一種新型雙氧水電化學傳感器設計

尹 偉，曹 淵，胡寶山，鮮曉紅

（重慶大學 基礎化學實驗教學中心，重慶 400044）

過氧化氫（俗稱雙氧水）作為食品、藥品、工業(yè)等生產(chǎn)中非常重要的中間體或添加劑，其含量的測定具有十分重要的意義。目前所用的測定方法主要有：滴定法［1］、光譜法、化學發(fā)光和電化學方法［2］。國家標準方法采用的是滴定法，該方法的樣品前處理過程復雜，檢測時間長，并且常因食品中還原性物質(zhì)的存在而導致檢測結(jié)果精確度偏低。電化學方法因為成本低、易于操作、檢測速度快等優(yōu)點成為更好的選擇。

文獻報道可以將血紅素（hemin）［3］、金屬卟啉［4］等模擬酶或者血紅蛋白（Hb）［5］負載到電極表面，制成電化學傳感器，來檢測溶液中的過氧化氫。Hb是一種天然的大分子蛋白，與hemin、metalloporphyrins相比，催化活性更好，但是將其負載到電極表面會降低催化活性［6］，而且價格昂貴，不穩(wěn)定。與hemin或者金屬卟啉配合物相比較，金屬卟啉聚合物［7］具有更大的平面共軛結(jié)構(gòu)和更高濃度的活性位點，被廣泛應用于電化學傳感器來檢測一些生化或無機物質(zhì)，表現(xiàn)出較好的效果［8］。石墨烯是由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度，具有高電傳導性能、高強度、高比表面積、電阻率極低、電子遷移的速度極快等優(yōu)點，被廣泛修飾到玻碳電極或石墨電極表面來制成傳感器檢測過氧化氫［9］。

本文利用電聚合的方法將石墨烯與四苯基鐵卟啉聚合物（pFeTPP）修飾于玻碳電極（GCE）上，用于溶液中過氧化氫的檢測，并詳細探討了其對過氧化氫的催化還原情況。

1 儀器與藥品

儀器：電化學工作站 Metrohm Autolab（PGSAT32）。三電極體系：玻碳電極（φ3mm）為工作電極，Ag／AgCl（saturated KCl）和鉑絲分別為參比電極與對電極。實驗之前，玻碳電極依次用1.0、0.3、0.05μm的Al2O3粉末拋光，并在乙醇和丙酮中交替超聲清洗3次，用蒸餾水沖洗，待用。實驗均在室溫（20±2℃）下進行。

藥品：用 Adler法［10］合成四苯基鐵卟啉（FeT－PP）；石墨烯（graphene）根據(jù)文獻［11］的方法制備；過氧化氫購于重慶川東化工有限公司；0.1mol／L、不同pH值的磷酸緩沖溶液（PBS）通過混合Na2HPO4和NaH2PO4的標準溶液制得。其余試劑均為分析純。實驗用水為二次蒸餾水（電阻率為17.9MΩ·cm）。電解質(zhì)溶液使用前通高純氮 （99.999%）30min除氧。

2 修飾電極制備

1mg石墨烯和0.2mL的Nafion（0.5%，異丙醇）超聲混合均勻，用微量注射器取2μL滴在電極表面，室溫干燥后的電極簡稱為Graphene／GCE。上述電極在溶有1mmol／L的FeTPP和0.1mol／L四丁基高氯酸銨 （TBAP）的二氯甲烷（CH2Cl2）溶液中用循環(huán)伏安方法電聚合（－2～2.5V相對于Ag／AgCl，0.1V／s），用二次蒸餾水沖洗，除去未聚合的鐵卟啉，制得的電極簡稱為Graphene／pFeTPP／GCE。

圖1（圖中V為電化學工作站電壓）是Graphene／GCE 在1mmol／L FeTPP 和 0.1mol／L TBAP 的CH2Cl2溶液中連續(xù)掃描的循環(huán)伏安曲線（－2～2.5V相對于 Ag／AgCl，0.1V／s）。從圖中看出，隨著掃描圈數(shù)增多，電流增大，表明pFeTPP膜在電極表面逐漸形成。－2～1.0V（相對于Ag／AgCl）中的氧化還原峰代表卟啉環(huán)的氧化還原，2.0V （相對于Ag／AgCl）處的氧化峰代表meso位苯環(huán)的氧化。pFeTPP膜形成的機理［12］如下：首先卟啉環(huán)失去電子形成陽離子FeTPP2＋，在2.0V附近苯環(huán)進一步氧化，形成自由基離子（FeTPP2＋）·＋，2個自由基離子連接形成二聚體，依此類推，形成聚合物pFeTPP。

圖1 Graphene／GCE在1mmol／L FeTPP和0.1mol／L I TBAP的CH2Cl2溶液中連續(xù)掃描的循環(huán)伏安曲線

3 修飾電極對過氧化氫的電催化還原

圖2 Graphene／pFeTPP／GCE在含有不同濃度過氧化氫的PBS中的循環(huán)伏安曲線

Graphene／pFeTPP／GCE在過氧化氫濃度為0、5、40、50、100、200μmol／L的PBS中的循環(huán)伏安曲線見圖2。Graphene／pFeTPP／GCE對過氧化氫有著非常靈敏的電催化還原作用。在0.1mol／L磷酸緩沖溶液（pH＝7）中，Graphene／pFeTPP／GCE膜電極循環(huán)伏安曲線僅僅顯示其電化學行為（圖2中a線），加入過氧化氫后，pFeTPP的直接電化學的循環(huán)伏安曲線發(fā)生明顯的變化，氧化峰消失，－0.208V處的還原峰急劇增大且變寬。由于標準狀態(tài)下的電極電位φθ（H2O2／H2O）＞φθ（Fe3＋／Fe2＋），過氧化氫可直接將Fe2＋氧化成Fe3＋，因此氧化峰消失。還原峰增大說明pFeTPP對過氧化氫的還原有明顯的電催化作用，峰變寬可能是過氧化氫的還原和Fe3＋的還原疊加在一起造成的。并且，隨著雙氧水濃度的增加，還原電流也隨之增大。因此，Graphene／pFeTPP／GCE膜電極可以用來檢測溶液中的過氧化氫。

