Ti3C2TX/Au@Pt納米花復(fù)合膜的制備及其無(wú)酶H2O2傳感器的應(yīng)用

王廣現(xiàn)，姚 瑤，褚光雷，張 慧，郭業(yè)民

(山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255000)

過(guò)氧化氫(H2O2)是一種活性氧類(lèi)物質(zhì)(ROS)，因其活性氧核外未配對(duì)電子而具有很強(qiáng)的化學(xué)活性，可以擾亂生物體的代謝，使生物體受到氧化損傷[1]。同時(shí)，H2O2還具有強(qiáng)氧化性，常作為高效消毒滅菌劑而廣泛應(yīng)用于食品衛(wèi)生、環(huán)保、紡織、化工等領(lǐng)域[2-3]。然而H2O2的過(guò)量使用會(huì)在環(huán)境中造成大量殘留，當(dāng)人體與H2O2接觸后會(huì)加速細(xì)胞老化，危害人體健康[4]，因此對(duì)H2O2進(jìn)行準(zhǔn)確、快速、靈敏的檢測(cè)顯得尤為重要。目前定量檢測(cè)H2O2的方法主要有熒光法、化學(xué)發(fā)光法、電化學(xué)法、比色法等[5-6]，其中電化學(xué)法由于操作簡(jiǎn)單、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[7]。目前應(yīng)用較多的是由酶(如辣根過(guò)氧化酶)修飾的生物傳感器，但此類(lèi)電化學(xué)傳感器存在成本高、酶固定程序復(fù)雜、環(huán)境因素(溫度、pH)難以控制和酶的活性難以保持等問(wèn)題，諸多研究者因而開(kāi)始轉(zhuǎn)向無(wú)酶生物傳感器的研究[8]。

隨著人們對(duì)低維納米材料的興趣日益濃厚，二維過(guò)渡金屬碳化物或氮化物(MXene)因其獨(dú)特形態(tài)受到關(guān)注[9]。研究發(fā)現(xiàn)，MXene具有與石墨烯類(lèi)似的二維結(jié)構(gòu)，以及引人注目的物理和化學(xué)性質(zhì)，如高比表面積、高導(dǎo)電率、高穩(wěn)定性以及在水中分散良好等，而被廣泛運(yùn)用于電化學(xué)儲(chǔ)能、催化、傳感、電磁屏蔽、膜分離技術(shù)等方面[10]。目前，MXene納米片已被用于多種傳感器并表現(xiàn)出良好的生物相容性和高靈敏度等性能[11-12]。

無(wú)機(jī)納米材料作為一種模擬酶[13-15]，因其表面具有大量的活性位點(diǎn)和活性基團(tuán)以及可進(jìn)一步功能化等性質(zhì)受到廣泛關(guān)注[16]。其中貴金屬納米(Au、Pt等)材料因具有較高的催化活性而被廣泛應(yīng)用于H2O2的定量檢測(cè)[17-19]。本文合成了一種基于MXene材料負(fù)載Au@Pt納米花作為傳感平臺(tái)的無(wú)酶?jìng)鞲衅?，并將其用于H2O2的定量檢測(cè)。通過(guò)采用濕法制備Ti3C2Tx，利用氟化氫與鹽酸蝕刻Ti3AlC2制備得到典型的MXene材料Ti3C2Tx，同時(shí)利用還原法合成Au@Pt納米花負(fù)載于Ti3C2Tx上(Ti3C2Tx/Au@Pt)。將Ti3C2Tx/Au@Pt修飾至玻碳電極(GCE)進(jìn)一步研究了H2O2在該修飾電極上的電化學(xué)行為，結(jié)果顯示，Ti3C2Tx材料表現(xiàn)出良好導(dǎo)電性以及對(duì)H2O2的高效催化氧化性，且相對(duì)于傳統(tǒng)無(wú)酶?jìng)鞲衅?，該傳感器?duì)于H2O2具有更寬的線(xiàn)性范圍、更高的靈敏度、更好的抗干擾性和再現(xiàn)性，有望在生物醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)和環(huán)境分析中得到廣泛應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

