基于普鲁士蓝/二氧化锰复合材料修饰电极上的无酶过氧化氢传感器

刘玉革 李志果 陈伟珍

引用本文: 刘玉革, 李志果, 陈伟珍. 基于普鲁士蓝/二氧化锰复合材料修饰电极上的无酶过氧化氢传感器[J]. 无机化学学报, 2020, 36(3): 421-425. doi: 10.11862/CJIC.2020.065 shu
Citation:  LIU Yu-Ge, LI Zhi-Guo, CHEN Wei-Zhen. Non-enzyme Sensor for Hydrogen Peroxide Based on Prussian Blue/Manganese Dioxide Composite Modified Electrode[J]. Chinese Journal of Inorganic Chemistry, 2020, 36(3): 421-425. doi: 10.11862/CJIC.2020.065 shu

基于普鲁士蓝/二氧化锰复合材料修饰电极上的无酶过氧化氢传感器

    通讯作者: 刘玉革, E-mail:liuyugehb@126.com
  • 基金项目:

    国家自然科学基金(No.21505155)和江苏省有机电子与信息显示重点实验室省部共建国家重点实验室培育基地开放研究基金资助课题资助

摘要: 合成了一种普鲁士蓝/二氧化锰(PB/MnO2)复合材料。表征结果显示两者成功地复合在一起。电化学测试结果表明复合材料比单独的PB具有更好的电化学活性。由修饰玻碳电极(GCE)构建的传感器对过氧化氢(H2O2)的还原具有良好的稳定性、重现性和选择性。

English

  • 过氧化氢(H2O2)的检测具有十分重要的意义。在所有的方法中,电化学检测方法由于具有高灵敏度、高选择性和简单易操作等特点,已被广泛用于过氧化氢的测定[1-5]。普鲁士蓝(PB)和二氧化锰(MnO2)在过氧化氢催化方面的报道已有很多[6-13]。然而,关于二氧化锰和普鲁士蓝复合物在过氧化氢检测方面的报道还很少。

    在本研究中,我们合成了一种普鲁士蓝/二氧化锰(PB/MnO2)复合材料,该材料被用于修饰玻碳电极(GCE),结果表明由修饰电极构建的无酶传感器对过氧化氢(H2O2)的检测具有良好的重现性、稳定性和选择性。

    高锰酸钾(KMnO4)、过氧化氢(H2O2)和盐酸(HCl)购自广州化学试剂公司。铁氰化钾(K3[Fe(CN)6])和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)购于国药集团化学试剂有限公司。聚乙二醇(PEG 400)和氯化钾(KCl)分别来自汕头市光华化学厂和麦克林试剂公司。所用试剂皆为分析纯。所有溶液均用超纯水配置(Elix5超纯水仪,美国Millipore公司)。

    取1.0 g铁氰化钾加入200 mL盐酸溶液(0.1 mol·L-1),之后边搅拌边加入3.6 g的PVP,搅拌均匀后将盛放溶液的烧杯放在90 ℃保温。24 h后取出烧杯,将所得蓝色沉淀离心洗涤后于50 ℃干燥。

    在磁力搅拌下称取100 mg PB立方体和80 mg KMnO4加入到15 mL水中。搅拌10 min后滴加还原剂PEG 400到上述混合溶液中至上层清液呈棕色(12 mL)。之后混合液再搅拌12 h,离心收集沉淀并于60 ℃干燥。

    材料的物相在xpert PRO X射线衍射仪(荷兰Panalytical公司,Cu Kα射线)上进行分析,波长为0.154 06 nm,工作电压为60 kV,工作电流为55 mA,扫描范围为5°~70°,扫描速率为5°·min-1。表面形貌采用S-4800型扫描电镜(日本日立公司)观测,加速电压20 kV。红外光谱在Nicolet6700傅里叶红外光谱分析仪(美国热电Nicolet)上测定。

    玻碳电极首先用1.0,0.3,0.05 μm的氧化铝粉末在麂皮上打磨光滑,随后用超纯水冲洗。然后分别在1:1硝酸(65%HNO3/H2O,V/V)、丙酮及超纯水中超声清洗,在室温下晾干。将PB和PB/MnO2分散在超纯水中(2 mg·mL-1),取10 μL悬浊液滴加在玻碳电极(GCE)表面,室温下晾干。传感器不使用时放在冰箱中4 ℃下保存。

    电化学测定在CHI660D电化学工作站(上海辰华仪器公司)上进行。所有的实验均采用常规的三电极体系,即用材料修饰的玻碳电极作为工作电极,铂电极作为辅助电极,标准甘汞电极作为参比电极。所有体系在测试之前和测试过程中都通高纯氮以除氧。

