MWCNTs/nano-CeO2/PANI修飾的H2O2傳感器*

章家立，甘 維，宋 琦，陳愛喜

（1.華東交通大學 基礎科學學院 化學化工系，江西南昌 330013;2.華東交通大學基礎科學學院物理系，江西 南昌 330013）

0 引言

聚苯胺（PANI）由于具有與金屬相似的光電性質，能夠應用于超級電容器、防腐涂料、光發射二極管、分子導線、傳感器等。另外，由于對酶催化反應信號具有調節作用，且與酶具有良好的相容性，因此，在生物傳感器領域顯示出了廣闊的應用前景［1］。然而，PANI只有在酸性溶液中才具有良好的電化學活性，而在偏中性或堿性溶液中顯示出較弱的電活性甚至失活，這一特點極大地制約了PANI的使用。為改善這一缺陷通常采用下列2種方式:一是在離子液體中聚合［2］;二是與其他材料復合，以提高復合材料的導電性能。碳納米管（CNTs）被廣泛應用于生物傳感器，但在大多數溶劑中不溶的特點又給其應用帶來了困難［3］。因此，在多數情況下，CNTs通過共價或非共價鍵合親水基團或分子來改性，以達到改善溶解性的目的。本文研究了聚萘二胺通過π-π非共價鍵分散和固定CNTs。聚萘二胺膜不僅可以牢固地固定CNTs，而且還可以均勻地將其分散在聚合物膜上，形成網狀交織結構，最終達到了增強電化學響應的效果［4］。然而，該復合膜修飾電極在選擇性上還是存在一定的缺陷，阻礙了該類導電聚合物在生物傳感方面的應用。為克服這一缺陷，添加一種輔助催化劑可達到這一目的。CeO2作為一種典型的稀土氧化物，它被廣泛應用到生物傳感和電催化領域［5］。由于Ce易在三價（Ce3+）態和四價（Ce4+）態之間變化，使得CeO2具有較強的儲氧和釋氧能力，并且具有高溫快速氧空位擴散能力［6］。更重要的是納米氧化鈰（nano-CeO2）在加速生物化學物質的電子傳遞的同時，本身不發生任何電化學反應［7］，而且CeO2納米晶的促進作用表現出十分穩定。而nano-CeO2本身存在電導率低、容易團聚等方面的問題，給其研究和應用帶來了一定的困難。復合是一種非常有效的方法，不但可以發揮復合材料中各組分的特性，兩者的結合還可能產生協同作用以提高該復合材料的性能［8］。nano-CeO2摻雜導電聚合物可以改善聚合物的性能［9］，但其是否能協助CNTs有效地固定酶，并在電化學中提高修飾電極響應性的報道卻還比較少。本文以PANI為聚合基體，通過π-π非共價鍵分散和固定多壁碳納米管（MWCNTs），結合功能化的 MWCNTs負載nano-CeO2形成復合膜固定辣根H2O2酶修飾玻碳電極來探測溶液中H2O2濃度，同時對影響修飾電極各因素作了系統地研究。

1 實驗部分

1.1 電極的制備

PANI膜的合成:GC電極浸入含有0.5 mol/L H2SO4和0.2 mol/L苯胺混合溶液中，于 -0.5～1.1 V 的電位范圍內，以100 mV的掃描速率循環伏安電化學聚合，聚合完后用去離子水清洗工作電極，以除去未聚合的苯胺。

其中MWCNTs羥基化見參考文獻［10］，nano-CeO2的制備見參考文獻［11］。將羥基化的MWCNTs和nano-CeO2按照適量的質量比混合，并且往混合溶液中加入DMF分散，超聲4h，使之得到高分散的混合懸浮液待用，取4μL滴涂到聚合PANI的修飾電極表面，在常溫下待溶劑揮發后，再用去離子水清洗，干燥后待用。取2μL，用pH=6.4的磷酸緩沖溶液配置的5 mg/mL的HRP滴涂到上述電極表面，干燥后用去離子水清洗未固定的酶，晾干得到HRP/MWCNTs/nano-CeO2/PANI/GC修飾電極。

1.2 電化學測試

所有的電化學測量都是采用三電極體系，Pt絲電極為對電極，Ag/AgCl（飽和KCl）為參比電極，以GC或修飾GC為工作電極。其中，交流阻抗的測量是在CHI660C電化學工作站上實施，循環伏安法和計時電流法等是在CHI430b上進行。所有的實驗在室溫25±2℃下進行。

2 結果與討論

2.1 表面形貌表征

圖1（a）是PANI/MWCNTs/nano-CeO2/ITO復合膜的SEM形貌圖，從圖1（a）不難發現MWCNTs是以網狀交織結構均勻地覆蓋在PANI膜上，并且在MWCNTs的末端有白色的物質附著在上面，nano-CeO2可能吸附在MWCNTs上，這一現象在圖1（b）中表現得更加明顯。圖1（b）是在復合膜上滴加辣根H2O2酶后的SEM形貌圖。當在CNTs表面上覆蓋一層辣根H2O2酶后，原來疏松多孔的網狀結構已經消失，表明HRP已固定到電極表面。同時在復合膜中白色亮點更加清晰可見，這進一步驗證了nano-CeO2已成功地吸附在CNTs極上。