氯金酸(HAuCl4)購(gòu)于Sigma公司；過(guò)氧化氫、尿酸、乙酸、氯鉑酸(H2PtCl6)、殼聚糖購(gòu)于Macklin公司；pH 6.0的 0.01 mol/L磷酸鹽緩沖溶液(PBS)由0.2 mol/L Na2HPO4和0.2mol/L NaH2PO4稀釋配得。所有試劑均為分析級(jí)，實(shí)驗(yàn)用水為超純?nèi)ルx子水(DW)。

X-射線(xiàn)衍射儀(XRD，荷蘭PANalytical公司)；JEOL JSM-7800F場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM，日本株式會(huì)社)；電化學(xué)阻抗譜測(cè)量使用電化學(xué)工作站(德國(guó)Zahner公司)；CHI660E電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用三電極系統(tǒng)：改性GCE電極為工作電極，Ag/AgCl電極(KCl濃度為3.0 mol/L)為參比電極，鉑絲為輔助電極。

1.2 Ti3C2Tx-Au@Pt納米花材料的制備

將摩爾比為3∶1.1∶1.88的Ti、Al和石墨的粉末與瑪瑙球混合，在氬氣保護(hù)下加熱至1 550 ℃保持2 h。將制備的1.0 g Ti3AlC2粉末緩慢加入3.0 mol/L HF和6.0 mol/L HCl混合液，將混合物在30 ℃、400 rpm條件下攪拌48 h后，將混合液以5 000 rpm速度離心5 min，棄去上清液，收集黑色粉末。所得粉末用水重復(fù)洗滌5次，至其在水中pH為6.0時(shí)，使用聚四氟乙烯膜(0.22 mm孔徑)過(guò)濾溶液收集Ti3C2Tx，并在60 ℃真空干燥箱中干燥12 h。將Ti3C2Tx加入水中，在冰浴中超聲處理1 h，使Ti3C2Tx薄片脫層。最后，在8 000 rpm離心1 h后，收集上清液，真空干燥后得到Ti3C2Tx黑色粉末。稱(chēng)取一定量Ti3C2Tx配成5.0 mmol/L的溶液，將3 mL殼聚糖(0.5%)加至30 mL 0.5 mg/mL的Ti3C2Tx溶液中，繼續(xù)加入2.5 mL 3.0 mmol/L的H2PtCl6和2.5 mL 3.0 mmol/L 的HAuCl4溶液，攪拌0.5 h，制得Ti3C2Tx/Au@Pt納米花溶液。

1.3 Ti3C2Tx/Au@Pt/GCE傳感器的構(gòu)建

基于Ti3C2Tx/Au@Pt納米花修飾的GCE傳感器的構(gòu)建主要通過(guò)滴涂法制備。在電極構(gòu)建前，將GCE電極依次使用0.3 μm與0.05 μm的氧化鋁粉末在拋光布上拋光，用水洗滌后，分別在酒精和水中超聲處理，氮?dú)獯蹈伞８鶕?jù)以下步驟在室溫下制備Ti3C2Tx/Au@Pt納米花復(fù)合膜附在GCE電極上，具體流程如圖1所示：取5 μL Ti3C2Tx/Au@Pt納米花溶液滴至GCE表面，在空氣中干燥后，即得Ti3C2Tx/Au@Pt/GCE無(wú)酶?jìng)鞲衅鳌?/p>

圖1 Ti3C2Tx/Au@Pt納米花無(wú)酶?jìng)鞲衅鞯臉?gòu)建流程圖Fig.1 Flow chart of a Ti3C2Tx/Au@Pt nanoflowers enzyme-free sensor

