石墨烯修飾金電極的制備及其同時(shí)測(cè)定多巴胺和尿酸

艾永青, 胡芹芹, 肖虎勇, 連盼盼, 呂鑒泉

(湖北師范學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 黃石 435002)

石墨烯(Graphene)是由碳原子組成的單層二維六角晶格結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)新材料，具有極高的機(jī)械強(qiáng)度、極大的比表面積、優(yōu)異的導(dǎo)電性、很高的載流子遷移率(達(dá)15000 cm2·V-1·s-1)；良好的熱導(dǎo)率[1～3]、優(yōu)良的生物親和性、完美的量子隧道效應(yīng)、室溫鐵磁性[4～7]等一系列特殊性質(zhì)。自從英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫因在石墨烯方面的卓越研究而被授予2010年諾貝爾獎(jiǎng)，石墨烯的優(yōu)異性能引起了科學(xué)工作者的廣泛關(guān)注，被應(yīng)用到納米微器件、納米復(fù)合材料、超級(jí)電容器、能源儲(chǔ)存、超靈敏生物傳感器等領(lǐng)域[8～9]。

石墨烯比表面積大、導(dǎo)電性強(qiáng)、生物親和性強(qiáng)等特點(diǎn)，將其應(yīng)用于化學(xué)修飾電極可望得到性能更加優(yōu)異的新型納米電極。Sun[10]等人制備了石墨烯-Nafion修飾的玻碳電極并應(yīng)用于咖啡因的測(cè)定。Li[11]等人利用石墨烯的強(qiáng)導(dǎo)電性和良好的生物親和性，研制了Nafion-辣根過(guò)氧化物酶-石墨烯修飾玻碳電極，建立測(cè)定過(guò)氧化氫的新方法。然而，玻碳電極基體由非晶型碳構(gòu)成，導(dǎo)電性明顯不如石墨烯，這一缺陷阻礙了石墨烯優(yōu)良性能的充分發(fā)揮。

本文擬充分利用石墨烯和金的導(dǎo)電能力和生物親和性等優(yōu)良特性，研制新型石墨烯修飾金電極(Gr/AuE)并探討其電化學(xué)性能與應(yīng)用。目前，該方面工作尚未見(jiàn)有報(bào)道。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

CHI842b電化學(xué)分析儀(上海辰華儀器公司)，三電極系統(tǒng)(鉑絲為對(duì)電極、銀-氯化銀電極為參比電極)，Cyber scan510臺(tái)式pH計(jì)(廣州東南專(zhuān)業(yè)儀器公司)，KQ-100DB型超聲波清洗器(昆山超聲儀器廠)，電子天平(瑞士梅特勒-托利多公司)。

多巴胺(DA, Sigma公司)，尿酸(UA, Sigma公司)，抗壞血酸(AA, 天津科密歐試劑有限公司)，硝酸(武漢洪山中南化工試劑有限公司)，無(wú)水乙醇(天津天力化學(xué)試劑有限公司)，鐵氰化鉀(天津凱通化學(xué)試劑有限公司)，氯化鉀(天津科密歐化學(xué)試劑有限公司)。其他試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純，實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水。

1.2 石墨烯的制備

參照Kovtyukhova[12]等報(bào)道的方法將石墨進(jìn)行預(yù)氧化：將3 g石墨粉加入12.0 mL濃硫酸中，加入3.6 g K2S2O8和3.6 g P2O5，80 ℃條件下攪拌6 h，用200 mL二次蒸餾水將混合物稀釋?zhuān)^(guò)濾，洗滌后烘干。

采用Hummers法[13]將上述預(yù)氧化石墨氧化為氧化石墨：稱(chēng)取0.5 g預(yù)氧化石墨加入23 mL濃硫酸中，0 ℃條件下將3.5 g KMnO4分六次緩慢加入反應(yīng)體系中，攪拌2 h，水浴升溫至35 ℃繼續(xù)反應(yīng)4 h，加入46 mL去離子水后進(jìn)一步升溫至98 ℃反應(yīng)40 min，冷卻后加入150 mL水稀釋并逐滴加入適量30% H2O2，用0.45 μm微濾膜抽濾并用二次水反復(fù)洗滌至濾液pH為5～6，60℃真空干燥24 h.

石墨烯的制備[14～16]：取0.1 g氧化石墨于100 mL二次水中，超聲剝離2 h，加入0.5 mL80%水合肼溶液，80 ℃水浴回流24 h，冷卻后用0.45 μm微濾膜抽濾，洗滌，50 ℃真空干燥24 h.

