基于電化學(xué)傳感器檢測過氧化氫的研究進展

孫永嶺，李 嬌，李亞寧，郭素伶，石可欣

（德州學(xué)院，山東德州 253023）

1 引言

1.1 過氧化氫概述

過氧化氫（H2O2）是一種常見的化學(xué)試劑，易溶于水、醇，難溶于苯，其水溶液為無色透明液體，即雙氧水.過氧化氫具有氧化性、還原性、漂白性和腐蝕性，其化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定、易分解，在光、熱及催化劑等條件下會加速分解，生成水和氧氣，因此實驗室可以用此類方法制備氧氣，但成本較高、制備量少［1］.在實驗室中為防止過氧化氫遇光、熱分解，常將其裝在棕色瓶內(nèi)放在陰涼處避光保存；在工業(yè)中一般采用加入乙酰苯胺做穩(wěn)定劑的方法進行保存.由于過氧化氫屬于易爆危險品，因此在運輸儲藏中需要保持低溫以防泄露發(fā)生危險.在過氧化氫參與的大多數(shù)反應(yīng)中，都不會產(chǎn)生污染物，與其他對環(huán)境有危害的化學(xué)產(chǎn)品相比，過氧化氫具有一定的優(yōu)勢［2］.過氧化氫作為一種良好的化學(xué)試劑被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)藥、民用、工業(yè)等領(lǐng)域［3］.濃度為3%的過氧化氫溶液（雙氧水），是一種具有氧化性和滲透性的消毒液，幾乎可以對所有傷口進行消毒，能有效殺滅大部分細菌；濃度為1.5%的雙氧水可用于漱口或減輕口臭［4］.

過氧化氫具有一定清潔去污的能力，將過氧化氫稀釋后與清潔產(chǎn)品混合，經(jīng)充分攪拌后倒進下水道可以達到消毒殺菌、祛污除味的目的.池塘中有機物增多會使水質(zhì)過肥而導(dǎo)致溶解氧不足，過氧化氫可及時對魚池中溶解氧進行補充，也能對魚塘內(nèi)有毒有機物進行降解［5］.過氧化氫還是非常受歡迎的漂白劑，濃度為30%的過氧化氫常用于造紙、紡織、電子、食品、化妝品等工業(yè)，與其他漂白劑相比過氧化氫具有白度更高、穩(wěn)定性更好的特點.濃度為99%的過氧化氫可用于航天和軍用工業(yè)［6］.

正常情況下，過氧化氫分解生成水和氧氣，對人體和環(huán)境不會造成危害.但在現(xiàn)實生活中，不法商販常將過氧化氫添加于豆類制品（如干絲、豆干、面腸）、面制品（如油面）進行殺菌、漂白.由于過氧化氫的沸點高達152℃，因此，即使對添加過氧化氫的食物加熱煮沸后，食物中仍會有大部分殘留.食品中若有3%及以上過氧化氫的殘留，人一旦食入就可能會引起惡心、嘔吐、腹脹、腹瀉等不適癥狀，若長期食用含低濃度過氧化氫的食物，可能會對人體的染色體有一定的損傷.另外，工業(yè)雙氧水含有等多種有毒有害物質(zhì)，如果誤食濃度>10%的工業(yè)用雙氧水，會出現(xiàn)腸胃燒灼、腐蝕、穿孔、大出血、產(chǎn)生氣泡、血管栓塞等危險，嚴重時會導(dǎo)致死亡.

1.2 傳感技術(shù)的發(fā)展

傳感器是以電化學(xué)傳感技術(shù)為基礎(chǔ)，能夠識別被檢測物質(zhì)的基本信息進而將其轉(zhuǎn)化為另一種信息并輸出來的元件［7］.傳感器已有近70 年的歷史，在種類和性能方面都取得了重大的突破.首個生物傳感器誕生于20世紀中期，Clark設(shè)計了葡萄糖氧化酶電極的雛形并將葡萄糖酶成功包埋在電極表面［8］，直至20 世紀70 年代Updike 等人才實現(xiàn)了酶的固定化，首次成功研制出葡萄糖酶電極，該電極可以多次重復(fù)測定血糖，極大降低了經(jīng)濟成本.隨后開始了酶電極的研究狂潮，Clark 的電極雛形也因固定化技術(shù)的開創(chuàng)成功而商品化，與此同時，市面上出現(xiàn)了大量用于檢測糖類和氨基酸的酶電極.

