鈀/石墨烯/離子液體納米復合物的過氧化氫電化學傳感器

馮曉娟，石彥龍，金小青，馮雷

(河西學院 化學化工學院 甘肅省高校河西走廊特色資源利用省級重點實驗室，甘肅 張掖 734000)

近年來人們對過氧化氫(H2O2)的檢測做了大量的研究工作，由于過氧化氫在環保、食品衛生、臨床診斷和化工等領域具有廣泛的用途［1］。過氧化氫是一種重要的化工產品，但也是一種非常危險的物質，若過量使用會對環境產生很多的不利影響。另外，對水池、食品或飲料包裝等消毒常使用過氧化氫。另一方面，過氧化氫在臨床醫學上作為一種氧化性應激對許多疾病是最有價值的標志。因此，過氧化氫對人們的生活、環境污染、健康、社會進步等有很重要的影響，其快速準確有效的檢測勢在必行。目前，有許多的方法用于對過氧化氫的檢測，如化學發光法、色譜法、分光光度法及電化學法等［2-4］。其中電化學方法因操作簡單、靈敏度高、線性范圍寬、快速而穩定的響應信號等優點而受到人們的青睞［5］。但多數基于血紅蛋白、過氧化物酶的生物傳感器［6-7］，它具有酶自身的穩定性不好，易失去活性等缺點，在一定程度上限制其傳感器的應用。因此，很有必要尋求新的一種無酶傳感器去檢測H2O2，具有非常重要的意義。

目前，各種電極材料已應用于檢測，如碳基材料、導電聚合物等，在碳基材料中，石墨烯是由碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結構的一種新型碳材料，具有大的比表面積、優異的電子傳導能力和小的電荷傳遞電阻等優良性能［8］，其已成為電化學傳感器的理想電極材料。而石墨烯具有獨特的結構，負載金屬納米粒子構建電化學傳感器已激發起人們的巨大熱情。目前，負載的金屬納米粒子主要有貴金屬Pt、Au、Pd 等，由于鈀與鉑結構相似［9］，且是一種具有較高催化活性、價格又相對便宜的貴金屬，因此利用鈀作原料實現對H2O2的快速催化還原及檢測具有重要意義。有文獻報道［10］，Pb 對H2O2的氧化和還原具有很好催化活性，可以有效降低H2O2的氧化還原過電位，可用于高靈敏檢測。另外，石墨烯表面存在大量類似于斷層的結構缺陷［11］，能提供較多的反應活性位點，同時由于其優良的導電性能，又能促進活性粒子與電極間的電子轉移過程。離子液體(IL)在室溫下呈現液態的新型材料，具有溶解性好、電化學窗口寬、高導電性、生物活性好等優點，使IL 在生物電化學領域有著廣闊的應用前景。因此本文首次將納米鈀與石墨烯和離子液體相結合制備的復合材料，既具有石墨烯大的比表面積，納米鈀的優良電催化性能，又有離子液體良好的生物活性，有望作為H2O2電化學檢測的理想傳感器，該方法制備簡便、響應快速、電極使用壽命長，具有很好的實用價值。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

石墨、H2O2(30%)、PbCl2、H2SO4(98%)、KCl均為分析純;實驗用水為二次蒸餾水。

CHI660E 型電化學工作站;KQ-250B 型超聲波清洗器;BS124S 型天平;采用三電極體系，玻碳電極為工作電極，鉑絲電極為輔助電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極。

1.2 修飾電極的制備

氧化石墨烯是利用改進的Hummers 法制備［12］。取一定量的氧化石墨烯(GO)粉末加入50 mL 水中超聲1 h，然后加入0.3 mL 85%水合肼進行還原反應，用水浴控制溫度在95 ℃下反應，獲得黑色的石墨烯，先用去離子水洗滌干凈，然后再用真空干燥器干燥，密封保存待用。

1.3 傳感器的制備

將玻碳電極先后用0.3 μm 和0.05 μm Al2O3在麂皮上打磨，每次打磨后用超純水洗凈，電極表面拋光至鏡面后，先后在無水乙醇和二次蒸餾水中各超聲清洗5 min 后晾干。將20 mg 石墨烯和0.2 mL IL 的混合物在研缽中研磨約20 min，得到黑色粘性的GN-IL 復合物。將適量的GN-IL 復合物涂于工作電極表面，得到GN-IL/GC 電極，晾干24 h，然后用超純水沖洗干凈，待其完全干后，將其浸入PdCl2鹽酸溶液中，以50 mV/s 的掃描速率于－0.2 ～0.8 V的電位范圍內循環掃描15 圈，使納米鈀沉積于玻碳電極表面，再用超純水洗凈，晾干后即得到Pb/GNIL/GC 修飾電極。電極制備示意圖如下。

