MWCNTs/nano-CeO2/PANI修饰的H2O2传感器*

章家立，甘 维，宋 琦，陈爱喜

（1.华东交通大学 基础科学学院 化学化工系，江西南昌 330013;2.华东交通大学基础科学学院物理系，江西 南昌 330013）

0 引言

聚苯胺（PANI）由于具有与金属相似的光电性质，能够应用于超级电容器、防腐涂料、光发射二极管、分子导线、传感器等。另外，由于对酶催化反应信号具有调节作用，且与酶具有良好的相容性，因此，在生物传感器领域显示出了广阔的应用前景［1］。然而，PANI只有在酸性溶液中才具有良好的电化学活性，而在偏中性或碱性溶液中显示出较弱的电活性甚至失活，这一特点极大地制约了PANI的使用。为改善这一缺陷通常采用下列2种方式:一是在离子液体中聚合［2］;二是与其他材料复合，以提高复合材料的导电性能。碳纳米管（CNTs）被广泛应用于生物传感器，但在大多数溶剂中不溶的特点又给其应用带来了困难［3］。因此，在多数情况下，CNTs通过共价或非共价键合亲水基团或分子来改性，以达到改善溶解性的目的。本文研究了聚萘二胺通过π-π非共价键分散和固定CNTs。聚萘二胺膜不仅可以牢固地固定CNTs，而且还可以均匀地将其分散在聚合物膜上，形成网状交织结构，最终达到了增强电化学响应的效果［4］。然而，该复合膜修饰电极在选择性上还是存在一定的缺陷，阻碍了该类导电聚合物在生物传感方面的应用。为克服这一缺陷，添加一种辅助催化剂可达到这一目的。CeO2作为一种典型的稀土氧化物，它被广泛应用到生物传感和电催化领域［5］。由于Ce易在三价（Ce3+）态和四价（Ce4+）态之间变化，使得CeO2具有较强的储氧和释氧能力，并且具有高温快速氧空位扩散能力［6］。更重要的是纳米氧化铈（nano-CeO2）在加速生物化学物质的电子传递的同时，本身不发生任何电化学反应［7］，而且CeO2纳米晶的促进作用表现出十分稳定。而nano-CeO2本身存在电导率低、容易团聚等方面的问题，给其研究和应用带来了一定的困难。复合是一种非常有效的方法，不但可以发挥复合材料中各组分的特性，两者的结合还可能产生协同作用以提高该复合材料的性能［8］。nano-CeO2掺杂导电聚合物可以改善聚合物的性能［9］，但其是否能协助CNTs有效地固定酶，并在电化学中提高修饰电极响应性的报道却还比较少。本文以PANI为聚合基体，通过π-π非共价键分散和固定多壁碳纳米管（MWCNTs），结合功能化的 MWCNTs负载nano-CeO2形成复合膜固定辣根H2O2酶修饰玻碳电极来探测溶液中H2O2浓度，同时对影响修饰电极各因素作了系统地研究。

1 实验部分

1.1 电极的制备

PANI膜的合成:GC电极浸入含有0.5 mol/L H2SO4和0.2 mol/L苯胺混合溶液中，于 -0.5～1.1 V 的电位范围内，以100 mV的扫描速率循环伏安电化学聚合，聚合完后用去离子水清洗工作电极，以除去未聚合的苯胺。

其中MWCNTs羟基化见参考文献［10］，nano-CeO2的制备见参考文献［11］。将羟基化的MWCNTs和nano-CeO2按照适量的质量比混合，并且往混合溶液中加入DMF分散，超声4h，使之得到高分散的混合悬浮液待用，取4μL滴涂到聚合PANI的修饰电极表面，在常温下待溶剂挥发后，再用去离子水清洗，干燥后待用。取2μL，用pH=6.4的磷酸缓冲溶液配置的5 mg/mL的HRP滴涂到上述电极表面，干燥后用去离子水清洗未固定的酶，晾干得到HRP/MWCNTs/nano-CeO2/PANI/GC修饰电极。

1.2 电化学测试

所有的电化学测量都是采用三电极体系，Pt丝电极为对电极，Ag/AgCl（饱和KCl）为参比电极，以GC或修饰GC为工作电极。其中，交流阻抗的测量是在CHI660C电化学工作站上实施，循环伏安法和计时电流法等是在CHI430b上进行。所有的实验在室温25±2℃下进行。

2 结果与讨论

2.1 表面形貌表征

图1（a）是PANI/MWCNTs/nano-CeO2/ITO复合膜的SEM形貌图，从图1（a）不难发现MWCNTs是以网状交织结构均匀地覆盖在PANI膜上，并且在MWCNTs的末端有白色的物质附着在上面，nano-CeO2可能吸附在MWCNTs上，这一现象在图1（b）中表现得更加明显。图1（b）是在复合膜上滴加辣根H2O2酶后的SEM形貌图。当在CNTs表面上覆盖一层辣根H2O2酶后，原来疏松多孔的网状结构已经消失，表明HRP已固定到电极表面。同时在复合膜中白色亮点更加清晰可见，这进一步验证了nano-CeO2已成功地吸附在CNTs极上。

