闫 瑞，朱 杰，刘小强

（河南大学 化学化工学院，河南 开封 475004）

近年来，随着材料科学的发展，纳米复合材料在光、电、磁和传感器等方面的应用研究越来越多［1-2］，主要原因是复合之后的纳米材料不但能够保持原有单一材料的性能与效应，而且还可能具有更加优异的纳米协同效应.碳纳米管（CNTs）是1991年发现的一种新型碳材料［3］，由于其具有独特的电学性能、明显的量子效应、大的比表面积、高的稳定性以及强的吸附性能而被广泛研究.CNTs在作为电极用于化学反应时能够促进电子转移，增大电流响应，提高电化学反应的速率以及电极的选择性和灵敏度，可以测定多种具有电活性的样品［4-5］.CNTs的电化学和电催化行为研究已有不少报道，例如：BRITTO等［6］首先将碳纳米管制成电极并用于对神经递质多巴胺的电催化氧化，开辟了碳纳米管应用的新领域.但他们所使用的碳纳米管表面具有含氧官能团，制成的电极会有较强电化学干扰峰，充电电流也较大.为了克服这一不足，本文作者引入纳米二氧化钛（TiO2）或钛酸盐，二者在光学、电学和生物学等方面的独特性能成为目前研究较为活跃的无机纳米材料之一［7］，尤其是钛酸盐纳米管（TNTs），其不仅具有大的比表面积、强的化学热稳定性、好的分散性能和抗氧化能力等优点，同时还兼具良好的生物相容性，被广泛用于构建生物传感器［8］.目前TiO2纳米材料已成功地用于固载酶、DNA等生物活性物质，可提高酶的吸附量和稳定性以及增强酶的生物活性［9］.为了制备性能更好的纳米复合材料，本实验以TiO2纳米颗粒为前体，采用碱性水热法合成钛酸盐纳米管（TNTs）与碳纳米管的复合纳米材料（MWCNT-TNT），并以Nafion和室温离子液体（［Demim］Br）作为粘合剂，将复合纳米材料和辣根过氧化物酶（HRP）修饰于电极表面，对其电化学性能进行研究.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

多壁碳纳米管（MWCNTs，中国科学院成都有机化学有限公司）；TiO2纳米颗粒（天津市化学试剂三厂）；NaOH（天津市光复科技发展有限公司）；十二烷基硫酸钠（SDS，天津市光复精细化工研究所）；溴化1-癸基-3-甲基咪唑（［Demim］Br，上海成捷化学有限公司）；辣根过氧化酶（HRP，美国西格玛奥德里奇公司）；所有实验用水均为二次蒸馏水.

JEM-2010型透射电子显微镜（TEM，日本电子株式会社）；Brukker D8Advance型X射线粉末衍射仪（XRD，德国布鲁克AXS有限公司）；AVATAR360型傅立叶变换红外光谱仪（FT-IR，美国尼高力公司）；CHI630D型电化学工作站（上海辰华仪器有限公司）.

1.2 MWCNT-TNT复合纳米材料的制备

称取10mg MWCNTs加入到1mL（1mol·L-1）SDS中，随后加入19mL二次蒸馏水，超声处理1h；将0.5g TiO2纳米颗粒和20mL（20mol·L-1）的NaOH溶液在不断搅拌下依次加入到上述溶液中，搅拌均匀；将混合液转移到高压反应釜中，在150℃加热条件下反应30h，自然冷却至室温；将溶液倒出，依次用0.1mol·L-1的HCl溶液和二次蒸馏水清洗混合液至中性，离心分离，在70℃条件下真空干燥，得到多壁碳纳米管-钛酸盐纳米管复合纳米材料（MWCNT-TNT）.而单纯钛酸盐纳米管（TNTs）的制备是在不加MWCNTs的条件下运用上述类似的方法得到的.

