基于FTO-PANI-Pt/Fe2O3的新型電化學傳感器快速檢測過氧化氫*

楊 迪，王小花，蘇麗霞，劉冰倩

(貴州大學藥學院，貴州省合成藥物工程實驗室，貴州 貴陽 550025)

過氧化氫(H2O2)具有較強的氧化性可作為氧化劑、漂白劑等試劑，而被廣泛應用于日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、生物加工、綠色能源化學、采礦加工及臨床醫(yī)藥等領域[1-2]。正常情況下，H2O2分解生成水和氧氣，對人體和環(huán)境不會造成危害。當水體、環(huán)境和食品中及生物體內(nèi)的 H2O2超過一定量時，容易造成水體、環(huán)境污染及生物體受損中毒或致癌等。因此，過氧化氫的檢測對人體健康以及環(huán)境資源保護需引起重視。目前，氧化氫的檢測方法主要包括化學發(fā)光法[3]、高效液相色譜法[4]、熒光法[5]和電化學法[6]等。這些方法選擇性及靈敏度都具有一定優(yōu)勢，但不足之處也十分明顯：專一性不強，大型儀器價格貴重，操作不便，需要專業(yè)人員進行培訓后使用等。因此，建立一種低成本、高靈敏、快速檢測H2O2的方法十分迫切。

近年來，迅速發(fā)展的電化學傳感器因具有響應速度快、操作簡單、靈敏度高、成本較低且選擇性好等優(yōu)點，在食物安全檢測、環(huán)境監(jiān)測、藥物分析領域得到了廣泛應用。雖然H2O2在普通電極上可以被還原，但靈敏度較低且易被干擾。為提高檢測H2O2的選擇性和靈敏度，需對電極進行修飾。金屬氧化物通常較便宜且可重復使用，但其活性低于貴金屬催化劑。一種常見的策略是將貴金屬負載到金屬氧化物上以合成負載型催化劑。該載體不僅有助于實現(xiàn)貴金屬顆粒的高度分散，而且通過強金屬參與反應，提高催化活性。赤鐵礦(α-Fe2O3)，因其良好的熱穩(wěn)定性、環(huán)境友好性和低成本而備受青睞[7-8]，特別是 α-Fe2O3納米晶體在不同的反應環(huán)境中具有較高的表面效應，是一種良好的催化劑。Fe2O3作為一種還原氧化物，可以與貴金屬形成較強相互作用，F(xiàn)e2O3與 Pt 通過 Fe-O-Pt 鍵錨定 Pt 納米顆粒，有效減緩團聚，α-Fe2O3/Pt 催化劑通常在不同的化學反應和檢測上表現(xiàn)出顯著的催化性能，如甲醛催化氧化、H2O2氧化還原和丙酮氣體氧化[9]。

基于納米金屬材料與聚苯胺(PANI)的優(yōu)良特性，首次制備具有良好導電性的新型 FTO-PANI-Pt/Fe2O3復合電極電化學傳感器，利用貴金屬及金屬氧化物良好的協(xié)同催化性能，增強了檢測靈敏度，拓展了貴金屬負載到金屬氧化物材料在電化學傳感領域的應用。

如圖1所示，使用傳統(tǒng)三電極系統(tǒng)，將FTO-PANI-Pt/Fe2O3復合電極作為工作電極，構建檢測H2O2的電化學傳感器。當目標物H2O2存在時，基于復合電極催化H2O2發(fā)生氧化還原反應產(chǎn)生電子，從而將化學量轉化為電學量，由轉換器經(jīng)過轉換或放大處理得到可識別的電信號，最終反映到顯示裝置，由此可對 H2O2進行定量分析。這可能是因為H2O2被氧化時會將電子傳遞給復合材料，而復合材料上具有良好導電性的Pt/Fe2O3和PANI會迅速地將電子傳遞給FTO電極，從而增強電流信號。根據(jù)電流強度與目標物濃度成正相關，可以定量分析H2O2。該電化學傳感器制備簡單且檢測速度快，實現(xiàn)簡單、快速、靈敏的檢測H2O2。