在當時的技術(shù)條件下，酶的純化提取是較為艱巨的，再加上酶易失活以及價格昂貴的原因，迫使研究人員開創(chuàng)了新型電極.Divies 在1975年首次設(shè)想并提出了用完整的細胞制作傳感器，但僅僅是理論并沒有制出成品［9］.70 年代到80 年代，隨著生物技術(shù)和電子技術(shù)逐漸成熟，使得這些技術(shù)與電化學(xué)傳感技術(shù)進一步發(fā)展.Caras 在1980 年研發(fā)出晶體管，這一科技成果為傳感器的微型化、多功能化提供了可能，并為其在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)［10］.

電化學(xué)傳感器作為傳感器中研究最多應(yīng)用最廣的分支，最早用于氧氣的檢測.隨著人們對傳感技術(shù)研究的深入，該技術(shù)日益趨于成熟，電化學(xué)傳感器也因此更加精細和智能化.至今，電化學(xué)傳感器以良好的選擇性及高靈敏度被廣泛應(yīng)用于不同氣體的檢測.除此之外，電化學(xué)傳感器還在煤礦、化工、食品等領(lǐng)域也發(fā)揮著極其重要的作用.

2 檢測過氧化氫的傳統(tǒng)方法

2.1 化學(xué)滴定法

化學(xué)滴定法是根據(jù)過氧化氫的化學(xué)性質(zhì)，用標準溶液滴定過氧化氫，通過觀察指示劑的顏色變化來確定滴定終點的滴定分析法.常用高錳酸鉀、碘和鈰來檢測過氧化氫的濃度［11］.用化學(xué)滴定法檢測過氧化氫雖操作簡單，但靈敏度較低，且易受外界還原物質(zhì)的干擾，自動化程度低，因此，不利于戶外或現(xiàn)場檢測.

2.2 分光光度法

分光光度法是根據(jù)過氧化氫在特定的波長下對光吸收度的檢測，達到對過氧化氫進行定性定量分析的一種方法.闞紅玉等人在分光光度法檢測過氧化氫中，在紫外525 nm 處測吸光度值，檢測發(fā)現(xiàn)濃度在0～19.48μg/mL 時線性良好，其結(jié)果證明該方法可用于驗證清潔產(chǎn)品的殘留程度［12］.分光光度法雖靈敏度高、準確度高，但僅適用于微量分析.

2.3 化學(xué)發(fā)光法

化學(xué)發(fā)光法是分子發(fā)光光譜分析法中的一類，根據(jù)過氧化氫與體系的發(fā)光強度在一定條件下具有線性關(guān)系的原理，利用儀器檢測其發(fā)光強度以達到檢測過氧化氫濃度的目的［13］.于大龍在實驗中分別用四碘酚磺酞和銀納米簇催化魯米諾?過氧化氫發(fā)光，使得化學(xué)發(fā)光強度信號增強，成功的解決了發(fā)光體系中發(fā)光強度較弱的問題［14］.前者過氧化氫的線性范圍為0.025～10μM，檢測限度為14 nM.后者的線性范圍0.025～75μM，檢測限為1.7 nM.結(jié)果證明該方法具有較高的靈敏度并有望應(yīng)用于雨水等微量過氧化氫濃度的檢測.

過氧化氫發(fā)光體系材料簡單易得、靈敏度高，因而在食品、生物、醫(yī)學(xué)方面得到廣泛應(yīng)用，但過氧化氫發(fā)光體系專一性不強，易受其他活性氧干擾.

2.4 高效液相色譜法

高效液相色譜法發(fā)展于20世紀60年代，液相色譜法是以液體作為流動相與H2O2發(fā)生氧化還原或衍生化反應(yīng)，通過對產(chǎn)物的分析檢測進而達到檢測H2O2的目的［15］.胡俊明根據(jù)三苯基膦和過氧化氫發(fā)生衍生化反應(yīng)生成氧化三苯基膦，通過檢測三苯基膦間接測定化妝品中過氧化氫的含量，發(fā)現(xiàn)其檢出限為1.7×10?5mol/L，并達到了預(yù)期的結(jié)果［16］.繼胡俊明之后，又有學(xué)者進行了對化妝品中過氧化氫含量的檢測.劉小娟在對染發(fā)膏和燙發(fā)膏中的過氧化氫的檢測中，以乙腈為流動相，相對偏差小于0.5%［17］.但高效液相色譜儀因儀器貴重、分析成本高，未能得到廣泛應(yīng)用.

