CV responding of the TB/Nafion/GCE in 0.1 mol/L PBS at different pH

2.3 修飾電極的重現(xiàn)性及壽命

同一根修飾電極在 pH 為 3.6,4.5,5.8 這一組緩沖溶液中，每隔一天測(cè)量一組數(shù)據(jù)，連續(xù)三天，其結(jié)果RSD≤0.42%。該電極不使用時(shí)，用蒸餾水沖洗，吸干，保存于4℃冰箱中。該修飾電極至少可以使用30 d。

圖4 測(cè)定0.1 mol/L PBS的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線Fig.4 Calibration curve of the modified GCE responding to 0.1 mol/L PBS at different pH

2.4 修飾電極的應(yīng)用

將修飾電極用于 pH3.0～pH6.5之間的任意9個(gè)樣品溶液，先用酸度計(jì)測(cè)量其pH。然后再用修飾電極進(jìn)行測(cè)定，記錄其還原峰電位值，并計(jì)算其pH（表1）。由表1可見，TB/Nafion膜修飾的pH傳感器用于弱酸性樣品pH的測(cè)定，與玻璃電極所測(cè)值是比較接近的，說明該修飾電極可以應(yīng)用于弱酸性樣品pH的測(cè)定。

表1 TB/Nafion/GCE修飾電極與玻璃電極測(cè)定不同pH的PBSTab.1 The pH of PBS determined by TB/Nafion/GCE and a glass pH electrode

3 結(jié)論

該文成功的制備了基于TB/Nafion膜修飾的電流型pH傳感器，該修飾電極可以應(yīng)用于弱酸性樣品pH的測(cè)定。

[1]Yu R Q,Zhang Z R,Shen G L.Potentiometric sensors:Aspects of the recent development[J].Chem.Sensor.,1998,18(3):9～10.

[2]薛曉康,郭興蓬,余成平.電位型聚吡咯pH傳感器的制備[J].應(yīng)用化學(xué),2005,22(4):435～439.

[3]王剛,萬其進(jìn),葉永康.pH化學(xué)傳感器的進(jìn)展[J].分析科學(xué)學(xué)報(bào),1999,15(3):246～251.

[4]卓穎,袁若.儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革嘗試:新型pH傳感器[J].現(xiàn)代預(yù)防醫(yī)學(xué),2011,38(6):1 083～1 085.

[5]Zhuo Y,Yuan R,Chai Y， et al.Amperometric enzyme immunosensors based on layer-by-layer assembly of gold nanoparticles and thionine on Nafion modified electrode surface for α-1-fetoprotein determinations[J].Sensors.Actuat.B.,2006,114:631～639.

[6]Cai C X,Xue K H.Electrochemical polymerization of toluidine blue o and its electrocatalytic activity toward NADH oxidation[J].Talanta,1998,47:1 107～1 119.阜陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，21：17～20.

[5]Liu C Y， Bard A J，Wudl F,et al.Electrochemical characterization of films of single-walled carbon nanotubes and their possible application，electrochem[J].Solid-State Lett，2001,2：915～920.

[6]Chen S H,Yuan R，Chai Y Q，et a1.Amperometric thirdgeneration hydrogen peroxide biosensor based on the immobilization of hemoglobin on multiwall carbon nanotubes and gold colloidal nanoparticles[J].Biosensors and Bioelectronics,2007,22:1 268～1 274.

[7]Kang X H,Mai Z B,Zou X Y,et al.Anovel glucose biosensor based on immobilization of glucoseoxidase in chitosan on a glassy carbon electrode modied with goldplatinum alloy nanoparticles/multiwall carbon nanotubes[J].Analytical Biochemistry,2007,369:71～79.