圖1 基于PANI/Pt/Fe2O3電化學傳感器檢測 H2O2 原理圖

1 實 驗

1.1 試劑與儀器

氯鉑酸，上?；瘜W試劑一廠；過氧化氫(純度=30%)、鐵氰化鉀(純度≥99.5%)、過硫酸銨(純度≥98.0%)、苯胺(純度≥99.5%)均購自成都金山化學試劑有限公司；碳酸氫鈉(純度≥99.5%)、六水三氯化鐵(純度≥99.0%)均購自天津市永大茂化學試劑廠；磷酸氫二鈉，天津市科密歐化學試劑有限公司；聚乙烯吡咯烷酮PVP-40，上海源葉生物科技有限公司；氫氧化鈉(純度≥96.0%)，天津市科密歐化學試劑有限公司；鹽酸(純度：36%～38%)，重慶川東化工有限公司；其它試劑均為國產(chǎn)分析純；實驗用水為二次水。

101-1A 電熱鼓風干燥箱，天津天泰儀器有限公司；UV-5500PC 紫外-可見分光光度儀，上海元析儀器有限公司；CHI650E A17314電化學工作站，上海辰華儀器有限公司；摻雜氟的SnO2導電玻璃(FTO)，武漢晶格太陽能科技有限公司；ST3100 pH計，奧豪斯儀器有限公司；TGL-20 W/S臺式高速離心機，金壇市城東盛聯(lián)實驗儀器廠；QUINTIX35-1CN 型sartorius電子天平。

1.2 電極的制備和測試

1.2.1 Pt/Fe2O3的合成

參照文獻[10]，取 25 mL 無水乙醇、0.676 g FeCl3·6H2O和1.8 g NaHCO3依次加入 100 mL 圓底燒瓶中，強磁攪拌約 30 min。然后將得到的溶液轉移到離心管中分別用蒸餾水和乙醇多次洗滌，離心后室溫干燥得到Fe2O3固體。取 0.02084 g 制備的 Fe2O3分散于 20 mL 去離子水中，磁攪拌。然后依次加入 1 mL H2PtCl6(19.3 mM)水溶液、0.010 g 聚乙烯吡咯烷酮(PVP，PVP-40)和 0.01580 g 硼氫化鈉(NaBH4)。在 100 ℃下加熱回流 3 h 后，將沉淀離心收集，用去離子水洗滌 4 次。最后，將 Pt 納米顆粒修飾的 Fe2O3(記作Pt/Fe2O3)在 60 ℃的烘箱中干燥 6 h[11]，加去離子水超聲混勻，即得 0.85 mg/mL Pt/Fe2O3溶液。

1.2.2 PANI的合成

參照文獻，取 3.4 mL 濃鹽酸緩慢滴入裝有 20 mL 去離子水的圓底燒瓶中，再加入 450 μL 苯胺，并在磁力攪拌器加熱攪拌 30 min。取 0.09 g 過硫酸銨溶于 10 mL 去離子水中溶解 10 min，作為陰離子源，將該溶液緩慢滴加到陽離子前軀體中攪拌 1 h 形成聚苯胺，溶液最初呈微紅金黃色，最后呈綠色，說明聚苯胺完全聚合形成[12]。

1.2.3 傳感器的制備

制備傳感器之前，用棉花蘸取乙醇擦拭 FTO，再用乙醇和二次水分別超聲 10 min，于 60 ℃下烘干備用。 然后制備電極，如圖1所示，使用移液槍吸取 10 μL PANI 溶液滴涂在 FTO 表面，在 37 ℃烘箱中進行干燥，然后繼續(xù)滴涂 30 μL Pt/Fe2O3，晾干后備用，修飾的 FTO 電極作為工作電極(FTO-PANI-Pt/Fe2O3)。

1.2.4 電化學測試

在0.01 mol/L磷酸鹽緩沖溶液 (PBS)中組成三電極體系，以新制的FTO (25 mm2)為工作電極，Ag/AgCl電極為參比電極，鉑電極為對電極。用循環(huán)伏安法 (cyclic voltammetry，CV)探索實驗可行性，掃描電壓0～0.8 V，掃描速率為0.05 mVs-1。

1.3 實際樣品的處理

1.3.1 牛奶

將 20 mL 1 mol/L H2SO4與 80 mL 牛奶混合離心(20 min，8000 r/min)，上清液用 1 mol/L NaOH 調整 pH 到 6.5，得到處理后牛奶標準溶液。用 0.1 M PBS 稀釋 5 倍，在稀釋的牛奶樣品中摻入不同濃度的 H2O2，然后進行電化學檢測[13]。

