基于Pt-Au-MoS2-ITO傳感器對(duì)于H2O2的還原檢測(cè)

陸 彥，陳美子，杜 勇，李明芳，羅 敏，曹曉衛(wèi)，王 榮

（上海師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，上海200234）

0 引言

生物細(xì)胞在其代謝過程中會(huì)產(chǎn)生各種活性氧小分子，過氧化氫（H2O2）是最重要的代表之一.哺乳動(dòng)物（包括人類）的生物細(xì)胞通過產(chǎn)生H2O2來調(diào)解不同的生理反應(yīng)，如細(xì)胞增殖、分化，因此生物細(xì)胞產(chǎn)生的氧化產(chǎn)物能夠揭示常規(guī)的體內(nèi)代謝以及疾病的發(fā)展情況，包括血管生成、老化和癌癥等.總之，H2O2的檢測(cè)在揭露細(xì)胞信號(hào)傳遞過程中起著至關(guān)重要的作用［1-3］.然而，目前為止，包括光譜學(xué)［4］、化學(xué)發(fā)光［4-6］、熒光［7］和高性能液體色譜［8］等傳統(tǒng)H2O2檢測(cè)方法都存在一些弊端，如設(shè)備昂貴、程序繁瑣等.本研究工作所設(shè)計(jì)的電化學(xué)傳感器是一種具有靈敏度高、成本低、效率高、便攜性好等優(yōu)點(diǎn)的檢測(cè)方法.同時(shí)，近年來納米材料的快速發(fā)展為H2O2高效傳感器的構(gòu)建提供了許多全新的機(jī)遇.納米材料具有吸附能力強(qiáng)、比表面積大、催化效率高等獨(dú)特性能［9-12］.在電化學(xué)傳感器領(lǐng)域，納米材料的應(yīng)用不僅提高了電極的穩(wěn)定性和靈敏度，而且也提高了傳感器的檢測(cè)性能［13-17］.

二硫化鉬（MoS2）作為一種類似于石墨烯結(jié)構(gòu)的過渡金屬雙硫化合物，已引起了科研人員的關(guān)注［18-20］.MoS2以其獨(dú)特的三明治夾心結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了材料之間電子傳遞能力，改善了材料的檢測(cè)靈敏度，其裸露在表面的硫原子缺陷位，為修飾其他金屬納米粒子提供了便利［20］.2D MoS2與單原子厚度的“神奇材料”石墨烯一樣擁有很多非凡的特性，其具有特殊的能帶隙，對(duì)周圍環(huán)境敏感［21］.因此，2D MoS2將是一個(gè)充滿希望的生物傳感器構(gòu)建材料.然而，其導(dǎo)電性較差、易剝落等問題亟待解決.金（Au）、銀（Ag）、鉑（Pt）和其他珍貴金屬納米材料不僅具有一般納米材料的特性，還具有優(yōu)秀的導(dǎo)電性、獨(dú)特的催化活性和無毒的特性，使它們?cè)趥鞲衅黝I(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和廣泛的應(yīng)用［9，22］.YI等［23］在MoS2納米材料上修飾金屬粒子，改善了其穩(wěn)定性.氧化銦錫導(dǎo)電玻璃（ITO）作為一種常見電極材料，為傳感器的便攜使用提供了可能性.因此，本實(shí)驗(yàn)構(gòu)建了針對(duì)H2O2還原檢測(cè)的復(fù)合材料傳感器，實(shí)驗(yàn)采用電化學(xué)沉積的方式修飾納米粒子，通過循環(huán)伏安（CV）法、計(jì)時(shí)電流法評(píng)估傳感器的電化學(xué)性能，結(jié)果表明：構(gòu)建的傳感器顯著增強(qiáng)了檢測(cè)信號(hào)，從而提高了檢測(cè)限、穩(wěn)定性和靈敏度.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 設(shè)備與試劑

1.1.1 設(shè) 備

電化學(xué)實(shí)驗(yàn)均由CHI750（CH Instruments Inc.）電化學(xué)工作站完成，使用標(biāo)準(zhǔn)三電極體系.其中ITO電極作為工作電極，飽和甘汞電極（SCE）作為參比電極，Pt電極作為對(duì)電極，實(shí)驗(yàn)中涉及的所有電極電勢(shì)均以SCE為參比電極.清洗玻璃儀器與電極均使用SK2200H超聲儀，場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）為Hitachi S-4800（Hitachi Ltd.，Japan），稱量由電子天平（梅特勒-托利多儀器上海有限公司）完成，pH值由梅特勒-拖來多FE20酸度計(jì)測(cè)量測(cè)得.

