基于一步法構建的無酶傳感器檢測過氧化物的研究

楊 杰， 楊紹明， 曹 嬙， 張小榮， 柏朝朋， 滕 渝

(華東交通大學材料科學與工程學院，江西南昌 330013)

過氧化物廣泛用作有機合成催化劑、醫藥殺菌劑、食品及飲用水消毒劑、漂白劑等領域，因此對過氧化物的定量測定具有重要的意義。目前已經有多種方法被應用于過氧化物的檢測，如分光光度法[1]、滴定分析法[2]、熒光分析法[3]、化學發光法[4]及電化學方法等。電化學傳感器法以其操作簡單、響應快、選擇性好、成本低等優點，被認為是較為理想的檢測方法[5]。電化學傳感器法分為酶傳感器法和無酶傳感器法。酶傳感器法的特點是選擇性好，但酶存在活性易受環境影響、穩定性差等問題[6]。因此，無酶傳感器法檢測過氧化物引起眾多研究者的關注。為了提高無酶傳感器法檢測過氧化物的靈敏度及降低過氧化物的過電位，不同的納米材料包括碳納米管[7 - 8]、石墨烯[9]、納米金屬及其氧化物[10 - 11]、復合納米材料[12 - 13]等被用于制備修飾電極。但目前文獻報道制備復合納米材料修飾電極的步驟繁瑣、費時，而且修飾電極檢測過氧化物的靈敏度有待提高，因此，研制制備方法簡單且能靈敏檢測過氧化物的復合納米材料修飾電極十分必要。

銅納米粒子(CuNPs)作為金屬納米家族中重要的成員，具有表面積大、導電性好、生物相容性強等優點，被廣泛用于催化領域。近年來科學家們發現CuNPs可以通過化學或電化學的方式固定在修飾電極表面[14 - 15]，拓寬了其應用領域。此外，碳納米管(CNTs)因其具有較大的比表面積、良好的生物相容性、優良的電子傳遞速度等特點，已廣泛用于電化學傳感器的制備[16 - 18]。本文以具有表面積大、導電性好的泡沫鎳(Ni foam)為基底材料，采用簡單的一步法恒電位沉積制備CuNPs-CNTs/Ni foam修飾電極。電極表面修飾的CuNPs和CNTs分布均勻，能較好地提高電極的催化活性和穩定性。基于構建的這種無酶電化學傳感器，實現了對H2O2及其有機過氧化物過氧化氫叔丁基(BHP)、過氧化氫異丙苯(CHP)的高靈敏檢測。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

CHI 660E 電化學工作站(上海辰華儀器有限公司)；采用三電極體系：以修飾電極為工作電極，Ag/AgCl電極為參比電極，鉑電極為對電極。JSM-6701型掃描電鏡(日本，JEOL公司)。泡沫鎳(Ni foam,厚度1.5 mm)；碳納米管(CNTs,>97%，直徑10～20 nm，深圳納米港有限公司)；CuSO4(江西化學試劑廠)；H2O2(>30%，西隴化工股份有限公司)；過氧化氫叔丁基(BHP)、過氧化氫異丙苯(CHP)購于國藥集團化學試劑有限公司。實驗用水為去離子水。

1.2 CuNPs-CNTs/Ni foam修飾電極的制備

首先將Ni foam用丙酮除油，再進行醇洗、水洗。將處理完成的Ni foam先置于6 mol/L的HCl中超聲20 min，以除去表面的氧化物，然后再分別置于乙醇和去離子水中超聲10 min。將處理好的Ni foam電極用高純氮氣吹干，然后用雙導銅箔膠帶將銅導線固定到Ni foam上，再將Ni foam裁剪為1.0×3.0 cm規格。將處理好的Ni foam電極置于按照文獻方法[19]制備好的CNTs(1 mg/mL)、CuSO4(0.015 mol/L)和NaSO4(0.10 mol/L)的混合溶液中進行恒電位電沉積，用去離子水沖洗，以除去表面的物理吸附，則得到CuNPs-CNTs/Ni foam 修飾電極，將處理好的電極置于4 ℃的冰箱中保存，備用。CNTs/Ni foam修飾電極按照CuNPs-CNTs/Ni foam修飾電極的制備方法，但沉積液中只含有CNTs(1 mg/mL)。