1.3.2 湖水

首先使用 0.22 μM 過濾膜將湖水過濾，除去顆粒雜質，調 pH 至 6.5，再用 0.1 M PBS(pH=6.5)稀釋 5 倍得到湖水標準溶液。在稀釋的湖水樣品中摻入不同濃度的 H2O2，然后進行電化學檢測。

2 結果與討論

2.1 FTO-PANI-Pt/Fe2O3的形貌和結構表征

通過SEM，如圖2A所示，F(xiàn)e2O3呈球狀，如圖2B所示，Pt/Fe2O3有小顆粒附著在球狀Fe2O3上，說明Pt均勻的覆蓋在Fe2O3上，說明Pt/Fe2O3制備成功[14]。如圖2C所示，滴凃在FTO上的PANI為短枝叉形狀[15]。圖2D為FTO-PANI-Pt/Fe2O3圖像，可以看出Pt/Fe2O3在PANI上很好的分散，這進一步表明復合材料的成功合成。通過 EDS 表征材料的元素組成，如圖2F所示，F(xiàn)TO-PANI-Pt/Fe2O3復合電極上含有C、N、O、Fe和Pt元素。圖2E為FTO-PANI-Pt/Fe2O3放大 2000 倍的SEM圖，由于放大倍數(shù)較小，形貌特征不是很明顯。圖2G 為與之對應的 EDS 元素映射圖像。從圖2G中可以看到C、N、O、Fe和Pt元素分布均勻。

圖2 Fe2O3(A)、 Pt/Fe2O3(B)、PANI(C)、PANI-Pt/Fe2O3(D)的SEM 圖；PANI-Pt/Fe2O3的EDS 圖 (F)，SEM 圖 (E)和對應的 EDS 元素映射圖像 (G)

圖 3(A)顯示了PANI、Fe2O3、Pt/Fe2O3材料在 4000～400 cm-1區(qū)域的紅外光譜。從圖 3(A)中可以看到PANI的紅外光譜，在3413 cm-1處寬帶對應于 -OH 伸 縮 振 動 峰，在 1627、1550、1494、1182 和 1003 cm-1處的其他紅外波段分別對應于C=N、C=C 伸縮模式、苯環(huán)的 C=C 伸縮模式、及在平面彎曲模式下 C-H 的伸縮模式。此外，在1920 cm-1處是環(huán)戊烷的特征吸收峰[16]；Fe2O3的特征吸收峰在 472 cm-1和 560 cm-1處對應于 Fe-O 伸縮振動，吸收峰在 1625 cm-1處可能是由于納米顆粒中有機分子的 C-C 鍵的存在；Pt/Fe2O3復合材料的-OH 伸縮區(qū)的振動峰從 3413 cm-1紅移至 3448 cm-1，峰值為 1112 cm-1是 C-O 的吸收峰[17]。在 557 cm-1處的吸收帶對應于 Pt-Cl 的拉伸不對稱振動[18]。從 Pt/Fe2O3納米復合材料的光譜中，可以找到 Pt 和 Fe2O3的所有特征峰，表明納米復合材料制備成功。

圖3(B)為合成材料的紫外可見吸收光譜圖。從圖3(B)中可以看到，PANI(曲線“a”)在330～360 nm和500～700 nm范圍內(nèi)存在2個特征吸收峰，分別是PANI的芳香族C-C鍵和醌族C-C鍵的π-π*躍遷引起的[19]。Fe2O3(曲線“b”)在550 nm處有特征吸收峰[20]。Pt/Fe2O3與之相比在400～500 nm區(qū)域觀察到兩個較寬的吸收峰，對應Fe2O3納米材料和Pt納米粒子的共振模式。以上各表征結果均表明FTO-PANI-Pt/Fe2O3復合電極成功制備。

