基于電化學(xué)還原石墨烯修飾電極的過氧化氫傳感器

邢志鵬，石 鳳，于素華，王梓瑋，李 娟，楊占軍

（廣陵學(xué)院，化學(xué)化工學(xué)院，揚(yáng)州大學(xué)，江蘇揚(yáng)州225128）

0 前言

過氧化氫（H2O2）是一種極強(qiáng)的氧化劑，在食品、醫(yī)藥、環(huán)境分析等領(lǐng)域主要起漂白、防腐等作用，其殘留對人體會產(chǎn)生很大的危害。因此，對H2O2的高靈敏檢測變得尤為重要[1]。此外，H2O2是大多數(shù)氧化酶與其底物之間酶促反應(yīng)的產(chǎn)物，因此其檢測對于制備氧化酶底物生物傳感器和監(jiān)測氧化酶活性具有重要意義。目前，光譜法[2]、滴定法[3]、化學(xué)發(fā)光法[4]和電化學(xué)法[5]等方法已經(jīng)用于檢測過氧化氫。在這些分析方法中，電化學(xué)法已被證明是一種靈敏、低成本和有效的測定過氧化氫的方法[5]。在過去的幾十年里，利用高效的催化過程在發(fā)展高靈敏度電化學(xué)方法方面取得了巨大的進(jìn)展。

石墨烯是一種由sp2雜化的單層碳原子堆積而成的二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的碳材料，最近在實(shí)驗(yàn)和理論科學(xué)領(lǐng)域受到了極大的關(guān)注[6]。石墨烯由于具有高的比表面積，優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度，高的導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于電極材料[7]。石墨烯作為一種新型材料，為制備電化學(xué)器件提供了一條新的途徑[8]。最近，有相當(dāng)多的研究報道了基于石墨烯的電化學(xué)生物傳感器[9]。石墨烯修飾電極在抗壞血酸（AA）[10]、氨基酸[11]、葡萄糖[12]和次黃嘌呤[13]的測定中顯示出了很好的應(yīng)用前景。與化學(xué)法還原制備氧化石墨（GO）相比，電化學(xué)法是一種綠色、簡便、快速、高效的還原方法。

該文采用Hummers法和Offerman法合成了氧化石墨烯，然后將制備得到的氧化石墨烯修飾在電極上，并在-1.5 V電位下對GO修飾電極進(jìn)行電化學(xué)還原，構(gòu)建了還原石墨烯（RGO）的H2O2傳感器。整個電極石墨烯修飾均勻，經(jīng)還原后的石墨烯對H2O2有著很好的響應(yīng)。該文制備的H2O2傳感器，為痕量的H2O2檢測提供了一種高效快捷的電化學(xué)檢測方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

儀器：CHI852C電化學(xué)工作站（上海辰華儀器公司）、舒美PQ218超聲清洗儀（中國）、上海菁華JA51002電子天平（中國）、PHS-4A酸度計（中國江蘇江分電分析儀器有限公司）、玻碳電極（GCE）、鉑電極和飽和甘汞電極（SCE）。

試劑：石墨粉、過氧化氫（10M）、磷酸鹽緩沖溶液（PBS）由NaH2PO4和Na2HPO4儲備液配制而成、其它所有試劑均為分析純、實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水。

1.2 傳感器的制備

1.2.1 石墨烯的制備

將3g石墨粉末加入由12 mL的濃硫酸、2.5 g的K2S2O8和2.5 g的P2O5所組成的溶液中，在80℃下反應(yīng)4.5 h?；旌衔镉?00 mL水稀釋并保持80℃放置12 h。用水洗過濾后產(chǎn)物放置干燥過夜，之后把產(chǎn)物加到120 mL的濃硫酸中，在保持溫度低于20℃的條件下，慢慢攪拌加入15 g KMnO4。然后在40℃下攪拌0.5 h，90℃下攪拌90 min。然后加250 mL水稀釋，在105℃下放置25 min。當(dāng)最終的混合物攪拌了2 h后，加入700 mL水和20 mL 30%的H2O2結(jié)束反應(yīng)。產(chǎn)物用1∶10的鹽酸溶液和水多次清洗過濾后，得到氧化石墨烯懸浮液。

1.2.2 修飾電極的制備

依次用0.3-μm、0.05-μm的Al2O3將玻碳電極拋光成鏡面，用去離子水沖洗除去表面的拋光粉，依次用去離子水、無水乙醇、去離子水超聲清洗5 min，用氮?dú)鈱⑵浔砻娲蹈蓚溆谩?/p>

將所制得的氧化石墨烯配置成0.1 mol/L的氧化石墨烯水溶液，取5 μL滴于處理好的電極上，自然晾干。將風(fēng)干的電極至于PBS緩沖溶液中進(jìn)行時間-電流（i-t）電化學(xué)還原10 min得還原石墨烯修飾電極。

1.3 檢測方法

所有電化學(xué)測量均在CHI 852C電化學(xué)工作站上進(jìn)行，采用傳統(tǒng)的三電極系統(tǒng)，以修改GCE（Φ=3 mm）為工作電極，鉑絲為輔助電極，飽和甘汞電極（SCE）為參比電極。這項(xiàng)工作中的所有電位參比電位都是指SCE。除非另有說明，否則以100 mV/s的掃描速率進(jìn)行伏安實(shí)驗(yàn)。所有實(shí)驗(yàn)均在25±2℃下進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 電極在修飾過程的電化學(xué)表征