2 結(jié)果與討論

2.1 Ti3C2Tx納米復(fù)合材料的SEM和XRD表征

采用XRD進(jìn)一步驗(yàn)證Ti3C2Tx納米復(fù)合材料的晶體結(jié)構(gòu)和相純度，可在8.9°、13.7°、27.5°處觀(guān)察到主要衍射特征峰(圖2D)，這與文獻(xiàn)報(bào)道一致[23]。表明已合成了具有—OH表面配體的結(jié)晶材料Ti3C2Tx。在8.9°的衍射峰高而尖銳，表明該納米復(fù)合材料在合成過(guò)程中層狀堆垛較好，而測(cè)試中未出現(xiàn)其他雜峰，說(shuō)明樣品較為純凈。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，在刻蝕過(guò)程中，未配對(duì)電子的不飽和表面易被各種官能團(tuán)(—O，—F或—OH)結(jié)合[24]。本實(shí)驗(yàn)采用在水中制備Ti3C2Tx材料使其表面被—OH官能團(tuán)結(jié)合，從而使得其在水中有很好的分散性，可制成膠體物質(zhì)，更好的在電極上成膜。

2.2 Ti3C2Tx/Au@Pt納米花修飾電極的EIS和CV表征

在含有5 mmol/L K3[Fe3(CN)6]溶液和0.1 mol/L KCl溶液中采用交流阻抗法檢測(cè)Ti3C2Tx/Au@Pt納米花修飾電極的表面。從圖3A中可以觀(guān)察到裸玻碳電極的直徑最大，表明無(wú)修飾材料電極的半圓最大，其電阻也最大(達(dá)5.8 kΩ)[25]。當(dāng)電極表面加上Ti3C2Tx后，半圓直徑減至1.1 kΩ，表明Ti3C2Tx具有極好的導(dǎo)電性。進(jìn)一步在Ti3C2Tx上修飾Au-Pt納米花后，導(dǎo)電性變化不大，表明Au@Pt納米花修飾于Ti3C2Tx不影響其導(dǎo)電性。將Ti3C2Tx/Au@Pt/GCE傳感器在0.01 mol/L PBS(pH 6.0)緩沖液中，以?huà)呙杷俾?00 mV/s，測(cè)定了加入H2O2前后的循環(huán)伏安曲線(xiàn)(圖3B)?？捎^(guān)察到，PBS溶液未加入H2O2前，CV曲線(xiàn)無(wú)明顯的氧化還原峰，加入3.0 μmol/L H2O2后，其氧化和還原電流明顯增加，且在-0.45 V附近出現(xiàn)1明顯的氧化還原峰，表明該修飾電極對(duì)H2O2具有較高的催化活性。

圖3 不同電極的EIS圖(A)，及加入H2O2前后Ti3C2Tx/Au@Pt/GCE電極的CV圖(B)
Fig.3 EIS images of different electrodes(A)，and CV plots of Ti3C2Tx/Au@Pt/GCE electrode before and after addition of H2O2(B)

圖4 不同比例Au與Pt對(duì)峰值電流強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of Au and Pt with different ratios on peak current intensity

2.3 Au與Pt比例的優(yōu)化

不同比例貴金屬納米粒子制備的納米花因大小和分布不同，會(huì)影響核-殼結(jié)構(gòu)的納米花催化氧化H2O2的效果。因此，本實(shí)驗(yàn)考察了不同比例(2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2、9∶1)Au與Pt制備納米花對(duì)H2O2催化氧化效果的影響。如圖4所示，兩種貴金屬比例為5∶5時(shí)，峰值電流最高，說(shuō)明此比例下復(fù)合材料的導(dǎo)電性能最好，高于或低于此比例，均會(huì)導(dǎo)致峰電流降低。因此，選用氯鉑酸與氯金酸的最佳比例為5∶5。

圖5 -0.15 V電位下不同濃度H2O2在Ti3C2Tx/Au@Pt/GCE傳感器上的時(shí)間-電流響應(yīng)曲線(xiàn)Fig.5 Time-current response curve of different concentrations of H2O2 at Ti3C2Tx/Au@Pt/GCE sensor at-0.15 V potentialinsert:the corresponding calibration curve of steady state current to H2O2 concentration

