基于AuPt/β-CD-RGO構建的H2O2電化學傳感器性能研究

李 益，吳倩倩，虞婷婷，林 婷，陳晶瑩，陶佳音，尉聰婷，白紅艷

（嘉興南湖學院，浙江 嘉興 314001）

過氧化氫（H2O2）作為氧化劑、漂白劑、消毒劑、脫氧劑、引發(fā)劑和交聯(lián)劑等，廣泛應用于紡織、醫(yī)療、化工、造紙、環(huán)保、食品及電子等行業(yè)。例如，在紡織工業(yè)中，H2O2可用于織物漂白、還原染料染色時顯色以及織物脫漿。近年來，H2O2殘留的危害逐漸引起人們的廣泛關注。諸多實驗結果表明，H2O2進入人體后會損害人體細胞、加速人體衰老、引發(fā)癌癥等[1]。因此，在工業(yè)上實現(xiàn)H2O2的準確定量分析對保護環(huán)境和保障人類健康具有重要的現(xiàn)實意義。

隨著納米技術和生物技術的迅速發(fā)展，基于納米材料或納米復合材料的納米酶被研發(fā)出來并應用于H2O2傳感領域，以實現(xiàn)H2O2的定量分析。研究發(fā)現(xiàn)，Au納米顆粒[2]、Pt納米顆粒[3]、Au@M(M=Bi, Pd, Pt)[4]和Ag@M(M=Au, Pd, Pt)納米合金[5]等貴金屬及其合金與碳納米管[6]、氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）[7]、碳量子點[8]等碳基納米材料都是具有過氧化物酶特性的納米酶，可以利用電化學傳感系統(tǒng)實現(xiàn)對H2O2超靈敏和特異性的檢測。GO具有較高的電導、較大的比表面積、較好的生物相容性和大量的官能團，因此，可以用修飾劑對其進行功能化。功能化的GO集合了修飾劑和GO的共同特點，同時，GO和修飾劑的協(xié)同作用可以提高催化活性及復合物的穩(wěn)定性。在實際應用中，通常對GO進行還原反應處理，使其成為還原氧化石墨烯（Reduced Graphene Oxide，RGO）[9]，這是因為RGO相比GO具有較強的導電性，可以有效降低電荷轉移電阻，進而提高檢測的靈敏度。β-環(huán)糊精（β-CD）是直鏈淀粉在環(huán)糊精葡萄糖基轉移酶催化降解作用下產生的一類環(huán)狀低聚糖，整個分子具有兩個端口，上窄下寬，中心部分呈中空圓筒狀，中間部分的電子密度較大，該結構特征使CD分子展現(xiàn)出外親水、內疏水的性質，是一種大分子修飾劑。

本實驗在水相中制備β-CD修飾GO（β-CD-GO），并采用傅里葉變換紅外光譜法（Fourier Transform Infrared，F(xiàn)TIR）對材料進行表征。采用兩步電沉積法分別將β-CD-GO和Au、Pt電沉積到玻碳電極（Glassy Carbon Electrode，GCE）表面，而在電沉積過程中，GO被還原為RGO，制得AuPt/β-CD-RGO修飾GCE，即H2O2電化學傳感器。通過循環(huán)伏安法（Cyclic Voltammetry，CV）對比不同材料對H2O2的電催化活性，并探索電沉積時間對H2O2電催化活性的影響。結果表明，AuPt/β-CD-RGO對H2O2的催化活性最高，且隨著電沉積時間的延長，材料對H2O2的電催化活性會增加。采用CV法基于AuPt/β-CD-RGO修飾GCE研究H2O2的電化學行為，結果表明，該AuPt/β-CD-RGO對H2O2的還原具有較強的電催化活性；H2O2在修飾電極上的電化學過程受擴散控制。

1 實驗

1.1 試劑

GO，購自蘇州恒球石墨烯科技有限公司；H2O2（30.0%），購自上海聯(lián)試化工試劑有限公司；杜邦Nafion D520（5.0%），購自晟爾諾能源商城；NaOH、KCl，均購自上海泰坦科技股份有限公司；NaH2PO4·2H2O、Na2HPO4、HAuCl4·4H2O、K2PtCl4、Na2SO4、NaNO3，均購自國藥集團化學試劑有限公司。所有試劑均為分析純級別。

