CNTs-Pt甲醛傳感器和CNTs-Au葡萄糖傳感器的研究

張循海,王超會(huì),林 蔚,李曉生,張 永

(齊齊哈爾大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，齊齊哈爾 161006)

0 引 言

自1991年被Iijima發(fā)現(xiàn)以來(lái)，碳納米管(CNTs)就以其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)越來(lái)越受到人們的關(guān)注[1-3]。CNTs具有一維納米結(jié)構(gòu)、較高的表面吸附能力、良好的電導(dǎo)率和電子彈道傳輸特性，因此具有優(yōu)異的機(jī)械、電子和物理化學(xué)性能[4-5]?；谏鲜鲈?，CNTs是制造納米氣體傳感器的理想基礎(chǔ)材料。納米金屬材料具有增強(qiáng)電極活性和促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移的功能，因此如果將納米金屬材料M(如Au、Pt、Cu、Pd等)與CNTs復(fù)合，其各組分的各種特性之間會(huì)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)[6-8]。使用這種復(fù)合材料作為電極的電化學(xué)傳感器會(huì)具有更高的檢測(cè)靈敏度[9-10]。一些報(bào)道詳細(xì)介紹了在表面活性劑或封端劑存在下，在水溶液中通過(guò)控制尺寸和形狀合成Pt和Au納米顆粒的過(guò)程[11-12]。通常情況下，研究人員使用檸檬酸鹽或硼酸鹽作為還原劑，或引入氫作為還原劑以生產(chǎn)金屬納米粒子，這種方法反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，并涉及使用表面活性劑和高壓操作[13]。在圓底燒瓶中，用氫使氯酸鹽溶液產(chǎn)生氣泡，進(jìn)而沉降出大微米尺寸的M粒子，其在沒(méi)有表面活性劑的情況下在水中膠體不穩(wěn)定[14]。旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)工藝(SDP)在快速旋轉(zhuǎn)的圓盤(pán)表面產(chǎn)生一層非常薄的流體膜(1～200 nm)，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)形成納米顆粒[15]。SDP利用高離心加速度來(lái)產(chǎn)生快速傳熱和傳質(zhì)的薄膜，為納米材料的制備提供了一條新的途徑[16]。SDP促進(jìn)了一系列反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，這些反應(yīng)器可在連續(xù)流動(dòng)條件下提供快速傳熱和傳質(zhì)的運(yùn)行條件，并將反應(yīng)時(shí)間減少至數(shù)秒而不是數(shù)分鐘或數(shù)小時(shí)。

本文采用CVD技術(shù)合成了CNTs并進(jìn)行了純化。采用SDP利用化學(xué)沉積法制備了CNTs-M(M=Pt,Au)懸浮液，并涂覆在Au電極上。通過(guò)靜電作用將葡萄糖氧化酶固定在Au電極上，構(gòu)建了修飾電極。通過(guò)在CNTs修飾的玻碳電極(GCE)上電化學(xué)沉積鉑顆粒，制備了CNTs-Pt/GCE電極。在掃描電鏡和透射電鏡下分析CNTs、CNTs-M(M=Pt，Au)的微觀結(jié)構(gòu)，并對(duì)傳感器在醫(yī)學(xué)檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了評(píng)估。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 儀器和試劑

實(shí)驗(yàn)儀器主要包括：固定床非均相催化(氣-固)系統(tǒng)，JEOL3000透射電子顯微鏡(TEM)，蔡司VP 1550掃描電子顯微鏡(SEM)；CHI802電化學(xué)工作站；CNTs和CNTs-Pt修飾的玻碳電極(GCE)，CNTs-Au修飾金電極，飽和甘汞電極(參比電極)，鉑絲(對(duì)電極)，超聲波清洗機(jī)等。

