1. 前言
过氧化氢(H2O2)在工业生产、食品产业和医学领域被广泛应用，但水中残留微量的H2O2能够渗透到细胞间室，潜在地诱导各种有害的生物物质，因此H2O2检测在生物分析、医学安全和环境保护等领域具有重要的现实意义 [1] 。H2O2检测主要采用酶电极法，如以辣根过氧化物酶(HRP)对H2O2具有高选择性和催化活性，可以在电极表面被固定，用于H2O2生物传感器 [2] [3] 。然而，天然酶由于稳定性差、不耐高温及溶液酸碱性等缺点限制了它们的应用，因此，研制一种无酶过氧化氢传感器是必要的 [4] 。在各种纳米材料中，氧化锌纳米材料作为半导体材料，由于其优异的特性如高灵敏度、高催化性能、快速响应时间和稳定性好等已被广泛用于H2O2传感器 [5] [6] 。金属纳米粒子具有表面体积比大、电导率高、生物相容性好、催化性能好、表面反应活性好等特点在改善传感器性能方面有巨大的潜力 [7] 。贵金属与ZnO复合可有效改善ZnO的导电性。
近年来，不同结构Ag-ZnO的纳米材料如纳米球、纳米棒、纳米片等相继出现以提高复合材料的导电性、改善电化学性能。众多制备纳米复合材料中，纳米纤维具有高的长径比、比表面积大和导电性好等优点，是最广泛采用的电化学传感材料之一 [8] 。
本文通过静电纺乙酸锌、硝酸银、聚丙烯腈(PAN)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)混合液获得纳米纤维原丝，随后经过高温煅烧得到Ag-ZnO纳米复合材料。通过调节Ag/Zn摩尔比，获得到高长径比的Ag-ZnO纳米纤维。该Ag-ZnO纳米纤维修饰电极具有良好的导电性和丰富的活性位点，有望实现对H2O2的高灵敏检测。
2. 实验部分
2.1. 实验药品
乙酸锌(Zn(Ac)2∙2H2O)，PAN (MW = 150 kDa)，Nafion溶液(5%)和PVP (MW = 1300 kDa)由Sigma公司提供。硝酸银(AgNO3)，过氧化氢(H2O2)和所有其他试剂均为分析纯，购自国药集团化学试剂公司。实验采用18.2 MΩ超纯水(Thermo Fisher, USA)。
2.2. Ag-ZnO纳米复合材料的制备
首先，取0.50 g PAN和1.0 g PVP在10 mL DMF中加热40℃溶解，待溶液变均匀透明后加入一定量的AgNO3搅拌6小时得到黄色粘稠溶液，再加入0.2 g Zn(Ac)2∙2H2O，持续搅拌12小时后，得到纺丝前驱液。在优化的静电纺丝条件下(电压12.5 kV，流速0.8 mL/h，从针尖到铝箔收集器的距离15 cm)，制备纳米纤维原丝(Ag-PAN-PVP-Zn(Ac)2)。铝箔表面接收到的纳米纤维在马弗炉中以25℃/h速率加热到150℃，并保持1小时，随后在250℃下保持1小时，在650℃下连续加热2小时，最后冷却至室温得到Ag-ZnO纳米复合材料。通过调节AgNO3加入量，分别得到Ag/ZnO摩尔比为0、0.16和0.32的Ag-PAN-PVP-Zn(Ac)2纳米纤维，分别标记为ZnO、Ag-ZnO-1和Ag-ZnO-2纳米纤维。
2.3. Ag-ZnO/GCE的制备
在实验之前，玻碳电极(GCE)依次用1.0、0.3和0.05 µm Al2O3粉末抛光并用乙醇/水混合物超声洗涤。将Ag-ZnO纳米纤维在含有0.0005% Nafion的乙醇(1.0 g/L)中超声获得分散液。用微量注射器取10 µL分散液滴涂到GCE表面。自然干燥后，获得Ag-ZnO纳米纤维修饰GCE (Ag-ZnO/GCE)。不同Ag/Zn摩尔比(0、0.16和0.32)的Ag-ZnO纳米纤维修饰电极分别标记为ZnO/GCE、Ag-ZnO-1/GCE和Ag-ZnO-2/GCE。只含有Nafion的电极(Nafion/GCE)作为对照电极。
2.4. 表征方法
通过场发射扫描电子显微镜(FE-SEM, Hitachi, S-4800)和透射电子显微镜(TEM/EDX, JEOL, JEM-2100F)进行纳米纤维的形貌分析。采用X射线衍射(XRD, D/max-2550VB+/PC)和X射线光电子能谱(XPS, AXIS Ultra DLD)分析材料的晶体结构和组成。
2.5. 电化学测定
