镍氢氧化物薄膜修饰玻碳电极的制备及其对L-赖氨酸氧化的电催化活性研究

刘晓芹，郝 瑶，郭满栋

(山西师范大学 化学与材料学学院，山西 临汾 041004)

氨基酸作为人体第一营养素——蛋白质的基本组成单位在许多神经化学机制(如记忆、食欲、疼痛的控制和传输等)中起到关键作用[1-2]. 这些化合物由于缺失天然生色团和荧光团而不能运用光谱法和荧光法对其测定，因此运用直接电化学法对氨基酸的测定引起人们的广泛关注. 许多关于氨基酸电吸附、电氧化的研究主要是以贵重金属(如铂、金、银)为基底[3-10]，这些研究的弊端是中间产物的聚积和吸附而引起的电极污染严重. 为了改善这一弱点，包括镍及其氢氧化物在内的修饰材料被引入.

镍氢氧化物膜的形成理论上有多种方法：镍金属的电氧化，Ni(NO3)2在电解质中的阴极沉积，微量含Ni2+溶液的挥发[11-12]等. 镍的氢氧化物是一种多功能材料，它在电变色、氨基酸、糖类、醇类、双氧水以及甲烷等的测定方面的广泛应用已有报道[13-17]. 如此广泛的应用与它的化学稳定性、与电极的兼容性是分不开的. 镍氢氧化物膜能强烈吸附有机物质并对有机分子的氧化起到催化作用.

作者利用恒电位沉积法成功将镍的氢氧化物沉积到玻碳电极表面，制备了稳定性高、催化活性好的镍氢氧化物膜修饰玻碳电极. 并对膜形成过程中的关键因素进行了研究，确定了制备具有最佳催化活性镍氢氧化物膜的方案. 将膜电极用于生物样品L-赖氨酸的测定，发现此膜电极对L-赖氨酸在电极表面的电化学反应具有明显的催化作用. 据此制备了一种制备过程简单、稳定性好的电流型传感器.

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

LK2005A型电化学工作站(天津市兰力科化学电子高技术有限公司)；雷磁PXSJ-216型离子计(上海精密科学仪器有限公司)；KQ-250B超声波清洗器(昆山市超声波仪器制造厂).

电化学实验采用三电极体系：Ag/AgCl(饱和KCl)电极为参比电极；铂丝电极为辅助电极；空白玻碳电极和镍氢氧化物膜修饰玻碳电极为工作电极.

NaOH,KCl,NiCl2(天津科密欧化学试剂开发中心)；制备了0.5×10-3～4.0×10-3mol/L不同浓度的NiCl2溶液.L-赖氨酸(郑翔化学试剂研究所)，储备液浓度为1.0×10-3mol/L，储存于4 ℃待用. 所用玻璃仪器依次用HNO3、乙醇、二次蒸馏水清洗，晾干后使用；其余实验所用试剂均为分析纯；实验用水为二次蒸馏水；所有电化学试验均在室温下进行.

1.2 修饰电极的制备

1.2.1 玻碳电极预处理

取玻碳电极,先后用0.3 μm Al2O3和0.05 μmAl2O3抛光成镜面，依次用二次蒸馏水，HNO3溶液(体积比1∶1)，丙酮，二次蒸馏水超声洗涤，各5 min，N2吹干备用.

1.2.2 镍氢氧化物膜修饰过程

将预处理的玻碳电极浸入由1.0 mol/LKCl配制的0.3 mol/L的NiCl2溶液中，恒电位下富集310 s，随后在-0.8 ～1.2 V范围内以100 mV/s的速率循环伏安扫描6圈，将电极移至0.1 mol/L的NaOH溶液中，在0.1 ～0.7 V电位范围内，扫速340 mV/s,循环伏安扫描直至曲线稳定，即得到镍氢氧化物膜修饰的玻碳电极. 用二次蒸馏水洗净晾干备用.

1.2.3 样品测定

采用三电极体系(镍氢氧化物膜修饰电极为工作电极，Ag/AgCl(饱和KCl)为参比电极，铂丝电极为辅助电极)，在KCl-NaOH缓冲溶液中对L-赖氨酸进行测定.

