MIL-68衍生的六方锥形In@CN用于高灵敏检测过氧化氢

MIL-68(In)-Derived Hexagonal Structure In@CN for Highly Detection of Hydrogen Peroxide

摘要: 过氧化氢(H₂O₂)的检测在医学，环境等领域有着重要作用。然而，目前其常用的检测方法具有操作复杂，成本昂贵和灵敏度低等缺点，无法满足人们的需求。随着科学技术的进步，电化学法因具备检测限低、灵敏度高等特点被广泛运用于小分子的检测。基于此，我们利用金属有机框架In-MIL-68(MOFs)的热解策略制备出In@CN材料，将其用于高灵敏性检测H₂O₂的电化学传感器中。通过循环伏安法(CV)，电化学阻抗谱(EIS)，计时库伦曲线(Q-t)和安培时间电流曲线(i-t)等电化学方法探究该电化学传感器的检测性能。此外，我们还通过扫描电子显微镜(SEM)对该材料(In@CN)进行物理表征，确定其表面形貌。通过X射线衍射仪(XRD)确定其元素组成。实验结果表明：In@CN参与构建的电化学传感器即In@CN/GCE相较于In₂O₃/GCE在检测H₂O₂方面具有更高的灵敏度和更好的导电性，对H₂O₂的电化学检测具有更强的响应信号。此外，实验结果也表明该传感器具有良好的抗干扰性与稳定性。本文为新型催化剂构建H₂O₂的电化学传感器提供了一定的参考价值。

Abstract: Developing an effective method for detecting hydrogen peroxide (H₂O₂) plays an important role in medicine, environment and other fields. However, the commonly detection platforms have the disadvantages of complex operation, high cost and low sensitivity. With the progress of science and technology, electrochemical methods due to the low detection limit and high sensitivity have been widely used in the detection of small molecules. In this work, the hexagonal structure In@CN was successfully fabricated by pyrolysis strategy from metal-organic frameworks In-MIL-68 (MOFs). Scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD) were used to investigate the morphology and compositions and phase. Cyclic voltammetry (CV), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), chronometric coulomb curve (Q-t) and ampere time current curve(i-t) were used to investigate the electrochemical responses. The results showed that the electrochemical sensor In@CN/GCE has higher sensitivity and better conductivity than In₂O₃/GCE. In addition, the In@CN/GCE also shows a good anti-interference and stability. This work provides a certain reference value for the construction of electrochemical sensors for the detection of H₂O₂.

1. 引言

过氧化氢(H₂O₂)作为一种常见的化学品，在生活中许多领域都有着重要的应用。全世界每天都在生产大量H₂O₂，以满足各大领域如医疗和化工等行业的需求。H₂O₂具有杀菌和漂白等作用且容易分解，常用于食品加工和化工生产等行业[1]。此外，H₂O₂还可用于无机、有机过氧化物的生产。如今，过氧化氢的检测在许多工业生产和临床诊断起着重要的作用，因此科研人员正致力于设计出一种高效的过氧化氢检测方法。随着科学技术水平的提高，科研人员根据不同原理设计了多种检测方法。目前已有的检测方法包括：化学滴定法[2] [3]，色谱法[4]，分光光度法[5]，比色法[6]、化学发光法[7] [8]、荧光法[9] [10]、表面增强拉曼散射法[11] [12]和电化学法[13] [14]等。尽管各种检测方法都在不断发展以满足实际检测的需要，但其中很多方法存在成本昂贵，操作困难，实际应用时极其不便等缺点，仍无法满足人们的需求。

