基于Ce3+/植酸-Cu2+@Cu/GCE纳米复合界面的无酶电化学传感器用于食品中H2O2高灵敏检测

《Molecules》：Benzothiazole–Triazole–Indazole Conjugates: Design, Characterization, and Preliminary In Vitro MTT-Based Antiproliferative Evaluation

　　

过氧化物（peroxide）是一种重要的氧化剂，可快速杀灭食品中的细菌、病毒和真菌，保障食品安全。然而，过量摄入会刺激胃肠道，导致腹痛和呕吐，其强氧化性亦会破坏食品中的维生素和蛋白质结构。铈基纳米材料（cerium-based nanomaterials）具有良好的生物相容性和强化学稳定性，在生物检测中具有显著应用价值。研究人员通过恒电位沉积（potentiostatic deposition）将铜纳米颗粒（Cu nanoparticles）沉积在玻碳电极（glassy carbon electrode，GCE）表面。以植酸（phytic acid，PA）蚀刻并络合 Cu²⁺，形成 PA-Cu³⁺ 配位膜，从而构建 Ce³⁺/PA-Cu²⁺@Cu/GCE 传感器。通过 X 射线衍射（X-ray diffraction，XRD）和傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared，FT-IR）对电极表面复合材料结构进行表征。电化学测试结果表明：Cu 电沉积时间为 700 s，PA 修饰时间为 60 min，Ce³⁺ 配位时间为 60 min，H₂O₂ 反应时间为 15 min。该传感器对过氧化氢的检测线性范围为 0.1–100 μmol/L，检测限为 0.89 μmol/L，并具有良好的选择性、灵敏度和重现性（RSD = 1.013%）以及稳定性（28 天时响应保留 84%）。

研究人员围绕过氧化物尤其是 H₂O₂ 在食品加工中的过量使用风险，以及现有检测需求展开研究。过氧化物作为强氧化性化学物质，广泛用作食品加工中的消毒剂和防腐剂，可通过抑制微生物代谢活动延长包装食品货架期。但过量使用会导致维生素、蛋白质等营养成分分解，并损伤消化道黏膜，引起腹痛和呕吐。因此，检测过氧化物对保障食品安全、环境健康和工业生产安全具有重要意义。常见检测方法包括滴定法、色谱法、荧光法、化学发光法、分光光度法和电化学法，其中电化学检测具有响应快、灵敏度高和易操作等综合优势。电化学生物传感器利用生物小分子特异性三维结构及其对底物的识别能力，将目标物浓度相关参数转化为电信号；模拟酶材料包括贵金属、金属氧化物、碳纳米材料和金属有机框架（metal-organic frameworks，MOFs）等。铜基 MOF 具有金属位点丰富、比表面积大、合成简单等优点。铈基材料具有丰富氧空位、强 Ce³⁺/Ce⁴⁺ 价态转换能力和高储氧能力，可模拟过氧化物酶活性。植酸（PA）含六个磷酸酯键，具有极强络合能力，可与 Ce³⁺、Cu²⁺ 等形成稳定复合物，并能调控材料微结构、增加比表面积和稳定性，还可作为质子传递介质加速催化反应。基于此，研究人员构建基于 GCE 的多层纳米结构体系，在恒电位下沉积 Cu 纳米颗粒（粒径 20–50 nm）作为高导电基底，利用 PA 与 Cu²⁺ 强配位形成 PA-Cu²⁺ 配位膜，并固定 Ce³⁺，构建 Ce³⁺/PA-Cu²⁺@Cu/GCE 无酶过氧化物酶传感器，探索 Ce³⁺、PA 与 Cu²⁺@Cu 之间的协同催化机制，考察其对 H₂O₂ 的检测性能和实际应用价值，旨在为高性能、低成本过氧化物酶传感器提供新思路和实验基础。

