生物模板法制备的PdPt合金纳米管用于检测H2O2

    郭家旺　刘琴　栗大超　林园　王倩

    

    

    

    摘 要 利用烟草花叶病毒 （TMV） 外表面的拓扑结构以及均匀分布的精氨酸残基， 基于生物模板法， 合成了钯（Pd）纳米管， 进一步通过溴离子（Br-）诱导的电置换方法合成了PdPt合金纳米管 （TMV/PdPtNT）。TMV/Pd70Pt30NT的一维结构和管状结构使此材料具有高电化学活性的比表面积和良好的导电性。这些结构优势与PdPt双金属电子效应协同， 提高了PdPt合金的催化活性。采用TMV/Pd70Pt30NT修饰丝网印刷电极 （SPE/TMV/Pd70Pt30NT）， 检测H2O2的线性范围为8.8×10×10-3 mol/L， 检出限为2.0×10-7 mol/L。本方法对H2O2的检测灵敏度达到493 A/（cm2·mol）， 高于Pd纳米管 （TMV/PdNT） 和商业Pt/C。

    关键词 烟草花叶病毒; 钯铂合金; 纳米管; 过氧化氢; 电化学传感器

    1 引 言

    过氧化氢 （H2O2） 是生命体内的重要信号分子， 与人体内的细胞凋亡、神经干细胞的修复、白细胞的趋药性和昼夜节律等生理活动息息相关[1]。然而， 过量的H2O2在细胞和组织内聚集会产生氧化应激反应， 对蛋白质、DNA和脂质等生物分子产生破坏， 从而导致多种病理过程， 如癌症、阿尔兹海默症及自身免疫疾病等[2，3]。因此， 研发快速、灵敏、准确的H2O2检测方法对于临床医学和基础生物学研究具有非常重要的意义。

    目前， 比色法、荧光法、电化学法等策略已被用于检测H2O2[4～6]。电化学方法具有操作简便、响应速度快、检测限低、可连续监测等优势， 在各个领域应用广泛[7～9]。为了提高H2O2电化学传感器的检测灵敏度， 通常对电极表面进行修饰， 以增大电极的有效面积， 促进电子传递， 提高电化学反应速率[10]。近年来， 各种功能性纳米材料被用于制备修饰电极， 其中， 基于铂的纳米催化剂 （Pt基催化剂） 因具有导电性好、催化活性高和过电势低等优势， 已被用于制备H2O2、乳酸、乙酰膽碱等电化学生物传感器[6，11～13]。考虑到Pt在地壳的丰度低且价格昂贵， 研究者一直致力于调控Pt基纳米催化剂的组分、尺寸和拓扑形貌等参数， 以优化催化剂与反应物的结合能和提高Pt原子在催化剂表面的占比， 最终提高Pt基纳米催化剂的活性[11，14～16]。Lu等[17]制备了钯铂 （PdPt） 合金多孔纳米棒。Hong等[18]制备的AuPt和AuPtCu纳米线， 既通过合金效应改变了Pt的电子结构以优化其对反应物的结合力， 又利用多孔结构提高了表面原子的暴露比和物质传递速率; 同时， 该材料还具有一维金属纳米材料的高比表面积、良好导电性的优点， 极大地提高了催化剂的活性。

    与纳米线和纳米棒相比， 纳米管具有更高的比表面积和物质传递效率， 以及相对更高的催化活性[15，19]。天然烟草花叶病毒颗粒 （TMV） 由2130个衣壳蛋白分子围绕单个RNA分子组装形成长为300 nm、外径为18 nm、内径为4 nm的纳米管[20，21]。在本研究组的前期工作中， 利用TMV外表面丰富且均匀分布的氨基酸残基， 在其外表面均匀地沉积了粒径为（2.0±0.5） nm的Pt纳米颗粒[22]。在此基础上， 本研究以TMV 为模板， 联合电置换反应 （Galvanic replacement reaction）合成了PdPt合金纳米管 （TMV/PdPtNT）， 制备了H2O2电化学传感器。首先将Pd晶体种子密集且均匀地沉积于TMV的外表面， 获得TMV/Pd 种子 （图1a）， 利用Pd种子自催化Pd前体离子 （[PdCl4]2-），? 在TMV外表面原位还原并增长。由于在TMV表面的Pd种子间距小， 持续增长的Pd金属最终形成连续的Pd纳米管 （TMV/PdNT） （图1b）。然后， 采用Br-诱导电置换反应， 用[PtCl6]2-将部分的Pd原子置换成Pt原子， 制备了PdPt合金纳米管 （TMV/PdPtNT） （图1c）。此材料的各向异性结构和管状结构将协同提高催化剂表面原子的占比和物质传递效率。同时， Pd金属的引入将优化Pt金属的电子结构， 进一步提高金属的催化活性及稳定性， 最终提升了H2O2电化学传感器的综合性能。