电化学实验采用三电极系统(Pt线对电极，Ag/AgCl参比电极(饱和KCl)和Ag-ZnO/GCE工作电极)在µ-AUTOLAB-III电化学工作站进行。在含有5 × 10−3 M K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6([Fe(CN)6]3−/4−)的0.2 M KCl溶液中采用循环伏安法(CV)和电化学阻抗(EIS)分析电极性能。在0.1 M PBS溶液(N2饱和，pH = 8)中采用CV及电流–时间(i-t)曲线扫描进行H2O2分析。
3. 实验结果与讨论
3.1. 复合纤维的结构分析
通过静电纺丝制备的PAN-PVP-Zn(Ac)2和Ag-PAN-PVP-Zn(Ac)2纳米纤维原丝的SEM图像分别如图1(A)~图1(C)所示。可以看出原丝粗细均匀且表面光滑，纳米纤维直径约为350 ± 70 nm。图1(A')~图1(C')为对应的煅烧后形貌，在没有Ag的情况下，经过煅烧后的纳米纤维结构完全坍塌，形成大颗粒ZnO团聚体(图1(A'))。而含Ag纤维(Ag/ZnO = 0.16)则保持原有的纤维结构，纤维由直径约为50 ± 20 nm纳米颗粒构成，颗粒连接紧密，呈现链状分布(图1(B'))。然而，当Ag/ZnO摩尔比率达到0.32时(图1(C'))，纤维断裂，同时纳米颗粒粒径增加且趋于聚集。因此，Ag的含量影响Ag-ZnO复合材料的形貌。通过调节Ag/Zn摩尔比，可以得到均匀且连续的Ag-ZnO纳米复合纤维。
Figure 1. FE-SEM images (A)~(C) of ZnO, Ag-ZnO-1 and Ag-ZnO-2 nanofiber precursors; Pattern (A')~(C') corresponded to the samples after calcination of fibers (A)~(C)
图1. ZnO、Ag-ZnO-1和Ag-ZnO-2纳米纤维原丝的FE-SEM图像(A)~(C)；图像(A')~(C')对应于纤维(A)~(C)经过煅烧后的材料
图2(A)为Ag-ZnO-1样品的TEM图像。纳米纤维由细小的纳米颗粒紧密连接而成，纤维直径约为100 nm左右，其对应的高分辨率TEM图像(图2(B))呈现清晰的晶格条纹。测得的0.28 nm和0.23 nm的晶格间距对应于六方纤锌矿ZnO [9] 的(100)面和面心立方(fcc) Ag [10] 的(111)面。证明Ag纳米颗粒成功镶嵌在ZnO表面。EDX扫描和TEM的元素分布如图2(C)。可以看出，Ag纳米颗粒均匀分布在ZnO纳米纤维表面。
Figure 2. TEM image of Ag-ZnO-1 nanofibers (A); (B) is the high resolution TEM image of corresponding (A); (C) is EDX spectrum of Ag-ZnO-1 nanofibers and the corresponding O, Ag and Zn element mapings
图2. (A) Ag-ZnO-1纳米纤维的TEM图像；(B) 对应的高分辨率TEM图像；(C) Ag-ZnO-1纳米纤维的EDX光谱及对应的O，Ag和Zn元素分布图
纯ZnO和Ag-ZnO-1纳米纤维的XRD结果如图3所示。ZnO样品中在2θ = 31.8˚，34.4˚，36.2˚，47.5˚，56.6˚，62.9˚，66.4˚，67.8˚，69.1˚处的衍射峰，分别归于ZnO的(100)，(002)，(101)，(102)，(110)，(103)，(200)，(112)和(201)平面 [11] ，这表明ZnO为六方纤锌矿晶体(JCPDS, No.36-1451)。与纯ZnO纳米纤维相比，Ag-ZnO-1样品在2θ = 38.1˚(111)，44.3˚(200)，64.4˚(220)，77.4˚(311)和81.5˚(222)的位置处另外出现了Ag [12] 的面心立方结构(fcc)的衍射峰，表明了Ag单质的存在，与TEM结果一致。
Figure 3. XRD patterns of ZnO and Ag-ZnO-1 nanofibers
图3. ZnO和Ag-ZnO-1纳米纤维的XRD图案。