1.2 儀器

KQ-50DE型超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）、BSA124S型電子分析天平（賽多利斯科學儀器有限公司）、Anke TGL-16B高速離心機（上海安亭科學儀器廠）、DZX-1型（6050B）真空干燥箱（上海福瑪實驗設備有限公司）、CHI660A電化學工作站（上海辰華儀器有限公司）、LCI-TN-1/2型攪拌器（上海力辰邦西儀器科技有限公司）、DUG-9146A型電熱恒溫鼓風干燥箱（上海精宏實驗設備有限公司）、470FI-IR型紅外光譜儀（Thermo Nicolet NEXUS）。

1.3 實驗內容

1.3.1 β-CD-GO的制備

β-CD-GO的制備方法參考文獻[10]，具體步驟如下：首先，稱取40 mg GO粉末于燒杯中，向其中加入40 mL去離子水，超聲分解，1 h后得到GO棕黃色分散液，室溫保存?zhèn)溆?。其次，移?0.0 mL 1.0 mg/mL β-CD與20.0 mL 0.5 mg/mLGO分散液進行混合，于室溫下攪拌30 min后得到均勻的溶液，然后調節(jié)pH至12.0（用1.0 mol/L NaOH溶液），再將溶液轉移至250 mL圓底燒瓶中，90 ℃加熱回流4 h，待反應完成后，冷卻至室溫，得到均勻的黑色溶液。最后，將反應物用去離子水離心洗滌3次后真空干燥12 h，得到β-CD-GO復合材料。

1.3.2 H2O2電化學傳感器的構建

首先，將直徑為3 mm的GCE在麂皮上打磨，分別用0.30 μm和0.05 μm Al2O3懸濁液在麂皮上做拋光處理，再依次用體積比為1∶1的HNO3水溶液、丙酮和二次蒸餾水超聲清洗3～5 min，得到平滑新鮮的電極表面。將GCE浸入10.0 mg/mL的β-CD-GO懸浮液中靜置10 min，在GCE的表面覆蓋上一層β-CD-GO，得到β-CD-GO包裹的GCE。以GCE為工作電極，通過恒電位電沉積法，在0.2 mol/L Na2SO4水溶液中對β-CD-GO進行電沉積實驗：電位-1.5 V，持續(xù)時間1 800 s，得到β-CD-RGO修飾GCE。其次，以β-CD-RGO修飾GCE為工作電極，以0.1 mol/L NaNO3、1.5 mmol/L HAuCl4和0.3 mmol/L K2PtCl4的混合溶液為電解液，在-0.2 V恒電位下電沉積300 s，待自然晾干后，用移液槍滴涂7 μL Nafion（無水乙醇稀釋到0.5%），并在自然狀態(tài)下晾干，得到AuPt/β-CD-RGO修飾GCE，再用二次蒸餾水沖洗2～3次，干燥后得到H2O2電化學傳感器。最后，為了比較不同的材料對H2O2的電催化性能，采用相似的方法制備了β-CD-RGO修飾GCE、Au/β-CD-RGO修飾GCE、Pt/β-CD-RGO修飾GCE、AuPt/RGO修飾GCE、AuPt/β-CD修飾GCE。

1.3.3 H2O2電化學傳感器的性能研究

利用CHI660A電化學工作站，采用三電極系統(tǒng)進行電化學實驗，其中，鉑絲為對電極，飽和甘汞電極（SCE）為參比電極，各種材料修飾電極為工作電極。所有的電化學實驗均在13 mL濃度為0.1 mol/L、pH為8.0的磷酸鹽緩沖液溶液（PBS）中進行。采用CV法研究H2O2的電化學行為，并探索電沉積時間對H2O2電催化活性的影響。

2 結果與分析

2.1 材料的FTIR分析

采用FTIR表征GO、β-CD以及二者的復合材料β-CD-GO，結果如圖1所示。由圖1可知，3種材料在3 400 cm-1附近存在明顯的寬峰，這是羧基中—OH的伸縮振動產生的；2 922 cm-1處的吸收峰是—CH2—的伸縮振動產生的；1 780 cm-1附近的峰是C=O的伸縮振動產生的。在GO的FTIR圖中，1 640、1 117 cm-1兩個峰分別代表—C=C的伸縮振動和C—O的伸縮振動。GO被β-CD功能化后，明顯觀察到β-CD-GO譜圖中增加了β-CD中的特征吸收峰（1 200～1 000 cm-1）[11]，說明β-CD和GO成功復合。