圖3 (A)Fe2O3、Pt/Fe2O3、PANI的紅外光譜圖(B)PANI(a)、Fe2O3 (b)、Pt/Fe2O3(c)的紫外可見光譜圖

2.2 可行性探究

為確保基底材料成功修飾于玻璃電極(FTO)上，在相同的條件下，利用CV和EIS來 來研究不同修飾組分在電極表面的電化學行為。如圖4(A)所示，在裸 FTO 電極(曲線“a”)上觀察到 [Fe(CN)6]3-/4-氧化還原反應對應的一對氧化還原峰，F(xiàn)e2O3(曲線“c”)以及 PANI 修飾的 FTO (曲線“b”)其峰值電流有所上升，有聚苯胺及雙金屬復合材料 (Pt/Fe2O3)修飾的 FTO 電極(曲線“d”)的峰值電流最大，這表明其具有很強的電催化氧化性能。此外，圖4(B)為不同修飾電極的電化學交流阻抗譜圖(EIS)，其半圓直徑表示電子轉移電阻，由圖4可看出 FTO-PANI-Pt/Fe2O3電極(曲線“d”)半徑最小，其對應的電阻最小，導電性最佳，表明 Pt/Fe2O3可以給電極和電解質之間提供一個良好的電子通路，加快電子傳輸速率。這與 CV 測量結果一致。

圖4 不同修飾電極的循環(huán)伏安(CV)圖(A)；不同修飾電極的交流阻抗圖(B)；FTO-PANI-Pt/Fe2O3復合電極在不同掃速(5～35 mV/s)下循環(huán)伏安 (CV)圖(C)(內(nèi)置圖：陽極峰電流(Iox和 Ired)值與掃速的線性相關性)；

為進一步研究復合電極的動力學過程，實驗采用循環(huán)伏安法考察了FTO-PAN-Pt/Fe2O3電極在不同掃描速率下的影響。如圖 4(C)所示：隨著掃描速率從 5 mV/s 增加到 35 mV/s，相比于裸電極FTO(圖4(D))FTO-PAN-Pt/Fe2O3的陽極峰和陰極峰峰電流逐漸增加，且陽極峰峰電位正移，陰極峰峰電位負移。隨后得到了峰值電流與掃描速率平方根的良好線性關系，其對應回歸方程分別為 Iox (mA)=0.097 v1/2-0.0492(R2=0.9995)和 Ired (mA)=-0.0601 v1/2-0.0588(R2=0.9968)，表明了該電極上的基底材料的氧化還原反應是一個擴散控制過程。故而證明經(jīng)一體化誘導成型所構建的雙金屬復合物修飾聚苯胺電極(FTO-PANI-Pt/Fe2O3)具備較好的的電化學行為。

為了探索該實驗的可行性，在相同的條件下，利用CV比較4種材料電催化氧化H2O2的活性。從圖5(C)可看出，復合材料修飾的電極(曲線“e”)的電催化氧化能力遠高于裸電極 FTO (曲線“a”)、FTO-PANI(曲線“b”)、FTO-Fe2O3(曲線“c”)、FTO-PANI-Fe2O3(曲線“d”)，表明該復合材料修飾的電極具有協(xié)同催化氧化性。為了驗證復合材料對 H2O2的催化效果，用CV研究了 FTO-PAN-Pt/Fe2O3對 H2O2的電催化活性。從圖5(A，B)中可以看出，隨著過氧化氫濃度增加響應電流值顯著增強，說明復合電極 FTO-PANI-Pt/Fe2O3對 H2O2有顯著的電流響應。因此，以上實驗證明一體化誘導成型所構建的雙金屬復合物修飾聚苯胺電極構建的電化學傳感器是可行的。

圖5 (A，B)復合電極 FTO-PANI-Pt/Fe2O3 電極在含有或不含有 H2O2 的循環(huán)伏安圖(A)及柱狀圖(B)；

2.3 實驗參數(shù)的優(yōu)化

(1)不同檢測液的選擇

為了研究 FTO-PANI-Pt/Fe2O3電極在不同電解液中檢測過氧化氫(H2O2)的電化學行為，本實驗選取四種溶液作為電解液用于配制 H2O2溶液，并用CV進行測試。其結果如圖 6(A)所示，發(fā)現(xiàn)由 PBS 做電解液的催化材料較另外三者的催化效果明顯。因此選取 PBS 做電解液用于電化學檢測。

