鐵氰化鈷修飾石墨烯平面電極對過氧化氫的傳感作用

趙鴻彩+張璞+李社紅+羅紅霞

摘 要 利用高分子支撐法將氣相沉積（CVD）石墨烯從銅基底上轉(zhuǎn)移到聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底上，制備出石墨烯平面電極（GPE）， 通過循環(huán)伏安法將鐵氰化鈷（CoHCF）納米顆沉積到GPE上，得到鐵氰化鈷修飾石墨烯平面電極（CoHCF/GPE）。研究表明，此電極對過氧化氫具有良好的傳感作用，從而構(gòu)建一種新型無酶過氧化氫傳感器。此傳感器在過氧化氫濃度為5.0-1200 μmol/L范圍內(nèi)，響應(yīng)電流與濃度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，檢出限為7.1 nmol/L （S/N=3），響應(yīng)時間約為2 s，具有穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、制備簡單等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 氣相沉積； 石墨烯； 鐵氰化鈷納米顆粒； 化學(xué)修飾平面電極； 過氧化氫

1 引 言

過氧化氫在生活中可用作消毒劑、氧化劑等，在環(huán)境分析、醫(yī)療診斷、食品檢測等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，同時也是多數(shù)酶催化反應(yīng)的副產(chǎn)物之一， 參與人體內(nèi)多種疾病發(fā)生過程[1～3]。因此，快捷、精確地檢測過氧化氫是十分必要的。傳統(tǒng)的過氧化氫傳感器多以過氧化氫酶為載體，具有靈敏度高、選擇性專一、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但易受溫度、pH值和其它環(huán)境因素的影響，且成本高、穩(wěn)定性低、制作過程復(fù)雜，因此研究無酶型過氧化氫傳感器具有重要的實(shí)際應(yīng)用價值。目前，已有多種檢測H2O2的方法，如滴定分析法[4]、化學(xué)發(fā)光法[5]、色譜法[6]、電化學(xué)分析法[7]等。電化學(xué)分析法，因其反應(yīng)靈敏、制備過程簡單而備受研究者的青睞。研究表明，多種材料可用于H2O2電化學(xué)分析，如金屬納米顆粒（Ag[8]， Pt[9]）， 金屬氧化物（Cu2O[10]， Co3O4[11]），金屬鐵氰化物等。其中，金屬鐵氰化物因其電子傳遞速率快、穩(wěn)定性高、電催化能力強(qiáng)等特性，常用于能量儲存[12]、生物傳感器[13，14]、電催化[15～17]等方面。鐵氰化鈷（CoHCF）因分子中的鈷和鐵均具有和兩種價態(tài)，從而具有多種氧化還原態(tài)，因而在電催化方面引起了特別的關(guān)注[9，13，18]。

2004年，Andre和Kongstantin利用普通膠帶成功地從石墨中剝離出石墨烯[19]。石墨烯是一種具有原子厚度的二維碳納米材料，由像苯環(huán)結(jié)構(gòu)的單層碳原子堆積而成，它可以翹曲成零維的富勒烯，卷成一維的碳納米管，堆積成三維的石墨[20]。因石墨烯具有比表面積大、電子轉(zhuǎn)移速率快、電化學(xué)穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到生物電化學(xué)領(lǐng)域[21，22]。常見的石墨烯的制備方法有機(jī)械剝離法[19]、化學(xué)氣相沉積（CVD）法[23]、氧化還原法[24]和外延生長法[25]。CVD石墨烯除了具有優(yōu)良的電化學(xué)性能外，還具有結(jié)構(gòu)缺陷少、可大面積制備、層數(shù)可控等特性[26]，吸引了眾多研究者關(guān)注。

CVD石墨烯邊緣和面都具有較好的電化學(xué)性能[27]。Han等將雙層石墨烯轉(zhuǎn)移到玻碳電極（GCE）表面，以修飾Pd納米顆粒檢測H2O2[28]。Li等[29]將CVD石墨烯邊緣制備成納米電極，研究其對一些生物分子的電催化作用。本研究將CVD石墨烯面制成電極，在其表面修飾鐵氰化鈷（CoHCF）納米顆粒，并用于H2O2的檢測，構(gòu)建了一種新型無酶H2O2傳感器。此傳感器具有檢出限低、檢測靈敏快捷、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器與試劑

