FeTCPP/Ti0.7W0.3O2復合材料的制備及其H2O2傳感器應用*

鄭龍珍，陳計芳，邵愛龍，亢曉衛，王益民

(華東交通大學 理學院，江西 南昌330013)

0 引 言

過氧化氫(H2O2)是生物體新陳代謝的副產物，在生物體中可氧化損傷大分子［1～3］，在食品、藥物、臨床、工業及環境分析中也是重要的中間體。因此，對H2O2實現簡單、靈敏、有效的實時監測具有非常重要的意義［4，5］。目前，檢測H2O2的方法中基于酶的電流型傳感器具有簡單和高選擇性等特點［6］，然而，酶生物傳感器的性能受各種不同的環境因素和酶的固定過程等的影響［7，8］使酶傳感器的應用受到了一定的限制，于是，人們開始考慮使用模擬酶來代替生物酶［9］，以降低因生物酶的不穩定性對電極造成的不良影響，實現對H2O2的高效、靈敏檢測。

無機納米材料作為一種模擬酶，表面有大量的催化位點和活性基可進一步功能化等獨特的性質［10～13］。金紅石型二氧化鈦(TiO2)是一種化學性質穩定的半導體，其禁帶寬度為3.0～3.5eV［14］，滿足作為催化劑載體的要求。可以通過陽離子替換或引入氧空穴等方法提高TiO2導電性。WO2具有變形的金紅石型結構［15］，當把WO2摻雜到紅石型TiO2中得到一種同時具有金紅石型TiO2的穩定性和WO2的導電性的新材料(金紅石Ti1－xWxO2)［16］。金屬卟啉作為許多重要酶的模擬物［17～19］被用作電子媒介體對生命過程中許多小分子具有很好的電催化氧化還原性能［20］。

本文合成了金紅石相摻鎢二氧化鈦(Ti0.7W0.3O2)催化劑并將其與鐵卟啉(FeTCPP)分子復合并組裝到電極表面，制備了鐵卟啉FeTCPP/Ti0.7W0.3O2/GCE 修飾電極，該電極對H2O2具有很高的電催化活性、較高的靈敏度和較寬的線性范圍，為構建無酶仿生傳感器提供了平臺。

1 實 驗

1.1 復合材料的制備

采用溶膠凝膠法制備Ti0.7W0.3O2。用一定濃度四羧基苯基卟啉(TCPP)和FeCl3·6H2O 反應形成Fe TCPP 配合物。將一定濃度Ti0.7W0.3O2與Fe TCPP 按一定比例超聲復合，8 000 rpm 下離心未復合的Fe TCPP 即得FeTCPP/Ti0.7W0.3O2。

1.2 修飾電極的制備

玻碳電極在使用前先經1.0，0.3 μm Al2O3拋光，洗滌。吸取5 μL FeTCPP/Ti0.7W0.3O2分散液滴于GCE 表面，4 ℃下自然干燥，使在電極表面形成均勻的復合物薄膜，即得所制備的生物傳感器。

2 結果與討論

2.1 紫外可見表征

TCPP(a)，FeTCPP(b)，Ti0.7W0.3O2(c)和FeTCPP/Ti0.7W0.3O2(d)的紫外可見吸收光譜如圖1。TCPP(a)在419 nm 處有一個強的吸收峰(Sort 帶)和500～700 nm 處4 個中強吸收峰(Q 帶)。FeTCPP(b)分子的對稱性提高，在419 nm 處強 Sort 帶吸收峰藍移至 416 nm。Ti0.7W0.3O2(c)在200～700 nm 范圍內無明顯特征吸收峰。FeTCPP/Ti0.7W0.3O2(d)在406 nm 處有明顯的吸收峰，可能是由于FeTCPP 與Ti0.7W0.3O2之間的相互作用使得Sort 帶吸收峰相對于純的FeTCPP 出現藍移，表明FeTCPP 已復合在金紅石相Ti0.7W0.3O2上，Ti0.7W0.3O2可作為一個很好的載體用于固定FeTCPP 分子。

圖1 紫外可見吸收光譜Fig 1 UV-Vis absorption spectra

2.2 修飾電極的電化學性質

2.2.1 修飾電極的電化學阻抗表征

不同修飾電極的電子傳遞性質通過電化學阻抗表征。圖2 為GCE 和不同材料修飾電極的在含5.0 mmol/L Fe(CN)6

3－/Fe(CN)64－的0.1 mol/L KCl 溶液中的電化學阻抗圖，從圖中可以看出:GCE(a)呈現一個很小的半圓，其阻抗值為70 Ω，Ti0.7W0.3O2/GCE(c)阻抗 值為220 Ω，FeTCPP/GCE(b)阻抗值為2 239 Ω，FeTCPP/Ti0.7W0.3O2/GCE(d)阻抗值顯著減小為815 Ω，表明該復合材料具有良好的導電性，能提高電子的傳遞速率。