电化学传感器因其具有检测速度快和灵敏度高等特点，目前被广泛运用于二氧化硫、氧气和二氧化氮等气体的检测[15]。目前国内外研究人员着力于开发各类电化学传感器以检测过氧化氢。构建电化学传感器的关键在于对工作电极的修饰，许多金属与非金属材料被用于电极修饰[16]。Wang等人以壳聚糖(CS)为吸附剂和成膜剂，以Keggin型铁取代杂多阴离子PW₁₁O₃₉Fe(Ⅲ)(H₂O)₄-(PW₁₁Fe)为电催化剂，碳纳米管(CNTs)为导电助剂，利用集成吸附法和溶胶–凝胶法将PW₁₁Fe固载在石墨电极表面制备了PW₁₁Fe/CS/CNTs/C复合膜电极，并用电化学方法研究了该电极的电化学行为及其影响因素，同时研究了修饰电极对H₂O₂还原的电催化活性及作为H₂O₂电化学传感器的可能性[17]。Li等人使用AuPt/β-CD-RGO修饰玻碳电极(GCE)，采用循环伏安法研究H₂O₂的电化学行为，并探索电沉积时间对H₂O₂电催化活性的影响，为纺织等行业H₂O₂电化学检测方法的建立提供依据[18]。Achraf Ben Njima Mohamed等人将Ag纳米粒子–氧化绿锈纳米复合物用于新型高效的无酶H₂O₂电化学传感器[19]，取得了一定成效。Song等人采用溶胶热法制备了一种新型的Ni-MOF材料，用于修饰检测H₂O₂的工作电极。该传感器表现出的重现性，可重复性，稳定性和优异的选择性等优点，表明其在H₂O₂检测方面有着良好的应用前景[20]。Qi等人基于Pt/MoSe₂纳米网具有更多的活性位点和更大的比表面积，构建了一种新的过氧化氢电化学传感平台。研究发现，此传感器具有良好的抗干扰能力，可以成功检测自来水，雨水和人血清中的H₂O₂ [21]。

MOFs是金属有机框架化合物(metal organic frame)的缩写，是一种无机–有机杂化材料，也被称为配位化合物(coordination polymer)。早在上个世纪九十年代，第一类MOFs材料就被科研人员研发出来，目前此类材料主要应用于催化，气体储存和生物医学等领域。MOFs材料作为一种具有孔隙率高和比表面积大以及可裁剪性等优点的结晶性多孔材料，在电化学领域将具有巨大的发展性和应用前景，越来越多的科研人员将MOFs材料用于电化学研究。Ye等人使用ZIF-67为模板，设计合成出一种结构特殊的三壳中空NiCo₂O₄@Co₃O₄纳米笼，在该纳米笼表面包覆适量二氧化钛(TiO₂)后便形成了一种异质三壳纳米笼结构。此结构能加快离子传输，促进电化学反应的进行[22]。Mei等人通过溶剂热–高温碳化过程，制备了空心八面体ZnFe₂O₄@C纳米复合材料，当其作为LIBs的负极材料时，表现出优异的电化学性能，具有良好的循环稳定性，优异的倍率性能和较高比容量[23]。随着技术手段的进步，MOFs材料已广泛应用于电化学传感器的构建，由不同金属共同构建的复合MOFs材料更是展现出高效的电催化性能。

本实验设计合成由MOFs材料In-MIL-68作为前驱体热解衍生的两种修饰电极材料(In@CN，In₂O₃)，通过循环伏安法(CV)、电化学阻抗谱(EIS)、计时库伦曲线(Q-t曲线)以及安培时间电流曲线(i-t)等电化学方法测定与比较In@CN和In₂O₃检测过氧化氢的性能，选择In@CN构建超灵敏检测过氧化氢的电化学传感器。与其他传统金属材料与非金属材料修饰工作电极的电化学传感器相比，本文构建的In@CN/GCE电化学传感器具有灵敏度高，导电性好，检测限低和抗干扰性强等特点。

2. 实验部分

2.1. 主要试剂

In (NO₃)₃·xH₂O (分析纯，阿拉丁试剂有限公司)，N, N-二甲基甲酰胺(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)，KCl (分析纯，国药集团化学试剂有限公司)，K₃Fe(CN)₆ (分析纯，国药集团化学试剂有限公司)，K₄Fe (CN)₆·3H₂O (分析纯，国药集团化学试剂有限公司)，对苯二甲酸(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)，Na₂HPO₄·12H₂O (分析纯，国药集团化学试剂有限公司)，NaH₂PO₄·2H₂O (分析纯，国药集团化学试剂有限公司)。