(2)pH優(yōu)化

溶液的pH值對H2O2的電化學檢測有著重要影響，為了使FTO-PANI-Pt/Fe2O3復合電極電化學效果達到最佳，需對檢測溶液的pH值進行優(yōu)化。由圖6(B)可知，當 pH 為 6.5 時，復合電極對 H2O2的催化效果達到最大；隨著 pH 的繼續(xù)增大，其催化效果反而降低。所以選擇檢測液的pH值為6.5。

圖6 不同電解液配制的 3 mg/mL H2O2與電流的關系(A)；不同 pH 下的3 mg/mL H2O2 與電流的關系(B)；不同體積PANI 制備的電極下 3 mg/mL H2O2 與電流的關系(C)；不同體積 Pt/Fe2O3 復合材料制備電極下 3 mg/mL H2O2 與電流的關系(D)；不同催化時間下的3 mg/mL H2O2 與電流的關系(E)；不同掃描速度下的3 mg/mL H2O2 與電流的關系(F)

(3)PANI 用量的優(yōu)化

當電極上修飾材料過多時，容易造成工作電極上的復合材料脫落，而當用量過少時，不易成膜且可能不足以支撐對 H2O2的還原，因此，選定合適的涂覆量對于構建復合電極是極其有必要的。采用不同滴涂量的PANI，在相同條件下運用CV檢測，其結果如圖 6(C)所示，通過圖上催化性能可以看出當PANI體積為10 μL 時，F(xiàn)TO-PANI-Pt/Fe2O3復合電極對 3 mg/mL H2O2的催化性能達到最佳，故后續(xù)實驗均選取 10 μL PANI 用于制備電極進行電化學檢測。

(4)Pt/Fe2O3用量的優(yōu)化

復合材料 Pt/Fe2O3的濃度對H2O2的電化學檢測也有著重要影響，如圖6(D)所示，通過圖上催化性能可以看出當 Pt/Fe2O3復合材料為 30 μL 時，F(xiàn)TO-PANI-Pt/Fe2O3復合電極對 H2O2的催化性能達到最佳，但當濃度逐漸增大時，可能由于電阻增大，阻礙了電子傳遞，導致氧化峰電流變小。因此將30 μL Pt/Fe2O3復合材料作為最佳復合材料濃度。

(5)檢測時間的影響

反應時間是影響復合電極催化過氧化氫的重要因素，通過改變 FTO-PANI-Pt/Fe2O3電極催化H2O2的時間，進一步考察 FTO-PANI-Pt/Fe2O3電極還原H2O2的電化學性能。其結果如圖 6(E)所示，當反應時間為 3 min 時，其催化效果達到最佳。

(6)掃描速率的優(yōu)化

由于 FTO-PANI-Pt/Fe2O3電極催化 H2O2的電化學性能受掃描速度的影響。本實驗通過改變掃描速度，進一步考察 FTO-PANI-Pt/Fe2O3電極還原 H2O2的電化學性能。其結果如圖6(F)所示，隨著掃描速度增加，峰電流增大，當掃速為50 mV/s時，復合電極對 H2O2的催化效果達到最大；隨著掃速的繼續(xù)增大，其催化效果接近。因此選取50 mV/s為最佳掃描速率進行電化學檢測。

2.4 H2O2的定量分析性能

在最佳優(yōu)化條件下，利用該傳感器對不同濃度的H2O2進行CV檢測。如圖7(A，B)和圖7(C，D)所示，隨著H2O2濃度的增大，峰電流值逐漸增大，H2O2濃度在 0.2～1.2 mg/mL 和 1.2～3.6 mg/mL 范圍內(nèi)，響應電流與 H2O2的濃度呈現(xiàn)出兩段良好的線性關系，校準曲線分別為y=-1.9892x-0.1499(R2=0.9991)和y=-0.4703 x - 1.9653(R2=0.9956)，最低檢測限 (LOD)為 0.4 mM(S/N=3)。與文獻報道檢測H2O2的其他方法比較 (表1)，雖然檢測限沒有明顯優(yōu)勢，但其優(yōu)勢在于檢測快速，便捷。

表1 H2O2檢測方法的比較

圖7 FTO-PANI-Pt/Fe2O3 復合電極在0.2～1.2 mg/mL H2O2 溶液中的循環(huán)伏安 (CV)圖(A)及線性圖(B)；FTO-PANI-Pt/Fe2O3 復合電極在1.2～3.6 mg/mL H2O2 下的 0.1 M PBS(pH=6.5)溶液中的循環(huán)伏安 (CV)圖(C)及線性圖(D)

