石墨烯量子點/鈀納米復(fù)合材料直接電化學(xué)法檢測葡萄糖

杜麗清,伊雯雯,溫廣明,李忠平

(1.山西大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,山西 太原 030006;2.山西大學(xué) 環(huán)境科學(xué)研究所,山西 太原 030006)

0 引言

糖尿病是由于胰島素生產(chǎn)不足或無法有效利用胰島素引起的疾病,近幾十年來,其發(fā)病率穩(wěn)步上升[1],影響超過1.71億人,每年導(dǎo)致全世界400萬人死亡[2]。為了預(yù)防糖尿病引起的并發(fā)癥,監(jiān)測和控制血糖水平顯得非常必要。近年來,電化學(xué)葡萄糖生物傳感器由于其高的靈敏度、操作簡便、響應(yīng)快、低成本等優(yōu)點備受關(guān)注。但是鑒于酶促葡萄糖傳感器昂貴且不穩(wěn)定,相較于基于酶介質(zhì)的電化學(xué)方法,無酶傳感器直接電催化氧化葡萄糖受pH、溫度、化學(xué)條件的影響較小,表現(xiàn)出優(yōu)異的檢測限和靈敏度[3-4],是更理想的解決方案[5]。而納米復(fù)合材料成為理想的電極修飾材料主要是由于其優(yōu)異的性能,如具有大比表面積的基板和用于催化的高活性物質(zhì),典型的碳材料負載貴金屬納米材料有:Pd/SWCNTs[6]、Ag @ MH/MWCNT[7]、AuNP/GONR[8]、Pt-Cu-Pd/GCE[9]、Pt-Ni/MWCNT[10]、GOx-GQDs/GC[11]和PdNPs/GO[12]。其中,鈀納米(PdNPs)被認為是構(gòu)建電化學(xué)生物傳感器的理想材料。然而,超敏感的PdNPs對血液中存在的干擾物質(zhì)(如尿酸(UA),多巴胺(DA),抗壞血酸(AA))的耐受性不佳[13]。 而且,PdNPs復(fù)合材料附著到基板的表面的穩(wěn)定性通常決定著納米材料的應(yīng)用前景。因此,通過改進納米材料的電化學(xué)活性和穩(wěn)定性來構(gòu)建無酶促生物傳感器是非常重要的研究方向。

石墨烯量子點(GQDs)是具有量子限制和邊緣位置效應(yīng)的零維材料。對GQDs強烈的研究興趣歸因于它們獨特的物理化學(xué)現(xiàn)象,即光致發(fā)光激發(fā)(PLE)性質(zhì)[14-15],低毒性,良好的光穩(wěn)定性,化學(xué)惰性,光電化學(xué)水分解和光催化作用。而它們新型的物理化學(xué)和生物學(xué)現(xiàn)象來自被邊緣平面功能部分包圍的sp2-C納米尺寸核心[16]。因此,石墨烯量子點(GQDs)在光學(xué)、生物成像[17]、生物傳感和電化學(xué)傳感[18-19]等方面具有巨大潛力。石墨烯量子點(GQDs)可以通過自上而下或自下而上的方法合成[20]。通常,自上而下的方法通過化學(xué)氧化和剝離,將碳纖維、石墨烯片、石墨烯電極、石墨粉、植物材料(如芒果葉)分別切割成GQDs,如水熱合成[21]、電化學(xué)合成[22]和微波合成[23]。自下而上的方法包括分子前體(天然或人工),通過碳酸化前驅(qū)體來合成GQDs[24-26]。

本文通過碳酸化檸檬酸制備了表面含有羥基(-OH)和羧基(-COOH)的石墨烯量子點(GQDs),經(jīng)聚乙烯亞胺(PEI)功能化得到氨基化的石墨烯量子點(GQDs@PEI),將其與氯化鈀結(jié)合并通過硼氫化鈉還原得到氨基化石墨烯量子點鈀納米復(fù)合材料(GQDs@PEI/Pd)。利用該復(fù)合材料構(gòu)建的無酶葡萄糖電化學(xué)傳感器,具有高選擇性、靈敏度和長期穩(wěn)定性的優(yōu)點。通過一系列電化學(xué)實驗證明了GQDs@PEI/Pd納米復(fù)合材料對葡萄糖有明顯的電流響應(yīng),在一定范圍內(nèi)濃度與電流信號呈現(xiàn)良好的線性,為人體血清中葡萄糖的檢測提供了新的方法。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

CHI600C 電化學(xué)工作站(上海辰華儀器公司),SZCL-3B數(shù)顯智能控溫磁力攪拌器(鄭州科華儀器設(shè)備有限責任公司);檸檬酸,聚乙烯亞胺(PEI),硼氫化鈉均為aladdin試劑;氫氧化鈉(天津市恒興化學(xué)試劑制造公司);氯化鈀(薩恩化學(xué)技術(shù)有限公司);實驗室用水為二次蒸餾水。

