基于电化学还原石墨烯修饰电极的过氧化氢传感器

邢志鹏，石 凤，于素华，王梓玮，李 娟，杨占军

（广陵学院，化学化工学院，扬州大学，江苏扬州225128）

0 前言

过氧化氢（H2O2）是一种极强的氧化剂，在食品、医药、环境分析等领域主要起漂白、防腐等作用，其残留对人体会产生很大的危害。因此，对H2O2的高灵敏检测变得尤为重要[1]。此外，H2O2是大多数氧化酶与其底物之间酶促反应的产物，因此其检测对于制备氧化酶底物生物传感器和监测氧化酶活性具有重要意义。目前，光谱法[2]、滴定法[3]、化学发光法[4]和电化学法[5]等方法已经用于检测过氧化氢。在这些分析方法中，电化学法已被证明是一种灵敏、低成本和有效的测定过氧化氢的方法[5]。在过去的几十年里，利用高效的催化过程在发展高灵敏度电化学方法方面取得了巨大的进展。

石墨烯是一种由sp2杂化的单层碳原子堆积而成的二维蜂窝状晶格结构的碳材料，最近在实验和理论科学领域受到了极大的关注[6]。石墨烯由于具有高的比表面积，优异的机械强度，高的导电性和化学稳定性，被广泛应用于电极材料[7]。石墨烯作为一种新型材料，为制备电化学器件提供了一条新的途径[8]。最近，有相当多的研究报道了基于石墨烯的电化学生物传感器[9]。石墨烯修饰电极在抗坏血酸（AA）[10]、氨基酸[11]、葡萄糖[12]和次黄嘌呤[13]的测定中显示出了很好的应用前景。与化学法还原制备氧化石墨（GO）相比，电化学法是一种绿色、简便、快速、高效的还原方法。

该文采用Hummers法和Offerman法合成了氧化石墨烯，然后将制备得到的氧化石墨烯修饰在电极上，并在-1.5 V电位下对GO修饰电极进行电化学还原，构建了还原石墨烯（RGO）的H2O2传感器。整个电极石墨烯修饰均匀，经还原后的石墨烯对H2O2有着很好的响应。该文制备的H2O2传感器，为痕量的H2O2检测提供了一种高效快捷的电化学检测方法。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

仪器：CHI852C电化学工作站（上海辰华仪器公司）、舒美PQ218超声清洗仪（中国）、上海菁华JA51002电子天平（中国）、PHS-4A酸度计（中国江苏江分电分析仪器有限公司）、玻碳电极（GCE）、铂电极和饱和甘汞电极（SCE）。

试剂：石墨粉、过氧化氢（10M）、磷酸盐缓冲溶液（PBS）由NaH2PO4和Na2HPO4储备液配制而成、其它所有试剂均为分析纯、实验用水为二次蒸馏水。

1.2 传感器的制备

1.2.1 石墨烯的制备

将3g石墨粉末加入由12 mL的浓硫酸、2.5 g的K2S2O8和2.5 g的P2O5所组成的溶液中，在80℃下反应4.5 h。混合物用500 mL水稀释并保持80℃放置12 h。用水洗过滤后产物放置干燥过夜，之后把产物加到120 mL的浓硫酸中，在保持温度低于20℃的条件下，慢慢搅拌加入15 g KMnO4。然后在40℃下搅拌0.5 h，90℃下搅拌90 min。然后加250 mL水稀释，在105℃下放置25 min。当最终的混合物搅拌了2 h后，加入700 mL水和20 mL 30%的H2O2结束反应。产物用1∶10的盐酸溶液和水多次清洗过滤后，得到氧化石墨烯悬浮液。

1.2.2 修饰电极的制备

依次用0.3-μm、0.05-μm的Al2O3将玻碳电极抛光成镜面，用去离子水冲洗除去表面的抛光粉，依次用去离子水、无水乙醇、去离子水超声清洗5 min，用氮气将其表面吹干备用。

将所制得的氧化石墨烯配置成0.1 mol/L的氧化石墨烯水溶液，取5 μL滴于处理好的电极上，自然晾干。将风干的电极至于PBS缓冲溶液中进行时间-电流（i-t）电化学还原10 min得还原石墨烯修饰电极。

1.3 检测方法

所有电化学测量均在CHI 852C电化学工作站上进行，采用传统的三电极系统，以修改GCE（Φ=3 mm）为工作电极，铂丝为辅助电极，饱和甘汞电极（SCE）为参比电极。这项工作中的所有电位参比电位都是指SCE。除非另有说明，否则以100 mV/s的扫描速率进行伏安实验。所有实验均在25±2℃下进行。