圖1 β-CD-GO（a）、β-CD（b）、GO（c）的 FTIR

2.2 H2O2電化學傳感器性能研究

2.2.1 不同材料對H2O2電催化活性的影響

采用CV法研究不同材料對H2O2還原的電催化活性，確定H2O2電化學傳感器構建的最佳材料。圖2為CV法測定AuPt/RGO修飾GCE（a）、AuPt/β-CD修飾GCE（b）、AuPt/β-CD-RGO修飾GCE（c）在0.1 mol/L、pH為8.0的PBS中含0.007 633 mmol/L H2O2的CV曲線，掃速為100 mV/s。從圖2可以看出，不考慮AuPt對H2O2的電催化活性，RGO對H2O2的還原電催化活性微弱，β-CD對H2O2的還原電催化活性較強，而將兩者復合后，β-CD-RGO對H2O2具有較強的電催化活性，說明RGO能提高材料的導電性，進而增強β-CD-RGO對H2O2的電催化性能。圖3為CV法測定裸GCE（a）、β-CD-RGO修飾GCE（b）、Au/β-CD-RGO修飾GCE（c）、Pt/β-CD-RGO修飾GCE（d）、AuPt/β-CD-RGO修飾GCE在0.1 mol/L、pH為8.0的PBS中含0.007 633 mmol/L H2O2的CV曲線，掃速為100 mV/s。從圖3可以看出，與裸GCE相比，β-CD-RGO對H2O2的還原有一定的電催化活性，β-CD-RGO中摻入Au或Pt后，對H2O2的電催化還原活性增強，β-CD-RGO同時摻入AuPt雙金屬后，對H2O2的電催化還原活性最強。因此，本研究基于AuPt/β-CD-RGO修飾GCE構建H2O2電化學傳感器。

圖2 采用CV法測定AuPt/RGO修飾GCE（a）、AuPt/β-CD修飾GCE（b）、AuPt/β-CD-RGO修飾GCE（c）在0.1 mol/L、pH為8.0的PBS中含0.007 633 mmol/L H2O2的CV曲線

圖3 采用CV法測定裸GCE（a）、β-CD-RGO修飾GCE（b）、Au/β-CD-RGO修飾GCE（c）、Pt/β-CD-RGO修飾GCE（d）、AuPt/β-CD-RGO修飾GCE（e）在 0.1 mol/L、pH為8.0的PBS中含0.007 633 mmol/L H2O2的CV曲線

2.2.2 電沉積時間對H2O2電催化活性的影響

采用CV法研究電沉積時間對H2O2電催化活性的影響，具體如下：保持β-CD-GO電沉積時間不變，AuPt電沉積時間分別設為60、120、180、240、360 s，制備不同的AuPt/β-CD-RGO納米復合材料，記為“60s-AuPt/β-CDRGO”“120s-AuPt/β-CD-RGO”“180s-AuPt/β-CDRGO”“240s-AuPt/β-CD-RGO”“360s-AuPt/β-CDRGO”。測定不同電沉積時間AuPt的AuPt/β-CD-RGO修飾GCE在0.1 mol/L、pH為8.0的PBS中含0.007 633 mmol/L H2O2的CV曲線，掃速為100 mV/s，如圖4所示。從圖4可以看出，隨著AuPt電沉積時間的延長，AuPt/β-CD-RGO納米復合材料對H2O2的電催化活性越來越大。保持AuPt電沉積時間不變，改變β-CD-GO電沉積時間，制備不同的AuPt/β-CD-RGO納米復合材料，分別記為“AuPt/β-CDGO-900s”“AuPt/β-CD-GO-1200s”“AuPt/β-CD-GO-1500s”“AuPt/β-CD-GO-1800s”。測定不同電沉積時間β-CD-GO的AuPt/β-CD-RGO修飾GCE在0.1 mol/L、pH為8.0的PBS中含0.007 633 mmol/L H2O2的CV曲線，掃速為100 mV/s，如圖5所示。從圖5可以看出，隨著β-CD-GO電沉積時間的延長，AuPt/β-CD-RGO納米復合材料對H2O2的電催化活性越來越大。因此，本研究構建的H2O2電化學傳感器AuPt/β-CD-RGO/GCE的電沉積時間條件為β-CD-GO電沉積1 800 s、AuPt電沉積300 s。