2 结果与讨论

2.1 镍氢氧化物膜的形成

2.1.1 镍氢氧化物膜的制备

图1是在镍氢氧化物膜形成过程中，镍离子在1.0 mol/LKCl溶液中在玻碳电极上发生反应的循环伏安图. 图中出现了一个阴极峰和两个阳极峰，对应的电位分别是0.420、0.726、1.064 V. 推测这是由于在负向扫描的过程中，已经富集的Ni2+被还原成镍膜沉积到玻碳电极上，在正向扫描时镍又被氧化且与溶液中的Cl-形成不同配位数的镍氯配合物，与两个阳极峰相对应.

将电极移至0.1 mol/L的NaOH溶液中，其沉积的循环伏安图见图2.由图可见随着扫描圈数的增加，氧化峰与还原峰间的电位差(ΔE=Epa-Epc)逐渐增大，表明反应的可逆性逐渐变差. 峰电流也随之增大并趋于稳定，推测是由于镍氢氧化物膜逐渐沉积，使OH-的浓度逐渐降低，扩散到电极表面参加反应的OH-越来越少. 具体反应过程表示为：

制备好的镍氢氧化物膜修饰电极用二次蒸馏水洗净、晾干.

图1 1.0 mol/L KCl溶液中的镍离子在玻碳电极上的循环伏安图 扫描速度：0.1 V/sFig.1 CV of 1.0×10-3 mol/L nickel ion on the bare CPE in 1.0 mol/L KCl at a scan rate of 0.1 V/s

图2 镍氢氧化物膜在0.1 mol/L的NaOH溶液中沉积过程的循环伏安图扫描速度：0.34 V/sFig.2 CV of electrodeposition of nickel hydroxide film on the bare GCE in 0.1 mol/L NaOH at a scan rate of 0.34 V/s

2.1.2 镍氢氧化物膜制备条件优化

为了得到均匀的、电流响应高的镍氢氧化物膜电极，对恒电位沉积过程中的富集时间t(s)以及镍离子浓度进行了研究. 研究了沉积时间在200 ～360 s范围内，所形成的镍氢氧化物膜电极对L-赖氨酸催化活性的影响. 通过测量还原峰电流的大小来表征催化活性的高低. 富集时间很短时，形成的镍氢氧化物膜较薄，参与反应的活性位点少，电流响应低；随着富集时间的增加氢氧化物膜越来越厚，参加反应的活性位点随之增多，电流响应高；当沉积时间过长时，沉积的镍氢氧化物膜过厚，电子传递阻力增大，使电流响应降低. 优化结果如图3所示，可知优化富集时间为310 s.

图3 富集时间对镍氢氧化物膜催化活性的影响Fig.3 The plot of reductive peak currents vs. accumulation time

图4 镍离子浓度对镍氢氧化物膜修饰电极催化活性的影响Fig.4 The plot of reductive peak currents vs. concentration of nickel ion

图4所示是镍氢氧化物膜修饰电极催化活性随镍离子浓度变化关系图. 由图4可见在一定范围内，镍离子浓度越大，所成膜的活性越高，并在1.0×10-3mol/L达到最高. 当镍离子浓度再继续增大时，所成膜的传质阻力也随之增大，而使膜的催化活性降低.

图5为在0.1 mol/L的NaOH溶液中，镍氢氧化物膜修饰电极在不同扫描速度下的循环伏安图. a～i,a′～i′表示扫描速率分别为160、180、220、240、260、280、300、320、340 mV/s.

由图5可见在160～340 mV/s范围内，随着扫速的增加，所成膜的电化学响应增高，并在340 mV/s时达到最大. 如图6所示，在扫速160～340 mV/s范围内，氧化峰电流与扫速的平方根成正比，线性方程为Ipa(μA)=-96.379v1/2(V/s)+7.290 5. 表明镍氢氧化物膜在玻碳电极表面的电化学反应是受扩散控制的.