2 結果與討論

2.1 Pb/GN-IL/GC 修飾電極對H2O2 的電催化

為了考察Pb/GN-IL/GC 修飾電極對H2O2的電催化性能，并且明確實驗是單一組分起作用，還是離子液體、鈀納米粒子和石墨烯的協同作用，將不同的修飾電極對H2O2的電化學還原性能進行了比較。圖1 是將石墨烯修飾的電極GN/GC、離子液體修飾的電極IL/GC 和三者修飾的Pb/IR-GN/GC 電極置于含H2O2濃度為5 mmol/L 的PBS 溶液中，以50 mV/s 的掃速進行循環伏安掃描。

圖1 H2O2 在不同修飾電極上的循環伏安圖Fig.1 Cyclic voltammograms of H2O2 at different electrodes a.IL/GC 電極;b.GN/GC 電極;c.Pb/GN-IL/GC 電極

由圖1 可知，IL/GC 電極的循環伏安圖上沒有明顯的還原峰，并且背景電流非常小。而在GN/GC電極上，峰電流有明顯增加，但還是觀察不到還原峰的存在。對于Pb/GN-IR/GC 電極可觀察到，此修飾電極有明顯的還原峰，峰電位在－150 mV，且峰電流是IL/GC 和GN/GC 兩個電極的5 倍多，表明該Pb/IR-GN/GC 修飾電極對H2O2有很強的電催化活性，這也表明了此修飾電極是由于石墨烯、離子液體和納米鈀離子的協同作用所引起的。此修飾電極有以下特征:第一，石墨烯表面有大量類似于斷層的結構缺陷，能提供很多的活性位點;第二，離子液體的引入能夠提高石墨烯的導電能力，增強其電化學活性;第三，被吸附的鈀納米粒子能夠進一步有效提供電子傳遞路徑，并在電極與檢測物之間加速電子傳遞時起到納米電極的作用，從而使得Pb/GN-IR/GC修飾電極對H2O2的電催化還原能力比石墨烯和離子液體本身顯著增大。

2.2 測量條件的選擇

2.2.1 不同H2O2濃度的影響 首先考察了濃度對傳感器電催化性能的影響，圖2 為Pb/GN-IR/GC修飾電極在濃度為1，5，7，10，25 mmol/L 對H2O2電催化的循環伏安圖。

圖2 不同濃度的H2O2 對Pb/GN-IR/GC 電極的循環伏安圖Fig.2 Cyclic voltammograms of different H2O2 concentrations at Pb/GN-IR/GC electrode

由圖2 可知，對H2O2還原的峰電位在－0.15 V左右，隨著濃度的變化，峰電位發生了負移，并且峰電流值逐漸增大，在25 mmol/L 時峰電流達到了最大值，為0.295 mA。

2.2.2 掃描速率的影響 為了進一步考察掃速對H2O2的電催化還原性能的影響，在10 ～90 mV/s 的掃速下，Pb/GN-IR/GC 電極對5 mmol/L H2O2進行循環伏安掃描，結果見圖3。

由圖3 可知，隨著掃描速度的增加，還原峰電流的響應值增大，并且還原峰電位發生了負移。這說明在復合電極上過氧化氫的還原反應是受動力學限制 的。根 據 Randles-Sevcik 公 式:Ip= 2. 69 ×105AD1/2cn3/2v1/2(其中A 表示玻碳電極的幾何面積，c 表示溶液的濃度，n 為參與電化學反應的電子數，D 表示擴散系數)，在室溫條件下，經計算H2O2在PBS 溶液中的擴散系數D =1.43 ×10－6cm2/s。另外，從還原電流與掃描速度的平方根圖可知，I 與v1/2呈現良好的線性關系:Ipc(mA)= 0. 030 8v1/2(mV/s)－0.025 8(R =0.993 6)，說明在不同的掃描速度范圍內，電極表面的還原是典型的擴散步驟控制。這是因為復合物電極具有大的比表面積和良好的導電性，使得電極表面的H2O2能夠較快地發生電極反應，即電子傳遞速率大于物質由本體溶液到達電極表面的擴散速率。即電極的反應從吸附控制過程變為擴散控制過程。

圖3 Pb/GN-IR/GC 電極在5 mmol/L H2O2 溶液中不同掃速的循環伏安圖和還原電流與掃描速度的平方根的圖Fig.3 CVs of 5 mmol/L H2O2 at the Pb/GN-IR/GC electrode at different scan rates and reduction current and the square root of scanning speed charta→e 掃描速率分別為10，30，50，70，90 mV/s

