許勝南，金葆康

(安徽大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，安徽 合肥 230601)

過渡金屬六氰合鐵酸鹽(MHCFs)的研究是從普魯士藍(lán)(Prussian blue, 簡稱PB)的發(fā)現(xiàn)開始的.普魯士藍(lán)是已知的最古老的配位化合物，人們花了兩個半世紀(jì)才發(fā)現(xiàn)它是一種電活性物質(zhì).到目前為止，有關(guān)普魯士藍(lán)電化學(xué)研究的相關(guān)文獻(xiàn)超過3 000余篇，它是所有MHCFs中最知名和研究最深入的化合物.普魯士藍(lán)可以不同的形式存在，這取決于Fe中心的氧化態(tài)，其完全還原形式普魯士白(Prussian white，簡稱PW)可以有效電催化還原H2O2[1-3].因此，它被廣泛用于檢測H2O2的傳感器、基于氧化酶的生物傳感器以及能量存儲設(shè)備[4].

最早的普魯士藍(lán)電化學(xué)合成方法一般是在鐵氰化物[Fe(CN)6]3-和Fe3+的穩(wěn)定混合液中還原Fe3+得到的.嚴(yán)格來說，這種方法合成的是特恩布爾藍(lán)(Turnbull’s blue)，但其結(jié)構(gòu)與普魯士藍(lán)相同[5-6].值得注意的是，混合溶液的pH應(yīng)該足夠小以避免鐵離子水解，否則Fe3+/2+將被羥基離子而不是氰化物橋占據(jù)，從而影響PB的穩(wěn)定性.在PB被還原后，需要用鉀離子進(jìn)行電荷補(bǔ)償[7].

過氧化氫是氧化酶生物催化作用的產(chǎn)物，氧化酶是90%以上酶基生物傳感器和分析試劑盒的末端產(chǎn)物[8-9].過氧化氫本身是雨水和地下水中的化學(xué)污染物，是工業(yè)和原子能發(fā)電站的廢物.此外，過氧化氫濃度的檢測在糖尿病的診斷和治療方面也占有著舉足輕重的地位[10-12].在所有檢測H2O2的可行方法中，例如近紅外光譜、熒光光譜、液相色譜質(zhì)譜和電化學(xué)方法等，研究已證明電化學(xué)方法更為靈敏、選擇性更高且成本較小[13-14].在較低電位下檢測H2O2是基于氧化酶生物傳感器的基本要求，其目的是在易氧化的化合物共存下實(shí)現(xiàn)高選擇性和高靈敏度的測定.Karyakin等[15]首次提出通過PB修飾電極來選擇性檢測H2O2.PB對氧和H2O2的催化作用歸因于其特殊結(jié)構(gòu).PB的立方晶胞為10.2 ?，通道直徑約為3.2 ?，其類沸石結(jié)構(gòu)可以使低分子量分子通過晶體擴(kuò)散[16]，因此Itaya等[17]將PB形容為三維的催化劑.Moscone等[18]在鐵氰化物溶液中將PB電沉積到固體石蠟制備的碳糊電極上，所制的碳糊-普魯士藍(lán)傳感器在中性和弱堿性介質(zhì)中顯示出高操作穩(wěn)定性.Jia等[19]在納米多孔金膜電極上電沉積PB，制備的復(fù)合電極對H2O2顯示出非常高的電催化活性，其活性大約是PB修飾的拋光金電極的20倍.

由于貴金屬納米粒子通常具有良好的催化活性，為了提高PB修飾電極的靈敏度和穩(wěn)定性，筆者采用先在裸金電極上自組裝4,4’-聯(lián)苯二甲硫醇，隨后電沉積納米金，然后再沉積普魯士藍(lán)的方法來制備修飾電極，并且對該修飾電極的電化學(xué)行為和其對H2O2電催化還原性能進(jìn)行研究.基于納米金較高的比表面積，可以為PB的電沉積提供異相晶種，所以與傳統(tǒng)的直接在電極上電沉積普魯士藍(lán)相比，有效地提高了對H2O2檢測的靈敏度，從而降低了H2O2的檢出下限.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

CHI660d電化學(xué)工作站，上海辰華儀器公司；SL202電子天平，上海精密科學(xué)儀器有限公司；S-4800冷場發(fā)射式掃描電鏡，日本日立公司；S6104超聲清洗器,芯硅谷；電化學(xué)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行以修飾電極為工作電極、飽和甘汞電極(SCE)和鉑電極為參比電極和對電極.所用試劑均為分析純，4,4’-聯(lián)苯二甲硫醇(MTP)為實(shí)驗(yàn)室合成[20].