1.3 電化學測定方法

將制成的修飾電極置于含有一定濃度過氧化物的0.2 mol/L磷酸鹽緩沖溶液(PBS)中，采用三電極體系進行循環伏安法(CV)檢測(掃描速率100 mV/s)得到CV曲線圖；電化學交流阻抗譜(EIS)圖是在5.0 mmol/L K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6](1∶1，V/V)溶液中測定得到(振幅：0.005 V，頻率：1～100 000 Hz)，并使用ZSimpwin軟件進行線性擬合；電流-時間曲線(I-t)是將修飾電極置于0.2 mol /L PBS中，在恒定電位條件下，連續滴加一定濃度的過氧化物，以測定修飾電極的催化性能及穩定性。

2 結果與討論

2.1 Ni foam和CuNPs-CNTs/Ni foam的掃描電鏡與能譜表征

圖1為Ni foam、CuNPs-CNTs/Ni foam的掃描電鏡(SEM)圖。由圖1a可以看出Ni foam為三維蜂窩結構，由圖1b可以看出預處理后的Ni foam表面光滑。從圖1c可以看出，CuNPs均勻的分布在CNTs表面，形成CNTs-CuNPs納米復合材料，粒徑分布在120～300 nm之間。圖2為CuNPs-CNTs/Ni foam的能譜(EDS)圖，圖中有Ni、C、O、Cu等元素的峰，結合掃描電鏡圖，說明成功的制備了CuNPs-CNTs/Ni foam 修飾電極。

2.2 修飾電極的電化學阻抗表征

圖2 CuNPs-CNTs/Ni foam的能譜(EDS)圖Fig.2 EDS of CuNPs-CNTs/Ni foam

電化學交流阻抗法是有效感知修飾電極表面變化的重要方法之一。如圖3所示，圖中曲線a為預處理Ni foam電極的阻抗；曲線b為在Ni foam電極表面沉積上CNTs，可以發現阻抗譜的半徑變小，這說明CNTs是一種良好的導體，對[Fe(CN)6]4-/3-電子在電極表面的傳遞有一定的促進作用；曲線c為在Ni foam表面一步法電沉積CuNPs-CNTs，其阻抗譜半徑進一步減小。說明當沉積上CuNPs后電極的導電性進一步增強，CuNPs對[Fe(CN)6]4-/3-電子在電極表面的傳遞起促進作用。

2.3 不同修飾電極的循環伏安法表征

圖4所示的分別是Ni foam(曲線a)、CNTs/Ni foam(曲線b)和CuNPs/Ni foam(曲線c)、CuNPs-CNTs/Ni foam(曲線d)在PBS(pH=7.0)中，以100 mV/s的掃速從-0.7 V掃到0.5 V所得的CV曲線。從圖中可以得出，未修飾Ni foam的電極在該電位區間并無氧化還原峰出現；CNTs修飾在Ni foam電極上使電極的充電電流增加，表明CNTs能增大電極的比表面積；CuNPs/Ni foam(曲線c)修飾電極在0.07 V和-0.25 V處出現了一對明顯的氧化還原峰，分別為Cu的氧化峰和還原峰[17]；比較CuNPs-CNTs/Ni foam修飾電極(曲線d)與CuNPs/Ni foam修飾電極，可以發現CuNPs-CNTs/Ni foam修飾電極在電流增加的同時氧化還原峰峰電位也有明顯的增加，進一步說明了CNTs促進了電子的轉移。

圖3 在5 mmol/L K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6](1∶1,V/V)溶液中不同電極的交流阻抗(EIS)譜圖Fig.3 EIS responses of different electrodes in 5 mmol/L K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6](1∶1,V/V) solution

圖4 不同電極在PBS(pH=7.0)中的循環伏安圖Fig.4 Cyclic voltammograms of different electrodes in PBS(pH=7.0)

