第 3 章 绿色合成方法制备金纳米颗粒及应用于过氧化氢检测
3.1 引言
过氧化氢（H2O2）的精确检测是非常重要的，尤其在生理学、生物医学研究，生物过程监测，食品，药学，环境保护等方面[92-96].目前，有很多技术应用于 H2O2的检测，如滴定分析法[97],荧光法[98],分光光度法[99,100],色谱分析法[101],化学发光法[102],电化学方法[103-107].基于电化学方法的生物传感器由于其制作简单、高的灵敏度、好的选择性及快速的响应信号，尤其是无酶 H2O2电化学传感器，避免了酶传感器由于高的应用电位引起灵敏度、选择性的降低，而得到了研究者的关注。贵金属纳米颗粒，尤其是金[108]、银[109]、铂[110]、铱[111]和钯[112]和它们的复合材料[113,114],由于它们独特的电子传递能力和催化性能，常被用于生物传感器。
本文介绍一种绿色方法制备金纳米颗粒（AuNP），修饰玻碳电极检测 H2O2,该方法采用葡萄糖作为还原剂[115],聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作为稳定剂，合成的金纳米颗粒稳定性好，对 H2O2有良好的催化能力，用于 H2O2的检测具有灵敏度高，选择性好，检测限低等优点。
3.2 实验部分
3.2.1 仪器与试剂
透射电子显微镜（TEM）分析采用美国 FEI公司 Tecnai G220 显微镜；紫外-可见光谱分析采用日本岛津公司 UV-2450 紫外-可见分光光度计；CHI660D 电化学工作站（上海辰华仪器有限公司）；三电极系统：修饰的玻碳电极（GCE）为工作电极，铂电极为对电极，饱和甘汞电极（SCE）为参比电极。
氯金酸（HAuCl4·3H2O）、聚乙烯吡咯烷酮、H2O2（30%,V/V）、抗坏血酸（AA）、十二水合磷酸氢二钠（Na2HPO4·12H2O）、二水合磷酸二氢钠（NaH2PO4·2H2O）均购自国药集团化学试剂有限公司；一水合葡萄糖（C6H12O6·H2O）购自天津市科密欧化学试剂有限公司；多巴胺（DA）购自于阿拉丁试剂（上海）有限公司；氮气饱和的0.1 M 磷酸盐缓冲液（PBS,pH=7.0）为支持电解质溶液。实验室所用化学试剂均为分析纯，实验室用水为超纯水（电阻率为18.25 MΩ·cm）。
3.2.2 绿色合成方法制备金纳米颗粒
在实验之前，所有玻璃仪器用王水（HCl:HNO3,3:1,V/V）浸泡 12 个小时，用超纯水清洗干净。金纳米材料制备：5 mL1 mM 氯金酸溶液与10 mL2 mg/mLPVP 在室温下磁力搅拌混合20 min,然后将所得淡黄色的混合液置于70 C 水浴中，随后加入 10 mL0.1M 葡萄糖溶液，在 70 ℃恒温下，反应至溶液变为紫红色。将所得溶液装入离心管中，以 10000 rpm 离心10 min,移除上清液，加水分散，重复上述操作三次，去除未反应的物质，最后将所得沉淀物分散在水中，备用。
3.2.3 传感器的制备
将玻碳电极用0.05 μm Al2O3粉浆抛光至镜面，分别用超纯水、无水乙醇、超纯水超声清洗3 min,然后在处理好的玻碳电极上滴加 8 μL 制备的金纳米颗粒，自然干燥，即可得到金纳米颗粒修饰的玻碳电极即 AuNP/GCE.在每次测量之前，AuNP/GCE 在 0.5 M 硫酸溶液中使用循环伏安法进行活化，扫描电位为-1.0 V到 0 V,扫描速度为50 mV/s,活化 20 圈。活化后的 AuNP/GCE 测得数据更加稳定。
3.3 结果与讨论
3.3.1 金纳米颗粒的表征
采用紫外可见吸收光谱表征了金纳米颗粒胶体溶液的光学性质，如图 3.1 所示。从图中我们可以看出，金纳米颗粒表面等离子共振特征吸收谱出现在 550 nm.