1.1.2 試 劑

ITO電阻值為10Ω，購自深圳萊寶科技有限公司；四硫代鉬酸（H8MoN2S4）購自上海瀚思化工有限公司；H2O2購自上海泰坦科技股份有限公司；氯金酸（HAuCl4·3H2O）、十二水合高氯酸鈉（NaClO4·12H2O）、氯鉑酸鉀（K2Pt Cl6）、氯化鉀（KCl）、丙酮（C3H6O）、異丙醇（C3H8O）、濃氨水等購自上海國藥化學(xué)試劑公司；濃硫酸、磷酸二氫鉀、十二水合磷酸氫二鈉購自上海潤捷有限公司.實(shí)驗(yàn)中所有試劑均為分析純.其中氯金酸、氯鉑酸鉀及其配成溶液均需避光保存.實(shí)驗(yàn)中磷酸鹽緩沖溶液（PBS）pH值為7.38.實(shí)驗(yàn)中所用水為雙重蒸餾水，經(jīng)Milli-Q水處理系統(tǒng)過濾所得，電阻率達(dá)到大于18 MΩ·cm的標(biāo)準(zhǔn).

1.2 傳感器的制備

傳感器的制備如圖1所示.將2.0 cm×0.5 cm ITO依次在丙酮、異丙醇和雙重蒸餾水中超聲清洗.將清洗過后的ITO于氨水、H2O2混合熱液中清洗，最后于蒸餾水中超聲洗凈，并保存于蒸餾水中備用.使用時(shí)用高純度氮?dú)猓∟2）吹干.

圖1 傳感器的制備過程

將ITO置于5 mmol·L-1H8MoN2S4+5 mmol·L-1KCl沉積液中，利用CV法沉積4圈（C）以修飾MoS2納米材料，制得MoS2-ITO電極.如圖2所示，沉積結(jié)果與先前報(bào)道［24-25］類似.

圖2 ITO在5 mmol·L-1 H8MoN2S4+5 mmol·L-1 KCl沉積液中的CV曲線圖（掃速為10 mV·s-1）

依次沉積金納米粒子（Au NPs）、鉑納米粒子（Pt NPs）于MoS2-ITO電極.1）將MoS2-ITO電極洗凈，并且吹干，置于0.1 mmol·L-1HAuCl4+0.1 mmol·L-1NaClO4沉積液中利用CV法沉積250圈修飾Au NPs，過程中持續(xù)通入N2，制得Au-MoS2-ITO電極.2）將Au-MoS2-ITO電極洗凈，并且吹干，置于0.05 mmol·L-1K2PtCl6+0.1 mmol·L-1H2SO4沉積液中，以兩步法修飾Pt NPs，先施加恒電位沉積Pt粒，再以CV法使Pt粒成長(zhǎng)為Pt NPs，過程中持續(xù)通入N2，制得Pt-Au-MoS2-ITO傳感器.將制得的Pt-Au-MoS2-ITO傳感器保存于蒸餾水中待用.

2 結(jié)果與討論

2.1 傳感器的形貌表征

圖3為電極FE-SEM圖.圖3（a）為MoS2-ITO電極，可以看出MoS2納米粒子均勻地沉積在ITO表面.圖3（b）為Au-MoS2-ITO電極，可以看出Au NPs呈球狀，均勻地沉積在MoS2納米材料表面.圖3（c）為Pt-Au-MoS2-ITO電極，可以看出在沉積Pt NPs后，電極表面出現(xiàn)更小的顆粒，證明Pt NPs被成功沉積在Au-MoS2-ITO上.