    2 实验部分

    2.1 仪器与试剂

    TECNAI F20 EM 透射电子显微镜 （美国 FEI公司）; CHI 660D 电化学工作站 （上海辰华公司）; L-80XP 超速离心机（美国贝克曼公司）; XL30-ESEM 扫描电子显微镜 （荷兰飞利浦公司）; Xseries II 电感耦合等离子体质谱仪 （美国赛默飞公司）; RODI 超纯水机 （中国锐思捷公司）。

    六氯铂酸（H2PtCl6）、H2O2、KH2PO4、Na2HPO4、NaCl和KBr（分析纯， 国药集团化学试剂有限公司）;? 四氯钯酸钠 （Na2PdCl4， 99%， 伊诺凯公司）; 聚苯乙烯磺酸钠 （PSS）、聚二烯丙基二甲基氯化铵 （PDDA， 美国Sigma-Aldrich公司）; 硼氢化钠 （NaBH4， 98%）、L-抗坏血酸 （分析纯， 阿拉丁公司）; 聚乙烯吡咯烷酮K30 （PVP， 日本梯希爱公司）; 全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物乙醇溶液（Nafion， 5%， 美国Sigma-Aldrich公司）。丝网印刷电极 （SPE， Xenslet工作室）， 工作电极（WE）直径为2.5 mm。 实验用水为超纯水。

    2.2 PdPt合金纳米管的合成

    2.2.1 TMV/Pd种子的制备 将1.5 mL TMV （2 mg/mL） 和30 mg PSS 加入到8.0 mL Na2PdCl4 溶液 （6.3 mmol/L） 中， 室温搅拌30 min。快速加入10.0 mL NaBH4溶液 （5 mmol/L）， 继续搅拌1 h， 7500 r/min离心20 min， 沉淀用超纯水离心洗涤3次。

    2.2.2 TMV/PdNT的合成 将50 mg PVP、1 mL Na2PdCl4溶液 （10.0 mmol/L） 依次加入到10 mL TMV/Pd 种子溶液中 （Pd浓度为15.0 μg/mL），? 搅拌均匀。取0.8 mL抗坏血酸 （100 mmol/L） 快速加入到上述溶液中， 室温下持续搅拌12 h， 500 r/min离心5 min， 沉淀用超纯水离心洗涤3次。

    2.2.3 TMV/PdPtNT的制备 将17 mg PVP、150 mg KBr和0.5 mL TMV/PdNT分散液 （17.6 mmol/L）加入到10 mL水中， 搅拌均匀， 加热至 90℃。取2 mL不同浓度的H2PtCl6溶液加入到上述溶液中， 搅拌12 h，? 500 r/min离心5 min， 沉淀用超纯水离心洗涤3次。

    2.3 电化学传感器的制备及电化学表征

    SPE的WE和对电极 （CE） 均为碳电极， 参比电极 （RE） 为Ag/AgCl （饱和KCl溶液） 电极， WE的直径为2.5 mm。将SPE插入0.5 mol/L H2SO4中， 在-0.25Symbol～[email protected] V范围内， 用循环伏安法扫描100 次， 进行电化学清洁， 扫描速率为0.2 V/s， 然后用超纯水冲洗干净， N2气吹干。吸取4.0 μL Pt/C或TMV/PtPdNT分散液 （Pt浓度为2.0 mg/mL） 滴在WE电极表面， 自然晾干。吸取2 μL 0.05%（w/w） Nafion乙醇溶液滴于WE电极表面， 自然晾干。

    采用电化学工作站测试循环伏安曲线 （CV） 和计时电流响应。电化学活性比表面积 （ECSA） 由金属纳米材料表面在0.5 mol/L H2SO4溶液中CV曲线上氢的脱/吸附峰的积分面积确定， 扫描速度为50 mV/s。电化学传感器对H2O2的响应在氮气饱和的0.1 mol/L磷酸盐缓冲液 （pH 7.4） 中测定。