2.2. In@CN的制备

In-MIL-68的合成步骤如下：称取0.2 mmol In(NO₃)₃·xH₂O，0.4 mmol对苯二甲酸，同时量取40 mL DMF。将DMF倒入圆底烧瓶中，随后分别向圆底烧瓶中倒入已称好的In (NO₃)·xH₂O和对苯二甲酸。在室温下超声处理10 min。在120℃油浴锅中加热30 min即获得In-MIL-68悬浮液。待悬浊液加热完毕且冷却至室温后，将其离心三次。离心完成后，将获得的固体产物放入真空干燥箱，干燥12 h即获得In-MIL-68材料。

In@CN的合成步骤如下：称取一定量的In-MIL-68倒入瓷舟中，然后放置于管式炉内，打开氮气瓶阀门，在N₂气流下以5 ℃·min⁻¹的速率将熔炉加热至500℃。在500℃下煅烧2 h，煅烧完毕后自然冷却至室温，即获得In@CN。In₂O₃的合成则不需要连接氮气瓶，在通入空气的情况下在管式炉中加热即可，其余操作如参数设置等与In@CN的合成步骤一致。

2.3. In@CN/GCE传感器的制备

首先用Al₂O₃抛光粉将玻碳电极(GCE)打磨成镜面后，用蒸馏水冲洗后自然风干，备用。用分析天平分别称取2.5 mg In@CN于离心管中，随后往离心管中先后加入400 μL乙醇，75 μL去离子水和25 μLNafion溶液。混合均匀后将其放入超声波清洗器中超声处理10 min，即获得5 mg·mL⁻¹的In@CN悬浊液。(In₂O₃悬浊液的制备步骤与In@CN悬浊液的制备步骤一致)。

待悬浊液超声完成后，用移液枪吸取5 μL悬浊液，均匀滴涂在裸玻碳电极上，待溶剂挥发凝固成膜后再次滴加，重复操作十次即制得In@CN/GCE传感器。(In₂O₃/GCE传感器制备方法与In@CN/GCE传感器制备方法相同)。

2.4. 电解液的制备和电极的选择

本实验一共需要用到三种电解液，分别为含5 mM H₂O₂的0.1 M PBS溶液，含5 mM [Fe(CN)₆]^−3/−4的0.1 M KCl溶液和1 mM K₃ [Fe(CN)₆]的0.1 M KCl溶液。本实验中构成电化学传感器的三个电极依次为：工作电极为滴涂In@CN或In₂O₃后的玻碳电极(GCE)，辅助电极为玻丝电极，参比电极为Ag/AgCl电极。

3. 结果与讨论

3.1. In@CN的物理表征

In@CN和In₂O₃的制备流程如图1所示，合成In-MIL-68的前驱体为In(NO₃)₃·xH₂O，有机配体为对苯二甲酸。In@CN和In₂O₃分别由In-MIL-68在500℃通入氮气和空气以5 ℃·min⁻¹煅烧2 h制备。

Figure 1. Flow chart for the preparation of In@CN and In₂O₃

图1. In@CN和In₂O₃的制备流程图

本文通过ZEISS Gemini SEM 300获得扫描电子显微镜图(SEM图)，得以观察合成催化剂的形貌。如图2(a)(b)所示，由SEM图可以看出，所制备的In@CN和In₂O₃催化剂都保留了In-MIL-68的六方锥形骨架。同时可以看出In@CN的骨架长为3 μm，宽为0.6 μm。In₂O₃的骨架长为3 μm，宽为0.4 μm，两者相比较氧化物的宽度略有不同。XRD图谱如图2(c)所示，对比文献可以得出所制备的In@CN和In₂O₃在21.5˚、27.7˚、30.6˚、35.8˚、51.4˚和60.9˚处都能观察到衍射峰，对应于In的(211)、(222)、(400)、(411)、(611)和(633)晶面。此外，In₂O₃也观察到其在38.0˚、42.2˚和46.1˚处的特征峰，对应于(422)、(431)、(440)晶面[24]，说明催化材料已成功制备。此外，较高的XRD峰强度进一步表明两个样品都具有高结晶性。XRD图中未发现其他杂质的特征峰，则说明此次实验合成的In@CN和In₂O₃的纯度都很高。

Figure 2. SEM images of (a) In@CN and (b) In₂O₃; XRD patterns (c) and CVs in 0.1 M PBS (pH = 7.0) containing 5 mM H₂O₂, scan rate 50 mV s⁻¹ of two electrocatalysts