1.3 修饰电极的制备

将玻碳电极用0.3μm的Al2O3粉末在抛光布上进行抛光，然后分别用无水乙醇和二次蒸馏水超声清洗，清洗过的电极在室温下晾干备用；分别称取一定质量的复合纳米材料MWCNT-TNT和［Demim］Br（质量比为5∶1），将其与50μL的Nafion和300μL 2g·L-1HRP溶液混合均匀，使生物酶充分的包埋于复合材料中；取4μL混合液滴在玻碳电极表面，并在4℃的冰箱中干燥，即得到MWCNT-TNT/［Demim］Br/Nafion/HRP电 极.实验中的其他对比电极均采用相同的方法制备得到.

1.4 电化学性能测试

测试采用三电极体系：修饰电极为工作电极，Ag/AgCl（3.0mol·L-1KCl）电极为参比电极，铂电极为对电极；电解液采用的是新配制的0.05mol·L-1PBS缓冲溶液（pH＝7.0）；电化学测试在N2饱和情况下进行.

2 结果与讨论

2.1 样品的TEM分析

图1是样品TNTs和复合纳米材料MWCNTTNT的TEM图.由图1a可以看到，水热法合成的钛酸盐纳米管管状均匀，平均直径约为9nm.在图1b中，可以清晰地看到较粗的管为MWCNTs，直径约为30～50nm，并且TNTs与MWCNTs很好地结合在一起，简单的机械混合很难将两个管状材料紧密地结合在一起，所以本实验采取的是先让TiO2纳米颗粒与MWCNTs均匀混合，再通过水热法将TiO2纳米颗粒变成管状从而与MWCNTs紧密结合，从而得到所需的复合物.这种方法明显优于单纯的机械混合所得到的复合物.我们推测TNTs表面的-OH基团与MWCNTs表面的含氧官能团有可能形成氢键或者化学键，有助于两者的结合.

2.2 样品的FT-IR分析

图2是纳米材料TNTs，MWCNTs和MWCNT-TNT的FT-IR图.由图中可以看到，在谱线a、b、c中，位于3 430cm-1处的吸收峰均为-OH基团的伸缩振动峰.另外，在谱线a中，介于400～700cm-1范围内的峰归因于TNTs的Ti-O-Ti吸收峰［10］；而在谱线c中出现了类似的峰，但此吸收峰要比谱线a中的宽而且强，主要是因为Ti-O-Ti和Ti-O-C共同振动造成的，这种现象表明了在MWCNTs和TNTs之间已经形成了化学键，也就是说成功合成了复合材料MWCNT-TNT［11］.

图1 样品的TEM图Fig.1 TEM images of as-prepared samples

图2 样品的FT-IR图谱Fig.2 FT-IR spectra of as-prepared samples

2.3 样品的XRD分析

图3为纳米材料TNTs，MWCNT-TNT和MWCNTs的XRD图.从谱线a和b可以看出，2θ位于9.6°，24.3°，28.4°和48.4°附近的特征衍射峰归属于TNTs的管状结构特征峰，它们分别对应于TNTs的（200），（110），（600）和（020）晶面［12-13］.在谱线c中，2θ约在25.9°处的强吸收峰对应于MWCNTs的（002）晶面［14］，并且此典型特征衍射峰在复合材料MWCNT-TNT中也同样出现了，但是强度有所减弱，这为复合材料的合成提供了有力证据.

图3 样品的XRD图谱Fig.3 XRD pattern of as-prepared samples

2.4 纳米材料的电化学性能

本实验分别以钛酸盐纳米管和复合纳米材料MWCNT-TNT作为生物分子的载体构建HRP传感器.利用循环伏安法对制备的传感器进行电化学性能研究，从而判断哪种材料合适用于制备生物传感器.如图4所示，曲线a为TNTs/［Demim］Br/Nafion电极在0.05mol·L-1PBS缓冲溶液中（pH＝7.0）的循环伏安图，可以看到，在电位为-0.6～0.3V范围内没有出现任何氧化还原峰，说明该材料没有电化学活性；而TNTs/［Demim］Br/Nafion/HRP电极（曲线b）和MWCNT-TNT/［Demim］Br/Nafion/HRP电极（曲线c）在相同条件下则出现了明显的氧化还原峰.这表明了电极表面修饰体系中的HRP自身发生了电子转移；此外，曲线c的氧化还原电流明显强于曲线b的.这种现象表明了复合材料中的MWCNTs起到了一定的催化作用，提高了复合材料与电极之间的导电能力，从而增强了电极与HRP之间的直接电子转移，再加上复合材料和［Demim］Br给HRP提供了良好的生物微环境，使其能够显现出较好的电生物活性.