    图 1是所制备的PB和PB/MnO2的扫描电镜图片。由图可知,制备的PB是微米级的立方体,表面光滑且形貌均一(图 1AB)。当和二氧化锰复合后,氧化物粒子分散在立方体表面,所得复合物的形貌也比较均一(图 1CD)。

    图 1

    图 1.  (A, B)PB立方体扫描电镜图和(C, D) PB/MnO2复合材料扫描电镜图片
    Figure 1.  SEM of PB nanocubes (A, B) and (C, D) PB/MnO2 composite

    X射线衍射(XRD)的结果也表明了PB和MnO2的复合(图 2)。在复合材料的XRD图中(图 2b),除了普鲁士蓝的特征衍射峰(2θ分别为17.6°、24.8°、35.3°和39.6°,图 2a)外,在28.7°和37.47°也出现了2个衍射峰,由PDF No.24-0735可知这对应于β-MnO2的(110)和(101)衍射峰。因此,复合材料中的二氧化锰是β晶型且结晶度良好。

    图 2

    图 2.  PB (a)和PB/MnO2复合材料(b)的XRD图
    Figure 2.  XRD patterns of PB (a) and PB/MnO2composite (b)

    图 3是PB和PB/MnO2的FTIR(红外光谱)图。类普鲁士蓝的特征吸收峰在PB/MnO2的红外光谱图也都出现并稍微红移(图 3b),这可能是因为与二氧化锰复合的缘故。

    图 3

    图 3.  PB (a)和PB/MnO2复合材料(b)的红外光谱
    Figure 3.  FTIR of PB (a) and PB/MnO2 composite (b)

    图 4是不同电极在0.01 mol·L-1盐酸中的循环伏安(CV)曲线。由图可知裸电极在扫描范围内没有响应(图 4a)。普鲁士蓝立方体在电极上有一对不可逆的氧化还原峰(图 4b)。当和二氧化锰复合后,复合物在0.136 V和0.188 V出现一对峰形良好的氧化还原峰,这是普鲁士蓝到普鲁士白的氧化还原电对。此外,峰电流增大为之前的1.63倍,并且峰电位差(Δ Ep,52 mV)远小于纯普鲁士蓝的峰电位差(159 mV,图 4c)。由此可知二氧化锰的加入提高了普鲁士蓝的电活性,加快了电子传递速率。

    图 4

    图 4.  裸电极(a), PB (b)和(c) PB/MnO2复合材料修饰玻碳电极(GCE)在0.01 mol·L-1 HCl (含有0.1 mol·L-1 KCl)中的循环伏安曲线, 扫速为100 mV·s-1
    Figure 4.  Cyclic voltammograms (CV) of (a) bare GCE, (b) PB and (c) PB/MnO2 composite modified GCE at 100 mV·s-1 in 0.01 mol·L-1 HCl (with 0.1 mol·L-1 KCl)

    图 5是不同扫速下复合电极的CV曲线。由图可知电极在很宽的扫速范围内都有一对峰形良好的PB氧化还原峰。随着扫速的增加,峰电位差逐渐增大,还原峰电流和氧化峰电流增加,并且峰电流与扫速之间呈正比关系(内插图),说明电极反应由表面控制。

    图 5

    图 5.  PB/MnO2复合材料修饰电极在不同扫速下的循环伏安图(溶液为0.01 mol·L-1 HCl+0.1 mol· L-1 KCl)
    Figure 5.  CV of PB/MnO2 composite modified electrode in 0.01 mol·L-1 HCl+0.1 mol·L-1 KCl at 10, 20, 40, 60, 80, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 and 1 000 mV·s-1 (from inner to outside)

    Inset: plot of peak currents vs scan rate

    基于普鲁士蓝和二氧化锰对H2O2良好的催化性能,我们将复合材料修饰的电极用于H2O2的催化。当H2O2加入后2种材料修饰的电极氧化峰电流下降,还原峰电流上升,说明2种材料都能催化H2O2的还原(图 6A)。然而,PB修饰电极的响应值要小于复合材料修饰的电极,这是因为MnO2也可以催化H2O2的还原。MnO2对H2O2的反应可以用Fiedler的理论来解释[14]。当H2O2加入到溶液后,MnO2(Ⅳ)通过方程12被还原成Mn(OH)2和Mn2O3