在檢測H2O2的線性范圍內(nèi)，研究該傳感器的選擇性。如圖8(A)所示，該傳感器僅對H2O2有明顯的響應，2.5倍濃度的干擾離子 (甘氨酸(Gly)、維生素C(VitC)、葡萄糖(Glucose)、鹽酸多巴胺(DA)、組氨酸(His)、尿素(Urea)、谷氨酸(Glutamic acid))引起的信號變化極其微弱，表明該傳感器具有良好的選擇性。平行制備5個 FTO-PANI-Pt/Fe2O3電極，檢測其對 3 mg/mL H2O2的電催化活性，評價其重現(xiàn)性。其結果如圖 8(B)所示，其相對標準偏差 RSD 為 2.99%，證實其優(yōu)良的重現(xiàn)性。此外，通過CV測試了電極基材的穩(wěn)定性，見圖8(C)，結果表明，復合電極具有良好的穩(wěn)定性，提高了檢測的準確性。利用同批次和不同批次制備電極，對該方法重現(xiàn)性進行評估，首先，用同一批制備得的修飾電極在 1.2 mg/mL H2O2溶液中進行 3 次 CV 平行測試，結果如圖 8(D)所示，檢測不同批次其相對標準偏差(RSD)為 1.03%。此外，在相同條件下，用不同批制備的修飾電極分別對上述所用溶液進行平行測定(圖 8(E))，其相對標準偏差(RSD)為 1.52%，結果表明該修飾材料的電化學分析法具有可接受的再現(xiàn)性。為了研究 FTO-PANI-Pt/Fe2O3電化學傳感器的穩(wěn)定性，將合成的復合材料 Pt/Fe2O3和 PANI 放置在 4 ℃ 的冰箱中保存一段時間后，再用同樣方法制備電極，對所合成的材料的穩(wěn)定性進行探究。根據(jù)不同儲存天數(shù)下催化性能的變化來鑒別該傳感器的穩(wěn)定性。取三支同一條件下合成的復合電極 FTO-PANI-Pt/Fe2O3，在對應天數(shù)同一時刻對 1.2 mg/mL H2O2進行測試，其結果圖 8(F)所示，30 天后計算其穩(wěn)定性依然能達到初始值的 101.67%，相對標準偏差 RSD 為 0.99%，表明合成的材料具有較好的穩(wěn)定性。

圖8 電化學傳感器的選擇性(A，H2O2濃度為0.3 mg/mL，其他干擾離子濃度為0.75 mg/mL)；電化學傳感器的重現(xiàn)性(B，H2O2濃度為1.2 mg/mL)；電化學傳感器的穩(wěn)定性(C，10 mV/s 掃描速率循環(huán) 15 次CV)；

2.5 實際樣品檢測

為了研究 FTO-PANI-Pt/Fe2O3傳感器的實際應用，使用標準加入法對牛奶、湖水樣品中的 H2O2進行CV 檢測。檢測結果列于表2。用于牛奶樣品檢測的回收率為 89.3%～102.8%，相對標準偏差(RSD)小于 2.4%；對湖水樣品的加標回收率為 101.2%～109.7%，多次檢測結果的 RSD 小于 3.7%。結果表明，所制備的 FTO-PANI-Pt/Fe2O3傳感器適用于檢測真實水樣和牛奶中的 H2O2。

表2 傳感器對實際樣品中H2O2測定的回收率

3 結 論

本文首次制備了一體化誘導成型所構建的雙金屬復合物修飾聚苯胺電極，以此作為工作電極構建了新型電化學傳感器，用于快速、靈敏的H2O2檢測。實驗證明優(yōu)異的靈敏度源于Pt/Fe2O3修飾的聚苯胺電極可以給電極和電解質之間提供一個良好的電子通路，從而加速電化學反應過程的電子傳輸。更重要的是，該電極材料穩(wěn)定、修飾過程簡單、檢測響應快，實現(xiàn)了快速測定H2O2。本研究不僅開發(fā)了一個性能優(yōu)異的電化學傳感H2O2的電極材料制備方法，還為貴金屬及金屬氧化物材料電化學領域的應用提供了新的方法。