关键技术方法概述：研究人员采用恒电位沉积制备 Cu/GCE，通过 PA 和 Ce³⁺ 自组装构建 Ce³⁺/PA-Cu²⁺@Cu/GCE；用 XRD、FT-IR 表征复合材料结构，用循环伏安法（cyclic voltammetry，CV）、电化学阻抗谱（electrochemical impedance spectroscopy，EIS）、方波伏安法（square wave voltammetry，SWV）和差分脉冲伏安法（differential pulse voltammetry，DPV）进行电化学测试；优化 Cu 电沉积时间、PA 浸泡时间、Ce³⁺ 复合时间和 H₂O₂ 反应时间；选择性实验涉及 Ca²⁺、Mg²⁺、葡萄糖、尿酸、脂质、蛋白质和抗坏血酸，干扰物与 H₂O₂ 浓度比为 100:1；重现性实验使用 6 根 GCE，稳定性实验在室温避光及 60 °C、90% 湿度条件下考察。原文未提供实际样本队列来源，仅提及牛奶饮料常见成分用于干扰实验。

2.1 基于电活性 Ce³⁺-植酸-Cu²⁺@Cu 复合材料的 H₂O₂ 电化学传感器结果分析：研究人员将 Cu 纳米颗粒电沉积于 GCE 作为信号源，得到 Cu/GCE，再通过自组装交替吸附 PA 和 Ce³⁺，得到 Ce³⁺/PA-Cu²⁺@Cu/GCE。H₂O₂ 存在时，Ce³⁺ 被氧化，用于牛奶中 H₂O₂ 的高灵敏检测。

2.1.1 XRD 分析：对 Cu、PA-Cu²⁺@Cu 和 Ce³⁺/PA-Cu²⁺@Cu 纳米复合粉末进行 XRD 测试。纯铜粉在 2θ = 337.3°、42.5°、63.2°处出现特征衍射峰，分别对应铜面心立方结构的 (111)、(200)、(220) 晶面（PDF #89-2838），峰尖锐且强度高，说明结晶性良好。Cu 与 PA 形成 PA-Cu²⁺@Cu 后，铜特征峰强度明显降低，归因于 PA 分子中羧酸基与铜表面配位导致选择性蚀刻，PA 螯合 Cu²⁺ 形成可溶性复合物，重构铜纳米颗粒表面并削弱其结晶完整性。引入 Ce³⁺ 后，Ce³⁺/PA-Cu²⁺@Cu 中 Cu 衍射峰强度进一步降低，归因于 Ce³⁺ 与 PA 协同作用：Ce³⁺ 通过静电作用吸附于 PA-Cu²⁺@Cu 表面形成三元复合物，增强铜的化学蚀刻；Ce³⁺ 水解产生局部酸性微环境，加速铜氧化溶解。未观察到 Ce 相关衍射峰，说明 Ce³⁺ 可能以非晶态、高分散纳米颗粒或嵌入 PA-Cu²⁺ 晶格结构形式存在。该结果表明连续 Ce 处理可有效调节铜纳米颗粒表面结构，通过化学蚀刻和配位构建多孔纳米结构，为后续电催化反应提供更多活性位点。

2.1.2 红外光谱分析：FT-IR 用于分析 Cu、PA-Cu²⁺@Cu、Ce³⁺/PA-Cu²⁺@Cu 纳米复合粉末和 PA。纯铜在 400–4000 cm^?1 范围内无特征吸收峰，说明表面未修饰有机官能团。Cu 与 PA 形成 PA-Cu²⁺@Cu 后，谱图中出现 PA 特征峰。PA 中 P=O 键对称伸缩振动位于 1140 cm^?1，与 Cu 配位后红移至 1060 cm^?1，导致 P=O 键长增加、振动频率降低。988 cm^?1 吸收峰对应 P-O-C 键伸缩振动，反映 PA 分子在铜表面的锚定作用。进一步引入 Ce³⁺ 后，Ce³⁺/PA-Cu²⁺@Cu 谱图中由 988 cm^?1 移至 1006 cm^?1，归因于 Ce³⁺ 与 PA 中磷酸基团配位。Ce³⁺ 高配位数通过静电作用与 PA 的羧酸基和磷酸基形成多聚配合物，导致电子云密度重分布，P-O 键振动频率增加。同时 3420 cm^?1 羟基峰强度增加，说明 Ce 水解引入额外表面羟基。该结果补充了 XRD 分析，红外光谱证实 PA 和 Ce³⁺ 成功修饰，XRD 揭示铜纳米颗粒表面结构变化，共同验证 Ce³⁺/PA-Cu²⁺@Cu 电极的可控合成，并为优化电催化性能提供结构基础。