2.5 電化學(xué)法

電化學(xué)法是利用化學(xué)反應(yīng)出現(xiàn)的電位變化進行檢測的一種方法，也是目前應(yīng)用最廣的一種檢測方法［18］.電化學(xué)傳感器由識別系統(tǒng)和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成，是根據(jù)化學(xué)反應(yīng)來識別和檢測信息的，過氧化氫與識別元件作用產(chǎn)生化學(xué)信號，該信號通過識別元件放大后以電信號的形式表現(xiàn)出來，并呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系.然后根據(jù)所測得線性關(guān)系測定目標樣品中的過氧化氫濃度.當采用某種能夠增加過氧化氫催化活性的材料修飾電極時，其產(chǎn)生的電信號則更強，電化學(xué)元件所解讀出來的信號也就更明顯.

與其他檢測方法相比，電化學(xué)法操作簡單、成本低、檢測線性范圍廣、檢測限低、速度快且靈敏度高［19］.

3 電化學(xué)傳感器檢測過氧化氫的發(fā)展現(xiàn)狀

一直以來，電化學(xué)傳感器的發(fā)展依賴于電化學(xué)傳感技術(shù)的進步以及材料的更新.在技術(shù)上，電化學(xué)傳感技術(shù)不斷精進；在材料上，新型納米微粒的合成以及多種納米材料的復(fù)合，在根本上促進了電化學(xué)傳感器的進步.同時，在種類上電化學(xué)傳感器實現(xiàn)了由單一到多樣的轉(zhuǎn)變，在質(zhì)量上實現(xiàn)了由粗糙到精致的提升［20］.近年來，由于傳感技術(shù)的日益成熟，再加上傳感器的需求量逐步增大，使得電化學(xué)傳感器得以進一步發(fā)展.

目前，人們在使用不同的材料修飾電極方面取得了較大的進步，并且在化妝品檢測、食品殘留物檢測等方面并取得了一定的成果［21］.但有些電化學(xué)傳感還是存在一定問題，如檢測限較高，不能滿足在實際檢測中的要求；電極材料在檢測過程中會脫落，造成靈敏度下降進而影響檢測結(jié)果等.

利用電化學(xué)傳感技術(shù)檢測過氧化氫是當前階段使用最多的檢測方法，根據(jù)電極材料中有無酶可以分為酶型和非酶型［22］.

3.1 酶型電化學(xué)傳感器

酶型傳感器檢測過氧化氫原理主要是對被檢測物質(zhì)敏感的生物酶電極表面修飾，將化學(xué)信號轉(zhuǎn)化為電信號，實現(xiàn)對過氧化氫的專一檢測.酶電化學(xué)傳感器的識別系統(tǒng)主要是酶類物質(zhì)，目前用于過氧化氫檢測的生物酶主要有過氧化氫酶、葡萄糖氧化酶、辣根過氧化物酶等.作為酶傳感器的核心部位，酶電極具有以下特性：高效性，酶電極具有的催化效率要遠遠高于非酶電極的催化效率；專一性，酶電極具有高度的專一性，一般情況下，一種酶類物質(zhì)只能催化一種物質(zhì)；作用條件比較溫和，酶存活的條件苛刻，只有在適合酶存活的溫和條件下才能進行反應(yīng).

丁建英建立了聚硫堇的絲網(wǎng)印刷電化學(xué)酶傳感器，在牛奶中加入不同濃度的微量過氧化氫溶液，在對該樣本的檢測中最低檢測限為1.675×10?5mol/L，為檢測牛奶中的過氧化氫提供了一種方法［23］.

絕大多數(shù)的酶可以在市場上購買到成品，但由于其價格昂貴，穩(wěn)定性較差，以及固定化操作麻煩等問題，酶型傳感器檢測技術(shù)并未得到廣泛的應(yīng)用.

3.2 非酶型電化學(xué)傳感器

非酶型傳感器主要是根據(jù)非酶電極材料接收到被檢測物質(zhì)的化學(xué)信號并轉(zhuǎn)化成電信號的形式來檢測過氧化氫.

