基于AuPt/β-CD-RGO构建的H2O2电化学传感器性能研究

李 益，吴倩倩，虞婷婷，林 婷，陈晶莹，陶佳音，尉聪婷，白红艳

（嘉兴南湖学院，浙江 嘉兴 314001）

过氧化氢（H2O2）作为氧化剂、漂白剂、消毒剂、脱氧剂、引发剂和交联剂等，广泛应用于纺织、医疗、化工、造纸、环保、食品及电子等行业。例如，在纺织工业中，H2O2可用于织物漂白、还原染料染色时显色以及织物脱浆。近年来，H2O2残留的危害逐渐引起人们的广泛关注。诸多实验结果表明，H2O2进入人体后会损害人体细胞、加速人体衰老、引发癌症等[1]。因此，在工业上实现H2O2的准确定量分析对保护环境和保障人类健康具有重要的现实意义。

随着纳米技术和生物技术的迅速发展，基于纳米材料或纳米复合材料的纳米酶被研发出来并应用于H2O2传感领域，以实现H2O2的定量分析。研究发现，Au纳米颗粒[2]、Pt纳米颗粒[3]、Au@M(M=Bi, Pd, Pt)[4]和Ag@M(M=Au, Pd, Pt)纳米合金[5]等贵金属及其合金与碳纳米管[6]、氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）[7]、碳量子点[8]等碳基纳米材料都是具有过氧化物酶特性的纳米酶，可以利用电化学传感系统实现对H2O2超灵敏和特异性的检测。GO具有较高的电导、较大的比表面积、较好的生物相容性和大量的官能团，因此，可以用修饰剂对其进行功能化。功能化的GO集合了修饰剂和GO的共同特点，同时，GO和修饰剂的协同作用可以提高催化活性及复合物的稳定性。在实际应用中，通常对GO进行还原反应处理，使其成为还原氧化石墨烯（Reduced Graphene Oxide，RGO）[9]，这是因为RGO相比GO具有较强的导电性，可以有效降低电荷转移电阻，进而提高检测的灵敏度。β-环糊精（β-CD）是直链淀粉在环糊精葡萄糖基转移酶催化降解作用下产生的一类环状低聚糖，整个分子具有两个端口，上窄下宽，中心部分呈中空圆筒状，中间部分的电子密度较大，该结构特征使CD分子展现出外亲水、内疏水的性质，是一种大分子修饰剂。

本实验在水相中制备β-CD修饰GO（β-CD-GO），并采用傅里叶变换红外光谱法（Fourier Transform Infrared，FTIR）对材料进行表征。采用两步电沉积法分别将β-CD-GO和Au、Pt电沉积到玻碳电极（Glassy Carbon Electrode，GCE）表面，而在电沉积过程中，GO被还原为RGO，制得AuPt/β-CD-RGO修饰GCE，即H2O2电化学传感器。通过循环伏安法（Cyclic Voltammetry，CV）对比不同材料对H2O2的电催化活性，并探索电沉积时间对H2O2电催化活性的影响。结果表明，AuPt/β-CD-RGO对H2O2的催化活性最高，且随着电沉积时间的延长，材料对H2O2的电催化活性会增加。采用CV法基于AuPt/β-CD-RGO修饰GCE研究H2O2的电化学行为，结果表明，该AuPt/β-CD-RGO对H2O2的还原具有较强的电催化活性；H2O2在修饰电极上的电化学过程受扩散控制。

1 实验

1.1 试剂

GO，购自苏州恒球石墨烯科技有限公司；H2O2（30.0%），购自上海联试化工试剂有限公司；杜邦Nafion D520（5.0%），购自晟尔诺能源商城；NaOH、KCl，均购自上海泰坦科技股份有限公司；NaH2PO4·2H2O、Na2HPO4、HAuCl4·4H2O、K2PtCl4、Na2SO4、NaNO3，均购自国药集团化学试剂有限公司。所有试剂均为分析纯级别。

