铁氰化钴修饰石墨烯平面电极对过氧化氢的传感作用

赵鸿彩+张璞+李社红+罗红霞

摘 要 利用高分子支撑法将气相沉积（CVD）石墨烯从铜基底上转移到聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底上，制备出石墨烯平面电极（GPE）， 通过循环伏安法将铁氰化钴（CoHCF）纳米颗沉积到GPE上，得到铁氰化钴修饰石墨烯平面电极（CoHCF/GPE）。研究表明，此电极对过氧化氢具有良好的传感作用，从而构建一种新型无酶过氧化氢传感器。此传感器在过氧化氢浓度为5.0-1200 μmol/L范围内，响应电流与浓度呈现良好的线性关系，检出限为7.1 nmol/L （S/N=3），响应时间约为2 s，具有稳定性好、抗干扰能力强、制备简单等优点。

关键词 气相沉积； 石墨烯； 铁氰化钴纳米颗粒； 化学修饰平面电极； 过氧化氢

1 引 言

过氧化氢在生活中可用作消毒剂、氧化剂等，在环境分析、医疗诊断、食品检测等领域广泛应用，同时也是多数酶催化反应的副产物之一， 参与人体内多种疾病发生过程[1～3]。因此，快捷、精确地检测过氧化氢是十分必要的。传统的过氧化氢传感器多以过氧化氢酶为载体，具有灵敏度高、选择性专一、抗干扰能力强等优点，但易受温度、pH值和其它环境因素的影响，且成本高、稳定性低、制作过程复杂，因此研究无酶型过氧化氢传感器具有重要的实际应用价值。目前，已有多种检测H2O2的方法，如滴定分析法[4]、化学发光法[5]、色谱法[6]、电化学分析法[7]等。电化学分析法，因其反应灵敏、制备过程简单而备受研究者的青睐。研究表明，多种材料可用于H2O2电化学分析，如金属纳米颗粒（Ag[8]， Pt[9]）， 金属氧化物（Cu2O[10]， Co3O4[11]），金属铁氰化物等。其中，金属铁氰化物因其电子传递速率快、稳定性高、电催化能力强等特性，常用于能量储存[12]、生物传感器[13，14]、电催化[15～17]等方面。铁氰化钴（CoHCF）因分子中的钴和铁均具有和两种价态，从而具有多种氧化还原态，因而在电催化方面引起了特别的关注[9，13，18]。

2004年，Andre和Kongstantin利用普通胶带成功地从石墨中剥离出石墨烯[19]。石墨烯是一种具有原子厚度的二维碳纳米材料，由像苯环结构的单层碳原子堆积而成，它可以翘曲成零维的富勒烯，卷成一维的碳纳米管，堆积成三维的石墨[20]。因石墨烯具有比表面积大、电子转移速率快、电化学稳定性高等优点，被广泛应用到生物电化学领域[21，22]。常见的石墨烯的制备方法有机械剥离法[19]、化学气相沉积（CVD）法[23]、氧化还原法[24]和外延生长法[25]。CVD石墨烯除了具有优良的电化学性能外，还具有结构缺陷少、可大面积制备、层数可控等特性[26]，吸引了众多研究者关注。

CVD石墨烯边缘和面都具有较好的电化学性能[27]。Han等将双层石墨烯转移到玻碳电极（GCE）表面，以修饰Pd纳米颗粒检测H2O2[28]。Li等[29]将CVD石墨烯边缘制备成纳米电极，研究其对一些生物分子的电催化作用。本研究将CVD石墨烯面制成电极，在其表面修饰铁氰化钴（CoHCF）纳米颗粒，并用于H2O2的检测，构建了一种新型无酶H2O2传感器。此传感器具有检出限低、检测灵敏快捷、稳定性好等优点。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