1.3 修飾電極的制備

將裸金電極依次在滴加有0.5 μm、0.03 μm Al2O3懸糊的麂皮上拋光，二次水淋洗后依次在1∶1HNO3、無(wú)水乙醇、二次水中分別超聲清洗3 min，在1 mol/L硫酸溶液中用循環(huán)伏安法活化，用二次水淋洗后室溫下自然晾干待用。

取6 mg新制備石墨烯于10 ml N-N二甲基甲酰胺中，超聲分散2 h得到均一的石墨烯懸浮液。取6 μL上述石墨烯懸浮液分3次滴涂于處理過(guò)的金電極表面，用紅外干燥箱烘干，待用。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

電化學(xué)檢測(cè)采用三電極體系，以石墨烯修飾金電極(Gr/Au E)為工作電極，Ag/AgC1(CKCl=3 mol/L)電極為參比電極，鉑絲電極為對(duì)電極。每次測(cè)量前用氮?dú)獬ト芤后w系中的溶解氧，實(shí)驗(yàn)在室溫下0.1 mol/L PBS(pH=7.4)中進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 石墨烯的表征

圖1 石墨(a)和石墨烯(b)的X射線粉末衍射圖 圖2 石墨(a)、氧化石墨(b)和石墨烯(c)的紅外光譜圖

圖1為石墨(a)和石墨烯(b)的X射線粉末衍射圖。從圖中可以看出，石墨在26.5°處有一個(gè)尖銳的特征峰，說(shuō)明石墨的結(jié)構(gòu)是結(jié)晶有序的。而經(jīng)過(guò)氧化和還原處理之后其特征衍射峰消失，表明石墨有序的層狀結(jié)構(gòu)已經(jīng)被破壞，得到了單層結(jié)構(gòu)的石墨烯。

圖2為石墨(a)、氧化石墨(b)、石墨烯(c)的紅外光譜圖。如圖所示，3436 cm-1處為石墨樣品因潮濕而帶有的H2O的羥基振動(dòng)峰，1065 cm-1處為C-H的振動(dòng)峰，1400 cm-1處為C-C的振動(dòng)峰。對(duì)比原料石墨，氧化石墨烯的紅外光譜發(fā)生了明顯的變化：3436 cm-1處的峰變寬并一直延伸到低波數(shù)，為典型的-COOH中羥基的振動(dòng)峰，1727 cm-1處出現(xiàn)一新的吸收峰，應(yīng)為羰基中C=O的振動(dòng)峰；1623 cm-1處為石墨的本征吸收帶C=C的振動(dòng)峰。1265 cm-1處出現(xiàn)一新的峰，應(yīng)為環(huán)氧中C-O-C的伸縮振動(dòng)。以上表明氧化石墨中含有大量的含氧官能團(tuán)，如：羧基、羥基、環(huán)氧基和羰基等，說(shuō)明石墨得到了充分的氧化。石墨烯的紅外譜圖和石墨很相似，3436 cm-1處同樣為H2O中羥基的振動(dòng)峰，1623 cm-1處為石墨烯的本征吸收帶C=C的振動(dòng)峰。在石墨烯中看不到明顯的C=O伸縮振動(dòng)峰(1727 cm-1)，據(jù)此可以認(rèn)為，水合肼已經(jīng)將氧化石墨烯徹底地還原成石墨烯。

2.2 Gr/AuE的修飾與電化學(xué)特性

圖3 K3[Fe(CN)6]在AuE (a)和Gr/AuE (b)表面的循環(huán)伏安圖PBS: 0.1 mol/L(pH=7.4); 掃描速度v: 50mV/s 圖4 不同掃速下K3[Fe(CN)6]在Gr/AuE表面的循環(huán)伏安圖插入圖為峰電流Ipa與掃速v1/2的關(guān)系圖, a-i:掃速分別為10, 20, 30, 50, 70, 80, 100, 120, 150 mV/s；K3[Fe(CN)6]: 15 mmol/L; PBS: 0.1 mol/L(pH=7.4)

圖3中a和b分別是鐵氰化鉀在AuE和Gr/AuE上的循環(huán)伏安曲線。如圖3所示，鐵氰化鉀在Gr/AuE表面的氧化還原峰電流比在AuE表面的氧化還原電流有明顯增大。實(shí)驗(yàn)證明峰電流隨修飾劑用量的增加而升高，當(dāng)修飾劑用量為6μL時(shí)電極修飾效果最佳，修飾劑用量過(guò)大時(shí)峰形反而變差，故選擇修飾劑用量為6μL.對(duì)于由擴(kuò)散控制的可逆過(guò)程，由Randles-Sevcik公式(1)計(jì)算[18]：

Ip=2.69×105×n3/2AD01/2cv1/2

(1)

