三維泡沫石墨烯在抗壞血酸的干擾下檢測尿酸

欒汝水，岳紅彥，俞彥飛，張博文，楊洋，呂品

（哈爾濱理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040）

三維泡沫石墨烯在抗壞血酸的干擾下檢測尿酸

欒汝水，岳紅彥*，俞彥飛，張博文，楊洋，呂品

（哈爾濱理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040）

該文采用化學(xué)氣相沉積法在泡沫鎳上生長石墨烯，通過掃描電鏡、X射線衍射、拉曼光譜對生成產(chǎn)物的形貌和結(jié)構(gòu)分別進行了表征。結(jié)果表明：所制得的石墨烯為具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)且層數(shù)較少的石墨烯。將三維泡沫石墨烯轉(zhuǎn)移到ITO玻璃上制成生物傳感器的工作電極，利用電化學(xué)工作站對尿酸和抗壞血酸進行檢測，電化學(xué)測試結(jié)果表明：三維泡沫石墨烯修飾電極在抗壞血酸的干擾下可以準(zhǔn)確的檢測尿酸，其靈敏度為0.274 μA/(μmol/L)，線性范圍為10～100 μmol/L。

三維泡沫石墨烯；化學(xué)氣相沉積法；尿酸；抗壞血酸；生物傳感器

0 引言

尿酸，是人體的一個主要嘌呤代謝產(chǎn)物，被視為是重要的天然抗氧化劑[1]。尿酸水平異?？蓪?dǎo)致一些常見疾病的發(fā)生，如痛風(fēng)、高尿酸血癥和帕金森氏病等[2]?？箟难崾侨祟愶嬍持械囊环N重要維生素，其抗氧化的特性是眾所周知的[3]。尿酸、抗壞血酸這兩種物質(zhì)，在人體的中樞神經(jīng)系統(tǒng)和血清中的細(xì)胞外液中共存。然而，當(dāng)使用傳統(tǒng)固體電極的生物傳感器時[4]，因為他們的氧化電位彼此重疊，比表面積不足，很難檢測到這兩種物質(zhì)混合在一起時的每種物質(zhì)，使其選擇性和靈敏度都很差。雖然高性能液相色譜法、酶方法、微流體系統(tǒng)可用于定量地檢測這些物質(zhì)并具有高度的靈敏性，但這些方法由于成本高、實驗條件復(fù)雜等[5～7]大多都不被采用。目前，電化學(xué)方法已引起人們高度的重視，電化學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、靈敏度高、選擇性好，以及具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性，并且具有低的檢測限[8～9]，已被廣泛應(yīng)用到科學(xué)研究、臨床檢測和工業(yè)分析中。

石墨烯，又稱單層石墨，是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一個碳原子厚的二維材料。因具有優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)、化學(xué)、熱學(xué)以及高比表面積等特性，石墨烯被認(rèn)為是“后硅時代”的新潛力材料，其潛在應(yīng)用領(lǐng)域包括高速晶體管、透明電極、印刷電子、新型復(fù)合材料、超靈敏傳感器、新型催化劑、基因測序、儲能裝置等[10]。石墨烯這種物質(zhì)在外界條件下具有十分穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，并在許多科學(xué)領(lǐng)域和實際應(yīng)用中具有許多潛在的用途。

該文采用化學(xué)氣相沉積法制備三維泡沫狀石墨烯，并將其用于構(gòu)建修飾電極，利用其具有高孔隙率、導(dǎo)電性能良好等優(yōu)點實現(xiàn)了對尿酸和抗壞血酸的檢測，揭示三維泡沫狀石墨烯修飾電極的生物傳感器對尿酸具有高度的選擇性和靈敏度。

1 實驗

1.1 實驗材料

泡沫鎳（Alantum公司）；聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，Sigma-Aldrich公司）；乳酸乙酯（Sigma-Aldrich公司）；尿酸（UA，Sigma-Aldrich公司）；抗壞血酸（AA，Sigma-Aldrich公司）。