CHI660D型电化学工作站（上海辰华仪器有限公司）， 三电极系统： 工作电极为CVD石墨烯或修饰后的CVD石墨烯电极， 参比电极为 Ag/AgCl 电极，对电极为 Pt 丝电极。pH 计（Sartorius PB10，Germany），扫描电子显微镜（SEM， JEOL 7401）。铜基底少层CVD石墨烯（3～5层，深圳六碳科技有限公司），聚（甲基丙烯酸甲酯） （PMMA，Aladdin工业公司），其它试剂均为分析纯。0.1 mol/L KH2PO4Na2HPO4 缓冲溶液（PBS）作为支持电解质，扫描速率为 50 mV/s （特殊指明除外），實验前均用高纯氮气除氧 20 min，实验用水为 MilliQ 去离子水（Millipore 公司）。

2.2 CoHCF/GPE修饰电极的制备

通过高分子支撑法将铜基底上的石墨烯（GR）转移到透明不导电的聚对苯二甲酸乙二醇酯 （PET）基底上[30，31]。由于实验所用的CVD石墨烯层数较少，因此在将石墨烯从铜基底转移到PET基底的过程中易发生撕裂，破坏石墨烯的完整性。在转移过程中需涂PMMA的苯甲醚溶液，减少石墨烯的破损，再用丙酮除去石墨烯表面的PMMA[31]。转移流程如图1所示，在CVD铜基底的石墨烯上涂1%（w/w）PMMA苯甲醚溶液，待其自然晾干后，在恒温箱中120℃干燥10 min，冷却2～3 h，用棉签除去铜基底背面的石墨烯。然后将PMMA/GR/Cu浸泡在1 mol/L FeCl3和0.1 mol/L HCl混合溶液中90 min，蚀刻掉铜，用去离子水清洗后将PMMA/GR转移到PET上，室温条件下干燥，在丙酮中浸泡24 h，取出晾干即可。

用绝缘胶带将石墨烯封成面积为0.3 cm × 0.4 cm的薄片，石墨烯和电极线之间通过铜线连接，即得石墨烯平面电极（GPE）。

将GPE作为工作电极，在含有2 mmol/L K3[Fe（CN）6]、2 mmol/L CoCl2和0.1 mol/L KNO3的0.1 mol/L PBS （pH 5.0）中通氮气 20 min，然后在0～1.1 V范围内连续循环扫描100圈，扫描速率为50 mV/s， 沉积好之后在去离子水中清洗，并在室温下干燥，得到CoHCF/GPE。

2.3 实验方法

实验采用传统的三电极体系，以CoHCF/GPE为工作电极，Ag/AgCl （饱和KCl）和铂丝分别作为参比电极和对电极，在0.1 mol/L PBS （pH 7.0）电解质溶液中进行电化学检测。循环伏安法扫描范围为 0.2～1.1 V，扫速为50 mV/s。在电位0.8 V的条件下，通过响应电流与浓度的关系曲线确定线性范围和检出限。实验所用溶液在使用前通入高纯氮20 min，以除去溶液中的溶解氧。

3 结果与讨论

3.1 CoHCF/GPE修饰电极的表征

由GPE表面的电镜图（图2A）可见，石墨烯表面较完整、平滑，表明转移得到的石墨烯质量较高。循环伏安法在GRE表面修饰CoHCF与文献[13]的方法相似。图2B为CoHCF/GPE的扫描电镜图，沉积上的CoHCF平均粒径为200 nm。

图3A为GPE和CoHCF/GPE在0.1 mol/L PBS中的循环伏安图，GPE上没有峰出现，而CoHCF/GPE上出现一对氧化还原峰，峰电位分别为0.68和0.57 V，来源于电极表面CoHCF纳米颗粒中的Fe2+/Fe3+ 的氧化还原[13，18，32]。电化学阻抗图谱是一种可以有效证明电极表面是否发生变化的电化学方法，高频半圆直径越大，表明电极表面的界面电子传递电阻越大。如图3B所示，在含有1 mmol/L Fe（CN）36的0.1 mol/L KCl溶液中，CoHCF/GPE的电阻相对于GPE明显增大，表明修饰的CoHCF纳米颗粒破坏了CVD石墨烯的sp2杂化结构，阻碍了电极表面的电子传递，同时也进一步证明CoHCF纳米颗粒成功修饰到了电极表面。

