电化学还原氧化石墨烯作为聚苯胺包覆金纳米颗粒载体用于非酶EC-SERS检测过氧化氢

《ChemElectroChem》：Electrochemically Reduced Graphene Oxide as a Support for Polyaniline-Coated Gold Nanoparticles in Non-Enzymatic EC-SERS Detection of Hydrogen Peroxide

　　

过氧化氢是一种重要的活性氧物种，参与氧化应激、酶促反应、食品加工和环境监测；因此，灵敏且操作稳定的测定方法在电分析化学中仍然具有重要意义。本文报道了一种基于丝网印刷金电极的无酶电化学表面增强拉曼光谱(EC-SERS)平台，该电极修饰有超薄氧化石墨烯(GO)或电化学还原氧化石墨烯(ERGO)层，以及作为氧化还原活性拉曼纳米探针的聚苯胺包覆金纳米颗粒(PANI@AuNPs)。H₂O₂通过比率型SERS标记I₁₅₆₅/I₁₅₉₅进行间接定量，该标记反映还原态/苯环式PANI结构向氧化态/醌式结构的转化，而非直接检测H₂O₂的特征拉曼带。基于ERGO的平台对H₂O₂的检出限为8.13×10^?7 M，并在10^?6–10^?2 M范围内表现出优异的线性。与先前报道的辣根过氧化物酶(HRP)辅助系统相比，该平台提供了一种无酶替代方案，制备更简单，并且对酶受抑制的毫摩尔级H₂O₂浓度具有更好的耐受性。初步基质耐受性测试表明，自来水中的响应与PBS相当，而稀释牛奶使比率信号下降约10.5%，支持PANI@AuNPs/ERGO平台在环境水和选定的食品相关基质中的潜在适用性。

研究背景与意义：过氧化氢(H₂O₂)是重要的活性氧物种，参与氧化应激、氧化还原信号、炎症与抗菌过程，并在食品质量控制与环境分析中需要检测。现有电化学传感器、比色法和荧光探针分别存在选择性有限、光学背景干扰、需标记且对pH敏感等局限。表面增强拉曼光谱(SERS)具备分子特异性，电化学SERS(EC-SERS)通过电位调控可增强表面分子的氧化还原响应。导电聚合物的拉曼光谱随氧化态改变，聚苯胺(PANI)可充当氧化还原可读的拉曼探针。研究人员此前发展的聚苯胺包覆金纳米颗粒(PANI@AuNPs)在辣根过氧化物酶(HRP)辅助下可检测低至10^?8 M的H₂O₂，但酶体系成本高、稳定性差且在高浓度H₂O₂下失活。氧化石墨烯(GO)及电化学还原氧化石墨烯(ERGO)具有高比表面积、可调含氧官能团及还原后电导率提升等特点，可促进电荷转移并具有拟过氧化物酶/电催化活性，因此被选作替代酶催化的界面材料。论文发表在《ChemElectroChem》。

关键技术方法：研究人员采用改良Hummers-Offeman法合成GO，滴涂于丝网印刷金电极，并通过循环伏安在?0.2至?1.0 V、5 mV/s扫描5圈电化学还原制备ERGO；将预先合成的PANI@AuNPs滴涂获得复合界面。用FTIR和拉曼光谱去卷积分析GO/ERGO官能团与缺陷结构；用SEM、HR-TEM及EDS表征形貌与元素分布；用CV和EIS评估氧化还原电位和电荷转移电阻；用633 nm激发的EC-SERS记录电位依赖和H₂O₂浓度依赖光谱，以I₁₅₆₅/I₁₅₉₅比率定量；在PBS、自来水和1:10稀释牛奶中测试基质效应。

结果与讨论：

3.1 GO/ERGO与PANI@AuNPs的表征：FTIR显示GO含COOH、COO^?、环氧基和C?O等官能团，电化学还原后官能团几乎消失。拉曼去卷积显示ERGO的I_D/I_G从1.49升至1.57，A_D/A_G从2.91降至2.77，D带半峰宽明显变窄，D′带面积下降58%，I_D/I_D′从2.04升至4.71，说明面内sp²域重建、面内缺陷减少而边缘/跨平面缺陷增多。SEM显示GO/ERGO在电极上形成均匀超薄层。HR-TEM/EDS确认AuNPs粒径20–30 nm，且氮和金的信号共定位，证明PANI成功包覆AuNPs。

3.2 电化学与EC-SERS测量：CV显示PANI@AuNPs/ERGO具有更高电容电流和最低半波电位(E_1/2=0.328 V，对比PANI@AuNPs的0.357 V和PANI@AuNPs/GO的0.348 V)；EIS显示电荷转移电阻(R_ct)从194.32 Ω降至139.02 Ω再降至124.61 Ω，表明ERGO促进界面电子转移。EC-SERS在?0.1至0.7 V范围内采集光谱，随电位升高，醌式1565 cm^?1与苯式1595 cm^?1强度比增大；ERGO体系在相同电位下具有更高比值，说明ERGO促进PANI氧化。

3.3 EC-SERS检测过氧化氢：在10^?6–10^?2 M范围内，I₁₅₆₅/I₁₅₉₅与H₂O₂浓度的对数呈线性。灵敏度为PANI@AuNPs=0.045、PANI@AuNPs/GO=0.059、PANI@AuNPs/ERGO=0.091 1/logM；R²分别为0.878、0.982、0.994；检出限(LOD)分别为2.00×10^?3 M、5.75×10^?5 M、8.13×10^?7 M。空白孵育90 min无明显光谱变化，排除溶解氧干扰。与HRP辅助体系相比，在10^?3–10^?2 M高浓度H₂O₂下HRP体系响应下降，而无酶ERGO体系仍保持线性增加。三支独立电极在10^?3 M H₂O₂下RSD=2.37%；连续三次空白-样品-空白循环显示信号可恢复且稳定。在5×10^?3 M H₂O₂下，自来水响应为PBS的100.7%，稀释牛奶为89.5%，表明基质影响较小。

3.4 结构-性能关系：H₂O₂灵敏度顺序为PANI@AuNPs < PANI@AuNPs/GO < PANI@AuNPs/ERGO，与EC-SERS中I₁₅₆₅/I₁₅₉₅比值、CV半波电位及EIS R_ct结果一致。FTIR表明ERGO几乎不含氧官能团，因此氧官能团不是主要因素；拉曼去卷积揭示ERGO缺陷结构的重组——sp²域重建和边缘/跨平面缺陷比例增加——改善了导电性和电荷传输，从而促进H₂O₂诱导的PANI氧化，协同提高了传感性能。

总结与结论：讨论部分综合光谱、电化学和传感结果，提出ERGO的缺陷结构重组而非氧官能团是增强PANI@AuNPs氧化和H₂O₂响应的关键因素。研究人员提出了一种无酶EC-SERS策略，将超薄GO/ERGO层作为电化学活性界面与PANI@AuNPs氧化还原探针结合在丝网印刷金电极上。结构表征与电化学结果一致表明，ERGO通过重建sp²域和改变缺陷类型改善了电荷转移；EC-SERS中ERGO促进PANI氧化并产生最强的比率响应。该平台LOD为8.13×10^?7 M，在10^?6–10^?2 M范围内线性良好；相比HRP辅助系统，无需酶固定化，且在高浓度H₂O₂（酶失活条件）下仍保持准确响应，是更简单、更稳定的替代方案。初步基质测试显示在自来水和稀释牛奶中比率信号仍可测量，表明该平台在环境水和食品相关基质中具有应用潜力。该工作为设计无酶EC-SERS氧化还原界面提供了合理方法。