1.2 仪器

KQ-50DE型超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）、BSA124S型电子分析天平（赛多利斯科学仪器有限公司）、Anke TGL-16B高速离心机（上海安亭科学仪器厂）、DZX-1型（6050B）真空干燥箱（上海福玛实验设备有限公司）、CHI660A电化学工作站（上海辰华仪器有限公司）、LCI-TN-1/2型搅拌器（上海力辰邦西仪器科技有限公司）、DUG-9146A型电热恒温鼓风干燥箱（上海精宏实验设备有限公司）、470FI-IR型红外光谱仪（Thermo Nicolet NEXUS）。

1.3 实验内容

1.3.1 β-CD-GO的制备

β-CD-GO的制备方法参考文献[10]，具体步骤如下：首先，称取40 mg GO粉末于烧杯中，向其中加入40 mL去离子水，超声分解，1 h后得到GO棕黄色分散液，室温保存备用。其次，移取20.0 mL 1.0 mg/mL β-CD与20.0 mL 0.5 mg/mLGO分散液进行混合，于室温下搅拌30 min后得到均匀的溶液，然后调节pH至12.0（用1.0 mol/L NaOH溶液），再将溶液转移至250 mL圆底烧瓶中，90 ℃加热回流4 h，待反应完成后，冷却至室温，得到均匀的黑色溶液。最后，将反应物用去离子水离心洗涤3次后真空干燥12 h，得到β-CD-GO复合材料。

1.3.2 H2O2电化学传感器的构建

首先，将直径为3 mm的GCE在麂皮上打磨，分别用0.30 μm和0.05 μm Al2O3悬浊液在麂皮上做抛光处理，再依次用体积比为1∶1的HNO3水溶液、丙酮和二次蒸馏水超声清洗3～5 min，得到平滑新鲜的电极表面。将GCE浸入10.0 mg/mL的β-CD-GO悬浮液中静置10 min，在GCE的表面覆盖上一层β-CD-GO，得到β-CD-GO包裹的GCE。以GCE为工作电极，通过恒电位电沉积法，在0.2 mol/L Na2SO4水溶液中对β-CD-GO进行电沉积实验：电位-1.5 V，持续时间1 800 s，得到β-CD-RGO修饰GCE。其次，以β-CD-RGO修饰GCE为工作电极，以0.1 mol/L NaNO3、1.5 mmol/L HAuCl4和0.3 mmol/L K2PtCl4的混合溶液为电解液，在-0.2 V恒电位下电沉积300 s，待自然晾干后，用移液枪滴涂7 μL Nafion（无水乙醇稀释到0.5%），并在自然状态下晾干，得到AuPt/β-CD-RGO修饰GCE，再用二次蒸馏水冲洗2～3次，干燥后得到H2O2电化学传感器。最后，为了比较不同的材料对H2O2的电催化性能，采用相似的方法制备了β-CD-RGO修饰GCE、Au/β-CD-RGO修饰GCE、Pt/β-CD-RGO修饰GCE、AuPt/RGO修饰GCE、AuPt/β-CD修饰GCE。

1.3.3 H2O2电化学传感器的性能研究

利用CHI660A电化学工作站，采用三电极系统进行电化学实验，其中，铂丝为对电极，饱和甘汞电极（SCE）为参比电极，各种材料修饰电极为工作电极。所有的电化学实验均在13 mL浓度为0.1 mol/L、pH为8.0的磷酸盐缓冲液溶液（PBS）中进行。采用CV法研究H2O2的电化学行为，并探索电沉积时间对H2O2电催化活性的影响。