2 结果与讨论

2.1 电极在修饰过程的电化学表征

图1 A显示了GO和RGO修 饰GCE在pH7.0 PBS中以100 mV/s扫描速率的循环伏安图（CVs）。相比GO修饰电极（曲线a），GRO修饰电极除了出现一对氧化还原峰（曲线b），还在约1.0 V出现了第三个特峰，这说明了GO中氧官能团发生了不可逆的电化学还原过程。图1B显示了RGO的SEM图，可以明显地看出RGO经典的片层形貌，还有部分片层聚集的褶皱结构，也证实了RGO的成功制备。图2显示了在含有1.0 mmol/L H2O2的pH7.0 PBS溶液中，GO和RGO修饰的GCEs对H2O2响应的CVs。与GO修饰电极相比，RGO修饰电极在-0.3 V和0.6 V出现了H2O2氧化还原峰，并且峰电流增大。

图1 在100 mV/s扫描速率下，电极修饰过程的循环伏安表征(a)GO修饰GCE和(b)RGO修饰GCE(A)；RGO修饰GCE的SEM(B)Fig.1 CVs of the GO(a)and RGO(b)modified GCEs in pH7.0 PBS solution at 100 mV/s of scan rate(A)and SEM image of RGO(B)

图2 在100 mV/s扫描速率下，GO(a)和RGO(b)修饰GCEs在包含1.0 mmol/L H2O2的pH7.0 PBS溶液中的循环伏安表征Fig.2 CVs of the GO(a)and RGO(b)modified GCEs in pH7.0 PBS solution containing 1.0 mmol/L H2O2 at 100 mV/s scan rate

2.2 实验条件的优化

2.2.1 缓冲溶液pH的优化

研究了pH值对H2O2在RGO修饰电极上电化学行为的影响，如图3所示。当pH值从6.5增加到9.0时，H2O2的峰值电流在pH值7.0时达到最大值，然后开始降低（图3插图）。为了获得最灵敏的H2O2的电化学响应，因此采用最佳pH条件为7.0。

图3 100 mV/s的扫描速率下，RGO修饰GCE在pH值为6.5、7.0、7.5、8.0和9.0（从a到e）的0.1 mol/L PBS中对1 mmol/L H2O2的CVs，插图：阳极峰值电流与pH值的关系图Fig.3 CVs of 1 mmol/L H2O2 in 0.1 mol/L PBS with 2.0,3.0,4.0,5.0,6.0 and 7.0 pH values at RGO modified GCE at a scan rate of 100 mV/s(from a to e),inset:plot of anodic peak current vs.pH

2.2.2 扫描速度的优化

图4 显示了在pH值为7.0 PBS中，RGO修饰电极在不同扫描速率时对1.0 mmol/L H2O2的CVs。随着扫速从20～250 mV/s增加，H2O2的还原和氧化峰电流随至增大。并且峰电流值和扫速成线性关系，表明该电极反应为表面控制过程的电化学过程。

图4 在pH值为7.0的PBS，RGO修饰GCE在20、50、100、150、200和250 mV/s（从a到f）下对1 mmol/L H2O2的CVs，插图：阳极和阴极峰值电流与扫描速率的关系图Fig.4 CVs of 1 mmol/L H2O2 in pH7.0 PBS at 20,50,100,150,200 and 250 mV/s(from a to f),inset:plots of anodic and cathodic peak currents vs.scan rates

2.3 免疫传感器对H2O2的响应曲线

在最佳条件下，用计时电流法测定了H2O2的峰值电流。图5显示了RGO修饰GCE对pH7.0 PBS溶液连续注入H2O2时的典型安培响

图5 RGO修饰GCE在-0.35 V下连续将H2O2加入0.1 mol/L pH7.0 PBS时的i-t曲线。插图A：放大响应曲线，插图B：H2O2工作曲线Fig.5 Typical i-t response of the RGO modified GCE on successive of H2O2 into 0.1 mol/L pH7.0 PBS at-0.35 V,inset A:amplified response curve,inset B:calibration curve for H2O2

应曲线。在2.0～600 mmol/L范围内，H2O2的响应电流随H2O2浓度的增加而线性增加（R=0.9985，内插图B），这比以前报道的H2O2检测范围更宽[14-15]。在信噪比为3时，对H2O2的检测限为0.67 μmol/L。

3 结论

该文采用一种简便、有效的方法对氧化石墨烯进行电化学还原。所得还原石墨烯具有高的电化学导电性和良好的电催化性能。利用电化学还原石墨烯修饰电极，首次提出了一种灵敏的电化学方法来定量测定H2O2。研制的H2O2传感器灵敏度高，线性范围宽，检测限低。该方法简单，成本低，使用方便，是一种很有前途的H2O2传感方法。