劉閃閃， 康明倫， 金彪， 金東日

( 1.延邊大學(xué) 理學(xué)院， 吉林 延吉 133002； 2.延邊大學(xué) 分析測試中心， 吉林 延吉 133002 )

0 引言

過氧化氫(H2O2)不僅是一種重要的化工原料，而且其在人體內(nèi)也是一種重要的活性氧(參與人體內(nèi)的多個(gè)生理反應(yīng))[1-2]，可起到調(diào)節(jié)細(xì)胞分裂、細(xì)胞免疫以及重建血管等作用[3].研究顯示，過度使用H2O2不僅會(huì)破壞環(huán)境，而且人體接觸H2O2后會(huì)促使細(xì)胞老化[4]，因此研究其檢測技術(shù)對(duì)環(huán)境保護(hù)和人類健康具有重要意義.目前，檢測H2O2的方法主要有滴定法[5]、色譜法[6]、化學(xué)發(fā)光法[7]、熒光法[8]及電化學(xué)傳感器法[9]等，其中電化學(xué)傳感器法因具有靈敏度高、操作簡單、響應(yīng)速度快、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[10-11].近年來，一些學(xué)者利用石墨烯、碳納米管和碳纖維制備了碳基H2O2電化學(xué)傳感器[12-13]，但這些碳材料嚴(yán)重依賴于石化燃料，且合成條件苛刻，易破壞環(huán)境.由于自然界中的大多生物質(zhì)具有天然微觀結(jié)構(gòu)，而且富含碳元素，可再生，因此可作為理想的碳材料前驅(qū)體和將其衍生成為良好的碳基材料電極[14].

毛柄金錢菌(Flammulinavelutiper)作為常見的食用菌類之一，產(chǎn)量巨大，價(jià)格低廉[15]；因此，本文以毛柄金錢菌為碳源，用碳化法制備了一種生物質(zhì)衍生多孔碳材料(BPC)，并利用其修飾玻碳電極制備了一種電化學(xué)傳感器(BPC/GCE)，同時(shí)還研究了H2O2在該傳感器上的電化學(xué)行為.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

SU 8010冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本日立公司)； D/max - 2200/PC全自動(dòng)X射線衍射儀(日本理學(xué)株式會(huì)社)； JP/NRS - 3300 Raman光譜儀(日本JASCO公司)； K - Alpha X射線光電子能譜(英國Thermo Scientific公司)； CHI660E電化學(xué)工作站(北京華科普天科技有限責(zé)任公司)； WS70 - 1紅外燈干燥箱(海寧市奇異照明電器有限公司).

抗壞血酸、葡萄糖、尿酸、鐵氰化鉀、氯化鉀、檸檬酸(分析純，上海阿拉丁試劑有限公司)；磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉(分子生物學(xué)級(jí)，上海阿拉丁試劑有限公司)；過氧化氫、硝酸、35%鹽酸(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑科技有限公司)；α- 氧化鋁拋光粉(天津艾達(dá)恒晟科技發(fā)展有限公司)；無水乙醇、氫氧化鈉(天津科密歐化學(xué)試劑有限公司)； N,N- 二甲基甲酰胺(DMF，梯希愛(上海)化成工業(yè)發(fā)展有限公司)；氮?dú)?延吉吉盛氣體有限公司)；毛柄金錢菌購自延吉千盛超市.

1.2 BPC的制備

在室溫下晾干毛柄金錢菌后切段(長度約為0.5 cm).將切段后的毛柄金錢菌置于管式氣氛爐中，在氮?dú)猸h(huán)境下以5 ℃/min的速度升溫至800 ℃，并持續(xù)加熱3 h(800 ℃).將得到的黑色固體粉末依次加入濃度均為6 mol/L的HCl和NaOH溶液中洗滌，并在攪拌下水浴加熱(60 ℃) 12 h.將混合物轉(zhuǎn)移到離心管后再加入適量蒸餾水離心、洗滌，烘干(真空干燥箱， 80 ℃)后研磨即得BPC(黑色粉末狀).

1.3 BPC/GCE的制備

先將GCE依次分別用1.0、0.3 μm和50 nm的氧化鋁拋光粉進(jìn)行拋光打磨，然后依次用乙醇和二次蒸餾水超聲洗滌(洗去電極表面雜質(zhì))，由此得到表面光滑的裸玻碳電極.將制備得到的BPC粉末加入到DMF中，超聲處理3 h后得到均勻的混合懸浮液；取一定量的混合液滴到已預(yù)處理的玻碳電極表面，在紅外燈下干燥后即得到BPC/GCE.