2.4 傳感器計(jì)時(shí)電流法檢測(cè)H2O2

采用安培法，以-0.15 V為工作電位，每隔30 s向持續(xù)攪拌的PBS(50 mmol/L)緩沖液中加入3 μL 3.0 μmol/L 的H2O2，測(cè)定了Ti3C2Tx/Au@Pt/GCE傳感器在不同濃度H2O2中的時(shí)間-電流曲線(xiàn)(圖5)。結(jié)果顯示，修飾電極的催化電流隨著H2O2濃度的增加而增加，符合穩(wěn)態(tài)電流的特征，且每次加入H2O2后Ti3C2Tx/Au@Pt/GCE電極均會(huì)迅速響應(yīng)，響應(yīng)時(shí)間小于5 s(達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流的98%)。圖5插圖顯示了Ti3C2Tx/Au@Pt/GCE傳感器的響應(yīng)電流與H2O2濃度的校準(zhǔn)曲線(xiàn)，結(jié)果表明該傳感器對(duì)0.03～1 100 μmol/L濃度范圍內(nèi)的H2O2表現(xiàn)出很好的線(xiàn)性關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)為0.997 7，檢出限(LOD,S/N=3)為0.02 μmol/L，靈敏度為4.54 V/g。

表1為本方法與其它檢測(cè)H2O2傳感器的參數(shù)對(duì)比。結(jié)果顯示，Ti3C2Tx/Au@Pt/GCE傳感器具有較低的LOD和較寬的線(xiàn)性范圍，其原因可歸為以下兩方面：①Ti3C2Tx具有類(lèi)似石墨烯的2D片層結(jié)構(gòu)，為Au@Pt納米花提供了豐富的結(jié)合位點(diǎn)，增加了納米花的負(fù)載量。②納米復(fù)合材料具有良好的導(dǎo)電性，為電子傳遞提供了有利條件，可以放大電信號(hào)，提高檢測(cè)靈敏度。因此，Ti3C2Tx/Au@Pt/GCE傳感器可以成為一種用于超靈敏和快速檢測(cè)H2O2的強(qiáng)大傳感平臺(tái)。

表1 本方法與其他檢測(cè)H2O2的傳感器的比較Table 1 Comparison between this work and the other sensors for detection of H2O2

2.5 傳感器的抗干擾性與重現(xiàn)性

在N2環(huán)境下，通過(guò)安培法測(cè)試了Ti3C2Tx/Au@Pt/GCE傳感器的抗干擾能力。結(jié)果顯示，當(dāng)PBS緩沖液中添加5.0 μmol/L H2O2后電流信號(hào)變大，表明有催化反應(yīng)發(fā)生，而當(dāng)添加抗壞血酸、L-半胱氨酸、尿酸、丙烯酸干擾物時(shí)未出現(xiàn)任何電流響應(yīng)的變化，表明傳感器具有良好的抗干擾性和特異性。將傳感器在4 ℃的冰箱中放置2周，電流值為初始值的95%,表明其具有良好的穩(wěn)定性和再現(xiàn)性。

表2 傳感器對(duì)模擬污水樣品中H2O2的分析結(jié)果Table 2 Analysis results of the sensor for H2O2 in simulated wastewater samples

2.6 實(shí)際樣品的檢測(cè)

為了研究Ti3C2Tx/Au@Pt/GCE傳感器的實(shí)際應(yīng)用性能，在通N2的模擬污水中加入不同濃度 H2O2，同時(shí)加入10倍H2O2濃度的抗壞血酸、L-半胱氨酸、尿酸、多巴胺干擾物進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，H2O2的回收率為97.4%～103%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為1.7%～3.3%(見(jiàn)表2)。表明所構(gòu)建傳感器的檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、可靠性較高，可用于實(shí)際樣品中H2O2的定量檢測(cè)。

3 結(jié) 論

本文采用一步合成法制備了具備導(dǎo)電性和生物相容性的Ti3C2Tx/Au@Pt納米花復(fù)合物，構(gòu)建了Ti3C2Tx/Au@Pt/GCE傳感器用于H2O2的定量檢測(cè)。該傳感器對(duì)H2O2具有良好的催化活性，通過(guò)檢測(cè)Au@Pt納米花催化H2O2產(chǎn)生的電流信號(hào)變化，可實(shí)現(xiàn)對(duì)H2O2的定性定量檢測(cè)。該傳感器具有檢測(cè)線(xiàn)性范圍寬、靈敏度高、抗干擾性強(qiáng)和重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)，可用于復(fù)雜環(huán)境中 H2O2的檢測(cè)，具有良好的應(yīng)用前景。