花瓣?duì)钽K金石墨烯納米結(jié)構(gòu)的制備及其在葡萄糖測定中的應(yīng)用

胡耀娟　杜文姬　陳昌云

摘要利用氧化石墨烯Symbolm@@ 0.4 V條件下，采用一步電化學(xué)還原法對GO和金屬前驅(qū)體進(jìn)行同時還原，成功制備了花瓣?duì)畹腜tAuGO納米結(jié)構(gòu)；同時利用伏安法研究了該催化劑對葡萄糖氧化的電催化性能，結(jié)果表明，此納米結(jié)構(gòu)對葡萄糖氧化反應(yīng)表現(xiàn)出很好的電催化性能；據(jù)此構(gòu)建了無酶葡萄糖傳感器，該傳感器在較低的電位下（ 1引言

葡萄糖含量的檢測在醫(yī)療診斷、食品工業(yè)、生物技術(shù)等許多領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用，因此，葡萄糖傳感器始終是研究熱點(diǎn)＼[1＼]。在諸多類型的葡萄糖傳感器中，電化學(xué)傳感器已被廣泛應(yīng)用于葡萄糖的檢測＼[2＼]。常見的葡萄糖電化學(xué)傳感器主要分為有酶和無酶兩種類型。酶傳感器由于酶分子固有的不穩(wěn)定性，易受到周圍環(huán)境的影響而失活，且價格昂貴，在一定程度上限制了該類傳感器的應(yīng)用＼[3＼]。無酶葡萄糖傳感器是一種基于葡萄糖分子在相關(guān)催化活性材料表面的電催化氧化信號而對其進(jìn)行定性及定量檢測的傳感裝置，該類傳感器因制作簡單，穩(wěn)定性好，價格低廉，目前已成為葡萄糖傳感器研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)＼[4，5＼]。

貴金屬Pt是最早被發(fā)現(xiàn)對葡萄糖具有直接電催化氧化作用的催化劑，然而葡萄糖在裸Pt電極表面具有電催化氧化動力學(xué)慢、抗干擾能力差等缺點(diǎn)，使其應(yīng)用受到限制＼[6＼]。研究結(jié)果表明，通過改變電極材料的組分及結(jié)構(gòu)可以改善Pt電極的催化性能。如Au的加入會改變催化劑表面Pt的電子和結(jié)構(gòu)狀態(tài)以及增加Pt的電化學(xué)活性面積，從而提高催化劑的電催化性能＼[7＼]。石墨烯作為一種具有二維結(jié)構(gòu)的新型碳材料，因其具有大的比表面積和高的電子傳導(dǎo)能力，已經(jīng)被廣泛用做催化材料載體，應(yīng)用于生物傳感等領(lǐng)域＼[8，9＼]。

本研究結(jié)合PtAu納米結(jié)構(gòu)和石墨烯的優(yōu)點(diǎn)，利用一步電化學(xué)還原法制備得到了花瓣?duì)頟tAuGO納米結(jié)構(gòu)，由于獨(dú)特的花瓣?duì)頟tAu納米結(jié)構(gòu)以及石墨烯大的比表面積和高的電子傳導(dǎo)能力等優(yōu)點(diǎn)，使PtAuGO復(fù)合納米結(jié)構(gòu)具有更好的電催化性能，據(jù)此構(gòu)建的無酶葡萄糖傳感器表現(xiàn)出檢測電位低，線性范圍寬、檢出限低、選擇性和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，并能用于實(shí)際樣品的分析檢測。

2實(shí)驗(yàn)部分

2.1儀器與試劑

CHI660B電化學(xué)工作站（上海辰華儀器公司），JSM5610LV 型掃描電子顯微鏡（日本電子公司）。

氧化石墨烯（GO， 南京先鋒納米科技有限公司）； HAuCl4·4H2O（上?；瘜W(xué)試劑有限公司）； H2PtCl6·6H2O（國藥化學(xué)試劑有限公司）； 葡萄糖（AldrichSigma公司），使用前，配制的葡萄糖溶液需放置24 h； 抗壞血酸（AA）和尿酸（UA）購自AldrichSigma公司。其它試劑均為分析純，所有的溶液均用二次蒸餾水配制，0.1 mol/L磷酸鹽緩沖溶液（PBS，pH 7.4）由NaH2PO4和Na2HPO4配制。

