用于微流控H2O2生物传感器的CO2+离子掺杂MnO2电极：制备、表征及催化性能

《Dalton Transactions》：Co2+ ion-doped MnO2 electrode for microfluidic H2O2 biosensors: formation, characterization, and catalytic performance

　　H2O2在生物系统中作为关键的信号分子，并具有作为疾病生物标志物的潜力。因此，开发能够在微流控系统中敏感且准确测量其浓度的传感器具有重要意义。本文重点介绍了一种用于电化学微流控系统的电极的开发，该系统旨在定量测定过氧化氢的浓度。我们发现，通过添加Co2+离子可以改善基于MnO2的催化材料的性能。通过改变Co2+的浓度，获得了具有更好催化性能的电极材料。电流法测量的结果显示，使用这种新电极后，灵敏度显著提高，并且能够测量的H2O2浓度范围也得到了扩展。通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）详细研究了改性的MnO2-Co2+电极的特性。先前积累的材料和新数据相结合，为我们提供了关于MnO2高催化活性的根本原因的见解，这一结论得到了量子化学计算的支持。这项研究为利用MnO2作为电极来检测微流控细胞内H2O2浓度的方法奠定了基础。在实验过程中，采用了止流协议，从而能够在有限的测量时间内收集电极上发生的电化学过程的库仑计数据。

1. 引言

微流控系统作为一种分析工具是相对较新的发展，但它们的应用前景非常广阔。在开发电化学微流控生物传感器时，电极的形成至关重要。这些电极不仅需要提供灵敏度和选择性，特别是在微流控系统中，还需要具备机械强度。因此，针对特定分析物会单独开发含有催化层的电极。本研究的目的是开发一种用于测定生物样本中H2O2浓度的微流控生物传感器。这类传感器对于许多应用都至关重要且需求量大。H2O2是机体抗氧化系统中的核心物质：过氧化物化合物几乎是所有生物转化过程中的中间产物或最终产物。因此，H2O2可以用作生物传感器中的标记物，用于研究癌症组织、各种器官的疾病等。自战争开始以来，在乌克兰，这类研究尤其受到关注，例如多创伤对遭受爆炸伤害的人群的氧化应激发展的影响。在大多数研究中，使用金纳米粒子作为H2O2的检测催化剂，而价格较低的MnO2（一种专门用于H2O2分解的催化剂）则较少被使用。在我们之前的工作中，我们开发了一种在微流控系统中表现优异的葡萄糖检测电极，该电极基于在ITO表面上电化学沉积的MnO2，并且选择了能够实现最高催化效率和H2O2检测选择性的条件。在这项研究中，我们试图通过用Co2+离子掺杂来改善MnO2的催化性能。尽管氧化物掺杂的方法已经相当普及，但关于用钴离子掺杂MnO2的研究仍然较少，尽管从尺寸上看钴原子与锰原子非常接近。研究掺杂对MnO2性质影响的原因也非常有趣。大多数研究认为掺杂会影响MnO2晶格中的缺陷。我们将从沉积物组成中含氧化合物的变化角度来探讨这一效应。为此，我们使用XPS、SEM和量子化学建模来分析不同Co2+离子含量的电极。

2. 实验

2.1. 试剂和化学品

所有材料和化学品均 commercially 购买，并按收到时的原始形式使用。用于制备电解质的硫酸锰、硫酸钴和硫酸钠，以及用于制备磷酸盐缓冲液（PB，0.1 M，pH 7）的磷酸二氢钠二水合物和磷酸氢钠二水合物，和30%的过氧化氢均由Sigma Aldrich公司提供。所有溶液均使用Sartorius Arium Comfort I系统制备的超纯水（18.2 MΩ cm）配制。ITO涂层的玻璃由Biotain Crystal Co., Limited公司提供，其特性如下：电阻6÷8 Ohm sq?1，ITO涂层厚度约185 nm，透光率>84%。