1.2 三維泡沫石墨烯電極的制備

首先，以泡沫鎳為模板制備出三維泡沫石墨烯。具體工藝如下：將泡沫鎳(所用泡沫鎳密度為420 g/m3，厚度為1.6 mm)置于石英管式爐中央，在氬氣和氫氣(氬氣的流速為500 sccm，氫氣的流速為200 sccm)的保護下從室溫以40℃/min的升溫速率加熱至溫度為1 010℃，保溫30 min，然后向管式爐中以20 sccm的速率通入甲烷氣體10 min，然后將石英管式爐以100℃/min的冷卻速率冷卻至室溫，得到被石墨烯包裹的泡沫鎳。

然后，去除泡沫鎳，制備三維泡沫石墨烯。具體工藝如下：第一步，將得到的被石墨烯包裹的泡沫鎳切割成表面積為1×1 cm2的小塊；第二步，將PMMA(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%)溶于乳酸乙酯中，并且在溫度為100℃的條件下加熱攪拌2 h得到混合溶液，按每平方厘米200 μL的使用量利用加樣槍將混合溶液滴加到泡沫石墨烯上，在室溫下自然干燥，然后在溫度為180℃的條件下保溫0.5 h得到表面包覆PMMA的泡沫石墨烯，并將其完全浸泡于溫度為90℃、濃度為3 mol/L的鹽酸溶液中6 h磁力攪拌100 r/min，得到去除鎳的三維泡沫石墨烯；第三步，將得到的去除鎳的三維泡沫石墨烯浸泡于溫度為60℃的丙酮中1 h，得到去除PMMA的泡沫石墨烯，然后用蒸餾水將去除PMMA的泡沫石墨烯清洗干凈，并將清洗干凈的泡沫石墨烯轉(zhuǎn)移到干凈的ITO玻璃(所用的ITO玻璃是先后依次在丙酮中超聲清洗15 min，乙醇中超聲清洗15 min和去離子水中超聲清洗15 min，在室溫下自然干燥得到的)上；第四步，將樣品置于冷凍干燥機中，冷凍到40℃后真空干燥5 h；第五步，將冷凍干燥后的樣品進行熱處理1 h，溫度為450℃。具體步驟如圖1所示。

圖1 泡沫石墨烯生物傳感器制備流程Fig.1Graphene foam biosensor preparation process

最后，將熱處理后的三維泡沫石墨烯用作生物傳感器的工作電極。

1.3 表征方法

掃描電子顯微鏡（SEM）采用JSM-7000F型掃描電鏡；XRD衍射分析儀采用日本RIGAKU公司的D/Max-RB衍射儀(Cu靶，Kα輻射，λ= 0.154 056 nm)，掃描范圍5°～80°；拉曼光譜（Raman）分析采用英國RENISHAW公司的RM-1000型顯微共焦激光拉曼光譜儀，激光波長為514 nm。

1.4 電化學(xué)性能測試

所有的電化學(xué)測量，包括循環(huán)伏安曲線（CV）和差分脈沖伏安曲線（DPV）都是在0.1 mol/L的PBS緩沖溶液（pH=7.4）中進行的，采用CS350型電化學(xué)工作站（武漢科思特公司）和三電極體系在室溫下進行檢測。三維泡沫石墨烯作為工作電極，Ag/AgCl電極作為參比電極，Pt電極作為安全電極。CV的掃描速率為50 mV/s，其他說明除外。DPV的記錄范圍為-0.2～+0.6 V，基本參數(shù)如下：脈沖幅度：50 mV，脈沖寬度：0.2 s，時間間隔：0.5 s，脈沖寬度：4 mV。

2 結(jié)果與分析

2.1 三維泡沫石墨烯的表征

圖2-A為用于制備三維泡沫石墨烯的泡沫鎳的SEM圖。圖中可以清晰地看出，泡沫鎳具有疏松多孔的三維立體結(jié)構(gòu)，其孔徑均勻約為200 μm，且表面光滑。圖2-B為泡沫鎳被刻蝕后三維泡沫石墨烯的結(jié)構(gòu)，去除鎳后的石墨烯結(jié)構(gòu)相對泡沫鎳雖然略有變化，似乎有部分結(jié)構(gòu)塌陷，但整體看來能夠保持原來的三維結(jié)構(gòu)，并且孔徑大小與泡沫鎳模板一致。說明鎳支架結(jié)構(gòu)已經(jīng)被完全去除，所形成的結(jié)構(gòu)為碳自支撐結(jié)構(gòu)。通過化學(xué)氣相沉積發(fā)制備的三維石墨烯能夠保持泡沬鎳的三維連通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖2 泡沫鎳A及泡沫石墨烯B的SEM圖Fig.2A,SEM images of nickel foam,B,SEM images of GF