圖1 A顯示了GO和RGO修 飾GCE在pH7.0 PBS中以100 mV/s掃描速率的循環(huán)伏安圖（CVs）。相比GO修飾電極（曲線a），GRO修飾電極除了出現(xiàn)一對氧化還原峰（曲線b），還在約1.0 V出現(xiàn)了第三個特峰，這說明了GO中氧官能團(tuán)發(fā)生了不可逆的電化學(xué)還原過程。圖1B顯示了RGO的SEM圖，可以明顯地看出RGO經(jīng)典的片層形貌，還有部分片層聚集的褶皺結(jié)構(gòu)，也證實(shí)了RGO的成功制備。圖2顯示了在含有1.0 mmol/L H2O2的pH7.0 PBS溶液中，GO和RGO修飾的GCEs對H2O2響應(yīng)的CVs。與GO修飾電極相比，RGO修飾電極在-0.3 V和0.6 V出現(xiàn)了H2O2氧化還原峰，并且峰電流增大。

圖1 在100 mV/s掃描速率下，電極修飾過程的循環(huán)伏安表征(a)GO修飾GCE和(b)RGO修飾GCE(A)；RGO修飾GCE的SEM(B)Fig.1 CVs of the GO(a)and RGO(b)modified GCEs in pH7.0 PBS solution at 100 mV/s of scan rate(A)and SEM image of RGO(B)

圖2 在100 mV/s掃描速率下，GO(a)和RGO(b)修飾GCEs在包含1.0 mmol/L H2O2的pH7.0 PBS溶液中的循環(huán)伏安表征Fig.2 CVs of the GO(a)and RGO(b)modified GCEs in pH7.0 PBS solution containing 1.0 mmol/L H2O2 at 100 mV/s scan rate

2.2 實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

2.2.1 緩沖溶液pH的優(yōu)化

研究了pH值對H2O2在RGO修飾電極上電化學(xué)行為的影響，如圖3所示。當(dāng)pH值從6.5增加到9.0時，H2O2的峰值電流在pH值7.0時達(dá)到最大值，然后開始降低（圖3插圖）。為了獲得最靈敏的H2O2的電化學(xué)響應(yīng)，因此采用最佳pH條件為7.0。

圖3 100 mV/s的掃描速率下，RGO修飾GCE在pH值為6.5、7.0、7.5、8.0和9.0（從a到e）的0.1 mol/L PBS中對1 mmol/L H2O2的CVs，插圖：陽極峰值電流與pH值的關(guān)系圖Fig.3 CVs of 1 mmol/L H2O2 in 0.1 mol/L PBS with 2.0,3.0,4.0,5.0,6.0 and 7.0 pH values at RGO modified GCE at a scan rate of 100 mV/s(from a to e),inset:plot of anodic peak current vs.pH

2.2.2 掃描速度的優(yōu)化

圖4 顯示了在pH值為7.0 PBS中，RGO修飾電極在不同掃描速率時對1.0 mmol/L H2O2的CVs。隨著掃速從20～250 mV/s增加，H2O2的還原和氧化峰電流隨至增大。并且峰電流值和掃速成線性關(guān)系，表明該電極反應(yīng)為表面控制過程的電化學(xué)過程。

圖4 在pH值為7.0的PBS，RGO修飾GCE在20、50、100、150、200和250 mV/s（從a到f）下對1 mmol/L H2O2的CVs，插圖：陽極和陰極峰值電流與掃描速率的關(guān)系圖Fig.4 CVs of 1 mmol/L H2O2 in pH7.0 PBS at 20,50,100,150,200 and 250 mV/s(from a to f),inset:plots of anodic and cathodic peak currents vs.scan rates

2.3 免疫傳感器對H2O2的響應(yīng)曲線

在最佳條件下，用計時電流法測定了H2O2的峰值電流。圖5顯示了RGO修飾GCE對pH7.0 PBS溶液連續(xù)注入H2O2時的典型安培響

圖5 RGO修飾GCE在-0.35 V下連續(xù)將H2O2加入0.1 mol/L pH7.0 PBS時的i-t曲線。插圖A：放大響應(yīng)曲線，插圖B：H2O2工作曲線Fig.5 Typical i-t response of the RGO modified GCE on successive of H2O2 into 0.1 mol/L pH7.0 PBS at-0.35 V,inset A:amplified response curve,inset B:calibration curve for H2O2

應(yīng)曲線。在2.0～600 mmol/L范圍內(nèi)，H2O2的響應(yīng)電流隨H2O2濃度的增加而線性增加（R=0.9985，內(nèi)插圖B），這比以前報道的H2O2檢測范圍更寬[14-15]。在信噪比為3時，對H2O2的檢測限為0.67 μmol/L。

3 結(jié)論

該文采用一種簡便、有效的方法對氧化石墨烯進(jìn)行電化學(xué)還原。所得還原石墨烯具有高的電化學(xué)導(dǎo)電性和良好的電催化性能。利用電化學(xué)還原石墨烯修飾電極，首次提出了一種靈敏的電化學(xué)方法來定量測定H2O2。研制的H2O2傳感器靈敏度高，線性范圍寬，檢測限低。該方法簡單，成本低，使用方便，是一種很有前途的H2O2傳感方法。