2.2. 在ITO表面制备MnO2薄膜

玻璃基底首先在丙酮中超声处理20分钟，然后在乙醇中处理，再用去离子水清洗并用氩气流干燥。在Kapton胶带上激光切割出一个0.69 cm2的工作区域。电极功能层的电化学形成是通过循环伏安法（CV）实现的，扫描电位范围为1.0 V至1.8 V。作为电解质，我们使用了0.005 M MnSO4、0.5 M Na2SO4（pH通过添加硫酸调节）的水溶液，并加入了0.01 M、0.05 M和0.1 M浓度的CoSO4。扫描速率为50 mV s?1。所有电化学实验均使用BioLogic公司的SP-300型电位计/恒电流仪在传统的三电极玻璃电池中进行。参比电极为Ag/AgCl/3 M KCl电极，对电极电极为Pt网电极。本文中报告的所有电位均以Ag/AgCl/3 M KCl为基准，在实验室温度25 ± 1 °C下测量。

2.3. H2O2的测定分析程序

所有电化学测量均在37 °C的温度下进行（温度通过水浴维持）。MnO2/ITO电极的循环伏安图在0.1 M PB溶液中扫描，扫描速率为100 mV s?1。MnO2/ITO电极的催化活性通过计时电流法在0.1 M PB溶液中测定。在重复注入过氧化氢的过程中，于0.45 V vs. Ag/AgCl/3 M KCl的电位下测量电流响应。

2.4. MnO2/ITO电极的物理表征

使用FEI Nova NanoSEM 450扫描电子显微镜研究了MnO2/ITO样品的微观结构和形态。电化学阻抗谱（EIS）在OCP条件下，使用5 mM [Fe(CN)6]3?/4?在0.25至100,000 Hz的频率范围内测量，振幅为5 mV。X射线光电子能谱（XPS）使用PHI 5000 VersaProbe（ULVAC-PHI）谱仪进行，采用单色Al Kα辐射（h = 1486.6 eV），X射线源的工作点尺寸为100 μm，功率为25 W，电压为15 kV。高分辨率（HR）XPS谱采用半球形分析器收集，能量步长为0.1 eV。X射线束以45°的角度入射到样品表面，分析器轴也与表面成45°角。使用CasaXPS软件对XPS数据进行评估。所有HR XPS谱的解卷积采用Shirley背景和具有30% Lorentzian特性的高斯峰形进行。测量到的各元素结合能（BE）均相对于C 1s碳峰（284.8 eV）进行了校正。

2.5. 量子化学计算

量子化学建模使用了WinGAMESS程序中的非经验方法进行。簇系统的计算采用spin-unrestricted Hartree–Fock方法。中心金属原子使用ECP基组描述，配体原子使用6-311G基组描述。采用了混合密度泛函理论（B3LYP）方法，包括Becke、Slater和Hartree–Fock交换泛函以及LYP和VWN5相关泛函。在模拟过程中，研究的离子在第一溶剂化壳层的环境中进行了优化，并计算了优化后的复合物的能量。然后，考虑到溶剂化效应，进一步 refinement 了能量。由于只有当不同结构包含相同类型的原子时，比较它们的电子能量才有意义，因此在计算具有不同第一水合层几何结构的复合物能量时，我们考虑了[Mnz+(H2O)n]·xH2O组成的簇系统，其中(n + x) = const。在这种结构中，n个水分子直接与水合复合物的中心原子相连，其余的x个水分子位于一定距离之外，从而排除了它们与金属离子的化学相互作用。能量最小的[Mnz+(H2O)n]水合复合物和外部水分子x的能量之和的簇结构被认为是最节能的。

2.6. 微流控测试。微流控系统的制造

PDMS芯片是一个T形通道，有两个入口。通道高度为250微米，宽度为500微米。流体操作由Nemesys泵控制，该泵通过专用计算机软件进行控制。PDMS芯片连接到ITO玻璃上，其上形成了一个2毫米宽的工作电极，以及一个距离工作电极2毫米的石墨对电极。它们之间连接了一个氯化银电极作为参比电极。所有测量均使用电位计进行并记录，其特性在2.2节中有介绍。

