氧化石墨烯/多壁碳納米管負載金鉑核殼納米粒子構建一種三維新型抗壞血酸電化學傳感器

趙一瑋，秦建華，李周原，王 靜，劉學瑞，董麗娜，徐 慧

(魯東大學 化學與材料科學學院，山東 煙臺 264025)

近年來，各種納米材料被廣泛應用于電化學方法檢測抗壞血酸(AA)[1-2]、多巴胺(DA)[3-4]、尿酸(UA)[5]等小分子物質(zhì)。其中，不同維度的碳材料和貴金屬材料，因其獨特的物理化學性質(zhì)引起了人們的極大關注。多壁碳納米管(MWCNTs)是分子納米電子學的理想組成部分，具有優(yōu)異的平面導電性、較高的比表面積和非凡的力學性能[6-8]。然而，MWCNTs的分散能力較差，尤其在水中，這一缺點限制了其進一步應用[9]。因此，提高MWCNTs的水溶性勢在必行。近年來，研究人員發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯(GO)可作表面活性劑來分散MWCNTs[10-11]，引起了廣泛關注。通常，當加入GO后還需通過還原反應，使其成為還原的氧化石墨烯(rGO)[12-14]，rGO具有導電性，可有效降低電荷轉(zhuǎn)移電阻而提高檢測靈敏度，但其存在還原方法復雜，還原劑多為有毒物等弊端[15]。有研究發(fā)現(xiàn)，GO對AA[16]、DA[17]、UA[18]等分子具有很高的電催化性能，因此，將其與MWCNTs混合既可提高MWCNTs的分散性，又能提高電化學效率，且無需使用還原劑，方法簡單、環(huán)保。

金屬納米粒子具有較大的比表面積，可顯著提高電子轉(zhuǎn)移速率[19]，但金、鉑等貴金屬的高成本和稀缺性使提高其利用率成為研究重點[20-22]。金納米粒子(AuNPs)具有促進電子傳遞速率的能力，已廣泛應用于電催化研究中[23-25]。同時，鉑納米粒子是一種具有高催化作用的物質(zhì)，具有較高的催化作用。金鉑核殼納米粒子(Au@Pt NPs)由于其核和殼的協(xié)同作用和良好的催化性能[26]，在檢測過程中能顯示出更高的電流響應、更高的穩(wěn)定性和持久性，已在醫(yī)療等眾多領域得到良好的應用。

本研究將GO、MWCNTs和Au@Pt NPs 3種納米材料相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)GO能有效防止MWCNTs的聚集，并與其結(jié)合形成比表面積較大的三維納米材料[27]，可為Au@Pt NPs提供多維的附著位點，基于此，構建了GO/MWCNTs/Au@Pt NPs/GCE電化學傳感器，將其用于AA的檢測，可獲得較寬的線性范圍和極低的檢出限，有望用于臨床檢測。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

MWCNTs(純度>95%，中國深圳納米港有限公司)；六水合氯鉑酸(H2PtCl6·H2O，分析純，Pt≥37.5%，Addline公司)；四水合氯金酸(HAuCl4·4H2O)；葡萄糖(分析純，國藥集團化學試劑有限公司)；檸檬酸鈉(分析純，天津市鼎盛鑫化工有限公司)；抗壞血酸(分析純，天津市瑞金特有限公司)；鹽酸多巴胺(分析純，Sigma公司)；尿酸(分析純，Alfa Aesar公司)。其他試劑均為分析純，未經(jīng)提純直接使用。實驗用水為超純水(電導率為18.25 MΩ·cm)。

UV-2550紫外-可見分光光度計(日本島津公司)；JEM-1230型透射電子顯微鏡(TEM，日本日立公司)；電化學測量均在CHI-660C電化學工作站(上海市辰華儀器廠)上完成，電化學實驗采用傳統(tǒng)三電極系統(tǒng)：裸玻碳電極(Bare GCE，直徑3 mm)或修飾的GCE為工作電極，鉑絲電極為輔助電極，Ag/AgCl電極(3 mol/L KCl)為參比電極。

