Ti3C2TX/Au@Pt纳米花复合膜的制备及其无酶H2O2传感器的应用

王广现，姚 瑶，褚光雷，张 慧，郭业民

(山东理工大学 农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255000)

过氧化氢(H2O2)是一种活性氧类物质(ROS)，因其活性氧核外未配对电子而具有很强的化学活性，可以扰乱生物体的代谢，使生物体受到氧化损伤[1]。同时，H2O2还具有强氧化性，常作为高效消毒灭菌剂而广泛应用于食品卫生、环保、纺织、化工等领域[2-3]。然而H2O2的过量使用会在环境中造成大量残留，当人体与H2O2接触后会加速细胞老化，危害人体健康[4]，因此对H2O2进行准确、快速、灵敏的检测显得尤为重要。目前定量检测H2O2的方法主要有荧光法、化学发光法、电化学法、比色法等[5-6]，其中电化学法由于操作简单、灵敏度高等优点被广泛应用[7]。目前应用较多的是由酶(如辣根过氧化酶)修饰的生物传感器，但此类电化学传感器存在成本高、酶固定程序复杂、环境因素(温度、pH)难以控制和酶的活性难以保持等问题，诸多研究者因而开始转向无酶生物传感器的研究[8]。

随着人们对低维纳米材料的兴趣日益浓厚，二维过渡金属碳化物或氮化物(MXene)因其独特形态受到关注[9]。研究发现，MXene具有与石墨烯类似的二维结构，以及引人注目的物理和化学性质，如高比表面积、高导电率、高稳定性以及在水中分散良好等，而被广泛运用于电化学储能、催化、传感、电磁屏蔽、膜分离技术等方面[10]。目前，MXene纳米片已被用于多种传感器并表现出良好的生物相容性和高灵敏度等性能[11-12]。

无机纳米材料作为一种模拟酶[13-15]，因其表面具有大量的活性位点和活性基团以及可进一步功能化等性质受到广泛关注[16]。其中贵金属纳米(Au、Pt等)材料因具有较高的催化活性而被广泛应用于H2O2的定量检测[17-19]。本文合成了一种基于MXene材料负载Au@Pt纳米花作为传感平台的无酶传感器，并将其用于H2O2的定量检测。通过采用湿法制备Ti3C2Tx，利用氟化氢与盐酸蚀刻Ti3AlC2制备得到典型的MXene材料Ti3C2Tx，同时利用还原法合成Au@Pt纳米花负载于Ti3C2Tx上(Ti3C2Tx/Au@Pt)。将Ti3C2Tx/Au@Pt修饰至玻碳电极(GCE)进一步研究了H2O2在该修饰电极上的电化学行为，结果显示，Ti3C2Tx材料表现出良好导电性以及对H2O2的高效催化氧化性，且相对于传统无酶传感器，该传感器对于H2O2具有更宽的线性范围、更高的灵敏度、更好的抗干扰性和再现性，有望在生物医学监测和环境分析中得到广泛应用。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

氯金酸(HAuCl4)购于Sigma公司；过氧化氢、尿酸、乙酸、氯铂酸(H2PtCl6)、壳聚糖购于Macklin公司；pH 6.0的 0.01 mol/L磷酸盐缓冲溶液(PBS)由0.2 mol/L Na2HPO4和0.2mol/L NaH2PO4稀释配得。所有试剂均为分析级，实验用水为超纯去离子水(DW)。

X-射线衍射仪(XRD，荷兰PANalytical公司)；JEOL JSM-7800F场发射扫描电子显微镜(SEM，日本株式会社)；电化学阻抗谱测量使用电化学工作站(德国Zahner公司)；CHI660E电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)。实验时采用三电极系统：改性GCE电极为工作电极，Ag/AgCl电极(KCl浓度为3.0 mol/L)为参比电极，铂丝为辅助电极。