3. 结果与讨论

3.1. 在ITO上电沉积掺杂Co2+的MnO2

沉淀物的形成基于从硫酸盐电解质中沉淀纯二氧化锰的经验（图1d）。图1：
(a) 在组成为0.5 M Na2SO4 + 0.1 M CoSO4的电解质中，通过极化Pt电极得到的CV；(b) 在含有0.01 M CoSO4的溶液中；(c) 在含有0.1 M CoSO4的溶液中；(d) 无添加剂的条件下，通过CV方法沉积MnO2。扫描速率为50 mV s?1。在我们之前的工作中，通过在pH 1的溶液中使用循环伏安法（CV）制备出了具有最佳催化和机械性能的MnO2涂层，并随后在60 °C下干燥12小时。这些设置被选为新电极制备的起点。原来的MnO2电极在此后被称为pH1_CV_60，作为整个研究中与Co2+掺杂样品比较的基准。为了获得掺杂了Co2+离子的沉淀物，制备了含有从0.01 M到0.1 M浓度钴硫酸盐的硫酸电解质。虽然这些量很大，但应考虑到正电荷离子在电泳过程中不太可能移动到正电荷的阳极；更有可能的是，掺杂机制有所不同。图1a显示了仅含有Co2+离子溶液中的CV依赖性。在铂阳极上未观察到反应，这意味着图1b–d中的所有Ox-Red反应都与Mn2+离子的氧化有关。图1b和c分别显示了在含有0.01 M和0.1 M Co2+离子的溶液中MnO2涂层形成的过程。通过与图1d（纯二氧化锰的沉淀）的对比，可以分析掺杂剂对沉积过程的影响。我们观察到Mn2+的电氧化电位向负方向移动了0.5 V，这归因于Co2+离子的影响。根据后续研究，可以推测Co2+离子影响了复合体的结构和组成，在该复合体中二价锰在阳极被氧化。或许正是在这些复杂的相互作用中，钴被输送到电极的表面，并被整合到正在形成的沉积物中。钴离子对二氧化锰电沉积的成核和初期阶段的影响仍然是一个备受关注的研究课题，值得进一步研究。为了进行催化研究，我们使用不同的沉淀条件制备了一组沉积物。这些沉积物之间的差异在于电解质中钴离子的含量以及循环伏安（CV）循环的次数，这导致了沉积物厚度的不同。文章其余部分使用的电极名称及其相应的沉积条件总结在表1中。

表1 沉淀物形成的条件

样品名称
常见的电沉积电解质条件：0.5 M Na2SO4, 0.005 M MnSO4, pH1，并添加了CoSO4

Co2+浓度（M）
CV循环次数

0.01Co_20
0.01
20

0.01Co_30
0.01
30

0.01Co_40
0.01
40

0.01Co_50
0.01
50

0.05Co_20
0.05
20

0.05Co_30
0.05
30

0.05Co_40
0.05
40

0.05Co_50
0.05
50

0.1Co_20
0.1
20

0.1Co_30
0.1
30

0.1Co_40
0.1
40

0.1Co_50
0.1
50

pH1_CV_60
—
30

3.2 电极的表征

我们进行了X射线光电子能谱（XPS）测量，以确定MnO2沉积物中是否存在Co2+离子。我们还研究了电解质组成对所得催化剂中锰形态含量和组成的影响。选择了以下三种涂层：0.01Co_30；0.05Co_30；0.1Co_30（沉淀形成的描述见第3.1节）。电解质的组成仅在于钴离子的浓度不同。获得的XPS光谱显示在图2中。我们参考了37-40年的研究，这些研究提供了关于MnO2沉积物XPS光谱解释的详细信息。Mn 2p光谱提供的信息表明，我们确实得到了二氧化锰的沉淀物，这可以通过自旋能分离的值来确认，该值等于Mn 2p3/2和Mn 2p1/2信号之间的距离。Mn 2p3/2信号在641.9 eV和644.9 eV处的峰值面积允许我们计算Mn3+和Mn4+形式的比率。从O 1s光谱的分析中获得了特别有趣的结果。我们将529.6 eV处的峰确定为Mn–O–Mn键的存在，而531.3 eV处的峰对应于Mn–O–H键的存在。Co 2p2光谱证实了沉淀物中存在Co2+离子。我们将钴离子的量表示为沉积物中所有锰离子的相对含量。结果列在表2中。我们还添加了在相同条件下沉积的纯MnO2的XPS分析结果。通过这种方式，我们可以看到掺杂对催化剂组成的影响。