1.2 傳感器的構建

1.2.1GO的制備按修改過的Hummers方法制備[28]GO。

1.2.2Au@PtNPs的制備首先用Frens法合成AuNPs[29]：取45 mL 1 mmol/L氯金酸溶液于三口燒瓶中，并搭建加熱回流裝置，將三口燒瓶放入磁力加熱攪拌套進行加熱并攪拌，設置溫度270 ℃，轉(zhuǎn)速650 r/min，加熱至沸騰。待HAuCl4溶液沸騰5 min后，將2 mL 38.8 mmol/L檸檬酸鈉溶液加入沸騰的HAuCl4·4H2O溶液中，再沸騰10 min，停止加熱，繼續(xù)攪拌15 min，配制完成。關閉攪拌，使其自然冷卻，冰箱冷藏放置。

再采用種子介導法合成Au@Pt NPs[30-31]：取2 mL合成的AuNPs加入25 mL潔凈燒杯中，加入450 μL 1.0 mmol/L六水合氯鉑酸溶液及660 μL超純水，于4 ℃條件下邊攪拌邊加入220 μL 10 mmol/L的硼氫化鈉溶液，持續(xù)攪拌30 min，得Au@Pt NPs。

1.2.3GO/MWCNTs混合液的制備將1 mg/mL的GO和1 mg/mL的MWCNTs水溶液混合后超聲4 h以上，制備成GO/MWCNTs混合溶液。

1.2.4GO/MWCNTs/Au@PtNPs/GCE傳感器的制備將GCE依次用1.0、0.3、0.05 μm Al2O3拋光成鏡面，用超純水清洗后分別在無水乙醇、用超純水中各超聲1 min，最后用N2吹干備用。用移液槍取5 μL 1 mg/mL GO/MWCNTs混合懸浮液滴涂在GCE電極表面，置于37 ℃烘箱中晾干，待電極表面成膜后，再將5 μL Au@Pt NPs滴涂在GO/MWCNTs/GCE表面，同樣置于37 ℃烘箱中晾干，層層組裝使電極表面再次成膜，此時，得到GO/MWCNTs/Au@Pt NPs/GCE傳感器。

1.3 電化學實驗

電化學阻抗(EIS)測量：初始電位設置為開路電壓，頻率范圍為0.01～100 000 Hz，振幅5 mV，采用三電極系統(tǒng)在含5 mmol/L K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6] 的0.1 mol/L KCl溶液中進行EIS分析。

差示脈沖伏安法(DPV)測量：在電勢范圍-0.4～0.4 V，靈敏度為1.0×10-4的條件下，將三電極系統(tǒng)浸于不同濃度AA的0.1 mol/L PBS(pH 7.4)溶液中于1 min后進行DPV測量。

循環(huán)伏安法(CV)測量：在-0.4～0.6 V范圍內(nèi)，于0.1 V/s掃速下(靈敏度為1.0×10-4)，將三電極系統(tǒng)置于含1 mmol/L AA溶液中進行CV測量。

圖1 AuNPs(a)和 Au@Pt NPs(b)的紫外圖Fig.1 UV-Vis images of AuNPs(a) and Au@Pt NPs(b)synthetic wine red AuNPs (left) and Au@Pt NPs (right)

圖2 不同傳感界面的TEM圖Fig.2 TEM images of different materialsA:MWCNTs,B:GO/MWCNTs,C:AuNPs,D:Au@Pt NPs, E:GO/MWCNTs/Au@Pt NPs

2 結(jié)果與討論

2.1 AuNPs與Au@Pt NPs的紫外光譜表征

Frens法合成的AuNPs溶液呈葡萄酒紅色，采用紫外可見分光光度計對其進行表征，發(fā)現(xiàn)在519 nm出現(xiàn)了一個強特征吸收峰(圖1曲線a)，此吸收峰為AuNPs的表面等離子共振所致，表明AuNPs已成功制備。當加入六水合氯鉑酸和硼氫化鈉后，溶液顏色加深，相對于519 nm處AuNPs的特征峰發(fā)生略微紅移并伴隨著吸收峰展寬(圖1曲線b)。由此可見，Au@Pt NPs已成功合成。