图1 扫描电镜图Fig 1 SEM

2.2 PANI的聚合圈数的影响

复合膜修饰电极的电化学活性与膜的厚度有关，膜的厚度直接影响修饰电极的导电性和催化活性。复合膜的厚度主要取决于PANI扫描圈数。图2是利用循环伏安法制备PANI不同聚合圈数对修饰电极在0.1 mol/L PBS（pH=6.4）中的还原峰的峰电流响应图，从图2可以看出:当聚合圈数为25圈时，峰电流达到最大。因此，在本研究中，采用固定CNTs和辣根H2O2酶的聚苯胺最佳的聚合圈数为25圈。

图2 不同的聚合圈数对修饰电极还原峰的峰电流活性的影响Fig 2 Effect of different polymerization cycles on activity of reduction peak current of modified electrode

2.3 pH 值

由于PANI的电导率受掺杂和去掺杂的影响，因此，更高的酸性有利于电化学响应，然而高的酸性又会使酶失去活性。结合酶的生物活性，通常pH的选择范围在6.0～8.0之间，研究此范围内pH对修饰膜的活性影响。图3（a）是HRP/PANI/CNTs/nano-CeO2/GC在pH 为6.0～8.0范围内的循环伏安曲线，从图3（a）能够发现，pH=6.4时峰电流达到最大值。为确保酶具有较高的催化效率，探测H2O2应该选择pH=6.4的缓冲溶液更合适。

2.4 扫 速

图4（a）修饰电极HRP/PANI/MWCNT/nano-CeO2/GC在含有0.1 mmol/L H2O2的PBS（pH=6.4）缓冲溶液中扫速50～900 mV/s的循环伏安图，从图4（a）中可以看出它们的氧化还原峰电流均与扫速呈很好的线性关系，见图4（b），氧化峰的线性方程为Ipa（μA）=108.533+6.45V（mV/s），R=0.994;还原峰的线性方程为Ipc（μA）=-123.42+8.72V（mV/s），R=0.996。这一事实说明此电极上的反应是一个典型的表面控制过程［12］。由此可以知道，修饰电极的表面直接承担着电子转移交换反应。

图3 pH的影响Fig 3 Effect of pH

图4 扫速Fig 4 Scan rate

2.5 修饰电极的电化学表征

不同修饰电极不仅会影响电极的循环伏安，而且还会影响其交流阻抗。图5（a）是不同修饰电极在0.2 mol/L PBS（pH=6.4）缓冲溶液中的循环伏安图，对比5种不同修饰电极的循环伏安图，图5（a）曲线 a，b，c这 3种采用MWCNTs修饰电极的峰电流都增加，表明MWCNTs的加入有利于复合膜的电子传递，这可能是因为滴涂在PANI膜上的CNTs能形成网络结构，同时，MWCNTs可以使复合膜的比表面积增大，提高反应活性物质在电极表面的吸附。与图5（a）c相比，图5（a）曲线a的峰电流明显增加，表明nano-CeO2的加入，提高了修饰电极的电化学响应。但当将HRP固定在修饰电极上时，氧化还原峰电流都有所下降，可能是由于绝缘体HRP固定在修饰电极上对电子的传递有一定的阻碍作用，这一现象说明HRP已经被固定在电极上，这与图1（b）的SEM形貌图是相吻合的，不过nano-CeO2的加入从整体上来说提高了修饰电极的电化学响应，表明nano-CeO2具有促进电子的传输作用。为进一步研究界面对修饰电极所带来的影响，交流阻抗（EIS）可以为电极制备过程中修饰电极界面性质的改变提供更多的信息。图5（b）为各种修饰电极在 0.5 mol/L KCl，2.0 mmol/L K3［Fe（CN）6］/K4［Fe（CN）6］（1︰1）水溶液中的交流阻抗图。根据Nyquist的EIS图，在高频率的半圆图与电子的转移有关，在低频率的线性部分与电子的扩散有关，半圆的直径等于电极的转移阻抗Ret［13］。从图5（b）中可以看出:c，d，e曲线出现一个小的半圆，并且半圆的直径依次增大，表明玻碳电极分别被PANI和PANI/MWCNTs复合膜修饰后电阻逐渐减小。如果在CNTs上附载nano-CeO2时，见图（b）曲线a，b，它们的阻抗图几乎成一条直线，表明 nano-CeO2具有加速电子传递作用，最终使复合膜的电阻降低。但当固定HRP在修饰电极上时，其阻抗图的斜率变小，表明电阻有所增大，这一结果与图5（a）相符。