2.2實(shí)驗(yàn)過程

2.2.1PtAuGO復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的制備使用前，將玻碳電極（GCE， 直徑 3 mm）， 依次用6號砂紙、0.3和0.05 μm的Al2O3粉拋光至鏡面，然后在無水乙醇和二次蒸餾水中超聲清洗各1 min，最后電極用二次蒸餾水徹底沖洗干凈，室溫下晾干備用。將1 mg GO分散到1 mL二次蒸餾水中，得到1 mg/mL的棕色均相GO分散液，然后利用微量進(jìn)樣器取6 μL該分散液滴涂到處理后的GC電極表面，在室溫下晾干，即得到氧化石墨烯修飾的GCE（GO/GCE）。

Symbolm@@ 和氧化石墨烯得到同時還原，制得PtAuGO/GCE。沉積前，對沉積液通入高純氮除氧，且在沉積過程中一直保持氮?dú)夥?，防止空氣中的氧氣進(jìn)入沉積液。作為比較，利用同樣的方法制備了AuGO/GCE和PtGO/GCE，為了更好地研究石墨烯的作用，利用同樣的方法將PtAu納米結(jié)構(gòu)沉積到了裸GCE表面，制備了PtAu/GCE。

2.2.2電化學(xué)測試電化學(xué)實(shí)驗(yàn)采用三電極系統(tǒng)在CHI 660B電化學(xué)工作站上進(jìn)行，螺旋狀鉑絲和飽和甘汞電極（SCE）分別作為對電極和參比電極，給出的電位都是相對于SCE。制備的電極對葡萄糖的氧化反應(yīng)在生理?xiàng)l件PBS（0.1 mol/L）pH 7.4溶液中進(jìn)行。在實(shí)驗(yàn)前，該緩沖溶液通高純氮至少30 min， 且在實(shí)驗(yàn)過程中一直保持氮?dú)夥?，防止空氣中氧氣干擾。所有電化學(xué)實(shí)驗(yàn)在（23±2） ℃下進(jìn)行。

3結(jié)果與討論

3.1PtAuGO納米結(jié)構(gòu)的制備

為研究石墨烯對PtAu納米結(jié)構(gòu)形貌的影響，分別制備了PtAuGO/GCE和PtAu/GCE。圖1A和圖1B分別為裸GCE和GO/GCE的SEM圖。與裸GCE平整的表面相比，GO修飾的GCE表面覆蓋了一層薄膜，且薄膜表面存在一些褶皺。圖1C為PtAuGO/GCE的SEM圖，經(jīng)電化學(xué)還原后，電極表面形貌發(fā)生了很大的改變，表面出現(xiàn)了分布均勻的PtAu納米顆粒，從其高倍電鏡圖（圖1C插圖）可見，PtAu納米顆粒為表面疏松的花瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)，具有較大的比表面積，可以使更多的金屬顆粒暴露在催化劑表面，顯著增加了催化劑表面的催化活性位點(diǎn)，從而增強(qiáng)電極的電催化性能。而PtAu/GCE表面出現(xiàn)了很多不規(guī)則顆粒（圖1D），并有明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象（1D插圖），表明GO對PtAu納米結(jié)構(gòu)的形成具有一定的穩(wěn)定作用。為了便于比較，同時制備了AuGO/GCE（圖1E）和PtGO/GCE（圖1F），從圖中可見沉積到GO/GCE表面的Au和Pt納米顆粒均為球形結(jié)構(gòu)，并未形成像PtAu那樣比表面積較大的花瓣結(jié)構(gòu)。

3.2不同修飾電極對葡萄糖的電催化行為

為了研究制備的PtAuGO納米催化劑對葡萄糖氧化反應(yīng)的電催化性能，比較了不同修飾電極在生理?xiàng)l件下（pH 7.4）對葡萄糖氧化反應(yīng)的催化性能。圖2分別為裸GCE（A）， GO/GCE（B）， PtAuGO/GCE（C）， PtAu/GCE（D）AuGO/GCE（E）及PtGO/GCE（F）在空白的PBS（pH 7.4）溶液（曲線a）及含有10 mmol/L葡萄糖的PBS溶液（曲線b）中的電化學(xué)響應(yīng)。由圖2可見，裸GCE和GO/GCE對葡萄糖沒有任何響應(yīng)，說明在此電位范圍內(nèi)裸GCE和GO/GCE對葡萄糖氧化反應(yīng)無電催化作用。