图2. (a) In@CN的SEM图；(b) In₂O₃的SEM图；(c) In@CN和In₂O₃的XRD图；(d) In@CN和In₂O₃在含5 mM H₂O₂的0.1 M PBS溶液中的CV图

3.2. 修饰电极的电化学表征

3.2.1. 电催化还原H₂O₂的表征

循环伏安法(Cyclic Voltammetry)是一种常用的电化学方法，其原理是将三角波形的脉冲电压作用于电极系统，以一定速率改变工作电极与电解液界面上的电位，使电极表面能够发生不同的氧化还原反应，通过记录和分析电流–电位曲线，从而得知整个扫描范围发生了那些氧化还原反应。在本次实验中，分别在两种不同的电解液中进行CV测定。在含5 mM H₂O₂的0.1 M PBS溶液中，设置电位为−0.8到0.2 V，扫速为50 mV·s⁻¹。在含5 mM [Fe(CN)₆]^−3/−4的0.1 M KCl溶液中，设置电位为−0.2到0.8 V，扫速为50 mV·s⁻¹。

如图2(d)所示，在含5 mM H₂O₂的0.1 M PBS溶液中检测时，与In₂O₃/GCE的CV数据相比，In@CN/GCE展现出更大的阴极峰值电流和更低的还原电位值−0.4 V，其峰值电流明显高于In₂O₃。这说明In@CN/GCE对H₂O₂的检测能力是明显优于In₂O₃/GCE的。同时，在含5 mM [Fe(CN)₆]^−3/−4的0.1 M KCl溶液中检测时，如图3(a)所示，In@CN的峰值电流也优于In₂O₃，展现其更优异的电化学性能。

Figure 3. (a) CVs of two electrocatalysts and (b) EIS recorded in 5 mM [Fe(CN)₆]^−3/−4 + 0.1 M KCl solution

图3. (a) In@CN和In₂O₃在含5 mM [Fe(CN)₆]^−3/−4的0.1 M KCl溶液中的CV图；(b)在含5 mM [Fe(CN)₆]^−3/−4的0.1 M KCl溶液中In@CN和In₂O₃测定的EIS图

3.2.2. 电化学阻抗谱(EIS)

电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy)是一种常用的电化学表征方法，其原理为通过测量目标系统阻抗随给定正弦波频率的变化从而得出该电极反应的动力学过程。在此种电化学方法中，一般用电子转移电阻R_et来衡量修饰电极的转移电子能力。分别将In@CN/GCE和In₂O₃/GCE分别置于含5 mM [Fe(CN)₆]^−3/−4的0.1 M KCl溶液中，设置参数为在开路电位，频率为0.01~100000 Hz，对其进行交流阻抗扫描。分析图3(b)可知，In@CN/GCE的半圆直径为14.18 kΩ，明显小于In₂O₃/GCE，即In@CN/GCE表现出更低的电子转移电阻R_et值，这表明In@CN/GCE具有优异的导电性。

图4(a)为In@CN/GCE和InO/GCE在含1 mMK₃[Fe(CN)₆]的0.1 M KCl溶液中，电荷(Q)与时间的计时库仑曲线。根据Cottrell方程可以得出修饰电极的活性表面积：

$\text{Q}\left(\text{t}\right)=\frac{2nFAc{D}^{1/2}{t}^{1/2}}{{\pi }^{1/2}}+Q_{dl}+Q_{ads}$ (公式1)

其中，c是底物浓度(1 × 10⁻³ M)，n是电极反应中电子转移的数目(n = 1)，F是法拉第常数(96485 C·mol⁻¹)，A是有效表面积，D是含1 mM K₃ [Fe(CN)₆]的0.1 M KCl溶液的扩散系数(7.6 × 10⁻⁶ cm²·s⁻¹)，Q_dl是双电层，Q_ads是表面电荷。如图4(b)所示，In@CN/GCE和In₂O₃/GCE的线性回归方程分别为Q (t) = 263.42t^1/2 −14.02 (R² = 0.995)和Q (t) = 45.09t^1/2 − 2.85 (R² = 0.985)。通过对比图4(b)中的斜率和Cottrell方程，计算可得，In@CN/GCE和In₂O₃/GCE的活性表面积分别为0.878和0.150 cm²。由此可得In@CN/GCE相较于In₂O₃/GCE具有更大的活性表面积，具有更强的检测H₂O₂的电化学性能。