1.2 PB/AuNPs/Au修飾電極的制備

金電極首先依次用0.3 μmol·L-1和0.05 μmol·L-1與水混合的三氧化二鋁粉進(jìn)行打磨拋光，超聲清洗10 min.隨后將電極浸泡在Piranha溶液(V(98%H2SO4)∶V(30%H2O2)=3∶1)中10 min，依次用無水乙醇和二次水清洗，重復(fù)操作3次，最后將電極用氮?dú)獯蹈蓚溆?

將處理干凈的金電極浸泡在0.5 mmol·L-1MTP乙醇溶液中6 h后取出，用乙醇洗凈表面未吸附的MTP，氮?dú)獯蹈珊髮㈦姌O置于2 mg·mL-1的HAuCl4溶液中，采用恒電位沉積法，在-0.2 V的電位下進(jìn)行電化學(xué)還原，制得AuNPs/Au電極.

將AuNPs/Au電極放入新鮮配制的4 mmol·L-1FeCl3與4 mmol·L-1K3Fe (CN )6的混合液中，以0.1 mol·L-1KCl 和0.1 mol·L-1HCl為支持電解質(zhì).普魯士藍(lán)(PB)的修飾采用循環(huán)伏安法進(jìn)行，在0.8～0.4 V的電位范圍內(nèi)以50 mV·s-1的掃速進(jìn)行循環(huán)掃描20圈，即可制得PB/AuNPs/Au電極.用二次水沖洗干凈后將其放入濃度為0.1 mol·L-1KCl和0.1 mol·L-1HCl的溶液中，在0.4～-0.1 V范圍內(nèi)循環(huán)掃描15圈，直到獲得穩(wěn)定的循環(huán)伏安圖.最后將制好的電極放于烘箱中80 ℃下烘干1 h.

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

2.1.1 納米金電沉積時間的影響

探究納米金不同電沉積時間(60，120，180，240，300 s)對修飾電極電化學(xué)行為的影響.在保持其他修飾條件不變的情況下，只改變納米金的電沉積時間來制備電極，并將電極置于0.1 mol·L-1KCl和0.1 mol·L-1HCl的溶液中以50 mV·s-1的掃速進(jìn)行CV掃描，結(jié)果如圖1所示.

(a)CV圖,掃速為50 mV·s-1；(b)還原峰電流與納米金電沉積時間的關(guān)系.圖1 納米金不同電沉積時間下PB/AuNPs/Au修飾電極在0.1 mol·L-1 KCl 和0.1 mol·L-1 HCl溶液中電化學(xué)行為

從圖1可以看出，修飾電極的電流隨納米金電沉積時間增大而逐漸增大，但當(dāng)電沉積時間到240 s后，電流開始減小.這是因?yàn)檩^短的電沉積時間，只能在電極表面得到少量的納米金，而電沉積時間過長時，則會在電極表面形成致密的金膜，二者均不能為PB的沉積提供足夠的異相晶種，影響PB膜的形成.所以選擇240 s作為最佳的納米金電沉積時間來開展接下來的實(shí)驗(yàn).

2.1.2 PB電沉積圈數(shù)的影響

PB膜電沉積圈數(shù)對修飾電極電流的影響，如圖2所示.