圖5 采用CV法測定“AuPt/β-CD-RGO-900s”修飾GCE（a）、“AuPt/β-CD-RGO-1200s”修飾GCE（b）、“AuPt/β-CDRGO-1500s”修飾GCE（c）、“AuPt/β-CD-RGO-1800s”修飾GCE（d）在0.1 mol/L、pH為8.0的PBS中含0.007 633 mmol/L H2O2的CV曲線

2.2.3 H2O2的電化學行為研究

采用CV法研究H2O2在“360s-AuPt/β-CD-RGO-1800s”（以下用AuPt/β-CD-RGO表示）納米復合材料修飾GCE上的電化學行為。測定AuPt/β-CD-RGO修飾GCE 0.1 mol/L、pH為8.0的PBS中，H2O2濃度為0 mmol/L（a）、0.007 633 mmol/L（b）、0.015 27 mmol/L（c）、0.022 56 mmol/L（d）、0.029 85 mmol/L（e）、0.044 12 mmol/L（f）的CV曲線，掃速為100 mV/s（圖6）。從圖6可以看出，隨著H2O2濃度的增加，AuPt/β-CD-RGO納米復合材料對H2O2的還原電流線性變化，說明AuPt/β-CD-RGO納米復合材料對H2O2的還原具有電催化活性。采用CV法研究掃速對H2O2還原峰電流的影響。圖7為AuPt/-CD-RGO修飾GCE在0.1 mol/L、pH為8.0的PBS中含有0.076 33 mmol/L H2O2溶液，掃速為80 mV/s（a）、120 mV/s（b）、160 mV/s（c）、200 mV/s（d）、250 mV/s（e）、300 mV/s（f）、350 mV/s（g）、400 mV/s（h）、450 mV/s（i）、500 mV/s（j）、550 mV/s（k）、600 mV/s（l）的CV曲線。由圖7可見，隨著掃速的加快，H2O2的還原峰電流增大，且掃速越快，電流峰值越明顯。由圖8可見，H2O2的還原峰電流（Y）與掃速（X）的平方根成正比，線性回歸方程為Y=-4.209X+25.29，線性相關系數(shù)R2=0.981。結果表明，H2O2在AuPt/β-CDRGO修飾GCE上的電化學過程受擴散控制。

圖6 采用CV法測定AuPt/β-CD-RGO修飾GCE在 0.1 mol/L、pH為8.0的PBS中H2O2濃度為0 mmol/L（a）、0.007 633 mmol/L（b）、0.015 27 mmol/L（c）、0.022 56 mmol/L（d）、0.029 85 mmol/L（e）、0.044 12 mmol/L（f）的CV曲線

圖7 采用CV法測定AuPt/β-CD-RGO修飾GCE在0.1 mol/L、pH為8.0的PBS中含有0.076 33 mmol/L H2O2溶液，掃速為80 mV/s（a）、120 mV/s（b）、160 mV/s（c）、200 mV/s（d）、250 mV/s（e）、300 mV/s（f）、350 mV/s（g）、400 mV/s（h）、450 mV/s（i）、500 mV/s（j）、550 mV/s（k）、600 mV/s（l）的CV曲線

圖8 H2O2還原峰電流與掃速平方根的線性關系

3 結論

本實驗在水相中制備β-CD-GO，采用紅外光譜法表征材料，采用兩步電沉積法分別將β-CD-GO和AuPt沉積到GCE的表面，制備AuPt/β-CD-RGO修飾GCE，構建H2O2電化學傳感器。通過CV法對比不同材料對H2O2的電催化活性，探索電沉積時間對H2O2電催化活性的影響。結果表明，β-CD-GO-AuPt對H2O2的催化活性最高，隨著電沉積時間的延長，材料對H2O2的電催化活性逐漸提高。以AuPt/β-CD-RGO修飾GCE為工作電極，采用CV法研究H2O2的電化學行為發(fā)現(xiàn)，AuPt/β-CD-RGO對H2O2的還原有較強的電催化活性；H2O2在AuPt/β-CD-RGO修飾GCE上的電化學過程受擴散控制。