NGB表面涂覆了氧化钌，使其具有类似过氧化物酶的活性，用于H?O?和氢醌的比色测定

《Microchemical Journal》：NGB decorated by ruthenium oxide as peroxidase mimetics for colorimetric assay of H 2O 2 and hydroquinone

基于硝酸钝化处理的银杏生物炭负载二氧化钴（RuO?@NGB）复合材料，通过化学氧化与水热法合成。SEM和TEM显示NGB为褶皱片状结构，RuO?纳米颗粒（1-2 nm）均匀负载于表面。XPS证实Ru、O、C、N元素共存，其中Ru含量50.50 wt%。该材料在过氧化氢酶模拟中表现出优异性能，在最佳pH、温度及TMB浓度下，对H?O?检测线性范围0.1-300 μM，对HQ检测分为0.5-10 μM和10-370 μM两个线性区间。该体系具有低成本、高灵敏度、快速检测特性，适用于环境监测中H?O?和HQ的联检。

　　

尹艳辉|肖荣涛|盛青青|张雅|王洪贵

中国江苏省扬州市扬州大学环境科学与工程学院，邮编225127。

摘要

具有过氧化物酶类似活性的纳米材料因其多样的催化性能和相对于天然酶的成本效益而受到了广泛的研究关注。在本研究中，通过化学氧化与水热法结合的方式制备了氧化钌和氮掺杂银杏生物炭（RuO₂@NGB）复合材料。扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）结果显示，NGB具有皱褶的片状结构，当与RuO₂复合后，直径约为1–2纳米的RuO₂颗粒会在NGB表面生长。X射线光电子能谱（XPS）分析表明，RuO₂@NGB纳米复合材料中存在Ru、O、C和N元素，其含量分别为50.50%、20.13%、28.14%和1.23%（重量百分比）。作为过氧化物酶类似材料的主要成分，RuO₂纳米颗粒在NGB上的锚定赋予了RuO₂@NGB复合材料优异的过氧化物酶模拟活性。在最佳pH值、温度以及3,3,5,5-四甲基联苯胺（TMB）浓度条件下，RuO₂@NGB复合材料能够实现H₂O₂和氢醌（HQ）的比色检测。H₂O₂的线性检测范围为0.1–300微摩尔；对于HQ，则观察到两个线性检测范围：0.5–10微摩尔和10–370微摩尔。

引言

过氧化氢（H₂O₂）作为一种有害化学物质，被广泛应用于食品添加剂、漂白剂、清洁剂和牙齿美白等领域[1]，[2]。因此，H₂O₂会释放到环境中，对生态系统和人类健康构成威胁。有必要监测环境中的H₂O₂浓度。氢醌（HQ）作为一种酚类化合物，被广泛应用于医药、橡胶、农药、精细化工和纺织品等行业[3]。然而，HQ具有高毒性和难降解性，对人类和生态系统有害[4]，因此也需要监测其环境释放浓度。目前已有多种方法用于测定H₂O₂和HQ的浓度[1]，[4]，但仍需要更简单、更便宜、更快、更具选择性和更灵敏的方法。

纳米材料因其机械稳定性和热稳定性、制备工艺的简便性、结构设计的灵活性以及多样的催化活性而受到越来越多的研究关注[5]。其中，类酶纳米材料能够模拟（过）氧化物酶的活性，从而应用于环境监测[6]、生物检测[7]和免疫分析[8]等领域。多种纳米材料已表现出内在的过氧化物酶类似催化活性，例如氧化铁[9]、金属纳米颗粒[8]、[10]、二硫化钼[8]、[10]、MOF基纳米酶[12]以及金属氧化物/碳复合材料[13]、[14]。尽管在类酶纳米材料方面取得了诸多进展，但仍需寻找价格更低、催化活性更高且分离性能更快的稳定过氧化物酶模拟物。

氧化钌（RuO₂）因其优异的催化活性而受到广泛关注[15]、[16]，被认为是制造电池[17]、超级电容器[18]、氧气革命电极材料[20]的有希望的候选材料。它还可用于异相催化氧化（甲醇/乙醇氧化[21]、[22]、CO氧化[23]），以及气体传感器[24]和氨合成[25]等领域。然而，RuO₂的催化活性高度依赖于其颗粒大小，而颗粒大小与其高比表面积密切相关。为解决这一问题，寻找合适的RuO₂载体材料至关重要。碳纳米管（CNTs）[18]、[26]、石墨烯[19]、[27]、多孔碳[28]和氮掺杂生物炭[29]等材料因其较大的比表面积和优异的热稳定性而被用作载体。研究表明，CNTs[18]、[26]和石墨烯[19]、[27]是理想的RuO₂载体。目前已有大量证据表明，氮掺杂碳材料可作为制备催化剂的有希望的基底，尤其是对于贵金属化合物，能够降低成本并提高催化剂稳定性[30]。将氮原子引入碳骨架可以有效调节电子性质并增加活性位点的数量[31]、[32]。

在本研究中，通过化学氧化后结合水热法制备了氮掺杂银杏生物炭（NGB）与RuO₂的复合材料。RuO₂纳米颗粒在NGB上的锚定赋予了RuO₂@NGB复合材料优异的过氧化物酶模拟活性，并对其过氧化物酶类似活性进行了全面研究。基于RuO₂@NGB的比色检测H₂O₂和HQ的新系统具有简便、经济、快速、选择性和灵敏等优点。

材料与仪器

氯化钌（RuCl₃）、过氧化氢（H₂O₂）、3,3′,5,5’-四甲基联苯胺（TMB）、二甲基亚砜（DMSO）、三水合醋酸钠（CH₃COONa, NaAc）、乙酸（CH₃COOH, HAc）、氢醌（HQ）等化学试剂均购自中国上海的国药化学试剂有限公司，使用前保持原样。TMB溶液用DMSO和HAc-NaAc缓冲液配制；除非另有说明，其他溶液均用HAc-NaAc缓冲液配制。

NGB、RuO₂和RuO₂@NGB的制备

NGB的制备采用两步热处理法完成

RuO₂@NGB的表征

NGB、RuO₂和RuO₂@NGB的形态图见图1。图1a和b分别为NGB和RuO₂@NGB的SEM图像，显示RuO₂修饰后，RuO₂纳米颗粒在NGB表面生长，使NGB片层表面变得粗糙。TEM图像（图1c）显示NGB具有皱褶的片状结构。图1d显示RuO₂的直径约为1–2纳米。RuO₂@NGB的TEM和高分辨率TEM（HRTEM）图像（图1e和f）进一步证实了这一点

结论与未来展望

本研究通过化学氧化与水热法结合制备了RuO₂@NGB复合材料。NGB作为基底，不仅实现了RuO₂纳米颗粒的固定，还显著提高了比表面积。计算得到的K_m和V_max值表明RuO₂@NGB对H₂O₂和TMB具有高亲和力。RuO₂@NGB的过氧化物酶类似活性是内在的，来源于·OH自由基。基于RuO₂@NGB系统的比色检测方法表现出良好的灵敏度和选择性。

CRediT作者贡献声明

尹艳辉：数据可视化、验证、实验设计、概念构建。肖荣涛：实验研究。盛青青：实验研究。张雅：论文撰写与修订、原始稿撰写、资源获取、资金申请。王洪贵：论文撰写与修订、原始稿撰写、实验指导、资源获取、资金申请。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本工作得到了扬州大学医学创新与转化专项基金（项目编号AHYZUCXTD202108）、扬州市科技项目（项目编号YZ2021163）以及江苏省研究生研究与创新计划（项目编号KYCX25-4015）的支持。