图5 镍氢氧化物膜修饰电极在0.1 mol/L NaOH中，在不同扫描速率下的循环伏安图Fig.5 CV of nickel hydroxide with different scan rate on GCE in 0.1 mol/L NaOH

图6 氧化峰电流与扫描速度平方根关系Fig.6 The plot of anodic peak currents vs. square root of scan rates

2.2 电极的表征

用循环伏安法对修饰过程中电极表面的变化进行表征，图7为裸电极和镍氢氧化物膜修饰电极在含有0.4 mol/LKNO3,4.0×10-4mol/L K3Fe(CN)6液溶中的循环伏安图. 曲线a中可见一对较弱的氧化还原峰，且可逆性较差，而在曲线b中氧化峰电流和还原峰电流均明显增大，峰间距缩小，可逆性变好，表明镍氢氧化物膜促进了电子在电极表面的传递速度. 这可能与电极表面电化学反应Ni(OH)2/NiOOH促进了电子转移有关.

2.3 镍氢氧化物膜修饰电极的电化学行为

图8为裸玻碳电极和镍氢氧化物膜修饰玻碳电极在含1 mmol/L的L-赖氨酸的0.1 mol/L的NaOH溶液中的循环伏安图. 由曲线a可以看出，L-赖氨酸在裸玻碳电极上没有响应，表明L-赖氨酸在此电化学窗口(0.1～0.7 VvsAg/AgCl)下是稳定的. 但是在镍氢氧化物膜修饰电极上，可以看到一对明显的氧化还原峰，表明镍氢氧化物膜电极对L-赖氨酸具有电催化作用. 且Epa和Epc分别为0.427 V和0.334 V, ΔE=0.083 V，氧化峰和还原峰电流之比Ipa/Ipc= 2.36 ≠1，表明L-赖氨酸在镍氢氧化物膜修饰电极上发生了不可逆的电化学反应，镍氢氧化物膜对L-赖氨酸在玻碳电极上的电化学反应具有催化作用.

图7 两种电极在探针分子K3[Fe(CN)6]溶液中的CV图(a)裸玻碳电极(b)镍氢氧化物膜修饰电极Fig.7 CV of blank glass carbon electrode(a) and modified glass carbon electrode (b) by nickel hydroxide film in K3 [Fe(CN)6] solution

(a)裸电极(b)镍氢氧化物膜修饰电极图8 两种电极在含1mmol/L L-赖氨酸的0.1 mol/L的KCl-NaOH溶液中的CV曲线Fig.8 CV of two electrode in 0.1 mol/L KCl-NaOH solution containing 1 mmol/L L-lysine

(a)不含L-赖氨酸的KCl- NaOH溶液(b)含1mmol/L L-赖氨酸的KCl-NaOH溶液图9 镍氢氧化物膜修饰电极在两种溶液中的循环伏安图Fig.9 CV of modified glass carbon electrode by nickel hydroxide film in KCl-NaOH solution(a)and KCl-NaOH solution containing 1 mmol/L L-lysine(b)

图9为镍氢氧化物膜修饰电极在缓冲溶液(pH= 12.6的KCl-NaOH溶液)和含1 mmol/LL-赖氨酸的底液中的循环伏安图. 由曲线a可以看出镍氢氧化物膜修饰电极在缓冲溶液中有一对明显的氧化还原峰，当缓冲溶液中加入1 mmol/L的L-赖氨酸以后，电流响应明显降低，原因推测为L-赖氨酸中的-COOH在碱性条件下去质子化，与带负电的镍氢氧化物膜表面存在排斥作用，使电流响应降低.

2.4 实验条件优化

2.4.1 pH的影响

镍氢氧化物膜修饰电极在不同pH(12.0～13.0)的KCl-NaOH缓冲溶液中对L-赖氨酸的催化作用不同，具体情况如图10所示.