1.4 電化學(xué)法測定H2O2

以BPC/GCE電極為工作電極，飽和Ag/AgCl電極為參比電極，鉑(Pt)絲電極為對(duì)比電極.在氮?dú)怙柡偷?.1 mol/L磷酸緩沖鹽溶液(PBS,用磷酸二氫鈉和磷酸氫二鈉配制成pH 7.0)中加入不同濃度的H2O2，然后在-0.3 V電位下利用電流- 時(shí)間曲線法測定H2O2.

2 結(jié)果與分析

2.1 BPC的表征

圖1(a)是BPC的SEM圖.由圖可見，BPC是一種有大孔和介孔的多孔碳材料，表明該結(jié)構(gòu)有利于電解液的滲透和傳輸[16].圖1(b)是BPC的Raman譜圖.圖中有2個(gè)明顯的吸收峰，分別位于1 348 cm-1的D帶和1 596 cm-1的G帶，且D峰和G峰的相對(duì)強(qiáng)度之比(ID/IG)為2.49，這表明BPC具有大量的邊緣缺陷[17].

圖1(c)為BPC的XRD圖.由圖可見，在衍射角26° 和43° 附近處有典型的碳材料衍射峰，這2個(gè)峰分別對(duì)應(yīng)于石墨化碳材料的(002)晶面和(101)晶面.這表明，在管式爐熱解過程中形成了無定型碳和部分石墨碳.

為探究BPC的元素組成和其含量，對(duì)BPC進(jìn)行了XPS測試，結(jié)果如圖1(d)所示.由圖可見，在285、399、532 eV處有3個(gè)峰，分別對(duì)應(yīng)于C1s峰、N1s峰、O1s峰，即BPC主要由C、N和O 3種元素組成，且相對(duì)百分含量分別h為80.69%、15.58%和3.73%.研究顯示，在碳材料中摻雜一定的雜原子(氧原子和氮原子)有利于提升材料的導(dǎo)電性[18].

圖1(e)和(f)分別為氮?dú)馕?- 脫附曲線圖和孔徑分布圖.經(jīng)計(jì)算(根據(jù)氮?dú)馕?- 脫附等溫線、BET(Brunauer - Emmett - Teller)理論和BJH (Brunauer - Joyner - Halenda)模型)BPC的比表面積為268.07 m2/g，孔體積為0.03 cm3/g，孔徑大多為4 nm.以上SEM、Raman、XRD、XPS的結(jié)果表明，BPC是一種具有較大比表面積和豐富的缺陷位點(diǎn)結(jié)構(gòu)的多孔碳材料，因此BPC有助于物質(zhì)的氧化還原反應(yīng)[19].

圖1 BPC的表征圖

2.2 修飾電極BPC/GCE的電化學(xué)行為

圖2(a)為BPC/GCE和GCE在0.1 mol/L KCl溶液(含5 μmol/L K3Fe(CN)6)中的循環(huán)伏安(CV)圖.由圖可見，BPC/GCE的峰電流大于GCE的峰電流，這表明電極經(jīng)多孔碳材料的修飾后能顯著提高電極的導(dǎo)電性能.BPC/GCE和GCE的氧化峰和還原峰的電位差(ΔEp)分別為93 mV和106 mV.經(jīng)計(jì)算(根據(jù)Nicholson方程和Randles - Sevcik方程)，BPC/GCE的異相電子轉(zhuǎn)移速率和電化學(xué)活性面積分別為0.002 21 cm·s-1和0.102 cm2，而GCE的異相電子轉(zhuǎn)移速率和電化學(xué)活性面積分別為0.001 50 cm·s-1和0.077 cm2.由此表明，BPC/GCE的電化學(xué)性能優(yōu)于GCE.

圖2(b)為BPC/GCE和GCE在5 μmol/L K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6和0.1 mol/L KCl混合溶液中的EIS圖.通過圖中的數(shù)據(jù)擬合得到BPC/GCE和GCE的電荷轉(zhuǎn)移阻抗分別為30.00 Ω和75.06 Ω.BPC/GCE的電子轉(zhuǎn)移阻抗小于GCE的電子轉(zhuǎn)移阻抗，說明BPC能夠增大電子在電化學(xué)傳感器體系中的轉(zhuǎn)移速率，該結(jié)果與上述結(jié)論(BPC/GCE的ΔEp低于GCE的ΔEp)一致，說明BPC可以作為修飾電化學(xué)傳感器工作電極的活性材料.