图2 显示了（1a, 1b）pH1_CV_60；（2a, 2b, 2c）0.01Co_30；（3a, 3b, 3c）0.05Co_30；（4a, 4b, 4c）0.1Co_30的Mn 2p和O 1s以及Co 2p XPS光谱。详情请参见正文。表2

XPS光谱的解释

沉淀物
Mn 2p光谱，自旋能分离，eV
Mn3+，%
Mn4+，%
Mn–O–Mn，%
Mn–O–H，%
Co2+，%

原始MnO2（pH1_CV_60）
11.7
67.9
32.09
65.53
18.62
—

0.01Co_30
11.7
47
52.9
26.23
65.68
2.3

0.05Co_30
11.6
63.9
36
10.99
74.36
2.4

0.1Co_30
11.8
54.3
45.7
4.95
88.84
6.8

作为参考，包括了原始MnO2电极的数据（在3.1节中标记为‘pH1_CV_60’）。从表格中的数据我们可以得出结论，Co2+离子确实存在于形成的基于MnO2的涂层结构中。然而，它们的含量并不与溶液中的浓度成线性关系。我们在电解质中Co2+浓度为0.1 M时观察到了一个急剧增加。随着锰以其四价形式含量的增加，Mn3+/Mn4+形式的比率发生了变化。由于Mn4+含量的增加，催化活性的提高与我们的先前研究结果一致。此外，数据还显示，随着Co2+离子加入沉积物，Mn–O–H键的数量急剧增加。沉积物组成的这种显著变化也会影响电极的催化活性的提高。对选定的样品进行了电化学阻抗谱（EIS）分析，相应的数据和参数分别显示在图3和表3中。

图3 对（1）pH1_CV_60，（2）0.01Co_30，（3）0.05Co_30，（4）0.01Co_30，（5）0.01Co_50进行了电化学阻抗谱分析。表3显示了相应沉淀物的电荷转移电阻R2值。

使用R1 + Q2/(R2 + W2)等效电路阐明了薄膜内的电荷转移动力学。参数包括未补偿电阻R1、电荷转移电阻R2、恒定相位元素Q2和Warburg阻抗W2。图3和表3中呈现的数据的比较分析揭示了电极组成与其电化学性质之间的明显相关性。作为参考，包括了原始MnO2电极的数据（在3.1节中标记为‘pH1_CV_60’）。如表2所示，Co2+掺杂浓度的增加导致电极导电性的显著降低。这一趋势归因于掺杂过程中MnOOH相的形成，这一点得到了XPS分析的间接支持。此外，比较0.1Co_30和0.1Co_50样品表明，膜厚的增加进一步降低了导电性，这预计会影响后续的电催化性能。通过扫描电子显微镜研究了沉积物的形态。图4显示了在不同钴离子含量溶液中电沉积的含有Co2+的沉淀物。图4g和h展示了纯MnO2的形态，用于对比。所有沉淀物都是在相同的电解质pH和相同的Mn2+离子浓度下，经过30次CV循环形成的。

图4 显示了在不同条件下沉积的MnO2薄膜的SEM图像：（a和b）0.01Co_30，（c和d）0.05Co_30，（e和f）0.1Co_30，（g, h）pH1_CV_60。首先，可以清楚地看到掺杂的涂层非常相似。其结构像树枝一样分支。与纯MnO2相比，结构更加分支，但分支更细小。我们还观察到沉积物密度的增加；通过二氧化锰层无法看到ITO的结构。在较低的放大倍数下，我们注意到涂层的均匀性。观察到沉积物的完整性，没有裂纹，这是纯MnO2的典型特征。与纯MnO2一样，XRD（SI）显示沉积的薄膜是非晶质的，没有明显的氧化锰峰。

当向电解质中添加钴离子时，形成的沉积物变得更加致密，但结构仍然保持分支状。涂层的组成发生了显著变化。在所有沉积物的结构中都发现了Co2+离子。钴离子对MnO2结构的影响也很明显：与锰相关的羟基团的数量急剧增加（Mn–O–H键）。