式中n=1是參與反應(yīng)的電子數(shù)，A為電極有效表面積，D0=0.76×10-5cm2·s-1為電解質(zhì)溶液的傳導(dǎo)系數(shù)，c為電解質(zhì)的濃度，v是掃速。圖4為不同掃速條件下K3[Fe(CN)6]在Gr/AuE表面的循環(huán)伏安圖，根據(jù)峰電流Ip對(duì)掃速v1/2作圖所得斜率(圖4插入圖)求得Gr/AuE的有效面積為0.995 cm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于AuE的有效面積(0.496 cm2)。這是因?yàn)槭┚哂写蟮谋缺砻娣e和良好的導(dǎo)電性，涂覆到電極表面之后大大增加了電極的有效表面積，進(jìn)一步增強(qiáng)了電極的導(dǎo)電能力，促進(jìn)了電極表面的電子傳遞，從而使峰電流增大。在連續(xù)掃描20次之后峰電流未見(jiàn)明顯減小，說(shuō)明本修飾電極具有良好的穩(wěn)定性。

用循環(huán)伏安法考察了溶液體系中離子強(qiáng)度對(duì)峰電流的影響。采用連續(xù)滴加的方法，向含有10 μmol/L DA、0.1 mmol/L UA的0.1 mol/L pH=7.4的PBS中滴加1 mol/L的KCl溶液，使底液中支持電解質(zhì)的濃度從0 mmol/L逐漸增加到140 mmol/L.

如圖5所示，隨著支持電解質(zhì)離子強(qiáng)度的增大，峰電流也隨之增大，當(dāng)濃度達(dá)到100 mmol/L后，峰電流不再隨離子強(qiáng)度的增加而明顯增加。因此，選擇KCl的濃度為100 mmol/L.

2.3 DA的電化學(xué)行為

如圖6，DA在AuE上的氧化還原峰峰電流較小，而在Gr/AuE上有一對(duì)明顯的氧化還原峰，峰電流明顯增大且DA在修飾電極上的氧化還原峰電位更為接近，這說(shuō)明Gr/AuE對(duì)DA的氧化還原具有明顯的電催化作用。

以Gr/AuE為工作電極，在掃速分別為10, 20, 30, 50, 60, 80, 100, 120, 150 mV/s條件下對(duì)DA進(jìn)行循環(huán)伏安測(cè)試。如圖7，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)掃描速度越大，峰電流越大，并且在Gr/AuE表面DA的氧化峰電流與掃速的平方根呈良好的線性關(guān)系Ipa=-0.0116v(1/2)+ 0.1663 (R=0.997)，還原峰電流也與掃速的平方根成線性關(guān)系Ipc=0.0095v(1/2)+ 0.1782(R=0.994)，表明DA在修飾電極上的氧化和還原過(guò)程均受擴(kuò)散控制。

圖5 不同離子強(qiáng)度下DA和AA在Gr/AuE表面的循環(huán)伏安曲線a-e: 含有0, 40, 80, 100, 140 mmol/L KCl的PBS(pH=7.4)溶液, DA: 10 μmol/L, UA: 0.1 mmol/L. 圖6 DA在AuE(a)和Gr/AuE(b)表面的循環(huán)伏安圖DA: 30 μmol/L, PBS: 0.1 mol/L(pH=7.4), KCl: 100 mmol/L

對(duì)于表面過(guò)程，電子轉(zhuǎn)移數(shù)和電子轉(zhuǎn)移系數(shù)可以通過(guò)Laviron公式[17]計(jì)算。由圖7實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算得DA在Gr/AuE表面反應(yīng)n=2，α=0.55，說(shuō)明該反應(yīng)是2電子反應(yīng)。

圖7 不同掃速下DA的循環(huán)伏安圖a-i: 掃速分別為10, 20, 30, 50, 60, 80, 100, 120, 150 mV/s, 插入圖為峰電流Ip與掃速v1/2的關(guān)系圖, DA: 50 μmol/L, PBS: 0.1 mol/L (pH=7.4),KCl: 100 mmol/L 圖8 pH與DA還原峰電位Epc的關(guān)系

圖8為DA的還原峰電位隨pH值的變化情況。從圖中可以看出，DA的還原峰電位隨pH值的增大而負(fù)移，兩者呈線性關(guān)系，其線性方程為Epc=-0.0616pH+0.6969，其斜率接近理論值59 mV.數(shù)據(jù)表明，DA的還原過(guò)程中參加反應(yīng)的質(zhì)子數(shù)與電子數(shù)相等，即參與反應(yīng)的質(zhì)子數(shù)為2.多巴胺在修飾電極上的電化學(xué)反應(yīng)可能為多巴胺由鄰苯二酚式結(jié)構(gòu)被氧化為醌式結(jié)構(gòu)。