將化學(xué)氣相沉積法制得的泡沫石墨烯進行XRD測試，得到如圖3-A所示的XRD圖譜。圖上可見清晰2個特征衍射峰，依次為26.5°、54.6°。這些衍射峰分別對應(yīng)(002)及(004)晶面。通過對比標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片JCPDS75-1621可知，以上衍射峰都與石墨的晶面指數(shù)相對應(yīng)。在衍射峰中沒有觀察到其它雜質(zhì)的衍射峰值說明產(chǎn)物較為純凈。XRD結(jié)果證明化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)出的樣品為石墨烯且足夠純凈。圖3-B為三維泡沫石墨烯的Raman測試，可以看出在1 578 cm-1，及2 685 cm-1處有明顯的特征峰。兩個強峰分別對應(yīng)G帶和2D帶，前者是由sp2雜化的碳原子的共面振動引起的G峰。而后者則是雙共振拉曼散射引起的2D峰。2D峰的出現(xiàn)表明我們制備的3D石墨烯具有高質(zhì)量。另外，此峰對石墨烯的厚度很敏感。在譜圖中沒有發(fā)現(xiàn)由缺陷引起的D峰(1 350 cm-1左右)，再次證明樣品具有高質(zhì)量。

圖3 三維泡沫石墨烯的表征A,XRD圖譜；B,Raman圖譜Fig.3A,XRD patterns of GF.B,Raman spectrum of GF

2.2 電化學(xué)性能測試

2.2.1 CV測試

圖4中A和B分別表示的是掃描電位在-0.2～+0.6 V之間，掃描速率為50 mV/s，三維泡沫石墨烯修飾電極及裸玻碳電極在1 mmol/L的 UA和1 mmol/L的AA中測得的CV曲線圖。石墨烯修飾電極得到UA及AA的氧化峰大概為0.51 V和0.49 V，而裸玻碳電極觀察到的氧化峰約為0.37 V和0 V。明顯看出，石墨烯修飾電極測得的UA和AA的電流峰值比裸玻碳電極測得的高很多。這可能是高導(dǎo)電的三維石墨烯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提供了一個巨大的比表面積，從而提高從生物分子到離子和電子傳輸能力。圖4-C為石墨烯修飾電極在1 mmol/L的AA和50 μmol/L的UA混合溶液中的CV曲線，UA的氧化峰明顯比AA高很多，說明三維泡沫石墨烯對UA的靈敏度要比AA好。

圖4 三維泡沫石墨烯修飾電極和裸玻碳電極在A,1 mmol/L UA中的CV曲線和B,在1mmol/L AA中的CV曲線;C,三維泡沫石墨烯修飾電極在含有1mmol/L AA和50 μmol/L UA中的CV曲線Fig.4Curves of GF electrcode and GC electrcode t a scan rate of 50 mV/s A,in UA and B,1 mmol/L AA;C,CV curves of GFelectrode in 1 mmol/L AA and 50μmol/L UA

圖5-A是UA在掃描速率為10～100 mV/s測得的CV曲線。從循環(huán)伏安曲線中可以看出，氧化峰電流隨著掃描速率的增加而增加，同時氧化峰電流位置正移。氧化峰電流與掃描速率的平方根成正比，如圖5-B所示，擬合曲線方程為：Ip (μA)=0.061+1.926 v1/2(mV/s)，線性相關(guān)系數(shù)：r= 0.990 2。根據(jù)Randles-Sevcik方程：Ip=kn2/3AD1/2cv1/2式中k為Randles-Sevcik常數(shù)，n為交換電子數(shù)，A為電極面積，D為擴散系數(shù)，c為濃度。由公式可知，若氧化峰電流Ip與掃描速率的平方根v1/2成正比，則這個反應(yīng)是準(zhǔn)可逆氧化還原反應(yīng)，電極反應(yīng)是擴散型。這說明UA是通過擴散作用擴散到電極表面的，可通過此傳感器對UA進行電化學(xué)檢測。