3.3 H2O2的测定分析方法

基于文献中的有力数据，41,42，工作电极在阳极极化过程中产生电化学信号的机制如下：H2O2与MnO2接触时分解成水和分子氧。催化作用由Mn4+发挥，它被还原为Mn3+。在电极的阳极极化过程中，Mn3+会被电化学氧化回Mn4+，这可以被测量为法拉第电流。催化研究的解释将基于这一理论。通过比较在有无H2O2的情况下记录的伏安图（图5），研究了沉淀物的催化效应及其观察到的电位。在H2O2存在下的循环伏安图（图5(2)）显示出即使在低电位下电流也高于没有过氧化氢时的CV（图5(1)）。这意味着即使是很低的阳极极化也会产生分析信号。

图5 显示了在有无2 mM H2O2的情况下，电极0.1Co_30的CVs。扫描速率为100 mV s?1。选择计时安培法作为研究12个电极催化活性以确定H2O2的主要方法。该方法具有指示性和便于解释的特点。选择了0.45 V vs. Ag/AgCl/3 M KCl作为记录分析信号的有利电位。在这个电位下，我们记录了足够的催化活性，同时避免了来自气体产物的额外噪声。此外，在研究生物对象时，较低的电极极化值是可取的，因为可能存在干扰反应。图6显示了所有电极在注入H2O2时的I–t依赖性，其中电解液中的过氧化物浓度按照以下方案逐步变化：0.1 mM → 0.2 mM → 0.5 mM → 1 mM → 2 mM → 3 mM → ? → n mM。图5中看到的高水平噪声是由于在测试电极时H2O2分解产生的气体产物释放所致。

在应用0.45 V vs. Ag/AgCl/3 M KCl电位的搅拌PB中连续注入H2O2时的安培I–t曲线：（a1）0.01Co_20，（a2）0.01Co_30，（a3）0.01Co_40，（a4）0.01Co_50，（b1）0.05Co_20，（b2）0.05Co_30，（b3）0.05Co_40，（b4）0.05Co_50，（c1）0.1Co_20，（c2）0.1Co_30，（c3）0.1Co_40，（c4）0.05Co_50。注意垂直刻度不同。为了清晰起见，结果被分为三组：每个图6a、b和c显示了具有相同Co2+离子浓度但沉积物厚度不同的电极的计时安培图。由此可见，沉积20到30个CV循环的电极表现出最高的活性。在40和50个CV循环后，催化剂的活性急剧下降。MnO2催化活性的下降是由于材料的相对较差的电导率造成的。每个组中最佳代表者的I–t依赖性被转换为对H2O2浓度的安培响应，并相互比较，同时与原始MnO2电极（在3.1节中标记为‘pH1_CV_60’）进行了比较（图7）。

图7 显示了安培响应与H2O2浓度之间的关系。所有掺有Co2+离子的催化剂在可检测H2O2浓度范围内都显示出急剧增加。这种依赖性的另一个重要参数是其线性。在这里，我们有一个电催化电流与H2O2浓度的校准图。纯MnO2从0.1 mM到3 mM显示出线性关系。电极0.01Co_20从0.1 mM到4 mM，电极0.05Co_30从0.1 mM到6 mM，电极0.1Co_30从0.1 mM到9 mM。在选择性能最好的电极时，我们注意到0.1Co_30的校准图范围最宽。从上述所有研究的角度来看，沉积物催化性质的这种显著改进可以归因于Mn–O–H基团的显著增加及其在过氧化氢分解中的作用。我们将考虑电极转变过程中电极结构的变化。为此，我们使用了量子化学建模的能力。

3.4 量子化学计算

计算的目的是研究Mn3+氧化为Mn4+的反应，这是材料电催化作用的基础。第2.5节提供了计算数据与实验数据之间良好关联的参考。正如先前的研究所知，43，二氧化锰含有水解形式的Mn3+。正是在这些形式中，我们发现了在XPS研究中引起注意的Mn–O–H键的存在。所有的可能的簇都经过了分析，计算出了它们内部的实际电荷分布，并构建了空间粒子模型。结果显示在表4中。