实验进一步采用XPS分析Ag-ZnO纳米复合纤维中元素组成，图4(A)为Ag-ZnO-1的XPS全谱图，观察到Ag 3d、O 1s和Zn 2p的典型XPS峰。在Zn 2p和Ag 3d区域的高分辨率XPS能谱如图4(B)~图4(C)所示。位于Zn 2p区，1021.2 eV和1044.3 eV的两个特征峰分别对应于Zn 2p3/2和Zn 2p1/2的结合能 [13] 。在367.6 eV和373.6 eV处显示两个特征峰 [14] ，分别对应于Ag 3d5/2和Ag 3d3/2的结合能(图4(C))，且峰峰间距约为6.0 eV，证明了材料中单质Ag的存在。
Figure 4. XPS survey spectrum of Ag-ZnO-1 nanofibers (A) and the core level XPS spectra of Zn 2p (B) and Ag 3d (C)
图4. (A) Ag-ZnO-1纳米纤维的XPS全扫图谱，以及Zn 2p (B)和Ag 3d (C)元素的XPS高分辨扫描谱
3.2. 电化学分析
ZnO/GCE、Ag-ZnO-1/GCE和Ag-ZnO-2/GCE在含有1 × 10−3 M [Fe(CN)6]3−/4−的0.2 M KCl溶液中测试获得的CV和EIS曲线分别如图5(A)和图5(B)所示。由于Nafion的存在，所有电极都显示出较大的峰–峰分离。在Nafion/GCE对照电极上，峰–峰电位差达到367 mV。由于[Fe(CN)6]3−对Nafion和ZnO的负电荷排斥以及修饰膜的导电性差，CV曲线中ZnO/GCE上的氧化还原信号进一步降低，峰-峰电位差进一步增大。而有Ag存在时，Ag-ZnO-1/GCE的CV曲线峰–峰电位差明显缩小，而且峰值电流有所增大，其对应的阻抗图(图5(B))中电荷转移电阻Rct即EIS奈奎斯特图的半圆大大减小。这表明Ag纳米颗粒的存在明显增加了Ag-ZnO-1纤维的导电性和电子转移能力。随着Ag含量继续增加，对应Ag-ZnO-2/GCE的CV曲线峰–峰电位差反而增大，峰值电流也有所降低，这主要是由于过多的Ag含量反而导致纤维断裂从而使电极导电性下降，与SEM图像的结果一致。Ag-ZnO-1/GCE具有最大的峰值电流和最小的Rct，其良好的导电性和快速的电子转移能力将有利于改善电极的电催化性能。
Figure 5. CV and EIS curves of Bare/GCE, Nafion/GCE, ZnO/GCE, Ag-ZnO-1/GCE and Ag-ZnO-2/GCE in 0.2 M KCl solution containing 2.5 × 10–3 M [Fe(CN)6]3−/4-
图5. Bare/GCE、Nafion/GCE、ZnO/GCE、Ag-ZnO-1/GCE和 Ag-ZnO-2/GCE在含有2.5 × 10–3 M [Fe(CN)6]3−/4-的0.2 M KCl溶液中的CV和EIS曲线
3.3. H2O2在Ag-ZnO-1/GCE上的电催化还原
为了研究Ag-ZnO纳米纤维的催化活性，所制备电极在含有2 mM H2O2的0.1 M PBS (N2饱和，pH = 8)中测试获得CV曲线如图6所示。Bare/GCE的CV曲线上仅有很小的H2O2还原峰，ZnO/GCE在−1.01 V处出现明显增大的还原信号，表明ZnO对H2O2的还原具有催化活性。Ag-ZnO-1/GCE的还原电流大大增加并且峰值电位正移到−0.84 V左右，这表明Ag-ZnO-1纤维中由于Ag纳米颗粒良好的导电性而提高了纳米复合材料的催化活性。而Ag-ZnO-2/GCE催化响应较弱，主要是纤维形态差和纤维中纳米颗粒的严重团聚导致的，证明Ag-ZnO-1纳米纤维的高长径比及颗粒均匀分布有效改善电极的活性。在随后的实验中选择Ag-ZnO-1/GCE作为测试用电极。
3.4. Ag-ZnO-1/GCE对H2O2催化还原的i-t曲线
Ag-ZnO-1/GCE作为传感器电极在−0.90 V的恒定电位下检测H2O2响应，对应的i-t曲线如图7(A)所示，在缓冲液中添加H2O2时，电流响应非常明显，并在短时间内达到稳态。线性校准曲线如图7(B)所示，在1 × 10−5 M~4 × 10−3 M浓度范围内，电流和H2O2浓度之间呈现良好的线性关系，相应的线性回归方程为Ip(µA) = −23.548 × 10−3C(M) − 0.015 (R2 = 0.9992)，最低检测限(LOD)为0.3 × 10−6 M (S/N > 3)。