實(shí)驗(yàn)中使用的氯金酸(HAuCl4)、氯鉑酸(H2PtCl6)、甲醛、葡萄糖氧化酶(GOD)、葡萄糖等試劑均為分析純；實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水；PSB磷酸鹽緩沖液由KH2PO4和Na2HPO4根據(jù)不同的比例配制而成。Al2O3拋光粉分別為0.3 μm和0.05 μm。

1.2 CNTs和CNTs-M(M=Pt,Au)的制備

1.2.1 CNTs的純化和功能化

通過(guò)化學(xué)氣相沉積(CVD)合成了CNTs，制備的CNTs含有金屬和金屬氧化物顆粒催化劑雜質(zhì)，以及無(wú)定形碳和石墨片[17]。獲得的CNTs按照以下操作進(jìn)行提純：將100 mg的CNTs分散在100 mL的HNO3(1 mol/L)中超聲30 min。懸浮液用 85 ℃的磁力加熱攪拌器，在HNO3中回流2 h，在鹽酸中回流3 h，以去除金屬和金屬氧化物顆粒催化劑雜質(zhì)。經(jīng)過(guò)洗滌和干燥后，CNTs在400 ℃空氣中處理2 h去除非晶態(tài)碳和石墨片。最終獲得高度純化的CNTs(95%以上)。

圖1 (a)SDP圖示和(b)波動(dòng)圖示。SDP的關(guān)鍵組件包括：可控速度(最高3 000 r/min)的100 mm旋轉(zhuǎn)盤(pán)，以及距圓盤(pán)中心的徑向距離為5 mm的進(jìn)料口Fig.1 (a) Illustration of SDP and (b) illustration of wave motion. The key components of SDP include: a 100 mm rotating disc with controllable speed (up to 3 000 r/min) and feed jets located at a radial distance of 5 mm from the centre of the disc

1.2.2 懸浮液CNTs-M(M=Pt，Au)的合成

使用旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)法合成了CNTs-Au和CNTs-Pt(見(jiàn)圖1)。在此過(guò)程中，首先將CNTs(1 mg/mL)超聲分散在水中(見(jiàn)圖2)，然后在劇烈攪拌下將0.4 mL 2%HAuCl4溶液或0.5 mL 1%H2PtCl6溶液滴加到CNTs懸浮液中，在室溫下劇烈攪拌3 h，將2%的檸檬酸鈉溶液加入到HAuCl4溶液中預(yù)還原，新鮮制備的5%NaBH4溶液用于還原H2PtCl6，稀氫氣(含80%N2或Ar)在SDP過(guò)程中被用作輔助還原劑。還原制注入后，試劑接觸到靠近旋轉(zhuǎn)盤(pán)中心的位置，流體膜的徑向流速開(kāi)始增加，因此液體速度逐漸接近圓盤(pán)速度。這里的流動(dòng)類(lèi)似于Nusselt模型[18]。運(yùn)動(dòng)的流體層與圓盤(pán)表面之間的剪切力和粘性阻力會(huì)產(chǎn)生湍流和波紋，從而在薄流體層內(nèi)產(chǎn)生高效的湍流混合(見(jiàn)圖1(b))。由此產(chǎn)生的湍流可以是從圓盤(pán)中心向圓盤(pán)外圍移動(dòng)的圓周波和螺旋波的組合，這取決于操作參數(shù)。氣體(尤其是稀釋的H2)存在下，在旋轉(zhuǎn)的磁盤(pán)表面上產(chǎn)生的波浪狀薄膜具有通過(guò)控制H2向薄膜的輸送來(lái)控制隨后的顆粒尺寸的能力。相關(guān)的報(bào)道表明，以中等旋轉(zhuǎn)的圓盤(pán)速度在液膜中產(chǎn)生的波明顯增強(qiáng)了氣體對(duì)液體的吸附[19]。

1.2.3 CNTs和CNTs-M改性電極的制備

CNTs/GCE：用氧化鋁粉末混濁液將GCE拋光成鏡面狀。分別在乙醇和去離子水中超聲洗滌15 min后，將電極干燥。將5 μL N,N-二甲基甲酰胺溶液的CNTs置于電極表面，自然干燥。