圖3 傳感器電極FE-SEM圖.（a）MoS2-ITO電極；（b）Au-MoS2-ITO電極；（c）Pt-Au-MoS2-ITO電極

2.2 傳感器的電化學(xué)表征

2.2.1 傳感器的優(yōu)化

Au NPs沉積條件的優(yōu)化：1）電位窗口的選擇，如圖4所示.MoS2-ITO電極在沉積液中第一次掃描，電位負(fù)掃過程在0.6 V左右出現(xiàn)還原峰，即Au NPs開始沉積在MoS2電極表面.第二次掃描時(shí)，由于已有Au NPs存在，降低電沉積所需活化能，使得沉積Au NPs的過程更為容易，還原電位正移，此現(xiàn)象為Au NPs的“異相沉積環(huán)”，第一圈時(shí)，金屬成核并且生長(zhǎng)，在第二圈時(shí)，生成的金核在熱力學(xué)上有助于沉積液的催化還原［26］.因此，為了節(jié)約資源以及加快效率，選擇以CV法（0.8～0.5 V）沉積Au NPs.2）沉積圈數(shù)的選擇，如圖5和圖6所示.由圖5中不同沉積圈數(shù)制得的Au-MoS2-ITO電極的CV圖可觀察到，隨著沉積圈數(shù)增加，氧化還原峰電位差基本保持不變，氧化還原峰值電流差逐漸增加，說明沉積圈數(shù)越多，電極表面電子傳遞能力越強(qiáng).由圖6中不同沉積圈數(shù)制得的Au-MoS2-ITO電極還原檢測(cè)H2O2的CV圖可觀察到，隨著沉積圈數(shù)的增加（從150～250圈），還原峰電流值逐漸增加，說明沉積圈數(shù)越多，檢測(cè)能力越強(qiáng).但是，在300圈時(shí)，還原檢測(cè)能力直線下降，與300圈時(shí)電極表面電子傳遞能力依舊良好共同考慮，隨著納米粒子的生長(zhǎng)，Au NPs開始出現(xiàn)團(tuán)聚，造成電極活性面積減小，從而造成在電子傳遞能力依舊良好的情況下，還原檢測(cè)能力下降的現(xiàn)象.因此，選擇250圈為Au NPs沉積圈數(shù).此現(xiàn)象與先前工作結(jié)果［27］相同.綜上，選擇以CV法（0.8～0.5 V）、250圈沉積Au NPs.

圖4 MoS2-ITO電極在0.1 mmol·L-1 HAuCl4+0.1 mmol·L-1 NaClO4沉積液CV法2圈的曲線圖（掃速為50 mV·s-1）

圖5 不同沉積圈數(shù)Au-MoS2-ITO電極于5 mmol·L-1 Fe（CN）63+/4++0.1 mol·L-1 KCl溶液中CV曲線對(duì)比圖（掃速為50 mV·s-1）

圖6 不同沉積圈數(shù)Au-MoS2-ITO電極于2 mmol·L-1 H2O2+0.1 mol·L-1 PBS（pH=7.38）溶液中CV曲線對(duì)比圖（掃速為50 mV·s-1）

Pt NPs沉積條件的優(yōu)化：1）沉積方法的選擇，如圖7所示.圖7中黑色曲線為施加0.4 V恒電位（CP）50 s直接形成Pt NPs，由施加0.4 V恒電位50 s后再通過CV法使Pt NPs生長(zhǎng)，H2O2還原檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩步法沉積Pt NPs電化學(xué)活性更好.可能是因?yàn)樯L(zhǎng)后的Pt NPs增加了活性表面.2）沉積電位的選擇，如圖8所示.由圖8中不同恒電位下，沉積產(chǎn)生Pt NPs的電極檢測(cè)H2O2的CV圖可以觀察到，在0.5 V恒電位50 s下，再用CV法沉積得到的傳感器性能最好.推測(cè)是因?yàn)镻t NPs的尺寸對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較大，這與沉積Au NPs時(shí)，作為類似貴金屬納米粒子是類似的.

圖7 不同沉積方法的Pt-Au-MoS2-ITO電極于2 mmol·L-1 H2O2+0.1 mol·L-1 PBS（pH=7.38）溶液中CV曲線對(duì)比圖（掃速為50 mV·s-1）

圖8 不同沉積條件的Pt-Au-MoS2-ITO電極于2 mmol·L-1 H2O2+0.1 mol·L-1 PBS（pH=7.38）溶液中CV曲線對(duì)比圖（掃速為50 mV·s-1）

不同條件和參數(shù)沉積得到的Pt NPs所展現(xiàn)的形貌和性能大不相同［28］，為了從Pt前體中產(chǎn)生更適合、更高效的納米粒子，本工作選擇恒電位（0.5 V，50 s）和CV法（0.5～0 V，5圈）沉積Pt NPs.通過上述方法可以制得符合要求的Pt-Au-MoS2-ITO傳感器.