(a)CV圖,掃速為50 mV·s-1；(b)還原峰電流與電沉積圈數(shù)的關(guān)系.圖2 PB不同電沉積圈數(shù)下PB/AuNPs/Au修飾電極的電化學(xué)行為

PB膜電沉積圈數(shù)對修飾電極的靈敏度有很大的影響.PB膜的厚度隨著掃描圈數(shù)的增大而增加，同時也影響著修飾電極電流的大小.從圖2可以看出，當(dāng)電沉積圈數(shù)從10圈逐漸增大到20圈時，電流不斷增大，但是20圈以后，電流增大幅度開始趨于平緩.PB膜薄，電極穩(wěn)定性高，電流響應(yīng)信號好，隨著電沉積圈數(shù)增多，PB膜變厚，修飾電極的機(jī)械穩(wěn)定性降低(易破碎)，所以選擇20圈作為最佳的電沉積圈數(shù).

2.2 PB/AuNPs/Au修飾電極的表征

2.2.1 PB/AuNPs/Au修飾電極的EIS圖

利用電化學(xué)阻抗譜跟蹤電極的修飾過程，結(jié)果如圖3所示.

圖3 不同修飾階段電極的阻抗圖

圖3中曲線a是處理干凈的裸金電極的阻抗圖，曲線b是自組裝MTP后的阻抗圖，由于Au-S鍵的作用，MTP自組裝至電極表面，導(dǎo)致電荷傳遞電阻急劇增大.曲線c是修飾了納米金的阻抗圖，可以看出該曲線接近直線，這是由于修飾的納米金粒子恢復(fù)了電子轉(zhuǎn)移速率，導(dǎo)致電極的阻抗減小了.曲線d是PB/AuNPs/Au修飾電極的阻抗圖，相比曲線c，它的直徑較大，說明修飾了PB之后阻礙了溶液和電極之間的電子傳遞.

2.2.2 PB/AuNPs/Au修飾電極的SEM圖

利用SEM評估修飾電極表面PB電沉積前后的形貌，結(jié)果如圖4所示.

圖4 AuNPs/Au電極(a)和PB/AuNPs/Au電極(b)的SEM圖

圖4(a)顯示的是電沉積納米金的SEM圖.采用電沉積的方法制備納米金的優(yōu)點(diǎn)在于，可以通過改變HAuCl4濃度和電沉積時間來控制納米金顆粒的尺寸和密度.從圖中可以看到金晶體均勻地覆蓋在電極表面，與裸金電極相比，覆蓋納米金的表面可以提供更高的表面體積比，同時提供異相晶種，從而優(yōu)化PB在電極表面的固定化和成核.圖4(b)顯示的是PB/AuNPs/Au修飾電極的SEM圖，可以看到PB顆粒成功沉積在之前修飾的納米金的電極表面，PB膜結(jié)構(gòu)致密，并且較好地分散在其表面.

2.3 PB/AuNPs/Au修飾電極的電沉積

PB的電沉積是一個復(fù)雜的過程，如圖5所示.由圖5可知，在約0.7 V的電位下，F(xiàn)eIII[FeIII(CN)6]絡(luò)合物被還原，并且使PB沉積在電極表面上.在0.4 V的電位下，F(xiàn)e3+被還原為Fe2+，然后生成的Fe2+與[Fe(CN)6]3-反應(yīng)，導(dǎo)致大量PB在電極表面沉淀.電流隨著沉積循環(huán)增加而增大，表明PB膜厚度在逐漸增加.在實(shí)驗(yàn)過程中，要保證參比電極和對電極放置在彼此靠近的位置，但必須與工作電極在空間上有一定的距離，以避免PB沉積在對電極上，同時在工作電極表面建立不受干擾的擴(kuò)散區(qū)域，否則形成的PB膜不均勻而且易碎.此外，在PB沉積過程中溶液的pH不應(yīng)超過1.因?yàn)閷﹄姌O在反應(yīng)過程中水的還原而導(dǎo)致OH-的釋放，使整個溶液的pH發(fā)生顯著變化，而pH的增大會導(dǎo)致Fe(OH)3的生成，從而阻止了PB膜的電沉積.

研究發(fā)現(xiàn)循環(huán)掃描過程會導(dǎo)致普魯士藍(lán)(PB)晶體結(jié)構(gòu)的重新組織，可提高電極的穩(wěn)定性[1].電沉積結(jié)束后，修飾電極在0.1 mol·L-1KCl 和0.1 mol·L-1HCl溶液中循環(huán)掃描20圈，電位范圍0.4～-0.1 V，掃速50 mV·s-1，活化電極，結(jié)果如圖6所示.