2.4 修飾電極對過氧化物的催化性能

本文采用CV法研究了CuNPs-CNTs/Ni foam對H2O2的催化行為，如圖5(A)所示：曲線a為CuNPs-CNTs/Ni foam在PBS(pH=7.0)中的CV曲線，曲線b是PBS(pH=7.0)中加入150 μmol/L H2O2后的CV曲線。對比曲線a與曲線b，可以看出該修飾電極對H2O2產生了明顯的催化還原特征，即在-0.25 V電位處的還原峰峰電流增大，0.07 V電位處的氧化峰的峰電流減小。結果表明該修飾電極對H2O2的催化性能較明顯。

2.5 不同修飾電極對H2O2的催化效果

本文采用計時-電流法(I-t)于-0.25 V工作電位下，將Ni foam(圖5(B)曲線a)、CNTs/Ni foam(圖5(B)曲線b)、CuNPs/Ni foam(圖5(B)曲線c)、CuNPs-CNTs/Ni foam(圖5(B)曲線d)置于PBS(pH=7.0)中連續滴加5 μmol/L的H2O2得到I-t曲線。從圖中可以看出Ni foam對H2O2有一定的催化作用；CNTs/Ni foam對H2O2的催化作用較弱，幾乎可以忽略；CuNPs由于其特殊的納米尺寸對H2O2有較好的催化作用[20]；CuNPs-CNTs/Ni foam修飾電極對H2O2的催化作用最為明顯，且催化效果遠大于前三者的加和。由此可以得出CuNPs-CNTs納米復合材料對H2O2的催化效果不是一種簡單的加和作用，而是存在協同作用。說明CuNPs-CNTs納米復合材料對H2O2有良好的催化效果。

2.6 沉積電位和沉積時間的優化

沉積電位對CuNPs-CNTs/Ni foam修飾電極的影響如圖6(A)所示。從圖中可以看出，當沉積電位在-0.3～-1.3 V之間變化時，修飾電極對H2O2(50 μmol/L)的電流響應先逐漸增加，在-0.9 V達到最大值，后又逐漸減小，因此本實驗選擇最佳沉積電位為-0.9 V。圖6(B)為電沉積時間對CuNPs-CNTs/Ni foam修飾電極的影響。從圖中可以看出，隨著電沉積時間增加，修飾電極對H2O2(50 μmol/L)的響應電流先逐漸增加到達一個最大值，然后逐漸減小。在330 s處修飾電極的催化性能達到最大值。因此選擇的最佳沉積時間為330 s。

2.7 CuNPs-CNTs/Ni foam修飾電極對過氧化物的檢測分析

圖7(A)為CuNPs-CNTs/Ni foam于-0.25 V電位下，在PBS中與一定濃度的H2O2的I-t曲線圖，從圖7(B)可知修飾電極響應電流隨著H2O2濃度的增加而增加，且在5.0×10-7～3.4×10-4mol/L濃度范圍呈現出良好的線性關系，其線性相關系數R=0.998。該修飾電極的靈敏度370(mA·L)/(mol·cm2)，檢測限為2.4×10-7mol/L。該修飾電極的靈敏度顯著高于其它無酶法檢測H2O2的靈敏度[21 - 22]，這是因為本文制備的復合納米材料具有優異的催化性能。

圖8(A)為CuNPs-CNTs/Ni foam修飾電極對BHP的I-t曲線圖，從圖中可以看出，隨著BHP的加入，電流響應值也在逐漸增加。圖8(B)為與之對應的BHP濃度和響應電流的線性擬合圖，線性相關系數為R=0.999；其線性范圍為9.0×10-5～2.5×10-3mol/L，靈敏度為1.8(mA·L)/(mol·cm2)，檢測限為5.8×10-5mol/L。

圖5 (A)CuNPs-CNTs/Ni foam在PBS(pH=7.0)中的循環伏安圖；(B)不同電極在PBS(pH=7.0)中的I-t曲線Fig.5 (A) Cyclic voltammograms of CuNPs-CNTs/Ni foam in PBS(pH=7.0);(B)I-t curve of different electrodes in PBS(pH=7.0)

圖6 (A)不同沉積電位的修飾電極對H2O2(50 μmol/L)的電流響應圖；(B)不同沉積時間的修飾電極對H2O2(50 μmol/L)的電流響應圖Fig.6 (A) The current response of the modified electrode by different deposition potential to H2O2(50 μmol/L);(B) The current response of the modified electrode by different electrodeposition time to H2O2(50 μmol/L)