3.2 GPE表面修饰CoHCF的最佳条件选择

在0～1.1 V电位范围内，保持沉积圈数为100圈时，沉积速率对峰电流的影响见图4A。随着扫速增大，CoHCF/GPE在0.1 mol/L PBS中的电流逐渐增大，扫速为50 mV/s时峰电流最大。当扫速继续增大时，峰电流却减小，可能由于扫速过大使得修饰上的CoHCF颗粒变少，峰电流随之减少。在相同的电位扫描范围内，保持沉积速率为50 mV/s，沉积圈数与峰电流的关系见图4B。随着沉积圈数增多，峰电流逐渐增大，圈数为100圈时电流最大。随着沉积圈数增加，修饰上CoHCF颗粒增多，电流增大。超过100圈后，修饰上的CoHCF量太大，较易发生团聚，破坏了石墨烯完整性，CoHCF on GPE阻碍了电子传递。因此，选择50 mV/s扫速沉积100圈得到CoHCF/GPE。图4C 为保持沉积速率为50 mV/s，沉积圈数为100圈时，改变pH值得到的循环伏安图。在pH=5时峰电流最大，而当pH=7时峰形变得很差，故选择pH=5。

3.3 CoHCF/GPE的电化学行为

图5为CoHCF/GPE在0.1 mol/L PBS中不同扫速下的循环伏安图。扫速在10～100 mV/s范围内，峰电流随着扫速增加而增大，表明在此扫速范围内，CoHCF/GPE的可逆性不受扫速的影响。如插图所示，峰电流与扫速成正比，这是表面控制。

3.5 线性范围和检出限

图6B为CoHCF/GPE检测H2O2浓度与响应电流的关系曲线。对检测电位进行优化时发现，当工作电位为0.8 V时，响应电流最大，因此检测时采用电位为0.8 V。在搅拌的条件下，每50 s向0.1 mol/L PBS（pH 7.0）中连续滴加H2O2。在5～380 μmol/L和380～1200 μmol/L范围内，电流与H2O2浓度分段呈线性关系，线性方程分别为I（μA） = 0.00201C（μmol/L） + 0.05691 （r=0.998） 和I（μA）=0.00131C （μmol/L） + 0.33992 （r=0.998），检出限为7.1 nmol/L （S/N=3）。将本方法与文献方法相比较（表1），可以看出CoHCF/GPE传感器检出限较低，且线性范围较宽。

4 结 论

通过高分子支撑的方法将少层CVD石墨烯转移到不导电的PET基底上，利用循环伏安法在GPE表面修饰CoHCF纳米颗粒，以此制备CoHCF/GPE修饰电极。实验表明，该修饰电极对H2O2有很好的催化效果，可对H2O2进行快捷、精确的检测。检出限为7.1 nmol/L （S/N=3），響应时间短 （约为2 s），且此传感器还具有稳定性好、抗干扰能力强、制作成本低、制备过程简单等优点。

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Abstract A largearea graphene platform electrode （GPE） was fabricated by transferring the chemical vapor deposition （CVD） graphene grown on Cu foils to polyethylene terephthalate （PET） substrates with the aid of polymethylmethacrylate （PMMA）. Then cobalt hexacyanoferrate （CoHCF） was electrodeposited on the GPE by cyclic voltammetry to obtain a CoHCF/GPE. The morphology and electrochemical properties of this electrode were studied by scanning electron microscope （SEM）， electrochemical impedance spectroscopy （EIS） and the electrochemical measurements. Results showed that the electrode had favorable sensing effect toward H2O2. On the basis of this， a new nonenzyme H2O2 sensor was constructed. Under the optimal experimental conditions， the proposed sensor had a quick response to the addition of H2O2 （about 2 s） with a wide linear rang （5 × 103-1.2 mmol/L） and a low detection limit （7.1 nmol/L）. This sensor was easy to fabricate and showed excellent stability and antiinterference ability.

Keywords Chemical vapor deposition； Graphene； Cobalt hexacyanoferrate nanoparticle； Chemically modified platform electrode； Hydrogen peroxide

（Received 16 January 2017， accepted 16 March 2017）

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China （No.21575160）