2.2 電極修飾材料的透射電鏡形貌表征

采用透射電鏡(TEM)對碳納米管(MWCNTs)、氧化石墨烯/碳納米管(GO/MWCNTs)、金納米粒子(AuNPs)、金鉑核殼納米粒子(Au@Pt NPs)和氧化石墨烯/碳納米管/金鉑核殼納米粒子(GO/MWCNTs/Au@Pt NPs)的形貌進行了表征(圖2)。結(jié)果顯示，MWCNTs呈互相纏繞的管狀結(jié)構(圖2A)，直徑約10～20 nm，較大的比表面積利于Au@Pt NPs的附著；GO的結(jié)構呈片狀分布形貌(圖2B)，有效防止了MWCNTs的團聚，使MWCNTs呈現(xiàn)良好的分散性；通過檸檬酸鈉還原合成的AuNPs分散性良好，粒徑約13 nm(圖2C)；Au@Pt NPs核殼結(jié)構粒徑稍微增大[32]，說明以 AuNPs 為核形成了Au@Pt NPs，展現(xiàn)了明顯的殼與核的對比(圖2D)。當GO/MWCNTs和Au@Pt NPs結(jié)合后，Au@Pt NPs在傳感界面的附著明顯增加(圖2E)，納米粒子的多分散性將會增強傳感界面對AA的識別能力。

2.3 修飾電極的電化學特性表征

于含5 mmol/L K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]的0.1 mol/L KCl溶液中，采用EIS對裸GCE、GO/GCE、Au@Pt NPs/GCE、MWCNTs/GCE、GO/MWCNTs/GCE、GO/MWCNTs/Au@Pt NPs/GCE進行了研究(圖3A)，圖中直線部分表示擴散過程，高頻處的半圓直徑顯示電荷轉(zhuǎn)移的電阻。結(jié)果顯示，裸GCE半圓較大，導電性能較差(曲線a)；GO/GCE半圓相對裸GCE較小(曲線b)，但其電荷轉(zhuǎn)移電阻仍較大。將Au@Pt NPs修飾在電極表面后(曲線c)，電極的電阻顯著減小，具有良好的導電性能。MWCNTs修飾電極(曲線d)的高頻處半圓基本消失，表明MWCNTs顯著促進了電極表面電子的傳輸，具有良好的導電性。GO/MWCNTs修飾電極(曲線e)的高頻處的半圓又大于僅有MWCNTs時的半圓，說明GO/GCE導電性能弱于MWCNTs/GCE。GO/MWCNTs/Au@Pt NPs修飾電極(曲線f)的高頻處半圓遠小于其它電極，基本接近直線，有力證明了GO/MWCNTs和Au@Pt NPs的協(xié)同作用使復合膜具有良好的導電性。

實驗采用CVs考察了6支電極對相同濃度AA的電化學響應(圖3B)。結(jié)果顯示，裸GCE對AA僅有微弱的響應信號(曲線a)；修飾GO后，由于GO過多含氧官能團的阻礙使氧化峰電流并沒有得到較大改善，因此其響應電流僅產(chǎn)生少許增大和負移(曲線b)；采用Au@Pt NPs修飾電極后，氧化峰電流明顯增加，并且峰電位產(chǎn)生較大負移(曲線c)，顯示了Au@Pt NPs/GCE對AA的檢測具有相當良好的催化效果。當裸GCE上修飾MWCNTs后，氧化峰電流明顯增加且峰電位顯著負移(曲線d)，表明MWCNTs/GCE對AA具有很好的電催化性能。GO/MWCNTs/GCE(曲線e)與GO/MWCNTs/Au@Pt NPs/GCE(曲線f)相比，因大比表面積、優(yōu)異導電性能的GO/MWCNTs與Au@Pt NPs產(chǎn)生了協(xié)同作用，使得GO/MWCNTs/Au@Pt NPs/GCE對AA的響應電流更加靈敏，與EIS研究結(jié)果一致。

2.4 實驗條件的優(yōu)化

2.4.1pH值的優(yōu)化pH值是影響電化學檢測的重要因素，因此需對電化學檢測AA過程中的pH值進行優(yōu)化。實驗采用CV考察了GO/MWCNTs/Au@Pt NPs/GCE在不同pH值(6.0、7.0、7.4、8.0、8.5)的0.1 mol/L PBS緩沖溶液中的電化學響應。結(jié)果顯示，隨著溶液pH值的增大，氧化峰電流呈先增大后急劇減小的趨勢，且在pH 7.4時達最大值，與人體實際pH值相符。由此可見，該GO/MWCNTs/Au@Pt NPs/GCE傳感器具有良好的實際應用前景。

2.4.2掃速的影響掃速是影響電化學檢測的重要因素之一，不同的掃速會產(chǎn)生不同的電流值，還可通過掃速與電流的關系來判斷修飾電極反應屬于擴散控制還是表面吸附控制。實驗采用循環(huán)伏安法，考察了GO/MWCNTs/Au@Pt NPs/GCE對1.0×10-3mol/L AA在0.1～0.4 V/s掃速范圍內(nèi)的電化學響應。結(jié)果顯示，氧化峰電流值(Ip)與掃速(v，V/s)呈良好的線性關系，線性方程為Ip=213.31v+51.48，r=0.998，表明GO/MWCNTs/Au@Pt NPs/GCE表面的氧化過程屬于吸附控制。