1.2 Ti3C2Tx-Au@Pt纳米花材料的制备

将摩尔比为3∶1.1∶1.88的Ti、Al和石墨的粉末与玛瑙球混合，在氩气保护下加热至1 550 ℃保持2 h。将制备的1.0 g Ti3AlC2粉末缓慢加入3.0 mol/L HF和6.0 mol/L HCl混合液，将混合物在30 ℃、400 rpm条件下搅拌48 h后，将混合液以5 000 rpm速度离心5 min，弃去上清液，收集黑色粉末。所得粉末用水重复洗涤5次，至其在水中pH为6.0时，使用聚四氟乙烯膜(0.22 mm孔径)过滤溶液收集Ti3C2Tx，并在60 ℃真空干燥箱中干燥12 h。将Ti3C2Tx加入水中，在冰浴中超声处理1 h，使Ti3C2Tx薄片脱层。最后，在8 000 rpm离心1 h后，收集上清液，真空干燥后得到Ti3C2Tx黑色粉末。称取一定量Ti3C2Tx配成5.0 mmol/L的溶液，将3 mL壳聚糖(0.5%)加至30 mL 0.5 mg/mL的Ti3C2Tx溶液中，继续加入2.5 mL 3.0 mmol/L的H2PtCl6和2.5 mL 3.0 mmol/L 的HAuCl4溶液，搅拌0.5 h，制得Ti3C2Tx/Au@Pt纳米花溶液。

1.3 Ti3C2Tx/Au@Pt/GCE传感器的构建

基于Ti3C2Tx/Au@Pt纳米花修饰的GCE传感器的构建主要通过滴涂法制备。在电极构建前，将GCE电极依次使用0.3 μm与0.05 μm的氧化铝粉末在抛光布上抛光，用水洗涤后，分别在酒精和水中超声处理，氮气吹干。根据以下步骤在室温下制备Ti3C2Tx/Au@Pt纳米花复合膜附在GCE电极上，具体流程如图1所示：取5 μL Ti3C2Tx/Au@Pt纳米花溶液滴至GCE表面，在空气中干燥后，即得Ti3C2Tx/Au@Pt/GCE无酶传感器。

图1 Ti3C2Tx/Au@Pt纳米花无酶传感器的构建流程图Fig.1 Flow chart of a Ti3C2Tx/Au@Pt nanoflowers enzyme-free sensor

2 结果与讨论

2.1 Ti3C2Tx纳米复合材料的SEM和XRD表征

采用XRD进一步验证Ti3C2Tx纳米复合材料的晶体结构和相纯度，可在8.9°、13.7°、27.5°处观察到主要衍射特征峰(图2D)，这与文献报道一致[23]。表明已合成了具有—OH表面配体的结晶材料Ti3C2Tx。在8.9°的衍射峰高而尖锐，表明该纳米复合材料在合成过程中层状堆垛较好，而测试中未出现其他杂峰，说明样品较为纯净。根据文献报道，在刻蚀过程中，未配对电子的不饱和表面易被各种官能团(—O，—F或—OH)结合[24]。本实验采用在水中制备Ti3C2Tx材料使其表面被—OH官能团结合，从而使得其在水中有很好的分散性，可制成胶体物质，更好的在电极上成膜。

2.2 Ti3C2Tx/Au@Pt纳米花修饰电极的EIS和CV表征

在含有5 mmol/L K3[Fe3(CN)6]溶液和0.1 mol/L KCl溶液中采用交流阻抗法检测Ti3C2Tx/Au@Pt纳米花修饰电极的表面。从图3A中可以观察到裸玻碳电极的直径最大，表明无修饰材料电极的半圆最大，其电阻也最大(达5.8 kΩ)[25]。当电极表面加上Ti3C2Tx后，半圆直径减至1.1 kΩ，表明Ti3C2Tx具有极好的导电性。进一步在Ti3C2Tx上修饰Au-Pt纳米花后，导电性变化不大，表明Au@Pt纳米花修饰于Ti3C2Tx不影响其导电性。将Ti3C2Tx/Au@Pt/GCE传感器在0.01 mol/L PBS(pH 6.0)缓冲液中，以扫描速率100 mV/s，测定了加入H2O2前后的循环伏安曲线(图3B)。可观察到，PBS溶液未加入H2O2前，CV曲线无明显的氧化还原峰，加入3.0 μmol/L H2O2后，其氧化和还原电流明显增加，且在-0.45 V附近出现1明显的氧化还原峰，表明该修饰电极对H2O2具有较高的催化活性。

图3 不同电极的EIS图(A)，及加入H2O2前后Ti3C2Tx/Au@Pt/GCE电极的CV图(B)
Fig.3 EIS images of different electrodes(A)，and CV plots of Ti3C2Tx/Au@Pt/GCE electrode before and after addition of H2O2(B)

图4 不同比例Au与Pt对峰值电流强度的影响Fig.4 Effect of Au and Pt with different ratios on peak current intensity