為克服酶本身易失活的缺陷，后繼學(xué)者根據(jù)天然酶的結(jié)構(gòu)特點及優(yōu)良特性，合成了人工過氧化物酶，最終克服了天然酶的原始缺陷.20 世紀90 年代，在國外普魯士藍首次用于檢測過氧化氫［24］，但該納米仿生酶在國內(nèi)的記錄及研究相當少，郝喜娟介紹了仿生酶普魯士藍的合成，主要有電化學(xué)沉積法和層層自組裝法、反相微乳法、水熱合成法、微波合成法，并將其應(yīng)用于檢測過氧化氫，但普魯士藍導(dǎo)電性較差，為了使其更好地應(yīng)用于檢測過氧化氫，提高催化性能，需要調(diào)控其大小形狀、外貌并負載于其他材料之上［25］.張帥用普魯士藍制作的微型探針對大鼠腦部的過氧化氫進行檢測，檢測結(jié)果：檢出限為0.4μmol/L，線性范圍為1～29μmol/L，該實驗證明了納米仿生酶修飾電極的微型探針在醫(yī)學(xué)臨床方面檢測過氧化氫具有一定的發(fā)展?jié)摿Γ?6］.

非酶傳感器是目前研究最多的傳感器，因其良好的穩(wěn)定性成為現(xiàn)階段下應(yīng)用最廣的傳感器.目前常用的納米材料主要有單金屬納米材料、過渡金屬化合物材料、碳納米材料、金屬有機框架、磁性納米材料.

3.2.1 單金屬納米材料

單金屬納米材料具有導(dǎo)電性高、催化性高、靈敏度高、比表面積大、粒徑小等優(yōu)點.馬園園將銀負載于石墨烯上，其H2O2的檢測限為1.0×10?4～6.23×10?2mol/L［27］.一般制得的鈉米銀會或多或少的聚集在一起且呈現(xiàn)不規(guī)則的形狀，在用氨基酸輔助合成的納米銀中，氨基酸可作為保護劑將納米銀包裹起來，形成一個相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu).該結(jié)構(gòu)能使納米銀之間保持一定的間距，達到均勻分散并減少團聚現(xiàn)象的產(chǎn)生，在一定程度上具有抗氧化的作用.周夢蕾利用了19 種不同的氨基酸輔助合成納米銀，這些材料表現(xiàn)出了不同的催化效率，并推測原因可能與氨基酸的官能團有關(guān)［28?29］.祝佳杰在不加任何穩(wěn)定劑的前提下，將納米銀載于ITO（錫?銦氧化物）電極上，在對過氧化氫的檢測中，發(fā)現(xiàn)線性范圍為1.96×10?6～7.74×10?4mol/L，檢測限為2.00×10?6mol/L［30］.

3.2.2 過渡金屬化合物材料

過渡金屬是指元素周期表中d區(qū)的一系列金屬元素.周夢蕾在實驗中，將銀與二氧化鈦的復(fù)合物進行氮化合成銀與氮化鈦的復(fù)合材料，在個體上呈現(xiàn)尺寸減小、相互獨立、分布均勻的球形結(jié)構(gòu).該材料與當時常用的氮化鈦相比降低了檢測限并具有更高的靈敏度［28］.納米合金材料與單金屬材料相比具有催化活性高和不易氧化失活等優(yōu)點.

3.2.3 碳納米材料

碳納米材料是研究最多的納米材料，有碳納米管、碳纖維、石墨烯等形式.碳納米材料一直以來作為載體參與構(gòu)建各種傳感器，甚至在醫(yī)學(xué)方面作為醫(yī)療載體治療疾病.關(guān)會娟在碳納米纖維復(fù)合材料的制備中，以碳為載體構(gòu)建了三種電極，分別是Ag/NCNFs、Pt/CeO2/NCNFs、PtNi/NCNFs，這三種電極都用于檢測過氧化氫，該項目有潛力應(yīng)用于實際樣品的檢測［31］.何錦強構(gòu)建了一種將銀復(fù)合在石墨烯上的方法，在對自來水中的H2O2檢測實驗中，檢出限3.2×10?9mol/L，在1.0×10?8～1.0×10?6mol/L時線性良好［32］.

3.2.4 金屬有機框架

金屬有機框架是以金屬微粒為主體，有機物為配體的組裝骨架材料，具有厚度小、比面積大、孔隙率高、可接觸點多等優(yōu)點，為負載客體分子和高效性的金屬顆粒提供了豐富的定位點.Nafion是一種全氟磺酸型聚合物溶液，能夠在降低電極電阻和物質(zhì)的傳輸阻力的同時，保護玻碳電極.孫端平利用該溶液作為保護劑檢測牙膏中過氧化氫，結(jié)果表明回收率為97.1%，可用于過氧化氫的檢測［33］.周翔宇做了兩組關(guān)于金屬有機框架的對比實驗，一組是Cu 取代了Co 的ZIF?67 金屬有機框架，另一組是在前者的基礎(chǔ)上引入Pt，在引入之后，材料的形態(tài)并未發(fā)生改變，均為正六邊形，但尺寸有所增大.結(jié)果證明帶有Pt的實驗組靈敏度明顯提高，檢測限度明顯下降，因此，該實驗對金屬有機框架檢測過氧化氫具有一定的指導(dǎo)意義［34］.