当12.0< pH <12.6时，氧化峰电流随着pH增大而增大，当12.6< pH <13.0时，氧化峰电流随pH增大而减小. 当pH=12.6时，L-赖氨酸在KCl-NaOH缓冲溶液中的氧化还原峰峰形好，峰电流响应最高，所以pH=12.6被选做本实验的最佳pH. 取氧化峰与还原峰电位的平均值做式量电位E0′，图11研究了式量电位与pH的关系，当12.0

图10 氧化峰电流与pH关系图Fig.10 The plot of anodic peak currents vs.pH

图11 式量电位与pH的关系图Fig.11 The plot of E0′ vs. pH

2.4.2 扫描速率的影响

如图12所示，扫描速率在0.16 ～0.34 V/s范围内，氧化峰电位随扫描速率的增大而向正电位方向移动，E-logv(V/s)的线性方程为：E=0.059 7 logv(V/s)+0.466 7斜率2.303RT/ɑnF=0.059 7，代入求的ɑn=0.99，ɑ=0.5，n≈2, 表明L-赖氨酸在镍氢氧化物膜修饰电极上发生的反应有两个电子参加.

图13是氧化峰电流与扫描速率线性关系图，线性方程是Ipa(μA)=-146.88v(V/s)+6.8427，R2=0.995 5. 表明L-赖氨酸在镍氢氧化物膜修饰电极上发生的电化学反应主要受表面吸附控制.

2.4.3 线性范围与检出限

用差示脉冲伏安法研究了镍氢氧化物膜修饰电极对生物样品L-赖氨酸的电化学响应，结果如图14所示. 图15是氧化峰电流与L-赖氨酸浓度在1.0 ×10-5～1.0×10-4mol/L范围内的线性关系图，L-赖氨酸浓度在1.0 ×10-6～1.0×10-5mol/L，4.0 ×10-7～1.0×10-6mol/L范围内与峰电流均呈现良好的线性关系，线性回归方程和相关系数如下：

ip=0.949 9c-41.293(ip:μA，c:1.0 ×10-5mol/L)r=0.993;

ip=0.937 5c-50.228(ip:μA，c:1.0 ×10-6mol/L)r=0.995;

ip=0.706 8c-80.592(ip:μA，c:1.0 ×10-7mol/L)r=0.976;

检出限为4.0×10-7mol/L.

图12 不同扫描速率下3.0×10-4mol/L 的L-赖氨酸在镍氢氧化物膜修饰电极上的CV图Fig.12 CV of 3.0×10-4mol/L L-lysine solution on glass carbon electrode modified by nickel hydroxide film with different scan rate

图13 氧化峰电流与扫描速率关系图Fig.13 The plot of anodic peak currents vs. scan rates

(a) 9.0×10-5 (b)8.0×10-5 (c) 7.0×10-5 (d)6.0×10-5(e)5.0×10-5(f) 4.0×10-5 (g) 3.0×10-5(h) 2.0×10-5 mol/L图14 修饰电极在不同浓度的L-赖氨酸下的差示脉冲伏安图Fig.14 DPV of different concentrations of L-lysine at The Ni(OH)2/GCE

图15 还原峰电流与L-赖氨酸浓度的线性关系图Fig.15 The plot of reductive peak currents vs. concentration of L-lysine

2.4.4 稳定性和重现性

在相同条件下，制备同一批镍氢氧化物膜修饰电极5根，分别对1 mmol/L的L-赖氨酸测定5次，不同电极之间，计算相对标准偏差RSD为4.9%，同一电极不同次测定的标准偏差RSD为4.7%. 表明镍氢氧化物膜修饰电极的重现性较好. 制备修饰电极3根，放于室温下7 d，电极响应性能为初始值的94%, 20d后，电极响应性能为初始值的82.9%，表明镍氢氧化物膜修饰电极具有一定的稳定性. 电极不用时，于冰箱中-4 ℃保存备用.

3 结论

实验利用恒电位沉积法制备了镍氢氧化物膜修饰电极，并对膜形成过程中的影响因素进行了研究，确定了当镍离子的浓度为1.0×10-3mol/L，富集时间为310 s时，所形成的镍氢氧化物膜具有最佳催化活性；且此膜形成过程受扩散控制. 将膜电极用于生物样品L-赖氨酸的测定，确定了膜电极在最佳实验条件下对L-赖氨酸具有明显的催化活性，检测限达4.0×10-7mol/L.

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