CHI660D型電化學(xué)工作站（上海辰華儀器有限公司）， 三電極系統(tǒng)： 工作電極為CVD石墨烯或修飾后的CVD石墨烯電極， 參比電極為 Ag/AgCl 電極，對電極為 Pt 絲電極。pH 計（Sartorius PB10，Germany），掃描電子顯微鏡（SEM， JEOL 7401）。銅基底少層CVD石墨烯（3～5層，深圳六碳科技有限公司），聚（甲基丙烯酸甲酯） （PMMA，Aladdin工業(yè)公司），其它試劑均為分析純。0.1 mol/L KH2PO4Na2HPO4 緩沖溶液（PBS）作為支持電解質(zhì)，掃描速率為 50 mV/s （特殊指明除外），實(shí)驗(yàn)前均用高純氮?dú)獬?20 min，實(shí)驗(yàn)用水為 MilliQ 去離子水（Millipore 公司）。

2.2 CoHCF/GPE修飾電極的制備

通過高分子支撐法將銅基底上的石墨烯（GR）轉(zhuǎn)移到透明不導(dǎo)電的聚對苯二甲酸乙二醇酯 （PET）基底上[30，31]。由于實(shí)驗(yàn)所用的CVD石墨烯層數(shù)較少，因此在將石墨烯從銅基底轉(zhuǎn)移到PET基底的過程中易發(fā)生撕裂，破壞石墨烯的完整性。在轉(zhuǎn)移過程中需涂PMMA的苯甲醚溶液，減少石墨烯的破損，再用丙酮除去石墨烯表面的PMMA[31]。轉(zhuǎn)移流程如圖1所示，在CVD銅基底的石墨烯上涂1%（w/w）PMMA苯甲醚溶液，待其自然晾干后，在恒溫箱中120℃干燥10 min，冷卻2～3 h，用棉簽除去銅基底背面的石墨烯。然后將PMMA/GR/Cu浸泡在1 mol/L FeCl3和0.1 mol/L HCl混合溶液中90 min，蝕刻掉銅，用去離子水清洗后將PMMA/GR轉(zhuǎn)移到PET上，室溫條件下干燥，在丙酮中浸泡24 h，取出晾干即可。

用絕緣膠帶將石墨烯封成面積為0.3 cm × 0.4 cm的薄片，石墨烯和電極線之間通過銅線連接，即得石墨烯平面電極（GPE）。

將GPE作為工作電極，在含有2 mmol/L K3[Fe（CN）6]、2 mmol/L CoCl2和0.1 mol/L KNO3的0.1 mol/L PBS （pH 5.0）中通氮?dú)?20 min，然后在0～1.1 V范圍內(nèi)連續(xù)循環(huán)掃描100圈，掃描速率為50 mV/s， 沉積好之后在去離子水中清洗，并在室溫下干燥，得到CoHCF/GPE。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用傳統(tǒng)的三電極體系，以CoHCF/GPE為工作電極，Ag/AgCl （飽和KCl）和鉑絲分別作為參比電極和對電極，在0.1 mol/L PBS （pH 7.0）電解質(zhì)溶液中進(jìn)行電化學(xué)檢測。循環(huán)伏安法掃描范圍為 0.2～1.1 V，掃速為50 mV/s。在電位0.8 V的條件下，通過響應(yīng)電流與濃度的關(guān)系曲線確定線性范圍和檢出限。實(shí)驗(yàn)所用溶液在使用前通入高純氮20 min，以除去溶液中的溶解氧。

3 結(jié)果與討論

3.1 CoHCF/GPE修飾電極的表征

由GPE表面的電鏡圖（圖2A）可見，石墨烯表面較完整、平滑，表明轉(zhuǎn)移得到的石墨烯質(zhì)量較高。循環(huán)伏安法在GRE表面修飾CoHCF與文獻(xiàn)[13]的方法相似。圖2B為CoHCF/GPE的掃描電鏡圖，沉積上的CoHCF平均粒徑為200 nm。

圖3A為GPE和CoHCF/GPE在0.1 mol/L PBS中的循環(huán)伏安圖，GPE上沒有峰出現(xiàn)，而CoHCF/GPE上出現(xiàn)一對氧化還原峰，峰電位分別為0.68和0.57 V，來源于電極表面CoHCF納米顆粒中的Fe2+/Fe3+ 的氧化還原[13，18，32]。電化學(xué)阻抗圖譜是一種可以有效證明電極表面是否發(fā)生變化的電化學(xué)方法，高頻半圓直徑越大，表明電極表面的界面電子傳遞電阻越大。如圖3B所示，在含有1 mmol/L Fe（CN）36的0.1 mol/L KCl溶液中，CoHCF/GPE的電阻相對于GPE明顯增大，表明修飾的CoHCF納米顆粒破壞了CVD石墨烯的sp2雜化結(jié)構(gòu)，阻礙了電極表面的電子傳遞，同時也進(jìn)一步證明CoHCF納米顆粒成功修飾到了電極表面。