表4：[Mn(OH)x(H2O)n]z+ (H2O)m和[MnO(OH)(H2O)2] + (H2O)2簇中锰原子和配体上的电荷分布

簇 q(Mn) q(∑OH) q(O) q(∑H2O)
[Mn(OH)(H2O)5]2+ +1937 ?0362 — +0425
[Mn(OH)2(H2O)4]+ +1751 ?0996 — +0244
[Mn(OH)3(H2O)2]0(H2O) +1500 ?1607 — +0127
[MnO(OH)(H2O)2]0(H2O)2 +1342 ?0561 ?0829 +0048
[Mn(OH)(H20)5]3+ +2121 +0076 — +0801
[Mn(OH)2(H2O)4]2+ +1819 ?0341 — +0522
[Mn(OH)3(H2O)2]+(H2O) +1589 ?0832 — +0244
[MnO(OH)(H2O)2]+(H2O)2 +1617 ?0414 ?0469 +0266

从表4可以看出，三价锰复合物中的锰原子并不带有+3的电荷，而是电荷在围绕中心原子的含氧簇之间重新分配。因此，Mn3+的水解形式是自然的。正是在这样的复合物中观察到了大量的Mn–O–H键。接下来计算阶段是分析与三价锰氧化为四价锰及再还原过程中电子转移相关的能量变化。这些电子转移的反应在表5中有所介绍，其中包含了电子转移的能量特性以及这些反应的计算标准电极电位。

表5：水解形式的锰(III)水合合物的一电子氧化的标准氧化还原电位值

根据表5的结果，最有可能发生的反应是反应编号5。该反应的标准电极转移电位非常低，这与我们的催化测量结果相符。我们得出结论，在电解质膜MnOx中的三价锰主要以[MnO(OH)(H2O)2]的形式存在。从结构中去除水和OH基团后，发现无法计算出这样的粒子，这表明这些基团在沉淀物结构中的重要性。计算还表明其他粒子几何形态也是可能的，但这种情况下电极转移电位会急剧增加。图8展示了[MnO(OH)(H2O)2]在原始状态和氧化状态下的结构。

粒子空间结构：a – [MnO(OH)(H2O)2]0；b – [MnO(OH)(H2O)2]+。可以看出，从[MnO(OH)(H2O)2]中移除一个电子并不会导致其结构的显著重组。Mn–OH键保持不变且稳定：在分子形式下，它们的核间距离分别为1.99 ?和2.01 ?；在离子化形式下分别为1.99 ?和1.99 ?。锰和氧原子核仅有轻微的位移，在Mn–O键和Mn–O–H键中，分别为1.73 ?和1.88 ?；O–Mn–O–H的价角变化也不大：从分子形式下的163.30°变为离子化形式下的152.20°。上述情况表明[MnO(OH)(H2O)2]/[MnO(OH)(H2O)2]+这种氧化还原系统没有发生重大的结构和化学变化。这使得它适用于需要快速电荷循环的场合。因此，可以推断出沉淀物中Mn–O–H键的数量越多，形成特定几何结构的MnO(OH)(H2O)2水解结构的可能性就越大。这样一来，Mn3+/Mn4+之间的转化反应将在较小的电极极化电位下容易且快速地发生，这体现在MnO2电极出色的催化性能上。

3.5. 在微流控系统中的测量

开发的基于MnO2的电极作为工作电极被应用于安培型微流控装置中，用于测定溶液中的H2O2浓度。微流控电池的制造过程在2.6节中有详细描述，并在图9中进行了可视化展示。T形通道和两个入口允许操作两种工作溶液：一种是含有特定浓度H2O2的PB溶液，另一种是用于清洗通道的纯PB溶液。在这个系统中，由于分析物的流体动力学效应，即使工作电极面积很小且电解质量微量，也能实现分析信号的放大。测量的H2O2浓度达到了微摩尔级别。然而，电极存在一个缺点：尽管液体流动速度很慢（20 μl s?1），但在测量过程中MnO2层很快被冲掉。这是因为Mn3+化合物易溶于水。因此，尽管灵敏度很高，信号无法达到稳态，也无法建立校准曲线。