圖1 掃描電鏡圖Fig 1 SEM

2.2 PANI的聚合圈數的影響

復合膜修飾電極的電化學活性與膜的厚度有關，膜的厚度直接影響修飾電極的導電性和催化活性。復合膜的厚度主要取決于PANI掃描圈數。圖2是利用循環伏安法制備PANI不同聚合圈數對修飾電極在0.1 mol/L PBS（pH=6.4）中的還原峰的峰電流響應圖，從圖2可以看出:當聚合圈數為25圈時，峰電流達到最大。因此，在本研究中，采用固定CNTs和辣根H2O2酶的聚苯胺最佳的聚合圈數為25圈。

圖2 不同的聚合圈數對修飾電極還原峰的峰電流活性的影響Fig 2 Effect of different polymerization cycles on activity of reduction peak current of modified electrode

2.3 pH 值

由于PANI的電導率受摻雜和去摻雜的影響，因此，更高的酸性有利于電化學響應，然而高的酸性又會使酶失去活性。結合酶的生物活性，通常pH的選擇范圍在6.0～8.0之間，研究此范圍內pH對修飾膜的活性影響。圖3（a）是HRP/PANI/CNTs/nano-CeO2/GC在pH 為6.0～8.0范圍內的循環伏安曲線，從圖3（a）能夠發現，pH=6.4時峰電流達到最大值。為確保酶具有較高的催化效率，探測H2O2應該選擇pH=6.4的緩沖溶液更合適。

2.4 掃 速

圖4（a）修飾電極HRP/PANI/MWCNT/nano-CeO2/GC在含有0.1 mmol/L H2O2的PBS（pH=6.4）緩沖溶液中掃速50～900 mV/s的循環伏安圖，從圖4（a）中可以看出它們的氧化還原峰電流均與掃速呈很好的線性關系，見圖4（b），氧化峰的線性方程為Ipa（μA）=108.533+6.45V（mV/s），R=0.994;還原峰的線性方程為Ipc（μA）=-123.42+8.72V（mV/s），R=0.996。這一事實說明此電極上的反應是一個典型的表面控制過程［12］。由此可以知道，修飾電極的表面直接承擔著電子轉移交換反應。

圖3 pH的影響Fig 3 Effect of pH

圖4 掃速Fig 4 Scan rate

2.5 修飾電極的電化學表征

不同修飾電極不僅會影響電極的循環伏安，而且還會影響其交流阻抗。圖5（a）是不同修飾電極在0.2 mol/L PBS（pH=6.4）緩沖溶液中的循環伏安圖，對比5種不同修飾電極的循環伏安圖，圖5（a）曲線 a，b，c這 3種采用MWCNTs修飾電極的峰電流都增加，表明MWCNTs的加入有利于復合膜的電子傳遞，這可能是因為滴涂在PANI膜上的CNTs能形成網絡結構，同時，MWCNTs可以使復合膜的比表面積增大，提高反應活性物質在電極表面的吸附。與圖5（a）c相比，圖5（a）曲線a的峰電流明顯增加，表明nano-CeO2的加入，提高了修飾電極的電化學響應。但當將HRP固定在修飾電極上時，氧化還原峰電流都有所下降，可能是由于絕緣體HRP固定在修飾電極上對電子的傳遞有一定的阻礙作用，這一現象說明HRP已經被固定在電極上，這與圖1（b）的SEM形貌圖是相吻合的，不過nano-CeO2的加入從整體上來說提高了修飾電極的電化學響應，表明nano-CeO2具有促進電子的傳輸作用。為進一步研究界面對修飾電極所帶來的影響，交流阻抗（EIS）可以為電極制備過程中修飾電極界面性質的改變提供更多的信息。圖5（b）為各種修飾電極在 0.5 mol/L KCl，2.0 mmol/L K3［Fe（CN）6］/K4［Fe（CN）6］（1︰1）水溶液中的交流阻抗圖。根據Nyquist的EIS圖，在高頻率的半圓圖與電子的轉移有關，在低頻率的線性部分與電子的擴散有關，半圓的直徑等于電極的轉移阻抗Ret［13］。從圖5（b）中可以看出:c，d，e曲線出現一個小的半圓，并且半圓的直徑依次增大，表明玻碳電極分別被PANI和PANI/MWCNTs復合膜修飾后電阻逐漸減小。如果在CNTs上附載nano-CeO2時，見圖（b）曲線a，b，它們的阻抗圖幾乎成一條直線，表明 nano-CeO2具有加速電子傳遞作用，最終使復合膜的電阻降低。但當固定HRP在修飾電極上時，其阻抗圖的斜率變小，表明電阻有所增大，這一結果與圖5（a）相符。