3.2 GPE表面修飾CoHCF的最佳條件選擇

在0～1.1 V電位范圍內(nèi)，保持沉積圈數(shù)為100圈時，沉積速率對峰電流的影響見圖4A。隨著掃速增大，CoHCF/GPE在0.1 mol/L PBS中的電流逐漸增大，掃速為50 mV/s時峰電流最大。當(dāng)掃速繼續(xù)增大時，峰電流卻減小，可能由于掃速過大使得修飾上的CoHCF顆粒變少，峰電流隨之減少。在相同的電位掃描范圍內(nèi)，保持沉積速率為50 mV/s，沉積圈數(shù)與峰電流的關(guān)系見圖4B。隨著沉積圈數(shù)增多，峰電流逐漸增大，圈數(shù)為100圈時電流最大。隨著沉積圈數(shù)增加，修飾上CoHCF顆粒增多，電流增大。超過100圈后，修飾上的CoHCF量太大，較易發(fā)生團(tuán)聚，破壞了石墨烯完整性，CoHCF on GPE阻礙了電子傳遞。因此，選擇50 mV/s掃速沉積100圈得到CoHCF/GPE。圖4C 為保持沉積速率為50 mV/s，沉積圈數(shù)為100圈時，改變pH值得到的循環(huán)伏安圖。在pH=5時峰電流最大，而當(dāng)pH=7時峰形變得很差，故選擇pH=5。

3.3 CoHCF/GPE的電化學(xué)行為

圖5為CoHCF/GPE在0.1 mol/L PBS中不同掃速下的循環(huán)伏安圖。掃速在10～100 mV/s范圍內(nèi)，峰電流隨著掃速增加而增大，表明在此掃速范圍內(nèi)，CoHCF/GPE的可逆性不受掃速的影響。如插圖所示，峰電流與掃速成正比，這是表面控制。

3.5 線性范圍和檢出限

圖6B為CoHCF/GPE檢測H2O2濃度與響應(yīng)電流的關(guān)系曲線。對檢測電位進(jìn)行優(yōu)化時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作電位為0.8 V時，響應(yīng)電流最大，因此檢測時采用電位為0.8 V。在攪拌的條件下，每50 s向0.1 mol/L PBS（pH 7.0）中連續(xù)滴加H2O2。在5～380 μmol/L和380～1200 μmol/L范圍內(nèi)，電流與H2O2濃度分段呈線性關(guān)系，線性方程分別為I（μA） = 0.00201C（μmol/L） + 0.05691 （r=0.998） 和I（μA）=0.00131C （μmol/L） + 0.33992 （r=0.998），檢出限為7.1 nmol/L （S/N=3）。將本方法與文獻(xiàn)方法相比較（表1），可以看出CoHCF/GPE傳感器檢出限較低，且線性范圍較寬。

4 結(jié) 論

通過高分子支撐的方法將少層CVD石墨烯轉(zhuǎn)移到不導(dǎo)電的PET基底上，利用循環(huán)伏安法在GPE表面修飾CoHCF納米顆粒，以此制備CoHCF/GPE修飾電極。實(shí)驗(yàn)表明，該修飾電極對H2O2有很好的催化效果，可對H2O2進(jìn)行快捷、精確的檢測。檢出限為7.1 nmol/L （S/N=3），響應(yīng)時間短 （約為2 s），且此傳感器還具有穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、制作成本低、制備過程簡單等優(yōu)點(diǎn)。

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Abstract A largearea graphene platform electrode （GPE） was fabricated by transferring the chemical vapor deposition （CVD） graphene grown on Cu foils to polyethylene terephthalate （PET） substrates with the aid of polymethylmethacrylate （PMMA）. Then cobalt hexacyanoferrate （CoHCF） was electrodeposited on the GPE by cyclic voltammetry to obtain a CoHCF/GPE. The morphology and electrochemical properties of this electrode were studied by scanning electron microscope （SEM）， electrochemical impedance spectroscopy （EIS） and the electrochemical measurements. Results showed that the electrode had favorable sensing effect toward H2O2. On the basis of this， a new nonenzyme H2O2 sensor was constructed. Under the optimal experimental conditions， the proposed sensor had a quick response to the addition of H2O2 （about 2 s） with a wide linear rang （5 × 103-1.2 mmol/L） and a low detection limit （7.1 nmol/L）. This sensor was easy to fabricate and showed excellent stability and antiinterference ability.

Keywords Chemical vapor deposition； Graphene； Cobalt hexacyanoferrate nanoparticle； Chemically modified platform electrode； Hydrogen peroxide

（Received 16 January 2017， accepted 16 March 2017）

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China （No.21575160）