因此，需要开发一种使用MnO2电极的替代方案。我们通过阻止含有H2O2的电解液流到电极上来测量通过电极的电荷（q），同时H2O2发生分解。根据法拉第第一定律，这个电荷与分解的H2O2量有关：
m = M × q/F × n，
其中m是参与氧化还原反应的锰的质量，与分解的过氧化氢量成正比；M是二氧化锰的摩尔质量；q是通过电解质的总电荷（单位为库仑）；n是参与反应的电子数；F是法拉第常数，约为96 485库仑/摩尔。对于特定的电解反应，M、F和n是常数，因此q的值等同于m。在恒电流电解的情况下，
q = It，
其中I是电流，t是过程时间。图10展示了我们获得的信号。PB溶液从通道1流入，然后含有过氧化氢的溶液从点1流入通道2，从点2到点3，系统中的溶液流动停止。之后纯PB溶液流入并清洗通道，然后可以重复这一过程。电荷（q）是通过从点2到点3的计时安培图曲线下的面积来测量的。

在微流控系统中获得的I–t依赖性。分析物是20 μM的H2O2溶解在0.1 M的PB溶液中。根据我们的经验，选择时间周期应根据研究对象来定。在这项研究中，最佳程序如下：PB溶液流动200秒，然后加入H2O2的磷酸盐缓冲液30秒，停止流动让反应进行300秒。流速始终为20 μl s?1。在开发该方法论的过程中，使用了4个电极，并测量了6种浓度的过氧化氢：5 μM、10 μM、15 μM、20 μM、30 μM、40 μM。所得到的校准曲线表示了工作电极上的电荷与H2O2浓度的依赖性。电极在重复测量时的重现性也进行了评估。参照图10，第一次测量时间从200秒到500秒，第二次测量从750秒到1050秒，第三次测量从1300秒到1600秒。其中一个电极的结果显示在图11中。由于数据点变化大和缺失，第一次测量往往不可重复。第二次和第三次测量具有较高的重现性，相关系数约为0.99。因此，在分析中使用了第二次测量结果。

图12展示了工作电极上记录的电荷与H2O2浓度的依赖性：1 – 第一次测量，2 – 第二次测量，3 – 第三次测量。图12还展示了四个电极的校准曲线。对所有电极进行了多次过氧化氢浓度的测量（6种浓度）；图中展示了第四电极的两个测量系列示例。

4. 结论

用Co2+离子掺杂MnO2是一种简单的工艺，但它显著改善了这种催化剂的催化性能。我们结合了物理方法来研究沉积物的组成和形态，以及量子化学模型来模拟基本的催化反应。结果表明，由于水解形式的锰（Mn–O–H键）的增加，相对于纯MnO2，H2O2浓度的测定范围提高了数倍。在宏观细胞中用搅拌溶液进行的系统催化研究中，含有最高浓度Co2+离子和Mn–O–H键的0.1Co_30电极显示出机械强度高，并且能够稳定地测定0.1 mM到9 mM范围内的过氧化氢浓度。相比之下，使用纯MnO2电极时，可检测的H2O2浓度范围为0.1 mM到3 mM。在微流控系统中测试表现出最佳特性的0.1Co_30样品，显示了催化剂的高灵敏度，能够稳定地测定5 μM的H2O2浓度。我们开发的测量机制考虑了电极组成的特点，确保了电极在重复测量期间的稳定性，并保证了长时间运行和大量样本的分析。我们还想补充一点，使用后MnO2层可以容易地被去除，ITO基底可以再次使用。我们的经验表明，ITO玻璃可以这样使用至少6个月，沉淀频率为每1–2周一次。这使得分析既经济又环保。

作者贡献：
VP：概念化、形式分析、实验研究（电化学实验）、撰写——原始草稿；MK：实验研究（XPS技术）；GM：实验研究（计算）；MJN：形式分析、资金获取、撰写——审稿与编辑。

利益冲突：
没有需要声明的利益冲突。

数据可用性：
与本文相关的数据已在RepOD仓库中提供，网址为：https://doi.org/10.18150/PUHR5I.45
补充信息（SI）亦可获取，详情见DOI：https://doi.org/10.1039/d6dt00434b。

致谢：
本工作得到了挪威研究与发展中心（NOR/POLNOR/UPTURN_UA/0060/2019）在2014–2021年期间的资助。