2.5 選擇性研究

AA是人體中不可缺少的生物小分子物質(zhì)，在醫(yī)療檢測中十分重要，但人體中含有的UA、DA、葡萄糖等小分子物質(zhì)常會干擾其測定。實驗將5×10-7mol/L AA與同濃度的其他小分子物質(zhì)(UA、DA、葡萄糖)分別混合在0.1 mol/L PBS緩沖溶液中(pH 7.4)，采用DPVs考察了GO/MWCNTs/Au@Pt NPs/GCE對AA的選擇性，平行測定3次。結(jié)果顯示，加入干擾物質(zhì)前后電流響應值差別不大，表明該修飾電極對AA具有良好的選擇性。

2.6 重現(xiàn)性及穩(wěn)定性

平行制備5根GO/MWCNTs/Au@Pt NPs修飾電極，在優(yōu)化條件下測定AA，得5支修飾電極的氧化峰電流的相對標準偏差(RSD)為3.7%，表明該修飾電極具有良好的重現(xiàn)性；將電極保存于4 ℃冰箱中，7 d后取出再次測定AA，氧化峰電流為初始的94.5%，表明電極的穩(wěn)定性良好。

2.7 最優(yōu)條件下不同濃度AA在新型傳感界面的DPV響應

在優(yōu)化條件下，于-0.4～0.4 V電位范圍內(nèi)考察了GO/MWCNTs/Au@Pt NPs/GCE對不同濃度AA的DPV響應。結(jié)果顯示，氧化峰電流(Ip,μA)與AA濃度(c,μmol/L)在0.5～1 000 μmol/L和0.005～0.5 μmol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關系，線性方程分別為IPC=0.079 12c+2.558 62(r=0.999)、IPC=3.435c+0.870 7(r=0.999)。根據(jù)低濃度線性范圍區(qū)間，以3倍信噪比(S/N=3)計算得該傳感器對AA的檢出限(LOD)為4.0×10-9mol/L。

將本研究所制備GO/MWCNTs/Au@Pt NPs修飾電極與已報道文獻進行比較(表1)。結(jié)果顯示，本文制備的傳感器具有極低的檢出限和極寬的線性范圍。進一步表明實驗構建的新型傳感界面對檢測AA具有優(yōu)越的靈敏度和良好的響應效果。

表1 不同修飾電極檢測AA的分析性能比較Table 1 Comparison of reported various electrochemical sensors and this study for the detection of AA

PANI(聚苯胺)，3DNNCsHAs(具有層次結(jié)構的三維氮化納米結(jié)構碳)，羧化多壁碳納米管(c-MWCNT)，PIG(聚乙烯醇和氧化鐵石墨烯)，PANI(聚苯胺)，CuPc(銅(Ⅱ)酞菁)，SPE(絲網(wǎng)印刷電極)

2.8 準確度與精密度

為了研究此方法構建的新型傳感界面對AA檢測在實際樣品中的應用，將100 μL的血清分別加入10、0.1、0.01 μmol/L的AA中，采用本研究制備的GO/MWCNTs/Au@Pt NPs修飾電極在優(yōu)化條件下進行DPVs測定，每個濃度平行測定3次。結(jié)果顯示，3個加標水平下的回收率為90.9%～108%，相對標準偏差(RSD,n=3)為1.2%～2.8%。表明該GO/MWCNTs/Au@Pt NPs電化學傳感器準確度與精密度良好，有望應用于臨床醫(yī)學檢測。

3 結(jié) 論

本文成功構建了一種基于GO/MWCNTs/Au@Pt NPs的新型電化學傳感界面?；贛WCNTs較大的比表面積和良好的導電效果，加入GO防止MWCNTs聚集。GO/MWCNTs界面與具有良好電催化性能的Au@Pt NPs協(xié)同作用。多種納米粒子層層組裝大大增加了修飾界面對AA檢測靈敏度和穩(wěn)定性。該方法對AA的檢測具有靈敏度高、重現(xiàn)性好、穩(wěn)定性優(yōu)良、操作簡易、成本低的優(yōu)點，可望應用于醫(yī)療檢測領域。