圖5 在AuNPs/Au電極上電沉積PB的CV圖

圖6 循環(huán)伏安法活化沉積的PB的CV圖

從圖6可以看出，在該電位范圍內(nèi)有一對可逆性良好的氧化還原峰，其峰面積代表沉積物的質(zhì)量.在每個循環(huán)過程中，峰值電流不斷增大，電子轉(zhuǎn)移速度加快，氧化還原可逆性增強(qiáng).該對氧化還原峰對應(yīng)的是氧化態(tài)的PB和還原態(tài)的PW，其反應(yīng)為

KFeⅢFeⅡ(CN)6+ 4K++4e-K2FeⅡFeⅡ(CN)6，

(1)

PB PW

這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象從電極表面顏色變化也可以明顯觀察到.當(dāng)電極由0.4 V掃到-0.1 V時，膜從藍(lán)色變成白色，而反向掃描時再次變成藍(lán)色.同時為了維持膜的電中性，該氧化還原過程伴隨著K+在晶格內(nèi)的遷入和遷出.

2.4 PB/AuNPs/Au修飾電極的電化學(xué)行為

PB/AuNPs/Au修飾電極和PB/Au修飾電極的電化學(xué)行為如圖7所示.

圖7 PB/AuNPs/Au電極和PB/Au電極在0.1 mol·L-1 KCl和0.1 mol·L-1 HCl溶液中的CV圖，掃速為50 mV·s-1

據(jù)文獻(xiàn)報道，PB在電極表面膜的形成主要通過PB納米晶體的成核作用[21].納米金顆粒的存在為PB晶核的形成提供了異相晶種，因此加快了PB在電極表面的沉積速率.而且由于納米金粒子粒徑小，數(shù)量眾多，可以為PB的電沉積提供更高的表面體積比，從而改善電沉積PB的固定和成核.由圖7可知，在0.4～ -0.1 V的電勢范圍內(nèi)，以50 mV·s-1的掃速進(jìn)行循環(huán)伏安掃描，在兩個電極中都可以明顯觀察到1對氧化還原峰，表明PB和PW之間的氧化還原反應(yīng)無論是在納米金修飾的表面還是裸金電極表面都是呈近可逆狀態(tài)，2個電極上的陽極和陰極峰值電位幾乎相同，分別為200 mV和150 mV.圖7顯示，PB/AuNPs/Au修飾電極電流遠(yuǎn)大于PB/Au修飾電極電流，這表明在裸金電極表面電沉積1層納米金，可以促進(jìn)沉積過程中PB顆粒的成核，使得電極表面上修飾更多PB.

PB/AuNPs/Au修飾電極在0.1 mol·L-1KCl和0.1 mol·L-1HCl中不同掃速下的CV圖以及其峰值電流和掃速的線性關(guān)系曲線，如圖8所示.

圖8 PB/AuNPs/Au電極在不同掃速下的CV圖(a)及其陽極和 陰極峰值電流與掃速平方根的關(guān)系曲線(b)

從圖8可以看出，陰極峰值電流與陽極峰值電流之比幾乎為1，電極的陽極峰電位(和陰極峰電位)均隨著掃速的增大而向更正(和更負(fù))一側(cè)偏移.結(jié)果表明，PB在電極表面的氧化還原反應(yīng)是準(zhǔn)可逆反應(yīng).在較低掃速下，峰值電流與掃速的平方根(v1/2)成正比，表明整個電化學(xué)反應(yīng)過程受K+在PB中的晶格擴(kuò)散控制.

2.5 PB/AuNPs/Au修飾電極的穩(wěn)定性

將修飾電極放置于0.1 mol·L-1KCl和0.1 mol·L-1HCl的溶液中，以50 mV·s-1的掃速，從-0.1 V至0.4 V進(jìn)行循環(huán)伏安掃描150圈，結(jié)果如圖9所示.