Figure 4. (a) Chronological Coulomb curve of charge (Q) versus time (t); (b) plots of Q-t^1/2 curves of the In@CN and In₂O₃ in 0.1 M KCl solution containing 1 mM K₃[Fe(CN)₆]

图4. In@CN和In₂O₃在0.1 M KCl含有1 mM K₃[Fe(CN)₆]溶液中的(a)电荷(Q)与时间(t)的计时库伦曲线；(b) Q-t^1/2曲线图

3.2.3. 传质过程

如图5(a)(d)所示，我们通过改变不同扫速探究其对峰值电流与电位的影响，可以因此得出电极上反应的动力学规律。在本实验中，通过循环伏安法在10~100 mV·s⁻¹的不同扫描速率下测量In@CN/GCE和In₂O₃/GCE传感器上的电子转移过程和还原机理。将二者分别置于含5 mM [Fe(CN)₆]^−3/−4的0.1 M KCl溶液中，依次设置扫描速率(10~100 mV·s⁻¹)，连接好电极后利用循环伏安法进行电化学测试。由图可以看出，随着扫速的增加，In@CN/GCE和In₂O₃/GCE的氧化，还原峰电流呈线性增大，同时它们的氧化还原峰电位也分别往正和负方向移动。如图5(b)(e)两者的还原峰电流值和扫描速度的线性关系式分别为I_pc (μA) = −0.4828υ (mV/s) + 16.32 (R² = 0.996) (In@CN)和I_pc(μA) = −0.3994 υ (mV/s) − 6.788 (R² = 0.999) (In₂O₃)。如图5(c)(f)可以看出，两者的氧化峰电流都和扫描速率呈线性相关，关系式分别为I_pa (μA) = 0.3613υ (mV/s) + 18.61 (R² = 0.995) (In@CN)和I_pa (μA) = 0.2491 υ(mV/s) + 8.829 (R² = 0.999)说明当扫描速率增大时，氧化还原反应的速率也会加快，因此还原峰电流会随着扫描速率的增加而增大。电流强度与扫描速率都成线性关系，从动力学角度来看In@CN和In₂O₃在玻碳电极上均发生的电化学反应是吸附控制的过程[25]。

Figure 5. CVs of In@CN (a) and In₂O₃ (d) in 5 mM Fe(CN)₆^−3/−4 + 0.1 M KCl solution with different scan rate (10~100 mV s⁻¹); (b) (e) and (c) (f) linear relationship of cathodic and anodic peak current (Ip) vs. scan rate

图5. (a)(d) In@CN及In₂O₃在含5 mM [Fe(CN)₆]^−3/−4的0.1 M KCl溶液中以不同扫描速率(10~100 mV·s⁻¹)测定的CV图；(b) (e)In@CN及In₂O₃阴极峰值电流(I_pc)与扫描速率υ的曲线图；(c)(f) In@CN及In₂O₃阳极峰值电流(I_pa)与扫描速率υ的曲线图

3.2.4. 安培电流时间曲线

安培时间电流曲线(i-t)，又称计时电流法，是一种操作简单的电化学检测技术，近年来被广泛应用于环境监测、食品安全检测和电化学研究等领域。其原理是向电化学体系的工作电极施加单电位阶跃或双电位阶跃后，得出电流响应与时间的函数关系，通过分析响应电流值和时间可以得出电流峰值和被测物浓度的关系，可用于电极反应的机理研究。在本实验中，设置起始电位为−0.43 V，烧杯中倒入20 mL 1.0 M PBS缓冲溶液，连接电极后加入磁子，调整转速，使其以缓慢的速率搅拌溶液。等曲线稳定后每间隔100 s加入500 μL 100 mM的H₂O₂溶液。图6(a)为In@CN/GCE电极的响应电流和时间的阶梯曲线图，从图6(b)我们可以看出，随着时间的增加，H₂O₂浓度增大，其响应电流也依次稳定增大，因此得出本实验制备的In@CN材料对H₂O₂具有较好的传感性能。由图6(b)所示，H₂O₂在一定浓度范围内与响应电流值具有一定的线性关系，In@CN/GCE上H₂O₂的还原反应的检测限为0.3mM (S/N = 3)，根据线性方程I (μA) = 104.2 C (mM) − 105.1 (R² = 0.991)可得反应的灵敏度高达104.2 μA·mM⁻¹。