2.4 UA的電化學(xué)行為

圖9 UA在AuE(a)和Gr/AuE(b)表面的循環(huán)伏安圖UA: 0.5 mmol/L, PBS: 0.1 mol/L(pH=7.4), KCl: 100 mmol/L, 掃速v: 50 mV/s 圖10 不同掃速下UA在Gr/AuE表面的循環(huán)伏安圖插入圖為峰電流Ipa與掃速v1/2的關(guān)系圖, a-g掃速分別為10, 20, 30, 50, 60, 80, 100, 150 mV/s, UA: 0.3 mmol/L, PBS: 0.1 mol/L(pH=7.4), KCl: 100 mmol/L

2.5 分析應(yīng)用

圖11為高濃度AA存在下DA、UA混合溶液分別在AuE、Gr/AuE表面的循環(huán)伏安圖(插入圖為DA、UA、AA混合溶液分別在AuE、Gr/AuE表面的差分脈沖伏安圖)。在AuE表面三者的氧化峰相互重疊，相互干擾且峰高較低，而在Gr/AuE表面DA、UA、AA三者出現(xiàn)三個(gè)獨(dú)立的氧化峰，峰電流明顯增加。從差分脈沖伏安圖可進(jìn)一步看出三者峰電位相差較大，已完全分離且互不干擾，可以滿足同時(shí)測(cè)定的要求。

圖11 DA、UA、AA混合溶液分別在AuE(a)、Gr/AuE(b)表面的循環(huán)伏安圖插入圖為DA, UA, AA混合溶液分別在AuE(a), Gr/AuE(b)上的差分脈沖伏安圖, PBS: 0.1 mol/L(pH=7.4), KCl: 100 mmol/L, DA: 10μmol/L, UA: 0.2 mmol/L; AA: 1 mmol/L

圖12 在UA、AA存在下不同濃度DA在Gr/AuE表面的差分脈沖伏安曲線插入圖為Ipa與DA濃度的線性關(guān)系圖UA: 0.05 mmol/L, AA: 1mmol/L, PBS: 0.1 mol/L(pH=7.4), KCl: 100 mmol/L, DA(a→g): 0.001, 0.02, 0.05, 0.25, 0.5, 0.75, 1 mmol/L 圖13 DA、AA存在下不同濃度UA在Gr/AuE表面的差分脈沖伏安曲線插入圖為Ipa與UA濃度的線性關(guān)系圖DA: 10 μmol/L, AA: 1 mmol/L, PBS: 0.1 mol/L(pH=7.4),KCl: 100 mmol/L, UA(a→f): 0.03, 0.09, 0.25, 0.5, 0.75, 1 mmol/L

圖12為0.05 mmol/L UA、1 mmol/L AA存在下不同濃度的DA溶液的差分脈沖伏安圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明DA在0.176 V處有一個(gè)明顯的氧化峰，氧化峰電流與DA濃度在1.0～1000μmol/L之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，線性方程為Ip=1.171+0.0599c(R=0.991)(Ip: μA,c: μmol/L)，檢出限為0.67μmol/L.

圖13為10 μmol/L DA、1 mmol/L AA存在不同濃度的UA溶液的差分脈沖伏安圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明UA在0.256V處有一個(gè)明顯的氧化峰，氧化峰電流與UA的濃度在30～1000μmol/L之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，線性方程為Ip=0.5709+0.0034c(R=0.98)(Ip: μA,c: μmol/L)，檢出限為6.0μmol/L.

用本修飾電極對(duì)某志愿者的尿樣進(jìn)行了測(cè)定，測(cè)得尿樣中多巴胺和尿酸的含量分別為0.0151mmol/L和0.4224mmol/L.在尿樣中加入標(biāo)準(zhǔn)DA和UA溶液，DA和UA的回收率在94.65%和103.2%之間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本修飾電極穩(wěn)定性良好，可以應(yīng)用于實(shí)際樣品的分析。

表1 不同修飾電極文獻(xiàn)中的修飾劑、線性范圍、檢出限的對(duì)比

3 結(jié)論

合成了石墨烯并以石墨烯為修飾劑制備了石墨烯修飾金電極。在修飾后金電極的表面積有明顯增大。本修飾電極對(duì)多巴胺及尿酸都有明顯的電催化氧化作用且能在抗壞血酸存在條件下同時(shí)測(cè)定多巴胺和尿酸。差分脈沖伏安法(DPV)氧化峰電流與多巴胺和尿酸濃度分別在1.0～1000 μmol/L 和30～1000 μmol/L范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，檢出限分別為0.67μmol/L和6.0 μmol/L.用該修飾電極能在高濃度抗壞血酸存在下同時(shí)測(cè)定多巴胺和尿酸。

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