圖2 不同修飾電極的電化學阻抗圖Fig 2 EIS spectra of different modified electrode

2.2.2 修飾電極的CV 響應

圖3 為GCE，FeTCPP/GCE，FeTCPP/Ti0.7W0.3O2/GCE分別在含0.05 μmol/LH2O2(b，d，f)和不含H2O2(a，c，e)的PBS(0.1 mol/L pH=7.0)中的CV 圖。從圖中可以看出:在GCE 上未出現催化H2O2還原的陰極峰。FeTCPP 和FeTCPP/Ti0.7W0.3O2催化H2O2還原的電位分別為－0.29 V和－0.182，陰極峰電流為2.8 μA 和3.3 μA，電位正移了108 mV，峰電流為前者的1.21 倍。表明Ti0.7W0.3O2可增強FeTCPP 電催化H2O2還原活性。

圖3 不同修飾電極的CV(掃速為50 mV/s)Fig 3 Cyclic voltammograms(CV)of different modified electrode(scan rate:50 mV/s)

2.2.3 掃描速度與pH 值的影響

圖4 為FeTCPP/Ti0.7W0.3O2/GCE 在 除O2的PBS(0.1 mol/L pH=7.0)中掃描速度為20～500 mV/s 下的CV圖。從圖中可以看出:FeTCPP/Ti0.7W0.3O2修飾電極的還原峰電流隨著掃速的增大而增大，并與掃速成良好的線性關系，線性方程為Ipc=0.803+0.018V，R=0.998 表明該復合物修飾電極的電化學是一個表面控制的過程。

圖5 為FeTCPP/Ti0.7W0.3O2/GCE 在除O2的不同pH的PBS(0.1 mol/L)中的循環伏安圖。隨著溶液pH 值的增加，H2O2的氧化還原峰負移，Epc與溶液pH 值之間呈良好的線性關系，線性方程的斜率為－29.58 mV·pH－1，表明FeTCPP/Ti0.7W0.3O2/GCE 上是一電子一質子的過程。

2.3 傳感器對過氧化氫的計時電流檢測

圖4 復合物電極的掃速特性Fig 4 Velocity scanning characteristics of compound electrode

圖5 復合物電極不同pH 的電位特性Fig 5 Potential characteristics of different pH value of compound electrode

采用計時電流法對H2O2檢測。在恒電位－0.2 V 條件下，向通N2除O2的PBS(pH=7.0)中連續加入0.05 μmol/L H2O2時，得到穩定的安培響應。如圖6 所示，隨著H2O2的累計增加，本底電流發生變化，在2 s 內可達到最小電流的95%，表明修飾電極對H2O2濃度的快速響應變化。H2O2在4.998×10－7～1.194×10－5mol/L 范圍內與電流呈良好的線性關系，線性方程為I=0.253+0.252C(R=0.997)，檢出限為1.105×10－8mol/L(S/N=3)。

2.4 傳感器的抗干擾性能

在N2氛圍下的PBS 溶液(0.1 mol/L，pH=7.0)中，加入干擾物質研究傳感器的抗干擾能力。如圖7 所示在300，450，500，750 s 時分別加入10 μmol/L 的抗壞血酸，L—半胱氨酸，尿酸，多巴胺后響應電流很小。說明其對H2O2的測量基本無影響，該修飾電極的抗干擾性能良好。

2.5 樣品檢測

圖6 傳感器的計時電流特性Fig 6 Chronoamperometry characteristics of sensor

圖7 修飾電極對干擾物質和不同濃度H2O2 的電流響應Fig 7 Amperometric response of modified electrode to interfering materials and different concentration H2O2

為了研究傳感器的實際應用性，表1 為在通N2除O2的10 μmol H2O2模擬污水中加入10 倍濃度的尿酸、多巴胺、抗壞血酸、L—半胱氨酸等有機污染物并進行加標回收實驗，回收率為99%～102%，表明構建的傳感器可用于實際樣品檢測，測定結果準確、可靠性高。

表1 修飾電極對模擬工業污水樣品的分析結果Tab 1 Analysis result of modified electrode on simulated industry wastewater samples

3 結 論

本文通過靜電吸附的方式制備了具有仿生功能的FeTCPP/Ti0.7W0.3O2復合材料，采用紫外可見吸收光譜對復合材料進行了表征。將復合材料修飾于玻碳電極上構建了無酶仿生傳感器并將其用于H2O2的檢測，修飾電極對H2O2有良好的電催化還原效果，該修飾電極的穩定性、重現性抗干擾性能良好，為構建無酶仿生傳感器提供了平臺。

［1］ Giorgio M，Trinei M，Migliaccio E，et al.Hydrogen peroxide:A metabolic by－product or a common mediator of ageing signals［J］.Nat Rev Mol Cell Biol，2007，8(9):722－728.