4 修飾電極對過氧化氫的響應線性范圍和檢測線

Graphene／pFeTPP／GCE膜電極對雙氧水的磷酸緩沖液催化電流隨時間變化的響應曲線（I－t曲線）如圖3所示。工作電位為－0.4V；溶液為50mL、0.1mol／L PBS，pH＝7.0。每段加入不同過氧化氫濃度：10mmol／L（圖中a段）和0.1mol／L（圖中b段）。在選定的工作電位－0.4 V下，每隔40s，將5μL不同濃度的過氧化氫加到50mL在電磁攪拌下的測試底液（緩沖液）中，膜電極快速地對過氧化氫產(chǎn)生響應。每當向緩沖溶液中加入一定量的過氧化氫時，還原電流都會階躍升高到一個穩(wěn)定值。從I－t曲線得到的校正曲線（圖3中插圖）可以看出，過氧化氫濃度在4×10－6～2.4×10－4mol／L范圍內(nèi)與還原峰電流呈線性關系，其線性方程為：i／μA＝7.55＋0.04c／（μmol／L），線性相關系數(shù)R＝0.998，檢測下限是1μmol／L（信噪比為3）。

通過測試修飾電極電流的減小來衡量修飾電極的穩(wěn)定性。當Graphene／pFeTPP／GCE薄膜電極以0.1 V／s的掃速在0.1mol／L磷酸緩沖溶液（pH 7.0）中連續(xù)掃描100圈后，電極的電流基本沒有變化，說明膜電極的穩(wěn)定性良好。

圖3 Graphene／pFeTPP／GCE對于連續(xù)加入不同濃度過氧化氫的磷酸、緩沖溶液電流－時間曲線

膜電極的選擇性是通過檢測4×10－5mol／L過氧化氫的電流響應來衡量的。在檢測過程中，20倍的普通陰離子，如：SO2－4、NO－3、PO3－4、AC－，或者葡萄糖、蔗糖、乙醇均不會對電極的響應產(chǎn)生影響。但是，抗壞血酸具有較強的還原性，遇到具有氧化性的過氧化氫會被氧化，導致響應信號大大降低。

5 結(jié)論

綜上所述，本文采用電化學聚合的方法成功制備了Graphene／pFeTPP／GCE膜電極，制備方法簡單，穩(wěn)定性好。與單體相比，pFeTPP具有更高的共軛結(jié)構(gòu)和活性位點。Graphene／pFeTPP／GCE薄膜電極對過氧化氫的還原具有很好的催化響應，檢測下限是1μmol／L（信噪比為3），線性范圍是4×10－6～2.4×10－4mol／L。

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［1］Hurdis E C，Romeyn H.Accuracy of Determination of Hydrogen Peroxide by Cerate Oxidimetry［J］.Anal Chem，1954，26：320－325.

［2］Li J，Tan S N，Ge H.Silica sol－gel immobilized amperometric biosensor for hydrogen peroxide［J］.Anal Chim Acta，1996，335（3）：137－145.

［3］Federica Valentini，Lara Cristofanelli，Marilena Carbone，et al.Glassy carbon electrodes modified with hemin－carbon nanomaterial films for amperometric H2O2and NO－2detection［J］.Electrochimica Acta，2012，63：37 46.

［4］Kawamura－Konishi Y，Asano Y，Yamazaki M，et al.Peroxidase activity of an anlibody－ferric porphyrin complex［J］.J Mol Catal B：Enzym，1998，4（4）：181－190.

［5］Yu Jiuhong，Ju Huangxian.Amperometric biosensor for hydrogen peroxide based on hemoglobin entrapped in titania sol gel film［J］.Analytica Chimica Acta，2003，486（2）：209－216.

［6］Feng D，Wang F，Chen Z.Electrochemical glucose sensor based on one－step construction of gold nanoparticle chitosan composite film［J］.Sensors and Actuators B：Chemical，2009，138（2）：539－544.

［7］Ruili Liu，Christian von Malotki，Lena Arnold，et al.Triangular Trinuclear Metal－N4Complexes with High ElectrocatalyticActivity for Oxygen Reduction［J］.J Am Chem Soc，2011，133（27）：10372－10375.

［8］Mao M，Zhang D，Sotomura T，et al.Mechanistic study of the reduction of oxygen in air electrode with manganese oxides as electrocatalysts［J］.Electrochimica Acta，2003，48（8）：1015－1021.

［9］Yang Hungwei，Hua Muyi，Chen Shilian，et al.Reusable sensor based on high magnetization carboxyl－modified graphene oxide with intrinsic hydrogen peroxide catalytic activity for hydrogen peroxide and glucose detection，Biosensors and Bioelectronics［J］.2013，41：172－179.

［10］Huanbao F A，Wei Yin，Chang Junhou，et al.Photochemical and electrochemical properties of porphyrin dimers containing an anhydride spacer［J］.Journal of Coordination Chemistry，2009，62（7）：1151－1161.

［11］Hummers W S，Offeman R E.Preparation of Graphitic Oxide［J］.J Am Chem Soc，1958，80（6）：1339.

［12］Christine P R，Joёlle R B，Gérard S，et al.Electroactive films of poly（tetraphenylporphyrins）with reduced bandgap［J］.J Electroanal Chem，2006，597（1）：19－27.