图5 电化学表征曲线Fig 5 Curve of electrochemical characterization

2.6 MWCNTs和 nano-CeO2的质量比

将MWCNTs和nano-CeO2应用到生物传感器中主要是利用了MWCNTs的导电性能和nano-CeO2加速电子的传输作用。然而，由于CeO2是一种N型半导体材料，如果nano-CeO2的含量过高，会降低修饰电极的导电性能;相反，如果nano-CeO2含量过少，催化性能又不太明显。因此，修饰电极的催化性能受MWCNTs和nano-CeO2的质量比影响，采用配置不同质量比（MWCNTs︰nano-CeO2）的悬浊液，取相同的量滴涂到PANI膜上，利用计时电流法来测试不同MWCNTs和nano-CeO2质量比修饰的电极对H2O2的电流响应。图6可以看出:当 MWCNTs与nano-CeO2的质量比达到了15︰1时（见图6曲线d），响应电流达到最大。因此，选择MWCNTs与nano-CeO2的质量比15︰1修饰电极来探测H2O2。

2.7 nano-CeO2的催化性能

为进一步证实nano-CeO2在修饰电极中具有加速电子的传输能力，对比nano-CeO2修饰和未修饰的电极在工作电位为-0.12 V的PBS（pH=6.4）的缓冲溶液中探测H2O2的计时电流。从图7（a）可以看出:响应电流随着缓冲溶液中H2O2浓度的增加而逐级增加，而加入nano-CeO2的修饰电极具有更大的响应电流，响应电流达到95%时的时间不到5 s。表明nano-CeO2能够加速电子的传输能力，从而提高辣根H2O2酶的催化效果。根据H2O2与还原电流的线性关系，可以评价修饰电极的灵敏度。图7（b）是H2O2的加入量与还原电流之间的校正曲线图，加入nano-CeO2的修饰电极其 H2O2浓度在5.0×10-6～3.95×10-4mol/L的范围内呈现出良好的线性相关性，线性回归方程为I（μA）=16.56795+0.07824X（1 ×10-6mol/L），其线性相关系数为 0.998 1，灵敏度为 0.078 24（A·mol/L），检测限为7.6×10-7mol/L（S/N=3 dB）。比较两修饰电极的结果不难发现，加入nano-CeO2后修饰电极不但可以提高电流响应，而且其灵敏度也可提高2.29倍，表明nano-CeO2在修饰电极中能够加速电子的传输能力。

图6 不同质量比（MWCNTs︰nano-CeO2）的修饰电极对H2O2的计时电流响应图Fig 6 Chronoamperometric responses of modified electrode with different mass ratio of MWCNTs︰nano-CeO2on H2O2

图7 生物传感器探测H2O2曲线Fig 7 H2O2curve detected by bio-sensor

在0.025 mmol/L H2O2中平行测定10次，相对标准偏差为3.2%。将HRP/PANI/MWCNTs/nano-CeO2修饰的电极置于0.2 mol/L pH=6.4的缓冲溶液中的4℃冰箱中考察其稳定性，采用每隔7天测定一次。发现1个星期后电流响应没有变化，2个星期后电流响应下降不到7%，当放置1个月后仍保留响应电流的86%，表明该电极具有较好的稳定性。

2.8 抗干扰能力和回收率

选择性是衡量修饰电极性能的一项重要指标。采用计时电流法研究了修饰电极在-0.12 V的电位下对甘氨酸（0.05 mmol/L）、酪氨酸（0.05 mmol/L）、葡萄糖（0.5 mmol/L）、抗坏血酸（0.5 mmol/L）和尿酸（0.5 mmol/L）几种物质的抗干扰能力，发现添加物对传感器的测定均完全没有响应，说明干扰物质的存在不会抑制H2O2的测定。

为了检测掺入nano-CeO2修饰电极的实用性，回收率也是一个重要的指标。在20 mL 0.2 mol/L PBS（pH=6.4）的测试底液中对修饰电极的回收率进行测试，最终测得回收率在95.23%～107.52%（见表1）之间，表明该修饰电极测定H2O2具有较高的回收率较高。

表1 H2O2的回收率Tab 1 Recovery rate for H2O2

3 结论

本文采用循环伏安和滴涂方法成功地制备了表面分散均匀且具有较高电活性的PANI/MWCNT/nano-CeO2复合膜修饰电极。通过对复合膜各影响因素的研究得出结论:以PANI聚合25圈、溶液pH值为6.4以及 CNTs与 nano-CeO2的质量比为15︰1制备的复合膜具有很好的电活性。在固定HRP时，nano-CeO2在复合膜在修饰电极中具有能够加速电子的传输能力，相比于没有掺杂nano-CeO2的修饰电极具有更大的响应电流，更高的灵敏度，而且其检测极限可达7.6×10-7mol/L。

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