运用透射电子显微镜（TEM）对葡萄糖合成的金纳米颗粒进行表征，如图 3.2 所示。
从图中可以看到所合成的金纳米颗粒形状较规则、尺寸大小较为均匀，平均直径为 70nm.聚乙烯吡咯烷酮稳定的金纳米颗粒分布均匀，未发生团聚现象，性能稳定。
3.3.2 AuNP 修饰电极的电化学特性
为了研究 AuNP 修饰电极的电子传递特征，记录了 AuNP 修饰电极在 5 mMK3[Fe（CN）6]/K4[Fe（CN）6] （含 0.1 M KCl）溶液中循环伏安图，如图 3.3 所示。插图所示氧化峰电流、还原峰电流与不同扫描速度呈现良好的线性关系，说明 AuNP 在电极的反应为表面控制过程。
图3.4 考察了AuNP 修饰玻碳电极在N2饱和的PBS （pH=7.0）中对H2O2的催化性能。
图中（a）为未加入 H2O2空白对照，没有出现明显的还原峰；图中（b）为加入 1 mM H2O2后，出现了明显的还原峰。结果表明，AuNP 对 H2O21
3.3.3 实验条件优化
3.3.3.1 AuNP 用量对传感器响应电流的影响
图 3.5 为不同用量 AuNP 修饰电极对 H2O2响应电流值。从图中可以看出，随着 AuNP用量的增加，响应电流值逐渐增加，当用量为 8 μL 时，响应电流值达到最大，继续增加 AuNP 的用量，响应电流值反而减小，这是因为 AuNP 用量超过一定限度，反而影响了薄膜的电催化性能，所以选择 8 μL 为 AuNP 的最佳用量。
3.3.3.2 工作电位对传感器响应电流的影响
图 3.6 为工作电位对传感器响应电流值的影响。在-500~600 mV电位范围内，测定了该传感器对2 mM H2O2的响应电流值。从图中可知，负电位响应大于正电位响应，到了-200 mV信号增加就趋于平缓，当工作电位为-400 mV时，响应电流值达到最大。由于在过高负电位下，测定 H2O2时更容易受到溶液中其他电活性物质的干扰[116],所以取-200 mV 为优化工作电位。
3.3.3.3 缓冲液 pH 值对传感器响应电流的影响图 3.7 是支持电解质PBS 的 pH 值对传感器测定2 mM H2O2响应电流值的影响。实验表明，当 pH 值为 7.0 时，该传感器的响应电流值最大。所以，选择 PBS （pH=7.0）为支持电解质溶液。
3.3.4 传感器的分析性能
3.3.4.1 线性实验
图 3.8 是 AuNP/GCE 在 N2饱和的0.1 M PBS （pH=7.0）中的计时电流值与 H2O2的浓度线性关系曲线图。从图中可以看出，计时响应电流与 H2O2浓度在 0.005-3.5 mM 范围内，呈良好的线性关系，相关系数 R=0.998,检出限为2.0 μM.线性范围比纳米金-辣根过氧化氢酶修饰电极[117]和铂纳米花传感器[118]宽，检出限比银纳米颗粒修饰电极和纳米银-单壁碳纳米管传感器[120]低。
3.3.4.2 重复性和重现性实验
用同一支修饰电极测定2 mM H2O2,连续测6 次，相对标准偏差（RSD）为4.29%,表明传感器能够重复使用。
取 6 根修饰电极测定 2 mM H2O2,考察传感器的重现性，相对标准偏差（RSD）为5.82%,表明传感器的重现性较好。
3.3.5 干扰实验
为了证明 AuNP/GCE 的选择性及抗干扰能力，我们选取抗坏血酸和多巴胺作干扰物质。图3.9 为 AuNP/GCE 在 N2饱和的0.1 M PBS （pH=7.0）中，测定0.7 mM H2O2、AA和 DA的计时电流响应图。从图中可以看出，AA（0.054 μA）和 DA（0.067 μA）响应电信号远小于 H2O2（1.7 μA）响应电信号，表明干扰物质对 H2O2测定影响较小。说明我们所制备的传感器具有良好的选择性及抗干扰能力。
3.4 小结
采用葡萄糖作还原剂，聚乙烯吡咯烷酮作稳定剂制备新型绿色金纳米颗粒，并应用于过氧化氢的检测。该制备方法简单，易于操作，不产生有毒有害物质。所制备的AuNP/GCE 对 H2O2检测灵敏度高，选择性好，检测范围宽，检出限低，这些都归因于制备的金纳米颗粒良好的导电性及催化性能。该方法制备的金纳米颗粒有望进一步应用于其他生物传感器的开发。