    3 结果与讨论

    3.1 TMV/PdPtNT的合成与表征

    本研究以TMV为模板， 利用其表面的精氨酸残基富集钯前体离子 （[PdCl4]2-）， 加入还原剂NaBH4后， 将Pd纳米颗粒沉积在TMV外表面而获得TMV/Pd 种子。如图2A所示， TMV拥有管状一维结构， 沉积Pd后所获的TMV/Pd种子依然保持着TMV的一维结构 （图 2B）。由于TMV具有均一的物理性质和拓扑结构， 以及均匀分布的精氨酸， Pd纳米颗粒均匀地沉积在TMV的外表面， 大小为（2.7±0.6） nm（图2C和2D）。

    在增长液中， Pd纳米颗粒可自催化抗坏血酸 （AA） 还原[PdCl4]2-，生成Pd原子， 并诱导其在TMV表面增长成Pd纳米管 （TMV/PdNT） （图3A和3E）。然后， 采用Br-诱导的电置换反应， 用[PtCl6]2-置换Pd原子， 生成Pt原子， 并原位沉积在Pd纳米管的表面， 最终形成管状结构的PdPt合金， 如图3A～3H所示。由TMV/Pd70Pt30的高分辨透射电镜图 （HRTEM， 图3I）可见， 其晶面间距为0.225 nm， 这与PdPt合金的晶面间距相符。为了确认Pd和Pt元素在TMV/Pd70Pt30纳米管上的分布， 对其进行元素扫描分析， 如图3J、3K和3L所示， TMV/Pd70Pt30NT均匀分布着Pd和Pt元素， 说明形成了PdPt合金。

    3.2 电极的电化学活性

    将不同的金属纳米材料修饰在SPE表面， 考察不同材料对H2O2的电化学催化活性。H2O2电化学氧化还原是在催化剂表面进行的， 因此，催化剂的比表面积是评价催化性能的重要参数。单层氢在金属催化剂表面脱/吸附峰的总电荷量可由传感器在0.5 mol/L H2SO4中CV曲线上-0.21～0.1 V之间的峰面积测得。参考文献[23]中扣除双电层充电电量后氢的脱/吸附电量210 μC/cm2， 可计算出电化学活性比表面积 （ECSA）。 PdPt合金纳米管的ECSA随着Pt含量的提高而增大， 其中TMV/Pd70Pt30最高 （80.8 m2/g）， 是TMV/PdNT的1.7倍， 与商业Pt/C相当 （图4A）。结合图3的TEM图分析， 推测这是由于Pt原子置换TMV/PdNT的Pd原子后， 形成粗糙结构， 导致电化学比表面积增加。

    [FeCN6]3-/4-在传感器表面进行的准可逆单电子氧化还原反应常被用于研究电极的电子传递速率[24，25]。由图4B可见各电极的氧化峰和还原峰的电位差 （ΔEp）：空白SPE电极为477 mV， SPE/TMV/PdNT为163 mV， SPE/TMV/Pd95Pt5NT为97 mV，? SPE/TMV/Pd88Pt12NT為100 mV，? SPE/TMV/Pd70Pt30NT为93 mV， SPE/Pt/C为117 mV。上述结果表明， 修饰了金属纳米催化剂后的电极ΔEp远小于空白SPE， 说明电极的电子传递速率得到了极大的提高。与Pt/C和其它纳米管相比， SPE/TMV/Pd70Pt30NT的ΔEp最小， 表明SPE/TMV/Pd70Pt30NT具有较高的电子传递速率。

    3.3 修饰电极对H2O2的催化还原

    如图5所示， 金属催化剂修饰的SPE电极在电位0.1 V时出现H2O2的还原峰， 且电流值远高于空白SPE。与其它纳米管和商业Pt/C相比， TMV/Pd70Pt30NT具有较高的还原电流。因此， TMV/Pd70Pt30NT的一维结构和双金属效应协同作用， 提高了其对H2O2的催化活性。同时发现， TMV/Pd70Pt30NT的CV曲线的还原峰电流与H2O2浓度呈良好的线性关系 （图6A和6B）。考察了H2O2存在下， 不同降低， 还原峰的电流值减小 （图6C）。还原峰电流 （I） 与扫描速度的平方根 （v1/2） 呈线性关系， 说明H2O2在SPE/TMV/Pd70Pt30NT表面的还原是扩散控制的不可逆过程 （图6D）[10]。