2.1.3 CV 循环曲线表征：以 Cu/GCE、PA-Cu²⁺@Cu/GCE、Ce³⁺/PA-Cu²⁺@Cu/GCE 为工作电极，在含 5.0 mmol·L^?1 K₃[Fe(CN)₆] 的 0.1 mol·L^?1 KCl 溶液中，以 50 mV/s 扫描速率在 0 至 1.0 V 记录 CV。Cu/GCE 呈现一对对称氧化还原峰，说明 [Fe(CN)₆]^3?/4? 电对在 Cu 表面发生准可逆反应。PA-Cu²⁺@Cu/GCE 的氧化峰电流下降，归因于 PA 分子中羧酸基的静电排斥阻碍 [Fe(CN)₆]^3?/4? 扩散传质。Ce³⁺/PA-Cu²⁺@Cu/GCE 的 CV 曲线电响应显著提高，归因于 Ce³⁺ 高导电性加速电子传递、降低电荷转移电阻（R_ct），Ce³⁺ 与 PA 形成的复合物为电子对提供更多活性位点并增加电极有效面积。XRD 和 FT-IR 分析证实该结果：Ce³⁺ 不仅优化电极表面电荷状态，还通过结构调整提高电子传递效率，为后续 H₂O₂ 电催化检测奠定电化学基础。

2.1.4 EIS 表征：EIS 用于测试 Cu/GCE、PA-Cu²⁺@Cu/GCE、Ce³⁺/PA-Cu²⁺@Cu/GCE 在含 5.0 mmol·L^?1 K₃[Fe(CN)₆] 的 0.1 mol·L^?1 KCl 溶液中的阻抗行为。高频区半圆直径对应电荷转移电阻（R_et），低频区斜线反映离子扩散行为。Cu/GCE 修饰 PA 后，PA-Cu²⁺@Cu/GCE 的 R_et 增加，半圆直径增加 76%，归因于 PA 中羧酸基与 Cu²⁺ 强配位形成致密绝缘层，阻碍 [Fe(CN)₆]^3?/4? 扩散传质；PA 负电荷引起静电排斥进一步降低迁移率。Ce³⁺/PA-Cu²⁺@Cu/GCE 的 R_et 比纯 Cu/GCE 低 30%，归因于 Ce³⁺ 与 PA 协同作用：Ce³⁺ 通过静电吸附中和 PA 负电荷，促进电荷对扩散；Ce³⁺ 与 PA 络合促进铜表面重构和多孔结构形成，增加有效反应面积。该结果与 CV 分析一致，说明 Ce³⁺ 可通过电荷调制、导电性增强和结构优化显著提高电极电子传递效率。

2.2 Ce³⁺-植酸-Cu²⁺@Cu 复合电化学传感器检测 H₂O₂ 的可行性：研究人员分别用 CV 和 SWV 验证。

2.2.1 CV 验证可行性：在含 50 μmol H₂O₂ 的 0.1 mol·L^?1 PBS 中测试裸 GCE、Cu/GCE、PA-Cu²⁺@Cu/GCE 和 Ce³⁺/PA-Cu²⁺@Cu/GCE 的电化学响应。裸 GCE 氧化峰 E_Pa 约 0.45 V，还原峰 E_Pc 约 ?0.05 V，峰电位差 ΔE_P 约 0.50 V，扫描范围内无特征氧化还原峰，说明缺乏电催化活性。Cu/GCE 出现明显氧化峰，峰电流增加，E_Pa 约 0.40 V，E_Pc 约 0.00 V，ΔE_P 约 0.40 V，归因于 Cu 纳米颗粒优异的电催化性能。PA-Cu²⁺@Cu/GCE 与 PA 结合后，E_Pa 正移至 0.50 V，E_Pc 负移至 ?0.10 V，ΔE_P 约 0.60 V，CV 对 H₂O₂ 响应下降，可能因 PA 在 Cu 表面形成非导电分子膜。Ce³⁺/PA-Cu²⁺@Cu/GCE 对 H₂O₂ 显示最大氧化还原峰，氧化峰电流接近 35 μA，还原峰电流超过 ?10 μA，说明 Ce³⁺ 引入进一步增强催化活性和电子传递速率。氧化峰电流 I_Pa 趋势显示，Ce³⁺/PA-Cu²⁺@Cu/GCE 的 I_Pa 比裸 GCE 高 12 倍，比 Cu/GCE 高 2 倍，比 PA-Cu²⁺@Cu/GCE 高 3.4 倍。说明 Cu 纳米材料修饰 GCE 提高电子传导效率，并为 PA 提供丰富附着位点；PA 可与 Cu/GCE 表面 Cu 结合并进一步螯合 Cu²⁺；Ce³⁺ 具有优异氧化还原活性和催化性能，通过 PA 剩余磷酸基富集于电极表面，增加催化位点并加速目标分子氧化还原反应，最终使峰电流达到最大值。