2 结果与分析

2.1 材料的FTIR分析

采用FTIR表征GO、β-CD以及二者的复合材料β-CD-GO，结果如图1所示。由图1可知，3种材料在3 400 cm-1附近存在明显的宽峰，这是羧基中—OH的伸缩振动产生的；2 922 cm-1处的吸收峰是—CH2—的伸缩振动产生的；1 780 cm-1附近的峰是C=O的伸缩振动产生的。在GO的FTIR图中，1 640、1 117 cm-1两个峰分别代表—C=C的伸缩振动和C—O的伸缩振动。GO被β-CD功能化后，明显观察到β-CD-GO谱图中增加了β-CD中的特征吸收峰（1 200～1 000 cm-1）[11]，说明β-CD和GO成功复合。

图1 β-CD-GO（a）、β-CD（b）、GO（c）的 FTIR

2.2 H2O2电化学传感器性能研究

2.2.1 不同材料对H2O2电催化活性的影响

采用CV法研究不同材料对H2O2还原的电催化活性，确定H2O2电化学传感器构建的最佳材料。图2为CV法测定AuPt/RGO修饰GCE（a）、AuPt/β-CD修饰GCE（b）、AuPt/β-CD-RGO修饰GCE（c）在0.1 mol/L、pH为8.0的PBS中含0.007 633 mmol/L H2O2的CV曲线，扫速为100 mV/s。从图2可以看出，不考虑AuPt对H2O2的电催化活性，RGO对H2O2的还原电催化活性微弱，β-CD对H2O2的还原电催化活性较强，而将两者复合后，β-CD-RGO对H2O2具有较强的电催化活性，说明RGO能提高材料的导电性，进而增强β-CD-RGO对H2O2的电催化性能。图3为CV法测定裸GCE（a）、β-CD-RGO修饰GCE（b）、Au/β-CD-RGO修饰GCE（c）、Pt/β-CD-RGO修饰GCE（d）、AuPt/β-CD-RGO修饰GCE在0.1 mol/L、pH为8.0的PBS中含0.007 633 mmol/L H2O2的CV曲线，扫速为100 mV/s。从图3可以看出，与裸GCE相比，β-CD-RGO对H2O2的还原有一定的电催化活性，β-CD-RGO中掺入Au或Pt后，对H2O2的电催化还原活性增强，β-CD-RGO同时掺入AuPt双金属后，对H2O2的电催化还原活性最强。因此，本研究基于AuPt/β-CD-RGO修饰GCE构建H2O2电化学传感器。

图2 采用CV法测定AuPt/RGO修饰GCE（a）、AuPt/β-CD修饰GCE（b）、AuPt/β-CD-RGO修饰GCE（c）在0.1 mol/L、pH为8.0的PBS中含0.007 633 mmol/L H2O2的CV曲线

图3 采用CV法测定裸GCE（a）、β-CD-RGO修饰GCE（b）、Au/β-CD-RGO修饰GCE（c）、Pt/β-CD-RGO修饰GCE（d）、AuPt/β-CD-RGO修饰GCE（e）在 0.1 mol/L、pH为8.0的PBS中含0.007 633 mmol/L H2O2的CV曲线