    3.4 电极对H2O2的计时电流响应

    在工作电位分别为-0.3、-0.2、-0.1、0和0.1 V时， 考察了电极对H2O2计时电流响应和检测灵敏度。结果表明， 在工作电位为-0.2 V时， SPE/TMV/Pd70Pt30NT的检测灵敏度最高， 如图7A所示。工作电位-0.2 V时， 对比了不同电极的灵敏度。金属纳米催化剂修饰的SPE电极的灵敏度远高于空白SPE电极。TMV/PdPtNT修饰的电极中， SEP/TMV/Pd70Pt30NT的灵敏度最高， 且优于SPE/TMV/Pt/C， 此结果与图5的实验结果相符， 同时也说明SEP/TMV/Pd70Pt30NT更适于H2O2的检测 （图7B）。

    向N2饱和的磷酸盐缓冲液中持续加入不同量的H2O2， 考察了SPE/TMV/Pd70Pt30NT對H2O2的检测性能。如图8A所示， 加入H2O2后， 电流可在5 s内达到平衡。H2O2的浓度与电流值呈良好的线性关系， 线性范围为8.8×10-7～1.0×10-3 mol/L， 检出限 （LOD） 为2.0 × 10-7 mol/L （S/N=3） （图8B）。与文献报道的其它H2O2电化学传感器相比， 本传感器线性范围和检出限与文献报道的传感器相当或者更优（表1）。在生理条件下检测H2O2时， 常会存在其它电化学活性物质的干扰。选择常见的电化学活性物质， 如葡萄糖 （Glu）、多巴胺（DA）和抗坏血酸 （AA） 等， 测试了SPE/TMV/Pd70Pt30NT对H2O2响应的选择性。在加入H2O2后， SPE/TMV/Pd70Pt30NT的电流值迅速降低; 而加入Glu、DA和AA时， 电流值均未有明显变化; 再次加入H2O2， 电流值则继续降低， 说明SPE/TMV/Pd70Pt30NT对H2O2具有良好的选择性（图8C）。

    4 结 论

    利用TMV外表面均一的拓扑形貌和丰富且均匀分布的精氨酸残基， 采用模板法和Br-诱导的电置换法， 合成了PdPt合金纳米管 （TMV/PdPtNT）。TMV/Pd70Pt30NT的HRTEM和元素分布图均验证了Pd和Pt形成了合金结构。TMV/Pd70Pt30NT的一维纳米管状结构提高了Pt材料的电化学活性比表面积和导电性， 并与PdPt双金属效应协同， 提高了Pt催化剂对H2O2的催化活性。将此材料用于制备H2O2电化学传感器 （SPE/TMV/Pd70Pt30NT） 并对其性能进行表征， 传感器的检测灵敏度达到493 A/（cm2 mol）， 高于以Pd纳米管 （TMV/PdNT） 和商业Pt/C为催化剂的传感器。另外， 此传感器具有宽线性范围（8.8 × 10-7～1.0 × 10-3 mol/L）和低检出限（2.0 × 10-7 mol/L）， 以及良好的选择性。

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    Synthesis of PdPt Nanotubes Using Biotemplate and

    Their Application in Detection of H2O2

    GUO Jia-Wang1，2， LIU Qin1，2， LI Da-Chao3， LIN Yuan， WANG Qian1，2，4

    1（The State Key Laboratory of Polymer Physics and Chemistry，

    Changchun Institute of Applied Chemistry， Chinese Academy of Sciences， Changchun 130022， China）

    2（University of Science and Technology of China， Hefei 230026， China）

    3（Tianjin University， Tianjin 300072， China）

    4（Department of Chemistry and Biochemistry， University of South Carolina， Columbia， South Carolina 29208， USA）

    Abstract Utilizing the well-defined topography and uniformly distributed arginine resides on tobacco mosaic virus （TMV） exterior surface， we demonstrated a combined strategy of the biotemplate- and bromide ion induced galvanic replacement method to synthesize one tubular dimension （1D） PdPt alloy. The 1D and tubular structure of TMV/Pd70Pt30NT resulted in the improvement of electrochemically active specific surface area （ECSA） and conductivity. These advantages and PdPt bimetallic electronic effects synergistically led to high electrochemical catalytic activity of TMV/Pd70Pt30NT toward H2O2. The modified screen-printed electrode modified by TMV/Pd70Pt30NT （SPE/TMV/Pd70Pt30NT） had high sensitivity （493 A/（cm2·mol））， which was higher than the SPE modified by Pd nanotube （TMV/PdNT） and commercial Pt/C. Additionally， the electrodes have wide linear detection range of 8.8 ×10-7-1.0 ×10-3 mol/L for detection of H2O2， with low detection limit of 2.0 × 10-7 mol/L（S/N=3）.

    Keywords Tobacco mosaic virus; Platinum-palladium Alloy; Nanotube; Peroxide hydrogen; Electrochemical sensor