CNTs-Pt/GCE：將N,N-二甲基甲酰胺和檸檬酸溶解到CNTs-Pt懸浮液中。將該懸浮液在80 ℃下逐漸加熱直至形成糊狀。將GCE浸入糊中一段時(shí)間，然后在60 ℃下干燥0.5 h。該涂覆過(guò)程重復(fù)三遍。

1.3 測(cè)試方法

使用三電極裝置對(duì)器件進(jìn)行了測(cè)試。在測(cè)試CNTs-Pt/GCE時(shí)，將三個(gè)電極放入0.01 mol/L硫酸溶液中，在-0.2～1.2 V的電壓范圍內(nèi)掃描10圈，在循環(huán)伏安掃描曲線穩(wěn)定后加入一定量的甲醛。采用CNTs-Pt/GCE作為工作電極。在-0.1 V電位下攪拌3 min，然后靜置10 s。使用線性掃描伏安法以10 mV/s的掃描速率在0.1～0.5 V進(jìn)行電位掃描。對(duì)于CNTs-Au，以獲得的CNTs-Au葡萄糖傳感器為工作電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，鉑電極為對(duì)電極。在飽和磷酸鹽緩沖溶液(PBS，pH7.0)中，室溫下進(jìn)行循環(huán)伏安測(cè)試。

圖3 純化CNTs的SEM照片(a),(b)和XRD圖譜(c)Fig.3 SEM images (a), (b) and XRD pattern (c) of purified CNTs

2 結(jié)果與討論

2.1 CNTs、CNTs-M的微觀和結(jié)構(gòu)分析

圖3(a)和3(b)是純化后CNTs的SEM照片。從圖中可以看出，CNTs的長(zhǎng)度為幾十微米，呈曲線狀，在靜電作用下相互纏繞嚴(yán)重。另外，CNTs的末端是開(kāi)放的，表明內(nèi)部催化劑順利被去除。純化的CNTs的XRD分析(見(jiàn)圖3(c))顯示其內(nèi)部只有石墨相，無(wú)定形碳和石墨碎片已經(jīng)在400 ℃的氧化過(guò)程中被去除。

圖4是CNTs純化前后SEM和TEM照片。如圖所示，未經(jīng)處理的CNTs與雜質(zhì)混合，如大量的黑色顆粒和絨毛，大量的無(wú)定形碳、超細(xì)石墨碎片雜質(zhì)等。碳管更彎曲且因?yàn)殡娏ο嗷ダp繞。凈化處理后，除去絕大多數(shù)催化劑顆粒，無(wú)定形碳、石墨碎片等雜質(zhì)被去除了。CNTs變得細(xì)長(zhǎng)，長(zhǎng)徑比增大且分散良好，沒(méi)有團(tuán)聚現(xiàn)象，這為其在傳感器中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

圖4 純化前(a,c)和純化后(b,d)CNTs的SEM和TEM照片F(xiàn)ig.4 SEM images and TEM images before(a,c) and after (b,d)purified CNTs

圖5 Au(a，b)和Pt(c，d)化學(xué)摻雜后CNTs的TEM照片F(xiàn)ig.5 TEM images of CNTs after Au(a, b) and Pt(c, d) chemical doped

圖5是經(jīng)Au和Pt化學(xué)摻雜后CNTs的TEM照片，可以看出Au和Pt顆粒是球形的，均勻地分散在CNTs表面。Au顆粒尺寸在5～20 nm之間，Pt顆粒尺寸在4～10 nm之間，這會(huì)極大地提高復(fù)合電極的比表面積。