圖5 電化學表征曲線Fig 5 Curve of electrochemical characterization

2.6 MWCNTs和 nano-CeO2的質量比

將MWCNTs和nano-CeO2應用到生物傳感器中主要是利用了MWCNTs的導電性能和nano-CeO2加速電子的傳輸作用。然而，由于CeO2是一種N型半導體材料，如果nano-CeO2的含量過高，會降低修飾電極的導電性能;相反，如果nano-CeO2含量過少，催化性能又不太明顯。因此，修飾電極的催化性能受MWCNTs和nano-CeO2的質量比影響，采用配置不同質量比（MWCNTs︰nano-CeO2）的懸濁液，取相同的量滴涂到PANI膜上，利用計時電流法來測試不同MWCNTs和nano-CeO2質量比修飾的電極對H2O2的電流響應。圖6可以看出:當 MWCNTs與nano-CeO2的質量比達到了15︰1時（見圖6曲線d），響應電流達到最大。因此，選擇MWCNTs與nano-CeO2的質量比15︰1修飾電極來探測H2O2。

2.7 nano-CeO2的催化性能

為進一步證實nano-CeO2在修飾電極中具有加速電子的傳輸能力，對比nano-CeO2修飾和未修飾的電極在工作電位為-0.12 V的PBS（pH=6.4）的緩沖溶液中探測H2O2的計時電流。從圖7（a）可以看出:響應電流隨著緩沖溶液中H2O2濃度的增加而逐級增加，而加入nano-CeO2的修飾電極具有更大的響應電流，響應電流達到95%時的時間不到5 s。表明nano-CeO2能夠加速電子的傳輸能力，從而提高辣根H2O2酶的催化效果。根據H2O2與還原電流的線性關系，可以評價修飾電極的靈敏度。圖7（b）是H2O2的加入量與還原電流之間的校正曲線圖，加入nano-CeO2的修飾電極其 H2O2濃度在5.0×10-6～3.95×10-4mol/L的范圍內呈現出良好的線性相關性，線性回歸方程為I（μA）=16.56795+0.07824X（1 ×10-6mol/L），其線性相關系數為 0.998 1，靈敏度為 0.078 24（A·mol/L），檢測限為7.6×10-7mol/L（S/N=3 dB）。比較兩修飾電極的結果不難發現，加入nano-CeO2后修飾電極不但可以提高電流響應，而且其靈敏度也可提高2.29倍，表明nano-CeO2在修飾電極中能夠加速電子的傳輸能力。

圖6 不同質量比（MWCNTs︰nano-CeO2）的修飾電極對H2O2的計時電流響應圖Fig 6 Chronoamperometric responses of modified electrode with different mass ratio of MWCNTs︰nano-CeO2on H2O2

圖7 生物傳感器探測H2O2曲線Fig 7 H2O2curve detected by bio-sensor

在0.025 mmol/L H2O2中平行測定10次，相對標準偏差為3.2%。將HRP/PANI/MWCNTs/nano-CeO2修飾的電極置于0.2 mol/L pH=6.4的緩沖溶液中的4℃冰箱中考察其穩定性，采用每隔7天測定一次。發現1個星期后電流響應沒有變化，2個星期后電流響應下降不到7%，當放置1個月后仍保留響應電流的86%，表明該電極具有較好的穩定性。

2.8 抗干擾能力和回收率

選擇性是衡量修飾電極性能的一項重要指標。采用計時電流法研究了修飾電極在-0.12 V的電位下對甘氨酸（0.05 mmol/L）、酪氨酸（0.05 mmol/L）、葡萄糖（0.5 mmol/L）、抗壞血酸（0.5 mmol/L）和尿酸（0.5 mmol/L）幾種物質的抗干擾能力，發現添加物對傳感器的測定均完全沒有響應，說明干擾物質的存在不會抑制H2O2的測定。

為了檢測摻入nano-CeO2修飾電極的實用性，回收率也是一個重要的指標。在20 mL 0.2 mol/L PBS（pH=6.4）的測試底液中對修飾電極的回收率進行測試，最終測得回收率在95.23%～107.52%（見表1）之間，表明該修飾電極測定H2O2具有較高的回收率較高。

表1 H2O2的回收率Tab 1 Recovery rate for H2O2

3 結論

本文采用循環伏安和滴涂方法成功地制備了表面分散均勻且具有較高電活性的PANI/MWCNT/nano-CeO2復合膜修飾電極。通過對復合膜各影響因素的研究得出結論:以PANI聚合25圈、溶液pH值為6.4以及 CNTs與 nano-CeO2的質量比為15︰1制備的復合膜具有很好的電活性。在固定HRP時，nano-CeO2在復合膜在修飾電極中具有能夠加速電子的傳輸能力，相比于沒有摻雜nano-CeO2的修飾電極具有更大的響應電流，更高的靈敏度，而且其檢測極限可達7.6×10-7mol/L。

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