2.2.3 pH 的影響 電解質溶液的pH 對H2O2的電催化也有很重要的影響，在不同的pH 條件下，測定Pb/GN-IR/GC 電極對H2O2的電化學響應，pH對還原峰電流值的影響見圖4。

圖4 pH 值與過氧化氫峰電流關系圖Fig.4 pH and H2O2 peak current relationship chart

由圖4 可知，pH 在5.1 ～7.0，還原峰電流隨pH的增大而逐漸增大，而pH 在7.0 ～8.26，峰電流隨pH 的升高而逐漸減小，可能的原因在于H2O2在堿性環境中不穩定，考慮到電極的最大響應值和實際應用價值，決定采用pH=7.0 為后面實驗的支持電解質。

2.3 電流法測定H2O2

確定了最佳實驗條件后，采用計時安培法考察了電流響應值與H2O2濃度之間的關系。在合適的攪拌速率下，在－0.4 V 的電位下不同修飾電極(a)Pb/GN-IR/GC、(b)GN/GC、(c)IR/GC 對連續加入H2O2的響應電流曲線見圖5。

圖5 Pb/GN-IR/GC 電極(a)、GN/GC 電極(b)和IR/GC 電極(c)對H2O2 的i-t 響應曲線Fig.5 Chronoamperometric responses for Pb/GN-IR/GC electrode(a)and GN/GC electrode(b)and IR/GC electrode(c)upon subsequent additions of H2O2

由圖5 可知，Pb/GN-IR/GC 傳感器對H2O2的電催化還原電流呈階梯形增長，有快速靈敏的響應。當加入等量的H2O2時，Pb/GN-IR/GC 修飾電極對H2O2的響應電流比其它修飾電極產生的催化電流大。對Pb/GN-IR/GC 修飾電極來說，達到最大穩態電流的95%需要10 s，如此快的響應歸屬于快速的擴散過程和Pb/GN-IR/GC 的高電子導電率。該修飾電極在4.0×10－6～4.3×10－4mol/L 范圍內，響應電流值與H2O2的濃度呈線性關系(R =0.997 8)，H2O2的檢出限為2.1 ×10－6mol/L。總之，Pb/GNIR/GC 復合修飾電極對H2O2的檢測有良好的線性關系和高的靈敏度。

2.4 傳感器的重現性及穩定性

重現性和穩定性是一個優良傳感器的重要指標，通過循環伏安法考察了相同條件下制備的6 支電極對H2O2的電化學行為，發現其電流響應值的RSD 為3.6%。同時電極的穩定性也進行了檢測，將電極貯存于冰箱內，每隔7 d 作一次檢測，儲存14 d 后的電流值為初始值的90%。表明此類傳感器具有好的重現性和穩定性。

2.5 干擾實驗及回收率

在最佳實驗條件下保持H2O2溶液的濃度為4.0 ×10－4mol/L，加入10 倍的尿酸、2 倍抗壞血酸、40 倍的葡萄糖、10 倍甘氨酸、10 倍色氨酸時、20 倍蘇氨酸測定其對H2O2生物傳感器響應信號的干擾，圖6 結果表明，這些物質對其干擾電流信號均＜5%。

圖6 干擾實驗的測定Fig.6 Effect from the possible interferents in H2O2 biosensors a.0.4 mmol/L H2O2;b.0.8 mmol/L 抗壞血酸;c.0.4 mmol/L 色氨酸;d.0.8 mmol/L 蘇氨酸;e.4 mmol/L 尿酸;f.1.6 mmol/L 葡萄糖;g.0.4 mmol/L 甘氨酸

采用本傳感器對3 份含過氧化氫的實際樣品進行分析，見表1。

表1 回收實驗(n=3)Table 1 Results of test for recovery

由表1 可知，此傳感器有較好的回收率，此方法為檢測實際樣品中的H2O2提供了一種新的、良好的方法。

3 結論

本文用石墨烯與離子液體形成的混合物修飾玻碳電極并采用電沉積法制備了納米鈀/石墨烯/離子液體復合材料，研制了一種能夠直接測定過氧化氫的無酶電化學傳感器。此修飾電極對過氧化氫的還原具有良好的電催化性能，顯示出了很高的靈敏度和穩定性以及對過氧化氫的快速響應性，這種復合物結合了石墨烯、離子液體和納米鈀的優越條件，提高了檢測的靈敏度，降低了檢出限。此外，該傳感器制備簡單、成本低廉、檢測方便、穩定性好、可長期使用。

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