    图 6

    图 6.  (A) PB和PB/MnO2修饰电极加入H2O2前(a, c)及加入1 mmol·L-1 H2O2后(b, d)的循环伏安图; (B) PB/MnO2修饰电极加入不同浓度H2O2的循环伏安图(a: 0 mmol·L-1, b: 1.2 mmol·L-1, c: 2.2 mmol·L-1, d: 3.2 mmol·L-1), 溶液是0.01 mol·L-1 HCl+0.1 mol·L-1 KCl, 扫速是100 mV·s-1, 内插图是还原峰电流对浓度的线性关系图
    Figure 6.  (A) CV of PB and PB/MnO2 composite modified electrode without (a, c) and with 1 mmol·L-1 H2O2 (b, d) in 0.01 mol·L-1 HCl+0.1 mol·L-1 KCl at 100 mV·s-1; (B) CV of PB/MnO2 composite modified electrode with (a) 0 (b) 1.2, (c) 2.2, and (d) 3.2 mmol·L-1of H2O2 in 0.01 mol·L-1 HCl+0.1 mol·L-1 KCl at 100 mV·s-1; Inset: calibration curve of reduction current vs H2O2 concentration

    $ 2{\rm{Mn}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}} + {{\rm{H}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}} \to {\rm{M}}{{\rm{n}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}} + {{\rm{O}}_{\rm{2}}} + {{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}} $

    (1)

    $ {\rm{Mn}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}} + {{\rm{H}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{2}}} \to {\rm{Mn}}{\left( {{\rm{OH}}} \right)_2} + {{\rm{O}}_{\rm{2}}} $

    (2)

    之后低价态的锰又通过方程34被氧化回高价态:

    $ {\rm{M}}{{\rm{n}}_2}{{\rm{O}}_3} + 2{\rm{O}}{{\rm{H}}^ - } \to 2{\rm{Mn}}{{\rm{O}}_2} + {{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}} + 2{{\rm{e}}^{\rm{ - }}} $

    (3)

    $ {\rm{Mn}}{\left( {{\rm{OH}}} \right)_2} + 2{\rm{O}}{{\rm{H}}^ - } \to {\rm{Mn}}{{\rm{O}}_2} + 2{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}} + 2{{\rm{e}}^{\rm{ - }}} $

    (4)

    随着溶液中H2O2浓度的增加,PB/MnO2修饰电极的氧化峰电流继续减小,还原峰电流持续增加(图 6B)。进一步研究表明,当H2O2浓度在0.8~6.2 mmol·L-1范围内时(图 6B内插图),由复合材料修饰电极制备传感器的还原峰电流和浓度成良好的线性关系,线性回归方程为Ic(μA)=2.208 9c(mmol·L-1)-1.243 7(R2=0.995 8),由此计算所得的检测限是0.3 mmol·L-1(S/N=3)。

    电极在含有1.0 mmol·L-1 H2O2的0.01 mol·L-1盐酸(含有0.1 mol·L-1 KCl)溶液中扫描50次后还原峰电流仅下降8%,这说明传感器具有良好的稳定性。

    当H2O2的浓度为1.0 mmol·L-1时,6个不同传感器还原峰电流的相对标准偏差为3.8%,这说明传感器具有良好的重现性。

    尿酸(UA)、抗坏血酸(AA)和多巴胺(DA)的存在会干扰过氧化氢的测定。图 7B给出的是当H2O2和干扰物的浓度都是1.0 mmol·L-1时的CV图。当干扰物存在时(图 7Bc),还原峰电流(图 7,b)仅增大了13%,因此复合物修饰的电极可以用于构建对H2O2的检测具有良好选择性的传感器。

    图 7

    图 7.  PB/MnO2复合材料修饰电极加入H2O2前(a), 加入1 mmol·L-1 H2O2 (b)及(c)加入1 mmol·L-1 H2O2和干扰物(1 mmol·L-1 UA+1 mmol·L-1 AA)的循环伏安曲线, 溶液是0.01 mol·L-1 HCl+0.1 mol·L-1 KCl, 扫速是100 mV·s-1
    Figure 7.  CV of PB/MnO2 composite modified electrode with addition of (a) 0 mmol·L-1, (b) 1.0 mmol·L-1 H2O2, and (c) 1.0 mmol·L-1 H2O2+1.0 mmol·L-1 UA+1.0 mmol·L-1 AA+1.0 mmol·L-1 DA in 0.01 mol·L-1 HCl+0.1 M KCl at 100 mV·s-1

    在有氧的情况下,葡萄糖能够被葡萄糖氧化酶氧化成葡萄糖内酯,同时生成过氧化氢,具体反应如下:

    $ \text{Glucose}+{{\text{O}}_{2}}\ \underrightarrow{\text{Glucose}\ \text{oxidase}}\ \ \text{Glucolactone}+{{\text{H}}_{\text{2}}}{{\text{O}}_{\text{2}}} $

    由于生成的过氧化氢和葡萄糖的浓度一样,因此可以通过测定过氧化氢来间接的测定葡萄糖。我们将构建的传感器用于测定血液中的葡萄糖,测定结果和理论数值见表 1

    表 1

    表 1  传感器及医院检测所得葡萄糖浓度
    Table 1.  Glucose concentration in human serum detected by sensor and hospital
    下载: 导出CSV
    Samples 1 2 3
    Results of sensor / (mmol • L-1) 4.5 5.4 7.4
    Results of hospital / (mmol • L-1) 4.3 5.2 7.8