2.2.2 电沉积时间对H2O2电催化活性的影响

采用CV法研究电沉积时间对H2O2电催化活性的影响，具体如下：保持β-CD-GO电沉积时间不变，AuPt电沉积时间分别设为60、120、180、240、360 s，制备不同的AuPt/β-CD-RGO纳米复合材料，记为“60s-AuPt/β-CDRGO”“120s-AuPt/β-CD-RGO”“180s-AuPt/β-CDRGO”“240s-AuPt/β-CD-RGO”“360s-AuPt/β-CDRGO”。测定不同电沉积时间AuPt的AuPt/β-CD-RGO修饰GCE在0.1 mol/L、pH为8.0的PBS中含0.007 633 mmol/L H2O2的CV曲线，扫速为100 mV/s，如图4所示。从图4可以看出，随着AuPt电沉积时间的延长，AuPt/β-CD-RGO纳米复合材料对H2O2的电催化活性越来越大。保持AuPt电沉积时间不变，改变β-CD-GO电沉积时间，制备不同的AuPt/β-CD-RGO纳米复合材料，分别记为“AuPt/β-CDGO-900s”“AuPt/β-CD-GO-1200s”“AuPt/β-CD-GO-1500s”“AuPt/β-CD-GO-1800s”。测定不同电沉积时间β-CD-GO的AuPt/β-CD-RGO修饰GCE在0.1 mol/L、pH为8.0的PBS中含0.007 633 mmol/L H2O2的CV曲线，扫速为100 mV/s，如图5所示。从图5可以看出，随着β-CD-GO电沉积时间的延长，AuPt/β-CD-RGO纳米复合材料对H2O2的电催化活性越来越大。因此，本研究构建的H2O2电化学传感器AuPt/β-CD-RGO/GCE的电沉积时间条件为β-CD-GO电沉积1 800 s、AuPt电沉积300 s。

图5 采用CV法测定“AuPt/β-CD-RGO-900s”修饰GCE（a）、“AuPt/β-CD-RGO-1200s”修饰GCE（b）、“AuPt/β-CDRGO-1500s”修饰GCE（c）、“AuPt/β-CD-RGO-1800s”修饰GCE（d）在0.1 mol/L、pH为8.0的PBS中含0.007 633 mmol/L H2O2的CV曲线

2.2.3 H2O2的电化学行为研究

采用CV法研究H2O2在“360s-AuPt/β-CD-RGO-1800s”（以下用AuPt/β-CD-RGO表示）纳米复合材料修饰GCE上的电化学行为。测定AuPt/β-CD-RGO修饰GCE 0.1 mol/L、pH为8.0的PBS中，H2O2浓度为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曲线，扫速为100 mV/s（图6）。从图6可以看出，随着H2O2浓度的增加，AuPt/β-CD-RGO纳米复合材料对H2O2的还原电流线性变化，说明AuPt/β-CD-RGO纳米复合材料对H2O2的还原具有电催化活性。采用CV法研究扫速对H2O2还原峰电流的影响。图7为AuPt/-CD-RGO修饰GCE在0.1 mol/L、pH为8.0的PBS中含有0.076 33 mmol/L H2O2溶液，扫速为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曲线。由图7可见，随着扫速的加快，H2O2的还原峰电流增大，且扫速越快，电流峰值越明显。由图8可见，H2O2的还原峰电流（Y）与扫速（X）的平方根成正比，线性回归方程为Y=-4.209X+25.29，线性相关系数R2=0.981。结果表明，H2O2在AuPt/β-CDRGO修饰GCE上的电化学过程受扩散控制。

图6 采用CV法测定AuPt/β-CD-RGO修饰GCE在 0.1 mol/L、pH为8.0的PBS中H2O2浓度为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曲线

图7 采用CV法测定AuPt/β-CD-RGO修饰GCE在0.1 mol/L、pH为8.0的PBS中含有0.076 33 mmol/L H2O2溶液，扫速为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曲线

图8 H2O2还原峰电流与扫速平方根的线性关系

3 结论

本实验在水相中制备β-CD-GO，采用红外光谱法表征材料，采用两步电沉积法分别将β-CD-GO和AuPt沉积到GCE的表面，制备AuPt/β-CD-RGO修饰GCE，构建H2O2电化学传感器。通过CV法对比不同材料对H2O2的电催化活性，探索电沉积时间对H2O2电催化活性的影响。结果表明，β-CD-GO-AuPt对H2O2的催化活性最高，随着电沉积时间的延长，材料对H2O2的电催化活性逐渐提高。以AuPt/β-CD-RGO修饰GCE为工作电极，采用CV法研究H2O2的电化学行为发现，AuPt/β-CD-RGO对H2O2的还原有较强的电催化活性；H2O2在AuPt/β-CD-RGO修饰GCE上的电化学过程受扩散控制。