2.2.2 Pt-Au-MoS2-ITO傳感器表面電子傳遞能力

如圖9所示，展現(xiàn)了不同電極表面電子傳遞能力，可以看出MoS2-ITO電極氧化還原峰對(duì)稱性不理想，這與文獻(xiàn)［25］中MoS2納米材料導(dǎo)電性不良是一致的.Au-MoS2-ITO電極在修飾過Pt NPs后，氧化還原峰展現(xiàn)了更加理想的對(duì)稱性，說明電極在修飾過Pt NPs后，導(dǎo)電性變得更加優(yōu)異.

圖9 不同電極在5 mmol·L-1 Fe（CN）63+/4++0.1 mmol·L-1 KCl溶液中CV曲線對(duì)比圖（掃速為50 mV·s-1）

2.2.3 Pt-Au-MoS2-ITO傳感器還原H2O2能力

如圖10所示，MoS2-ITO電極對(duì)于H2O2沒有明顯響應(yīng)，修飾Au NPs，Pt NPs后響應(yīng)明顯增強(qiáng).在相同物質(zhì)的量濃度的H2O2，相同沉積條件下構(gòu)建的Pt-Au-ITO電極電信號(hào)明顯強(qiáng)于Pt-Au-MoS2-ITO電極，這是因?yàn)镸oS2本身導(dǎo)電性不好，阻礙電極材料之間電子傳遞.但是Pt-Au-ITO電極在此電位窗口內(nèi)沒有H2O2的特征峰，不利于檢測(cè).Au-MoS2-ITO電極相較于Pt-Au-MoS2-ITO電極，在特征峰附近電信號(hào)響應(yīng)更強(qiáng)，但是還原電位Pt-Au-MoS2-ITO電極更正一些，有利于H2O2還原反應(yīng).

圖10 不同電極在2 mmol·L-1 H2O2+0.1 mmol·L-1 PBS（pH=7.38）溶液中CV曲線對(duì)比圖（掃速為50 mV·s-1）

2.2.4 Pt-Au-MoS2-ITO傳感器動(dòng)力學(xué)研究

通過不同掃速下氧化還原峰的電流變化對(duì)Pt-Au-MoS2-ITO傳感器動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究.如圖11所示，Pt-Au-MoS2-ITO傳感器置于5 mmol·L-1Fe（CN）63+/4++0.1 mol·L-1KCl溶液中，施加不同的掃速，可以測(cè)算出掃速的平方根與峰電流存在線性關(guān)系，定量結(jié)果如圖11所示.因此，可以得出傳感器對(duì)于H2O2的檢測(cè)過程是擴(kuò)散控制的.

圖11 Pt-Au-MoS2-ITO傳感器在5 mmol·L-1 Fe（CN）63+/4++0.1 mol·L-1 KCl溶液中，不同掃速的CV圖（內(nèi)插圖為氧化還原峰電流與對(duì)應(yīng)掃速的關(guān)系圖）

2.2.5 Pt-Au-MoS2-ITO傳感器在不同濃度H2O2中的響應(yīng)

如圖12所示，Pt-Au-MoS2-ITO傳感器在PBS溶液中沒有明顯的響應(yīng)信號(hào)，當(dāng)H2O2溶液物質(zhì)的量濃度變大時(shí)，還原峰電流明顯增強(qiáng)，并且出峰位置左移，這與文獻(xiàn)［29］報(bào)道是一致的.推測(cè)是由于H2O2物質(zhì)的量濃度的增大，增加了電子傳遞延遲.為了減少濃度所帶來的影響，選擇-0.6 V作為后續(xù)計(jì)時(shí)電流法的工作電位.