    由以上结果可以看出本研究构建的无酶传感器在测定血液葡萄糖方面具有潜在的用途。

    合成了一种PB/MnO2复合材料。表征结果显示复合材料中PB呈立方体,MnO2被均匀地覆盖在立方体表面。电化学检测结果表明MnO2的加入极大地提高了PB的电化学活性。由此构建的传感器对H2O2的检测具有良好的稳定性、重现性、选择性和较宽的检测范围。该材料为构建新型的无酶传感器提供了理论依据。


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  • 图 1  (A, B)PB立方体扫描电镜图和(C, D) PB/MnO2复合材料扫描电镜图片

    Figure 1  SEM of PB nanocubes (A, B) and (C, D) PB/MnO2 composite

    图 2  PB (a)和PB/MnO2复合材料(b)的XRD图

    Figure 2  XRD patterns of PB (a) and PB/MnO2composite (b)

    图 3  PB (a)和PB/MnO2复合材料(b)的红外光谱

    Figure 3  FTIR of PB (a) and PB/MnO2 composite (b)

    图 4  裸电极(a), PB (b)和(c) PB/MnO2复合材料修饰玻碳电极(GCE)在0.01 mol·L-1 HCl (含有0.1 mol·L-1 KCl)中的循环伏安曲线, 扫速为100 mV·s-1

    Figure 4  Cyclic voltammograms (CV) of (a) bare GCE, (b) PB and (c) PB/MnO2 composite modified GCE at 100 mV·s-1 in 0.01 mol·L-1 HCl (with 0.1 mol·L-1 KCl)

    图 5  PB/MnO2复合材料修饰电极在不同扫速下的循环伏安图(溶液为0.01 mol·L-1 HCl+0.1 mol· L-1 KCl)

    Figure 5  CV of PB/MnO2 composite modified electrode in 0.01 mol·L-1 HCl+0.1 mol·L-1 KCl at 10, 20, 40, 60, 80, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 and 1 000 mV·s-1 (from inner to outside)

    Inset: plot of peak currents vs scan rate

    图 6  (A) PB和PB/MnO2修饰电极加入H2O2前(a, c)及加入1 mmol·L-1 H2O2后(b, d)的循环伏安图; (B) PB/MnO2修饰电极加入不同浓度H2O2的循环伏安图(a: 0 mmol·L-1, b: 1.2 mmol·L-1, c: 2.2 mmol·L-1, d: 3.2 mmol·L-1), 溶液是0.01 mol·L-1 HCl+0.1 mol·L-1 KCl, 扫速是100 mV·s-1, 内插图是还原峰电流对浓度的线性关系图

    Figure 6  (A) CV of PB and PB/MnO2 composite modified electrode without (a, c) and with 1 mmol·L-1 H2O2 (b, d) in 0.01 mol·L-1 HCl+0.1 mol·L-1 KCl at 100 mV·s-1; (B) CV of PB/MnO2 composite modified electrode with (a) 0 (b) 1.2, (c) 2.2, and (d) 3.2 mmol·L-1of H2O2 in 0.01 mol·L-1 HCl+0.1 mol·L-1 KCl at 100 mV·s-1; Inset: calibration curve of reduction current vs H2O2 concentration

    图 7  PB/MnO2复合材料修饰电极加入H2O2前(a), 加入1 mmol·L-1 H2O2 (b)及(c)加入1 mmol·L-1 H2O2和干扰物(1 mmol·L-1 UA+1 mmol·L-1 AA)的循环伏安曲线, 溶液是0.01 mol·L-1 HCl+0.1 mol·L-1 KCl, 扫速是100 mV·s-1

    Figure 7  CV of PB/MnO2 composite modified electrode with addition of (a) 0 mmol·L-1, (b) 1.0 mmol·L-1 H2O2, and (c) 1.0 mmol·L-1 H2O2+1.0 mmol·L-1 UA+1.0 mmol·L-1 AA+1.0 mmol·L-1 DA in 0.01 mol·L-1 HCl+0.1 M KCl at 100 mV·s-1

    表 1  传感器及医院检测所得葡萄糖浓度

    Table 1.  Glucose concentration in human serum detected by sensor and hospital

    Samples 1 2 3
    Results of sensor / (mmol • L-1) 4.5 5.4 7.4
    Results of hospital / (mmol • L-1) 4.3 5.2 7.8
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  • 发布日期:  2020-03-10
  • 收稿日期:  2019-07-12
  • 修回日期:  2020-01-08
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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