圖5 A,不同掃描速率下的CV曲線，其掃描速率分別為10,30,50,75,100 mV/s;B,掃描速率平方根與氧化峰電流的關(guān)系圖Fig.5CV curves of GF in 1 mmol/L UA at different scan rates.A,Scan rates are 10,30,50,75 and 100 mV/s; B,Relationship of the oxidation peak currents of UA versus the square-root of the scan rate

圖6-A為不同濃度UA的CV曲線，可以明顯地觀察看到，隨著UA濃度的增大，循環(huán)伏安曲線中對應(yīng)的氧化峰電流值也逐步增大，并且氧化峰位置逐漸升高，并且不斷向正電極方向偏移。由圖觀察發(fā)現(xiàn)這些點呈線性關(guān)系，擬合曲線方程為：IUA(μA)=47.419+0.633cUA(μmol/L)，線性相關(guān)系數(shù)為：r=0.992 2。這說明在UA的濃度為25～100 μmol/L的范圍內(nèi)，氧化峰電流與UA的濃度呈線性關(guān)系。

圖6 A,不同濃度UA的CV曲線;B,UA濃度與氧化峰電流的線性圖Fig.6CV curves of UA at different concentrations.A,UA concentrations from bottom to top:25,50,80,100 μmol/L;B,Relationship of the oxidation peak currents of UA versus UA concentrations

2.2.2 DPV測試

為了進一步研究該傳感器對UA檢測的靈敏度，我們使用DPV法對該修飾電極進行測試。圖7-A為在0.1 mmol/LAA干擾的不同濃度UA的DPV曲線。圖中由下至上UA的濃度依次為2.5 μmol/L、5 μmol/L、10 μmol/L、20 μmol/L、40 μmol/L、60 μmol/L、80 μmol/L、100 μmol/L。由圖可以看出，不同濃度UA的氧化峰位置均在+0.4 V左右，。隨UA濃度的增加，氧化峰電流也逐步增加，AA對UA的影響逐漸變?nèi)?。氧化峰電位與UA的濃度呈線性關(guān)系，如7-B所示擬合曲線方程為：IUA(μA)=15.003+0.274cUA(μmol/L)，線性相關(guān)系數(shù)：r=0.995 9，靈敏度為0.276 μA/(μmol/L)。說明在UA的濃度為10～100 μmol/L的范圍內(nèi)，氧化峰電流與UA的濃度呈線性關(guān)系。

圖7 A,不同濃度UA的DPV曲線;B,UA濃度與氧化峰電位的線性圖Fig.7DPV measurements of GF in UA with low concentrations.a,UA concentrations from bottom to top:2.5,5, 10,20,40,60,80 and 100 μmol/L;B,Relationship of the oxidation peak currents of UA versus UA concentration. DPV conditions:pulse height:50 mV;pulse width:200 ms;step height:4 mV;step time:500 ms

3 結(jié)論

該文采用化學(xué)氣相沉積法在泡沫鎳上生長石墨烯，制備出層數(shù)較少、質(zhì)量較高的三維多孔狀、導(dǎo)電性能良好的石墨烯，將其轉(zhuǎn)移到ITO玻璃上制成修飾電極，對UA和AA進行電化學(xué)性能測試。在10～100 μmol/L的UA濃度范圍內(nèi)，三維泡沫石墨烯的靈敏度為0.274 μA/(μmol/L)。

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Detection of uric acid in the presence of ascorbic acid with a 3D graphene foam modified electrode

Luan Ru-shui,Yue Hong-yan*,Yu Yan-fei,Zhang Bo-wen,Yang Yang,Lv Pin
（College of Materials Science and Engineering,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150040, China）

By using the chemical vapor deposition,the three dimensional porous high conductivity of graphene foam (GF)was fabricated on nickel foams as a template.GF was characterized by scanning electron microscopy,X-ray diffraction and Raman spectroscopy.Then the GF was transferred onto ITO coated glass,acting as an electrode to detect uric acid and ascorbic acid by electrochemical methods.Electrochemical results showed that the GF modified exhibited high selectivity for the detection of UA in the presence of AA,the sensitivity for detection of UA was 0.274 μA/(μmol/L),and the UA concentration ranges from 10 to 100 μmol/L.

graphene foam;nickel foam;chemical vapor deposition;uric acid;ascorbic acid

哈爾濱理工大學(xué)青年拔尖人才項目（201306）

*通訊聯(lián)系人，E-mail：hyyue@hrbust.edu.cn