2.2 CNTs、CNTs-M傳感器的性能分析

2.2.1 甲醛在CNTs-Pt/GCE上的電化學(xué)性能

采用循環(huán)伏安法研究了甲醛在CNTs-Pt/GCE上的電化學(xué)性能(見(jiàn)圖6(a))，圖6(a)是不同電極在0.01 mol/L硫酸溶液中的循環(huán)伏安圖，其中含有0.5 mmol/L的甲醛。圖6(a)中的曲線c是CNTs-Pt/GCE在0.01 mol/L硫酸空白溶液中的循環(huán)伏安圖，在0.72 V處的氧化峰和0.27 V處的還原峰分別對(duì)應(yīng)Pt顆粒的氧化和還原。位于0.05～0.2 V之間的峰分別對(duì)應(yīng)于電極吸附的氫的氧化和還原。其對(duì)應(yīng)的氧化還原反應(yīng)式為：

Pt-(HCOOH)ads→Pt+CO2+2H++2e-

(1)

氫峰的形狀、數(shù)目和大小取決于暴露的Pt晶面、電極預(yù)處理、溶液雜質(zhì)，及支撐電解質(zhì)等。從圖6(a)中曲線a和曲線b可以看出，甲醛在GCE和CNTs/GCE上沒(méi)有明顯的氧化還原峰。結(jié)果表明，該電極對(duì)甲醛沒(méi)有電催化氧化作用。從Pt/GCE(曲線d)和CNTs-Pt/GCE(曲線e)的對(duì)比可以看出甲醛在0.46 V時(shí)在CNTs-Pt/GCE上產(chǎn)生一個(gè)0.37 mA的明顯氧化峰值電流，但在0.44 V時(shí)Pt/GCE上只產(chǎn)生0.15 mA的氧化峰電流，前者約為后者的2.5倍，表明CNTs-Pt/GCE對(duì)于甲醛催化氧化的活性高于Pt/GCE。曲線b表明，簡(jiǎn)單的CNTs/GCE幾乎沒(méi)有催化活性。Pt的高度分散和CNTs與Pt的協(xié)同作用增強(qiáng)了電極表面的活性位點(diǎn)，從而顯著提高了對(duì)甲醛的電催化活性。圖6(b)為CNTs-Pt/GCE的線性掃描伏安圖，與空白溶液相比，甲醛在0.36 V處有明顯的氧化電流峰，峰值電流約為57 μA。

圖6 不同電極甲醛傳感器的循環(huán)伏安圖(a)和CNTs-Pt/GCE的線性掃描伏安圖(b)Fig.6 Cyclic voltammograms of the different electrodes for formaldehyde sensors (a) and linear scan voltammograms of the CNTs-Pt/GCE(b)

2.2.2 CNTs-Au電極葡萄糖傳感器的電化學(xué)表征

本文將修飾的金電極浸泡在0.1 mol/L的半胱胺溶液中，以PBS(1 mg/mL)作為緩沖液清洗。半胱氨酸通過(guò)-SH基團(tuán)形式的Au-S化學(xué)鍵組裝在電極表面。葡萄糖的電化學(xué)氧化是一個(gè)脫氫過(guò)程,在堿性溶液中其陽(yáng)極反應(yīng)如下:

Au-C6H12O6+24OH-→CO2+18H2O+24e-+Au

(2)

該電極反應(yīng)包含24個(gè)電子過(guò)程,故以葡萄糖作為傳感器的原料具有很高的比能量,但相關(guān)動(dòng)力學(xué)過(guò)程緩慢是限制其實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。