圖12 Pt-Au-MoS2-ITO傳感器在不同物質(zhì)的量濃度的H2O2+PBS溶液的還原檢測(cè)CV圖（掃速為50 mV·s-1）

2.3 傳感器的評(píng)價(jià)

2.3.1 Pt-Au-MoS2-ITO傳感器對(duì)于H2O2的電化學(xué)定量檢測(cè)

為了研究Pt-Au-MoS2-ITO傳感器更廣泛的電化學(xué)性能，通過在空白PBS緩沖溶液中連續(xù)滴加不同物質(zhì)的量濃度的H2O2來獲得計(jì)時(shí)電流圖，具體滴加量如下：0～100 s空白PBS緩沖溶液；300～500 s，每隔50 s滴加0.8 mmol·L-1H2O2；500～800 s，每隔50 s滴加1.2 mmol·L-1H2O2；800～1 000 s，每隔50 s滴加1.6 mmol·L-1H2O2；1 000～1 400 s，每隔50 s滴加2.0 mmol·L-1H2O2，以及較小濃度下0～50 s空白PBS緩沖溶液，50～450 s，每隔50 s滴加0.02 mmol·L-1H2O2.如圖13所示為在0.02～32.40 mmol·L-1H2O2的電流響應(yīng)曲線.由傳感器得到線性回歸方程為i=-11.0c-19.8，其中，i表示電極電流響應(yīng)程度，單位為μA；c表示H2O2的物質(zhì)的量濃度，單位為mmol·L-1；線性相關(guān)系數(shù)（R2）為0.99.根據(jù)檢測(cè)限D(zhuǎn)etection Limited（DL）計(jì)算公式，得出傳感器對(duì)于H2O2的最低檢測(cè)限為0.26μmol·L-1.電極表面積為0.1 cm2，得出靈敏度為110.00μA·mmol-1·L·cm-2.

圖13 Pt-Au-MoS2-ITO傳感器對(duì)于H2O2計(jì)時(shí)電流法檢測(cè)（工作電位為-0.6 V）.內(nèi)插圖（a）為較小濃度變化情況下；內(nèi)插圖（b）為不同物質(zhì)的量濃度H2O2與峰電流的線性關(guān)系

與先前文獻(xiàn)報(bào)道對(duì)比，本實(shí)驗(yàn)傳感器在H2O2還原性檢測(cè)方面具有一定優(yōu)勢(shì)，如表1所示.

表1 不同H2O2傳感器的比較

2.3.2 Pt-Au-MoS2-ITO傳感器的重復(fù)性與穩(wěn)定性

電化學(xué)傳感器的重復(fù)性和穩(wěn)定性是影響H2O2傳感器適用性的重要參數(shù).

圖14所示為重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，即同一批次3個(gè)Pt-Au-MoS2-ITO傳感器在相同情況下還原檢測(cè)H2O2的CV曲線圖，經(jīng)計(jì)算3個(gè)電極所展現(xiàn)的還原峰電流的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.1%.實(shí)驗(yàn)表明：構(gòu)建的傳感器具有較好的重復(fù)性.圖15所示為穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，即同一批次3個(gè)Pt-Au-MoS2-ITO傳感器分別保存1，6，12 h之后在相同情況下還原檢測(cè)H2O2，經(jīng)計(jì)算3個(gè)電極所展現(xiàn)的還原峰電流的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為6.9%.實(shí)驗(yàn)表明：傳感器在存放較長(zhǎng)時(shí)間后，所展現(xiàn)的穩(wěn)定性不太理想，這與MoS2不能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定存在的現(xiàn)象一致.

圖14 同一批次3個(gè)Pt-Au-MoS2-ITO傳感器在相同情況下，還原檢測(cè)H2O2的CV曲線圖（掃速為50 mV·s-1）

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)通過電化學(xué)手段構(gòu)建了Pt-Au-MoS2-ITO傳感器，以此用于H2O2還原性檢測(cè).實(shí)驗(yàn)利用納米MoS2的類似于石墨烯材料的催化活性特性，并且對(duì)其修飾了Au NPs，Pt NPs，改善了MoS2作為納米材料的導(dǎo)電性差、易剝落的弊端，構(gòu)建了檢測(cè)限為0.26μmol·L-1，靈敏度為110.00μA·mmol-1·L·cm-2，檢測(cè)范圍為0.02～32.40 mmol·L-1的傳感器.為MoS2納米材料在電化學(xué)上的應(yīng)用打下基礎(chǔ).