图4 循环伏安图Fig.4 Cyclic voltammograms

3 结论

采用水热法合成了钛酸盐纳米管和复合纳米材料MWCNT-TNT，并通过TEM、XRD、FT-IR等分析手段对其进行了表征.此外，分别制备了钛酸盐纳米管和复合纳米材料MWCNT-TNT修饰酶电化学传感器，并利用循环伏安法对其进行了电化学性能的研究.结果表明，MWCNT-TNT复合纳米材料结合了MWCNTs的良好导电性以及TNTs良好的生物相容性，改善了它们各自的缺点，提高了HRP传感器的性能，在电化学生物传感器制备过程中具有较好的应用价值.

［1］WANG H，WANG H L，JIANG W F，et al.Photocatalytic degradation of 2，4-dinitrophenol（DNP）by multiwalled carbon nanotubes（MWCNTs）/TiO2composite in aqueous solution under solar irradiation［J］.Water Res，2009，43（1）：204-210.

［2］SI P，DING S J，YUAN J，et al.Hierarchically structured one-dimensional TiO2for protein immobilization，direct electrochemistry，and mediator-free glucose sensing［J］.ACS Nano，2011，5（9）：7617-7626.

［3］IIJIMA S.Helical microtubules of graphitic carbon［J］.Nature，1991，354（7）：56-58.

［4］李小荣，白玉惠，徐静娟，等.基于多壁碳纳米管和氧化锌纳米棒复合物的葡萄糖生物传感器［J］.无机化学学报，2010，26（11）：2047-2056.

［5］孔德静，沈 水 发，于海洋，等.碳纳米管的酞菁钴修饰及其对香兰素的电催化性能［J］.无机化学学报，2010，26（5）：817-821.

［6］BRITTO P J，SANTHANAM K S V，AJAYAN P M.Carbon nanotube electrode for oxidation of dopamine［J］.Bioelectrochem Bioenerg，1996，41（1）：121-125.

［7］吴省，蒋淇忠，马紫峰，等.利用微波法合成二氧化钛纳米管［J］.无机化学学报，2006，22（2）：341-345.

［8］LIU X Q，ZHANG J M，LIU S H，et al.Gold nanoparticle encapsulated-tubular TiO2nanocluster as a scaffold for development of thiolated enzyme biosensors［J］.Anal Chem，2013，85：4350-4356.

［9］周娜，杨涛，焦奎，等.多壁碳纳米管/纳米Ag-TiO2膜DNA电化学生物传感器［J］.分析化学，2010，38（3）：301-306.

［10］MUDULI S，LEE W，DHAS V，et al.Enhanced conversion efficiency in dye-sensitized solar cells based on hydrothermally synthesized TiO2-MWCNT nanocomposites［J］.ACS Appl Mater Inter，2009，1（9）：2030-2035.

［11］IWABUCHI A，CHOO C，TANAKA K.Titania nanoparticles prepared with pulsed laser ablation of rutile single crystals in water［J］.J Phys Chem B，2004，108（30）：10863-10871.

［12］YANG J J，JIN Z S，WANG X D，et al.Study on composition，structure and formation process of nanotube Na2Ti2O4（OH）2［J］.Dalton Trans，2003，20：3898-3901.

［13］SUZUKI Y，YOSHIKAWA S.Synthesis and thermal analyses of TiO2-derived nanotubes prepared by the hydrothermal method［J］.J Mater Res，2004，19（4）：982-985.

［14］WANG S H，ZHOU S Q.Photodegradation of methyl orange by photocatalyst of CNTs/P-TiO2under UV and visible-light irradiation［J］.J Hazard Mater，2011，185（1）：77-85.