2.3 Au与Pt比例的优化

不同比例贵金属纳米粒子制备的纳米花因大小和分布不同，会影响核-壳结构的纳米花催化氧化H2O2的效果。因此，本实验考察了不同比例(2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2、9∶1)Au与Pt制备纳米花对H2O2催化氧化效果的影响。如图4所示，两种贵金属比例为5∶5时，峰值电流最高，说明此比例下复合材料的导电性能最好，高于或低于此比例，均会导致峰电流降低。因此，选用氯铂酸与氯金酸的最佳比例为5∶5。

图5 -0.15 V电位下不同浓度H2O2在Ti3C2Tx/Au@Pt/GCE传感器上的时间-电流响应曲线Fig.5 Time-current response curve of different concentrations of H2O2 at Ti3C2Tx/Au@Pt/GCE sensor at-0.15 V potentialinsert:the corresponding calibration curve of steady state current to H2O2 concentration

2.4 传感器计时电流法检测H2O2

采用安培法，以-0.15 V为工作电位，每隔30 s向持续搅拌的PBS(50 mmol/L)缓冲液中加入3 μL 3.0 μmol/L 的H2O2，测定了Ti3C2Tx/Au@Pt/GCE传感器在不同浓度H2O2中的时间-电流曲线(图5)。结果显示，修饰电极的催化电流随着H2O2浓度的增加而增加，符合稳态电流的特征，且每次加入H2O2后Ti3C2Tx/Au@Pt/GCE电极均会迅速响应，响应时间小于5 s(达到稳态电流的98%)。图5插图显示了Ti3C2Tx/Au@Pt/GCE传感器的响应电流与H2O2浓度的校准曲线，结果表明该传感器对0.03～1 100 μmol/L浓度范围内的H2O2表现出很好的线性关系，其相关系数为0.997 7，检出限(LOD,S/N=3)为0.02 μmol/L，灵敏度为4.54 V/g。

表1为本方法与其它检测H2O2传感器的参数对比。结果显示，Ti3C2Tx/Au@Pt/GCE传感器具有较低的LOD和较宽的线性范围，其原因可归为以下两方面：①Ti3C2Tx具有类似石墨烯的2D片层结构，为Au@Pt纳米花提供了丰富的结合位点，增加了纳米花的负载量。②纳米复合材料具有良好的导电性，为电子传递提供了有利条件，可以放大电信号，提高检测灵敏度。因此，Ti3C2Tx/Au@Pt/GCE传感器可以成为一种用于超灵敏和快速检测H2O2的强大传感平台。

表1 本方法与其他检测H2O2的传感器的比较Table 1 Comparison between this work and the other sensors for detection of H2O2

2.5 传感器的抗干扰性与重现性

在N2环境下，通过安培法测试了Ti3C2Tx/Au@Pt/GCE传感器的抗干扰能力。结果显示，当PBS缓冲液中添加5.0 μmol/L H2O2后电流信号变大，表明有催化反应发生，而当添加抗坏血酸、L-半胱氨酸、尿酸、丙烯酸干扰物时未出现任何电流响应的变化，表明传感器具有良好的抗干扰性和特异性。将传感器在4 ℃的冰箱中放置2周，电流值为初始值的95%,表明其具有良好的稳定性和再现性。

表2 传感器对模拟污水样品中H2O2的分析结果Table 2 Analysis results of the sensor for H2O2 in simulated wastewater samples

2.6 实际样品的检测

为了研究Ti3C2Tx/Au@Pt/GCE传感器的实际应用性能，在通N2的模拟污水中加入不同浓度 H2O2，同时加入10倍H2O2浓度的抗坏血酸、L-半胱氨酸、尿酸、多巴胺干扰物进行加标回收实验。结果显示，H2O2的回收率为97.4%～103%，相对标准偏差(RSD)为1.7%～3.3%(见表2)。表明所构建传感器的检测结果准确、可靠性较高，可用于实际样品中H2O2的定量检测。

3 结 论

本文采用一步合成法制备了具备导电性和生物相容性的Ti3C2Tx/Au@Pt纳米花复合物，构建了Ti3C2Tx/Au@Pt/GCE传感器用于H2O2的定量检测。该传感器对H2O2具有良好的催化活性，通过检测Au@Pt纳米花催化H2O2产生的电流信号变化，可实现对H2O2的定性定量检测。该传感器具有检测线性范围宽、灵敏度高、抗干扰性强和重现性好等优点，可用于复杂环境中 H2O2的检测，具有良好的应用前景。