為了更好地比較不同修飾電極對葡萄糖氧化反應(yīng)的催化活性，以沉積到電極表面的金屬總量對電流進(jìn)行了歸一化處理。由圖2C可見，在空白PBS溶液中，在正向掃描時，在0.3 V處電流開始增大，表示形成了金屬氧化物，而在負(fù)向掃描時，在0 V處，出現(xiàn)了金屬氧化物的還原峰（曲線a）＼[10＼]；當(dāng)加入10 mmol/L葡萄糖時，葡萄糖首先吸附在PtAu納米結(jié)構(gòu)表面，在正向掃描時，在0.3 V左右出現(xiàn)了一個氧化峰，對應(yīng)于葡萄糖的直接電化學(xué)氧化，當(dāng)電位繼續(xù)增加時，氧化電流減小，這是由于在正向掃描過程中形成了金屬氧化物，阻礙了葡萄糖的進(jìn)一步吸附，從而阻礙了葡萄糖的電化學(xué)氧化；在負(fù)向掃描的過程中，電極表面的金屬氧化物被還原，為葡萄糖的進(jìn)一步氧化提供了活性吸附位點(diǎn)，因此在

Symbolm@@ 0.1 V處再次出現(xiàn)了葡萄糖的氧化峰＼[6＼]。PtAu/GCE對葡萄糖的電化學(xué)響應(yīng)與PtAuGO/GCE類似（圖2D），但電流要小很多，表明與單獨(dú)的PtAu納米顆粒相比，PtAuGO復(fù)合催化劑對葡萄糖氧化反應(yīng)表現(xiàn)出更高的電催化活性。比較了AuGO（圖2E）和PtGO（圖2F）對葡萄糖氧化反應(yīng)的電催化性能。由圖2E可見，當(dāng)加入10 mmol/L葡萄糖溶液后，在0.3 V處出現(xiàn)了葡萄糖的氧化峰，但氧化電流比較?。挥蓤D2F可見，PtGO/GCE對葡萄糖的電化學(xué)響應(yīng)與PtAuGO/GCE類似，說明在PtAuGO納米結(jié)構(gòu)中，對葡萄糖起主要催化作用的為Pt納米結(jié)構(gòu)，但PtGO/GCE在

Symbolm@@ 0.1 V處對葡萄糖的氧化電流僅為PtAuGO/GCE的1/2左右，說明由于Au的參與，使PtAu納米結(jié)構(gòu)的形貌有了較大改變，使催化劑的比表面積顯著增加，從而提高了催化劑的電催化性能。

3.4抗干擾實(shí)驗(yàn)

抗壞血酸（AA）、尿酸（UA）是生物樣品中常見的干擾物質(zhì)，這些干擾物質(zhì)具有電催化氧化活性，會對葡萄糖檢測產(chǎn)生干擾 ＼[17＼]。圖4為PtAuGO/GCE在

Symbolm@@ 0.1 V檢測電位下對5.0 mmol/L葡萄糖、0.1 mmol/L AA和0.02 mmol/L UA的響應(yīng)，可見，構(gòu)建的傳感器對AA和UA等干擾物質(zhì)的響應(yīng)電流非常小，傳感器顯示了很好的抗干擾性能。

3.5樣品分析

為了驗(yàn)證制備構(gòu)建的傳感器的實(shí)際應(yīng)用性能，將PtAuGO/GCE應(yīng)用于人血清中葡萄糖的測定，結(jié)果見表2。為了驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性，利用血糖分析儀對同樣的血清樣品進(jìn)行了分析，兩種方法的測定結(jié)果一致，說明構(gòu)建的傳感器可用于實(shí)際樣品分析。

[TS（][HT5”SS]圖4PtAuGO/GC電極在5.0 mmol/L 葡萄糖溶液中對AA和UA的抗干擾曲線

由

于PtAu獨(dú)特的花瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)和石墨烯大比表面積和高電導(dǎo)率的協(xié)同催化作用，該納米催化劑在生理?xiàng)l件下對葡萄糖氧化反應(yīng)表現(xiàn)出了優(yōu)良的電催化活性、穩(wěn)定性和選擇性，據(jù)此構(gòu)建的葡萄糖無酶傳感器具有響應(yīng)時間短、線性范圍寬、靈敏度高、檢出限低等優(yōu)點(diǎn)，可用于實(shí)際樣品的分析檢測。

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AbstractThe flowershaped PtAugraphene oxide （GO） nanostructures were synthesized by onestep electrochemical reduction method. The electrocatalytic activities of the nanostructures toward glucose oxidation were investigated by cyclic voltammetry. The results indicated that the nanocomposites exhibited a higher electrocatalytic activity than the PtAu nanoparticles. A glucose nonenzyme sensor could be easily developed with the use of the flowershaped PtAuGO nanostructure. The sensor exhibited low detection limit （4.0 μmol/L）， a wide and useful linear range

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