2.2.2 SWV 验证可行性：SWV 测试 GCE、Cu/GCE、PA-Cu²⁺@Cu/GCE、Ce³⁺/PA-Cu²⁺@Cu/GCE 在 H₂O₂ 溶液中的响应，以 Ag/AgCl 饱和 KCl 为参比电极。裸 GCE 无氧化峰电流，说明无电化学活性。Cu/GCE 在 0.20 V 显示氧化峰，说明 Cu 物理附着于 GCE 后对 H₂O₂ 检测有明显信号。PA 与 Cu/GCE 形成 PA-Cu²⁺@Cu/GCE 后，氧化峰位于 0.23 V，峰电流下降，说明 PA 覆盖降低 Cu²⁺ 导电性，与 CV 趋势一致。Ce³⁺/PA-Cu²⁺@Cu/GCE 在 0.26 V 氧化峰最大，说明 Ce³⁺ 出现产生离子价态间电子转移，同时增强 Cu²⁺ 纳米材料导电性，与 CV 图像一致，表明该电极对 H₂O₂ 测定催化效果最佳。

2.3 Ce³⁺-植酸-Cu²⁺@Cu 复合电化学传感器制备条件优化：

2.3.1 Cu 电沉积时间优化：以 SWV 氧化峰电流为指标，固定 PA 浸泡 60 min、Ce³⁺ 复合 60 min、H₂O₂ 反应 10 min，考察 100–800 s。Cu/GCE 氧化峰电流随沉积时间从 100 s 增至 700 s 逐渐增加，归因于铜纳米颗粒成核和生长，初期岛状成核活性位点密度低，时间延长后铜颗粒团聚形成连续薄膜，有效反应面积增加。超过 700 s 后峰电流下降，因沉积层过厚引起结构缺陷、孔隙率增加、晶粒粗化，活性位点减少；沉积层与 GCE 孔隙增加也减少活性位点；结合力减弱导致部分铜脱落。因此确定 700 s 为最佳电沉积时间。

2.3.2 植酸溶液浸泡时间优化：固定 Cu 电沉积 600 s、Ce³⁺ 复合 60 min、H₂O₂ 反应 10 min，考察 10–80 min。反应时间从 10 min 增至 60 min，PA-Cu²⁺@Cu/GCE 氧化峰电流逐渐下降，反映 PA 分子在铜表面逐层吸附。超过 45 min，PA 分子通过螯合形成多层吸附，在铜表面形成致密绝缘层，阻碍 H₂O₂ 扩散传质。60 min 时氧化峰电流趋于稳定，说明 PA 与铜的配位蚀刻达到动态平衡，PA 分子通过配位充分包覆 Cu 纳米颗粒形成 PA-Cu²⁺@Cu 结构。80 min 时电流无显著变化，说明 PA 蚀刻过程完成，过量 PA 吸附对电极特性无进一步影响。因此选择 60 min 为最佳反应时间。

2.3.3 Ce³⁺ 复合时间优化：固定 Cu 电沉积 600 s、PA 浸泡 60 min、H₂O₂ 反应 10 min，考察 10–80 min。修饰时间 10–60 min 时，Ce³⁺/PA-Cu²⁺@Cu/GCE 氧化峰电流逐渐增加，反映逐层吸附过程。10–30 min 时 Ce³⁺ 通过静电作用吸附于 PA 羧酸基，形成单层覆盖。超过 45 min，Ce³⁺ 与 PA 通过配位形成三元复合物，电子迁移增加。60 min 时氧化电流峰最大，说明 Ce³⁺ 吸附饱和。80 min 时电流略降，因过量 Ce³⁺ 聚集导致活性位点减少且速率受影响。因此选择 Ce³⁺ 反应时间 60 min 为最佳。