基于ZnO材料的不同传感器对H2O2的测试性能比较总结于表1 [15] [16] [17] [18] [19] 。本文中的Ag-ZnO-1/GCE对H2O2测试具有较宽检测浓度范围和较低的检测限，这主要是归因于Ag纳米粒子在ZnO纳米纤维上的均匀分布促进了电子转移，使纳米复合纤维具有优异的导电性和催化活性，从而大大提高了对H2O2检测的灵敏度。
Figure 6. CVs of Bare/GCE, ZnO/GCE, Ag-ZnO-1/GCE and Ag-ZnO-2/GCE in 0.1 M PBS (N2-saturated, pH = 8) in the presence of 2 × 10−3 M H2O2 (Scan rate: 50 mV s−1)
图6. Bare/GCE、ZnO/GCE、Ag-ZnO-1/GCE和Ag-ZnO-2/GCE在含有2 × 10−3 M H2O2的0.1 M PBS中(N2饱和，pH = 8)的CV曲线(扫描速度：50 mV s−1)
Figure 7. (A) Amperometric responses of Ag-ZnO-1/GCE electrode for the successive addition of H2O2 (applied potential: −0.9V). Inset: magnification of the amperometric response curve of the sensor; (B) The linear calibration curve of the H2O2 sensor
图7. (A) Ag-ZnO-1/GCE对连续加入H2O2的i-t响应曲线(电位：−0.9 V)。插图为低浓度响应的放大部分；(B) H2O2传感器的线性校准曲线
Table 1. Comparison of various ZnO-based electrode materials for the detection of H2O2
表1. 不同ZnO-基复合材料修饰电极对H2O2测定的比较
此外，进行干扰试验以验证Ag-ZnO-1/GCE在最佳条件下的选择性如图8所示。在向测试液中加入200 µM H2O2时出现了显著的电流响应(恒定电压在−0.9 V)，而当加入相同体积的200 µM (尿酸(UA)、亚硝酸钠(NaNO2)、多巴胺(DA)和抗坏血酸(AA))等干扰物质时，发现还原电流几乎不变，表明这些干扰物质的共存对H2O2的检测几乎没有任何影响，Ag-ZnO-1/GCE具有优异的抗干扰能力和选择性。在Ag-ZnO-1/GCE上重复10次测量，得到H2O2响应电流的相对标准偏差(RSD)小于10%，表明Ag-ZnO-1/GCE对H2O2的催化还原具有良好的稳定性。
Figure 8. I-t curves of Ag-ZnO-1/GCE in 0.1 M PBS (N2-saturated, pH = 8) with sequential addition of 200 µM H2O2, and 200 µM UA, NaNO2, DA and AA in between H2O2addition (E = −0.9 V)
图8. Ag-ZnO-1/GCE在0.1 M PBS (N2饱和，pH = 8)中添加H2O2之间，依次添加200 µM UA、NaNO2、DA和AA的i-t曲线(E = −0.9 V)
4. 结论
通过Ag-PAN-PVP-Zn(Ac)2混合前驱液的一次性纺丝及煅烧处理，成功制备了Ag-ZnO复合纳米纤维。与ZnO纳米纤维相比，Ag-ZnO纳米纤维的电导率和电化学活性在适量的Ag纳米颗粒存在下大大增强。Ag-ZnO-1纳米复合纤维材料修饰电极对H2O2具有较灵敏的催化还原作用，该电极作为无酶传感应用于H2O2检测，线性范围宽、检测限低，同时电极稳定性高、抗干扰能力强。该Ag-ZnO纳米复合纤维作为无酶催化剂具有很大的生物传感应用潜力。
致谢
这项工作得到了国家自然科学基金会(No. 21776045, 21476047)的支持。