因此，本文使用上述制備的CNTs-Au電極對(duì)其進(jìn)行了電化學(xué)性能表征，其在葡萄糖和0.1 mol/L KOH溶液中的循環(huán)伏安曲線如圖7(a)中的曲線a所示。與Au電極相比，曲線的峰值電流減小，峰值電位變寬(見(jiàn)圖7(a)中的曲線b)，表明半胱胺在Au電極表面形成了致密的單分子膜，阻礙了金電極上的電子轉(zhuǎn)移進(jìn)而使其在電極表面擴(kuò)散的有效面積減小。由于CNTs電極與通過(guò)1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽(EDC)和N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)活化形成的活性酯以及以酰胺鍵形式存在的Au電極底部的-NH2結(jié)合在一起，因此循環(huán)伏安曲線表明峰值電流上升(見(jiàn)圖7(a)中的曲線c)峰電位變窄，這主要是因?yàn)榇嬖诘奶技{米管構(gòu)成了大比表面積的碳納米管微電極陣列。因此，其電流密度相對(duì)較高，伏安曲線的性能表現(xiàn)出了較大的斜率，峰值形狀比裸Au電極更尖，靈敏度隨著峰值電流的增加而提高。在結(jié)合了納米Au和CNTs作用的CNTs-Au電極中，峰值電流進(jìn)一步升高(見(jiàn)圖7(a)中的曲線d)，電位差進(jìn)一步縮小。這主要是因?yàn)榧{米Au具有相對(duì)較低的反應(yīng)活性和獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，具有選擇性氧化、催化脫氫和電催化的作用[20]。納米Au粒子與CNTs一起，有效地增加了電極的比表面積，提高了電子轉(zhuǎn)移速率[21]。此外，CNTs-Au電極具有最高的峰值電流值，表明CNTs和Au的協(xié)同使用提高了傳感器的響應(yīng)速度。圖7(b)是在掃描速度為0.02 V/s的條件下循環(huán)10次的循環(huán)伏安曲線，可以看到曲線基本沒(méi)有大的變化，表明制備的CNTs-Au傳感器具有良好的穩(wěn)定性。這主要是由于納米Au的靜電吸附作用可以使其牢固地吸附到電極表面的生物活性物質(zhì)上，防止GOD的剝離并能保持其生物活性，從而使傳感器的穩(wěn)定性增強(qiáng)。

圖7 葡萄糖生物傳感器不同修飾電極的循環(huán)伏安曲線(a)和傳感器穩(wěn)定性測(cè)試(b)Fig.7 Cyclic voltammetry of different modified electrodes for glucose biosensors (a) and stability test of sensors (b)

為了驗(yàn)證CNTs-Au的選擇性及抗干擾能力，本文依據(jù)血液中正常的生理水平，采用了與葡萄糖共存在血液中的電活性物質(zhì)，0.1 mmol/L抗壞血酸(AA)、0.5 mmol/L尿酸(UA)、0.05 mmol/L L-半胱氨酸(L-cysteine)，0.1 mmol/L對(duì)乙酰氨基酚(p-acetamidophenol)和2 mmol/L谷胱甘肽(Glutathione)作為干擾項(xiàng)驗(yàn)證CNTs-Au的抗干擾能力，結(jié)果如表1所示。可以看出，這些電活性物質(zhì)對(duì)5.6 mmol/L的葡萄糖幾乎無(wú)影響，表明所制備電極具有良好的選擇性及抗干擾能力。

表1 電活性物質(zhì)對(duì)葡萄糖相應(yīng)的干擾情況Table 1 Interference of electroactive substance to the glucose response

從上述分析中可以看出，所制備的電極傳感器具有響應(yīng)快、靈敏度高、選擇性和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié) 論

通過(guò)CVD法獲得了CNTs，然后對(duì)其純化。通過(guò)靜電作用將葡萄糖氧化酶固定在Au電極上，利用CNTs自組裝技術(shù)通過(guò)SDP對(duì)其進(jìn)行修飾。CNTs-Pt/GCE電極是由電化學(xué)沉積在GCE上的鉑粒子制成的，并由CNTs修飾。CNTs-Pt/GCE對(duì)甲醛具有良好的電催化活性，在測(cè)試甲醛時(shí)具有較高的靈敏度和準(zhǔn)確性。CNTs-Au傳感器對(duì)葡萄糖濃度檢測(cè)具有良好的特性，響應(yīng)快、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性好，可應(yīng)用于臨床中的血糖檢測(cè)。