［2］ Mu J S，Zhang L，Zhao M，et al.Catalase mimic property of Co3O4nanomaterials with different morphology and its application as a calcium sensor［J］.Appl Mater，2014，6(10):7090－7098.

［3］ Mroz P，Bhaumik J，Dogutan D K，et al.Imidazole metalloporphyrins as photosensitizers for photodynamic therapy:Role of molecular charge，central metal and hydroxyl radical production［J］.Cancer Lett，2009，282(1):63－76.

［4］ Wang J.Electrochemical glucose biosensors［J］.Chem Rev，2008，108(2):814－825.

［5］ Wang Q，Li M S，Szunerits S，et al.Environmentally friendly reduction of graphene oxide using tyrosine for nonenzymatic amperometric H2O2detection［J］.Electroanal，2014，26(1):156－163.

［6］ Privett B J，Shin J H，Schoenfisch M H.Electrochemical sensors［J］.Anal Chem，2010，82(12):4723－4741.

［7］ Mu Y，Jia D L，He Y Y，et al.Nano nickel oxide modified nonenzymatic glucose sensors with enhanced sensitivity through an electrochemical process strategy at high potential［J］.Biosens Bioelectron，2011，26(6):2948－2952.

［8］ Wu H，Fan S H，Jin X Y，et al.Construction of a zinc porphyrinfullerene－derivative based nonenzymatic electrochemical sensor for sensitive sensing of hydrogen peroxide and nitrite［J］.Anal Chem，2014，86(13):6285－6290.

［9］ Mano N，Mao F，Heller A.A miniature biofuel cell operating in a physiological buffer［J］.J Am Chem Soc，2002，124(44):12962－12963.

［10］Gao L，Zhuang J，Nie L，et al.Intrinsic peroxidase－like activity of ferromagnetic nanoparticles［J］.Nat Nanotechnol，2007，2(9):577－583.

［11］Mu J S，Wang Y，Zhao M，et al.Intrinsic peroxidase－like activity and catalase－like activity of Co3O4nanoparticles［J］.Chem Commun，2012，48(19):2540－2542.

［12］Dutta A K，Maji S K，Srivastava D N，et al.Synthesis of FeS and FeSe nanoparticles from a single source precursor:A study of their photocatalytic activity，peroxidase－like behavior，and electrochemical sensing of H2O2［J］.Appl Mater Interfaces，2012，4(4):1919－1927.

［13］Asati A，Santra S，Kaittanis C，et al.Oxidase－like activity of polymer－coated cerium oxide nanoparticles［J］.Angew Chem Int Ed，2009，48(13):2308－2312.

［14］Mikami M，Nakamura S，Kitao O，et al.First－principles study of titanium dioxide:Rutile and rnatase［J］.Appl Phys，2000，39(8):847－850.

［15］Palmer D J，Dickens P G，Tungsten dioxide:Structure refinement by powder neutron diffraction［J］.Acta Cryst，1979，35(9):2199－2201.

［16］Chinmayee V Subban，Zhou Q，Anthony H，et al.Sol－Gel synthesis，electrochemical characterization，and stability testing of Ti0.7W0.3O2nanoparticles for catalyst support applications in proton－exchange membrane fuel cells［J］.J Am Chem Soc，2010，132(49):17531－17536.

［17］Takai A，Barbe J M，Guilard R，et al.Enhanced electron－transfer properties of cofacial porphyrin dimers through π－π Interactions［J］.Chem Eur，2009，15(13):3110－3122.

［18］Sgobba V，Giancane G，Conoci S，et al.Growth and characterization of films containing fullerenes and water soluble porphyrins for solar energy conversion applications［J］.J Am Chem Soc，2007，129(11):3148－3156.

［19］Calvete M，Yang G Y，Hanack M.Porphyrins and phthalocyanines as materials for optical limiting［J］.Synth Met，2004，141(3):231－243.

［20］George R C，Mugadza T，Khene S，et al.Porphyrin nanorods modified glassy carbon electrode for the electrocatalysis of dioxygen，methanol and hydrazine［J］.Electroanal，2011，23(7):1699－1708.