圖7 (A)修飾電極對H2O2的I-t曲線(工作電位為:-0.25 V)；(B)修飾電極的電流響應與H2O2濃度的線性關系Fig.7 (A) I-t curve of the modified electrode to successive addition of H2O(applied potential:-0.25 V)；(B) Linear relationship between current response of the modified electrode and H2O2 concentration

圖8 (A)修飾電極對BHP的I-t曲線(工作電位為：-0.25 V)；(B)修飾電極的電流響應與BHP濃度的線性關系Fig.8 (A) I-t curve of the modified electrode to successive addition of BHP(applied potential:-0.25V);(B) The linear relationship between current response of the modified electrode and BHP concentration

圖9(A)為CuNPs-CNTs/Ni foam修飾電極對過氧化氫異丙苯的電流響應圖，于-0.25 V下采用電流-時間曲線測定CuNPs-CNTs/Ni foam在PBS(pH=7.0)溶液中對連續滴加5.0×10-5mol/L的過氧化氫異丙苯。從圖中可以看出，隨著過氧化氫異丙苯的加入，電流響應值也在逐漸增加。圖9(B)為與之對應的過氧化氫異丙苯濃度和響應電流的線性擬合圖，其線性相關系數為0.999；其線性范圍為：5.0×10-5～2.5×10-3mol/L，檢測限為3.8×10-5mol/L。

2.8 抗干擾性能和回收率的測定

本文以H2O2為例，利用抗壞血酸(VC)、甘氨酸(Gly)、脲(Urea)研究了該修飾電極的抗干擾性能。對CuNPs-CNTs/Ni foam連續滴加10倍于H2O2濃度的上述干擾物及H2O2(5.0×10-5mol/L)進行檢測。結果如圖10，VC、Gly、脲對該修飾電極的影響幾乎可以忽略，故該電極的抗干擾能力較強。

圖9 (A)修飾電極對CHP的I-t(工作電位為:-0.25 V)； (B)修飾電極的電流響應與CHP濃度的線性關系Fig.9 (A) I-t curve of the modified electrode to successive addition of CHP(applied potential:-0.25 V)；(B) The linear relationship between current response of the modified electrode and CHP concentration

圖10 CuNPs-CNTs/Ni foam對連續滴加干擾物和過氧化氫的響應電流值圖(工作電位：-0.25 V)Fig.10 The response current of CuNPs-CNTs/Ni foam on successive addition of chaff interferent and H2O2(applied potential:-0.25 V)

為了研究該修飾電極測定H2O2的實用性能，分別對3種濃度的H2O2樣品進行了回收率測試，結果如表1，得到的回收率范圍在97.82%～101.3%之間。同時用該修飾電極對某醫用H2O2進行測定，由電流響應值測出濃度為0.45 mol/L，則其中H2O2的質量分數為3.10%，這與產品中介紹的質量分數為3% 非常接近，因此制備的CuNPs-CNTs/Ni foam修飾電極具有較強的實用性。

表1 過氧化氫的回收率

2.9 修飾電極的重現性和穩定性研究

同一根CuNPs-CNTs/Ni foam修飾電極對50 μmol/L的H2O2重復測定5次，其電流響應的相對標準偏差為2.4%。用5根平行制備的CuNPs-CNTs/Ni foam修飾電極對50 μmol/L的H2O2進行檢測，其相對標準偏差為4.6%。說明該修飾電極具有良好的重現性。將該電化學傳感器存儲于4 ℃ 冰箱中，四星期后，采用該電化學傳感器對50 μmol/L的H2O2進行測定，仍保留了88.7%的響應電流值，表明該電化學傳感器穩定性良好。

3 結論

本文采用一步電沉積的方法，制備了CuNPs-CNTs/Ni foam修飾電極，并用電化學循環伏安法和電流-時間曲線法研究了修飾電極對H2O2、BHP、CHP的電化學性能。結果表明該修飾電極對以上三種過氧化物表現出良好的催化檢測性能和高靈敏度。