圖9 PB/AuNPs/Au電極循環(huán)掃描150圈的CV圖

從圖9可以看出，電極經(jīng)歷了150圈的循環(huán)掃描后，還原電流僅下降7.9%，表明PB/AuNPs/Au修飾電極在實(shí)驗(yàn)條件下具有較高的穩(wěn)定性.

2.6 PB/AuNPs/Au修飾電極對H2O2的電化學(xué)響應(yīng)

為了評估PB/AuNPs/Au修飾電極的電催化活性，比較了PB/AuNPs/Au修飾電極和PB/Au修飾電極對H2O2的電催化還原.在工作電極上施加的電位為-100 mV，在攪拌下，連續(xù)加入H2O2溶液，通過計時電流法來記錄測量結(jié)果，結(jié)果如圖10所示.

圖10 PB/AuNPs/Au電極和PB/Au電極對連續(xù)滴加H2O2的電流響應(yīng)

從圖10可以看出，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，PB/AuNPs/Au修飾電極和PB/Au修飾電極都對H2O2有明顯的電流響應(yīng)，響應(yīng)時間小于5 s，但是PB/AuNPs/Au修飾電極對相同濃度H2O2的響應(yīng)明顯優(yōu)于PB/Au修飾電極，表明納米金的存在增強(qiáng)了電極對H2O2的響應(yīng)靈敏度.

由于PB/AuNPs/Au修飾電極對H2O2具有優(yōu)良的電催化活性，進(jìn)一步通過計時電流法探究其性能，結(jié)果如圖11所示.

圖11 PB/AuNPs/Au電極對連續(xù)滴加H2O2的電流響應(yīng)(a)以及響應(yīng)電流與H2O2濃度的校準(zhǔn)曲線(b)

圖11(a)顯示，隨著H2O2濃度逐漸增大，響應(yīng)電流也隨之增加，然后趨于穩(wěn)定.對響應(yīng)電流和與之對應(yīng)的H2O2濃度進(jìn)行作圖，發(fā)現(xiàn)二者之間存在良好的線性關(guān)系，由圖11(b)的校正曲線可以看出，PB/AuNPs/Au修飾電極在H2O2濃度為3.92×10-6～1.61×10-3mol·L-1范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)(R2)為0.998 9，校準(zhǔn)曲線的斜率為54.32 μA·(mmol·L-1)-1，計算得出其靈敏度為1 730 μA·(mmol·L-1)-1·cm-2，電極的最低檢出限為1.96×10-7mol·L-1.

2.7 PB/AuNPs/Au修飾電極的選擇性和回收率的測定

在葡萄糖、尿酸(UA)、抗壞血酸(AA)、多巴胺(DA)等常見干擾因素存在的條件下，通過滴加H2O2記錄修飾電極的計時電流響應(yīng)來檢驗(yàn)PB/AuNPs/Au修飾電極的選擇性和抗干擾性，結(jié)果如圖12所示.

圖12 PB/AuNPs/Au電極抗干擾性能的測定

從圖12可以看出，當(dāng)向溶液中依次滴加0.5 mmol·L-1的葡萄糖、UA、AA、DA時，電極并無明顯反應(yīng)，而當(dāng)加入0.3 mmol·L-1的H2O2時，電流由8 μA突然增大到近20 μA，而且在3 s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定響應(yīng)，表明該修飾電極具有良好的抗干擾性能以及對H2O2優(yōu)良的選擇性.

為了考察PB/AuNPs/Au修飾電極的實(shí)用性，對該電極進(jìn)行回收測試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1所列，所得回收率在97%～109%范圍內(nèi)，說明PB/AuNPs/Au修飾電極準(zhǔn)確度良好，可以用于H2O2的檢測.

表1 H2O2回收率的測定

3 結(jié)束語

筆者通過將PB電沉積到納米金修飾的金電極上成功制備了一種新型PB修飾電極，并探究了其電化學(xué)和電催化性能.與直接在裸金電極上電沉積PB相比，PB被更好地沉積在電極表面，PB/AuNPs/Au修飾電極具有更高的峰值電流，而且對H2O2具有更高的電催化活性和靈敏度.同時該修飾電極顯示出良好的選擇性，有望用于實(shí)際樣品中H2O2的檢測.