圖2 BGC/GCE和GCE的CV圖(a)、EIS圖(b)

2.3 BPC/GCE檢測H2O2的性能

圖3是BPC/GCE和GCE在含有8.0 mmol/L H2O2的PBS緩沖溶液中的CV圖(掃速速度為10 mV/s).由圖可見，GCE對(duì)H2O2底物幾乎無催化氧化作用(曲線2)，而BPC/GCE可使還原電流明顯增大(曲線1)，這表明修飾后的電極對(duì)H2O2具有良好的電催化性能.

圖3 BPC/GCE和GCE在PBS中的CV圖

圖4(a)為在0.1 mol/L PBS緩沖溶液中BPC/ GCE對(duì)H2O2檢測的電流- 時(shí)間曲線(pH 7.0，電位為-0.3 V)，圖4(b)為BPC/GCE對(duì)H2O2檢測的電流與其濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖.由圖4(b)可得，BPC/GCE對(duì)H2O2檢測的線性范圍為15～300 μmol/L(R2=0.998)，靈敏度為158.86 μA·(mmol/L)-1·cm-2，檢出限為7.5 μmol/L.該結(jié)果顯著低于文獻(xiàn)報(bào)道的H2O2傳感器的檢出限(見表1)，且還具有更高的靈敏度，由此表明BPC/GCE具有良好的檢測分析性能.

2.4 BPC/GCE的選擇性、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性

實(shí)驗(yàn)采用電流- 時(shí)間曲線法.向0.1 mol/L PBS的緩沖溶液中分別加入30 μmol/L H2O2和90 μmol/L的其他干擾物質(zhì)(尿酸、葡萄糖、抗壞血酸、檸檬酸、多巴胺)，并記錄所得曲線.曲線顯示這些干擾物并沒有產(chǎn)生額外的氧化和還原電流，這表明BPC/GCE在-0.3 V電位時(shí)對(duì)H2O2具有良好的選擇性.

按1.3方法用BPC修飾3個(gè)裸GCE，然后對(duì)已知濃度的H2O2進(jìn)行了電流- 時(shí)間測試，結(jié)果顯示其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為2.6%，這表明傳感器對(duì)H2O2具有良好的重現(xiàn)性.

利用同一電極對(duì)8.0 μmol/L H2O2的響應(yīng)進(jìn)行了檢測(每隔2 d檢測1次，共5次)，結(jié)果顯示第15 d的響應(yīng)電流為初始電流的95.4%，這表明電極具有良好的穩(wěn)定性.

2.5 尿液中H2O2的檢測

利用構(gòu)筑的H2O2傳感器測定實(shí)際樣品(24歲男性尿液)中H2O2的含量.按1.4的方法在電解質(zhì)中加入新鮮的未知H2O2濃度的尿液和濃度分別為15、30、45 μmol/L的H2O2標(biāo)準(zhǔn)溶液，采用電流- 時(shí)間曲線法測定其響應(yīng)電流，并將所測得的電流代入2.3中的線性關(guān)系中進(jìn)行計(jì)算.經(jīng)計(jì)算，尿樣中H2O2的濃度為40.2 μmol/L，其測定值如表2所示.由表2可知，檢測結(jié)果的回收率為95.9%～101.2%，這表明BPC/GCE能有效、準(zhǔn)確、靈敏地檢測尿液中H2O2的含量.

圖4 BPC/GCE測定H2O2時(shí)的電流 時(shí)間曲線圖(a)及檢測電流與H2O2濃度的關(guān)系圖(b)

表1 不同電化學(xué)傳感器對(duì)H2O2的檢測結(jié)果

表2 BPC/GCE對(duì)尿液中H2O2的檢測結(jié)果

3 結(jié)論

本文采用碳化法制備了一種毛柄金錢菌衍生多孔碳材料，并通過用其修飾玻碳電極制備了一種用于檢測H2O2的BPC/GCE.利用循環(huán)伏安法、電流時(shí)間法對(duì)BPC/GCE進(jìn)行電化學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，BPC/GCE可實(shí)現(xiàn)對(duì)H2O2的高靈敏檢測，且具有良好的選擇性、重復(fù)性和穩(wěn)定性.利用所制備的傳感器對(duì)人尿樣品中的H2O2進(jìn)行定量分析顯示，其回收率為95.9%～101.2%，因此本文制備的BPC/GCE可用于檢測人體內(nèi)的H2O2.