Figure 6. (a) The amperometric current-time curves of In@CN with the continuous injection of H₂O₂ in 0.1 M PBS; (b) the calibration plot for H₂O₂ detection

图6. (a) In@CN在1.0 M PBS溶液中不同过氧化氢浓度的安培时间电流曲线；(b) 过氧化氢浓度和电流的线性图

3.3. 抗干扰和稳定性研究

为了研究其抗干扰性能，我们选择了一些常见无机盐离子作为干扰项，无机盐离子有K⁺、Na⁺、Fe³⁺、Cl⁻、${\text{NO}}_3^{-}$ ，${\text{SO}}_4^{2-}$ ，同时准备了抗坏血酸(AA)和尿酸(UA)两种生物小分子以探究In@CN/GCE的抗干扰性。连接好电极后，将In@CN/GCE置于5 mM H₂O₂溶液中，每间隔100秒将有10倍浓度的生物小分子以及100倍浓度无机盐离子混合的0.1 M PBS (pH = 7.0)中。利用安培时间电流曲线测量其电化学信号响应，结果如图7(a)所示。加入干扰物后，电化学信号没有显著变化，这表明In@CN/GCE传感器具有良好的抗干扰性。

在稳定性研究测试中，我们将同一支In@CN/GCE传感器在室温下保存30天，在含5 mM H₂O₂的0.1 M PBS溶液中，每隔五天利用循环伏安法对其进行电化学检测，结果如图7(b)所示。相比于第一次测定的结果，后续测定的还原电流大小无明显变化(90%~105%)，这表明该传感器具有良好的稳定性。

Figure 7. (a) Chronoamperometric curves of In@CN in 0.1 M PBSwith the successive injection of 5 mM H₂O₂, KCl, Na₂SO₄, Fe(NO₃)₃, AA and UA; (b) current responses of In@CN in 0.1 M PBS with 5 mM H₂O₂ in 30 days

图7. (a) In@CN在100 mM过氧化氢溶液中的安培时间电流曲线，加入量为10倍浓度的生物小分子以及100倍浓度无机盐离子；(b) In@CN在含5 mM H₂O₂的0.1 M PBS溶液中的30天电流相对响应值图

4. 结论

本文以In(NO₃)₃·xH₂O以及对苯二甲酸为原料，以DMF溶液(N, N-二甲基甲酰胺)为溶剂，制备了In@CN并将其用于检测H₂O₂的电化学传感器中。通过扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对In@CN和其对比材料In₂O₃进行物理表征，确定元素组成，晶体结构和表面形态，结果表明In@CN材料已被成功制备。此外，我们还对In@CN/GCE传感器进行了一系列的电化学表征。首先运用循环伏安法(CV)对其检测H₂O₂的能力进行测定，测定结果表明In@CN/GCE明显优于其对照组In₂O₃/GCE。然后，利用电化学阻抗谱(EIS)和计时库仑曲线(Q-t)对In@CN/GCE和In₂O₃/GCE进行对比测试，结果表明In@CN修饰的工作电极具有优异的导电性以及更大的有效表面积。安培电流时间曲线图(i-t)也表明H₂O₂在特定浓度范围内与电流值呈线性相关，其检测限为0.3 mM (S/N = 3)，灵敏度高达104.2 μA·mM⁻¹。最后，在抗干扰测试中，加入干扰物后，电化学信号没有显著变化。在稳定性测试中，相比于第一次测定的结果，后续测定的还原电流大小无明显变化(90%~105%)，这表明In@CN/GCE具有良好的抗干扰性和稳定性。以上结论可证明In@CN具有良好的电化学特性，为检测H₂O₂的高灵敏电化学传感器的制备拓宽了思路。

NOTES

^*通讯作者。