3.2.5 磁性納米材料

磁性納米材料除了具有納米材料本身具有的優(yōu)點還具有磁分離性、生物兼容性、超順磁性、催化活性.磁性納米材料在計算機儲存和成像方面具有重要作用，在醫(yī)學(xué)上還具有清洗吸附、磁共振、檢測基因報告的功能［35］.Zhang 描述了過氧化氫的傳感器，他構(gòu)建了Fe3O4磁性納米顆粒改性的氧化銦錫電極，將其用作酶過氧化物酶的模擬，極大改善了傳感器的分析性能，該傳感器具有良好的選擇性和優(yōu)異的穩(wěn)定性［36］.張思宇在磁性納米材料電化學(xué)傳感器檢測過氧化氫或亞硝酸鹽的研究中，詳細地介紹了復(fù)合碳鈉米粒子的四氧化三鐵磁性納米材料檢測過氧化氫、普魯士藍復(fù)合四氧化三鐵磁性納米材料檢測過氧化氫、復(fù)合血紅蛋白的四氧化三鐵磁性納米材料檢測過氧化氫.對四氧化三鐵進行碳修飾之后，材料明顯的出現(xiàn)電子數(shù)目增多、催化活性增強的現(xiàn)象，在對水中過氧化氫的檢測中，發(fā)現(xiàn)回收率為96.35%～101.99%，具有實際的應(yīng)用價值.在復(fù)合普魯士藍的四氧化三鐵磁性納米材料之后，再次使用殼聚糖聚合，發(fā)現(xiàn)殼聚糖的聚合會減少普魯士藍的脫落，起到保護電極的作用，在檢測過氧化氫樣品中，線性范圍為5.00×10?8～1.00×10?3mol/L，最低檢出限為3.40×10?8mol/L［19］.與董瑩構(gòu)建的未加普魯士藍的傳感器相比，該方法的檢測范圍與檢出限都展現(xiàn)出了優(yōu)良特性［37］.在最后一組實驗中，將復(fù)合金的四氧化三鐵磁性鈉米材料放在含有血紅蛋白的溶液中，最終得到含有血紅蛋白的復(fù)合四氧化三鐵的磁性納米材料，該材料在實際檢測中的回收率為95.56%～103.29%.

4 討論與展望

過氧化氫作為一種重要物質(zhì)，越來越受到人們的關(guān)注，傳統(tǒng)檢測過氧化氫含量的方法存在效率低、試劑成本高等缺點，使用電化學(xué)法檢測過氧化氫的含量，不僅操作簡單、成本低，還可以快速高效的測定出過氧化氫的含量.

納米材料具有優(yōu)良的物理特征和化學(xué)特性，可根據(jù)不同材料的不同特性相互結(jié)合，合成新型材料.這些材料往往出現(xiàn)兩者都不曾具備的特性或同時具有兩者的特性，能促進電化學(xué)傳感器的更新與升級.

在酶型電化學(xué)傳感器中，過氧化氫酶是被研究最多的酶之一.酶型傳感器具有高效的選擇性，但酶本身易失活，后來學(xué)者將研究方向轉(zhuǎn)向人工酶并開創(chuàng)了“納米仿生酶”，如普魯士藍、仿生酶的合成促進了酶電化學(xué)傳感器的發(fā)展，并證明納米仿生酶具有一定的發(fā)展?jié)摿?，目前利用納米仿生酶制作的檢測器在市場上已有出售.除納米仿生酶之外，納米金屬以其優(yōu)良的物理特征和化學(xué)特性在傳感器中應(yīng)用更廣，直到現(xiàn)在納米金屬材料仍是主要研究材料.

電化學(xué)傳感器在70年的發(fā)展歷程中，展現(xiàn)出了強大的生命力，新理論和新技術(shù)的提出、新型納米材料的出現(xiàn)及現(xiàn)有納米材料結(jié)構(gòu)與性能的不斷完善為電化學(xué)傳感器的發(fā)展開創(chuàng)了更加廣闊的前景.基于電化學(xué)檢測過氧化氫方式的優(yōu)點，再加上納米新材料的更新與合成，未來提高傳感器的靈敏程度、降低檢測限仍是我們研究方向的重中之重.