2.3.4 Ce³⁺-植酸-Cu²⁺@Cu 复合物与 H₂O₂ 反应时间优化：考察 5–30 min。5–10 min 时 Ce³⁺ 氧化增加电极表面电荷密度，有利于 H₂O₂ 扩散传质。15 min 时氧化电流峰最大，说明 Ce³⁺ 与 H₂O₂ 反应达到动态平衡，电极表面形成 Ce^3+/4+ 混合氧化层，加速氧化还原循环中的电子转移。30 min 时电流略降，因表面钝化及过量 Ce⁴⁺ 积累导致活性位点聚集和减少。因此选择 H₂O₂ 反应时间 15 min。

2.4 Ce³⁺/PA-Cu²⁺@Cu/GCE 检测 H₂O₂ 的线性范围和检测限：在优化参数下，用 DPV 在 0.1 mol·L^?1 PBS（pH 6.8）中测试 H₂O₂ 浓度 0.1–100 μmol·L^?1。Ce³⁺/PA-Cu²⁺@Cu/GCE 在 0.21 V 的氧化峰电流随 H₂O₂ 浓度增加而显著增加；在 0.1–100 μmol·L^?1 范围内，氧化峰电流 I_Pa 与 H₂O₂ 浓度呈良好线性关系，相关系数 R² = 0.99。在 S/N = 3 时，检测限（limit of detection，LOD）为 0.89 μmol·L^?1，低于传统酶基传感器，且检测范围宽于许多纳米材料传感器。检测限达到微摩尔水平，归因于铜纳米颗粒高导电性及 Ce³⁺/PA 配位网络协同效应：铜纳米颗粒提供直接电子转移路径，Ce³⁺/Ce⁴⁺ 氧化还原耦合、H₂O₂ 吸附和活化增强电子转移路径。传感器灵敏度为 1.46 μA/(μmol·L^?1)，归因于铜纳米颗粒作为信号源直接修饰于电极表面，提供直接电子传输路径，使电子更高效转移并增强信号输出，说明表面吸附步骤控制催化过程。

2.5 干扰物质对 H₂O₂ 检测结果的影响：选择性测试考察 Ce³⁺/PA-Cu²⁺@Cu/GCE 检测 H₂O₂ 是否受其他物质影响。干扰离子氧化电流响应低于 10 μA，而 H₂O₂ 可达 56 μA。使用制备的复合纳米材料构建的传感器可有效抵抗不同物质干扰，并能选择性检测 H₂O₂。Ce³⁺/PA-Cu²⁺@Cu/GCE 能与 H₂O₂ 发生特异性反应，电化学信号变化表明该传感器具有较好选择性。

2.6 Ce³⁺/PA-Cu²⁺@Cu/GCE 重现性和稳定性分析：测试电极重现性和稳定性。不同传感器之间电流响应差异极小，相对标准偏差（relative standard deviation，RSD）仅为 1.013%，说明重现性优良。随储存时间增加，H₂O₂ 峰电流信号逐渐降低，第一周期降幅最大，之后降低速度减慢，但第 28 天 H₂O₂ 电流信号仍约为 84%。传感器在 60 °C 烘箱中 7 天后电流保留率为 89.0%，在 90% 湿度下 7 天后为 88.6%。说明 Ce³⁺/PA-Cu²⁺@Cu/GCE 具有较好的重现性和稳定性。

讨论部分总结与结论翻译：本研究采用恒电位沉积法在 GCE 表面制备铜纳米颗粒，通过植酸（PA）蚀刻并络合 Cu²⁺形成配位膜，随后固定 Ce³⁺，构建三层修饰电极。通过 XRD、FT-IR 表征证实材料成功合成，通过 CV、EIS 分析电极界面电子传递特性。优化并确定最佳工艺条件：Cu 电沉积时间 700 s，PA 修饰 60 min，Ce³⁺ 配位 60 min，H₂O₂ 反应 15 min。该传感器对过氧化氢的检测线性范围为 0.1–100 μmol/L，检测限为 0.89 μmol/L，并具有良好的选择性、灵敏度、重现性（RSD = 1.013%）和稳定性（28 天响应保留 84%）。该研究通过构建无酶过氧化物酶传感器，探索 Ce³⁺、植酸和 Cu²⁺@Cu 之间的协同催化机制，考察了传感器对 H₂O₂ 的检测性能和实际应用价值，为开发高性能、低成本过氧化物酶传感器提供了新思路和实验基础。