1.2 氨基化石墨烯量子點的制備

如圖1所示,石墨烯量子點通過簡單的熱解法制備。首先稱取2.0 g檸檬酸于燒杯中,200℃下油浴15 min直到檸檬酸由白色固體變?yōu)殚冱S色有機溶液;然后用100 mg/mL的NaOH溶液調(diào)節(jié)溶液pH至8;冷凍干燥制成粉末備用[27]。稱取1.0 g聚乙烯亞胺(PEI)與0.1 g GQDs溶解于20 mL二次水得到混合溶液;將該溶液加熱至沸騰溫度,當形成凝膠時,加入10 mL超純水以防止其干燥和燒焦,重復(fù)該過程3次以得到PEI功能化的GQDs;加入二次水使總體積達到10 mL。在3 000 Da透析袋中透析24 h后,獲得純氨基化的石墨烯量子點(GQDs@PEI)[28]。

圖1 GQDs@PEI/Pd納米復(fù)合材料合成流程圖Fig.1 Schematic illustration of the GQDs@PEI/Pd synthesis process

1.3 氨基化石墨烯量子點鈀納米復(fù)合材料的制備

取20 mL氨基化的石墨烯量子點溶液,向其中加入5 mL的PdCl2(5 mmol/L)溶液。在40℃反應(yīng)3 h,再加入過量硼氫化鈉還原反應(yīng)3 h,離心、干燥,得到的沉淀即為氨基化石墨烯量子點鈀納米復(fù)合材料。

1.4 物理特性和電化學(xué)行為測量

將制備好的氨基化石墨烯量子點鈀納米復(fù)合材料(GQDs@PEI/Pd)溶液滴于超薄碳支持銅網(wǎng)上,室溫真空下干燥24 h,用透射電子顯微鏡觀察其分布情況及粒徑大小。將粉末狀的氨基化石墨烯量子點鈀納米復(fù)合材料用能量色散X射線光譜儀(EDX)測量其元素組成和含量。電化學(xué)檢測采用典型的傳統(tǒng)三電極系統(tǒng),將 10 mg 氨基化石墨烯量子點鈀納米復(fù)合材料超聲分散在2 mL 的乙醇溶液中,制得5 mg/mL 的GQDs@PEI/Pd 懸浮液。然后,移取 5 μL的上述懸浮液滴加在玻碳電極(GCE)電極表面,紅外燈下烤干。使用循環(huán)伏安法(CV)對氨基化石墨烯量子點鈀納米復(fù)合材料進行表征,以Pt電極和Ag/AgCl電極分別為對電極和參比電極,GQDs@PEI/Pd修飾的玻碳電極為工作電極,0.5 mol/L的硫酸溶液為電解液,進行電化學(xué)掃描,掃描速度為100 mV/s。作為對比,裸電極GCE與未氨基化的石墨烯量子點鈀納米復(fù)合材料(GQDs/Pd)采用相同的辦法進行電化學(xué)掃描。用電流時間法(i-t)檢測葡萄糖,以Pt電極和Ag/AgCl電極分別為對電極和參比電極,GQDs@PEI/Pd修飾的玻碳電極為工作電極,0.1 mol/L的氫氧化鈉為電解液,固定電壓為1.0 V。

2 結(jié)果與討論

2.1 物理特性和電化學(xué)表征

制備的石墨烯量子點和氨基化石墨烯量子點支撐鈀納米復(fù)合材料用透射電子顯微鏡(TEM)表征其粒徑、分散性和形貌,并用EDX能譜分析納米復(fù)合材料的金屬元素組成。由圖2a可知石墨烯量子點具有較好的分散性和均一性,粒徑為9.5 nm±0.5 nm,而氨基功能化的石墨烯量子點支撐鈀納米粒子(圖2b)顯示鈀納米和石墨烯量子點耦合在一起形成了較大的納米復(fù)合粒子,納米復(fù)合粒子的粒徑為11 nm±2 nm。從能譜分析(EDX)(圖2c)能看得出復(fù)合材料中鈀納米具有明顯的含量,進一步證實石墨烯支撐的鈀納米復(fù)合物被成功制備。

將GQDs@PEI/Pd/GCE電極、GQDs/Pd/GCE電極在0.5 mol/L硫酸溶液中的循環(huán)伏安圖(如圖3(a))與裸電極(GCE)在0.5 mol/L硫酸溶液中的循環(huán)伏安圖對比,可以看出GQDs@PEI/Pd/GCE電極在0.4 V和1.0 V左右有鈀的兩個特征峰,峰形與峰電流較于GQDs/Pd/GCE電極、裸電極更優(yōu)越,這是因為通過靜電作用將陽離子PEI涂覆到帶有相反電荷的石墨烯量子點(GQDs-COO-)上有利于提高在電極表面的物理吸附親和力[29]。圖3b表明GQDs@PEI/Pd/GCE修飾電極相較于其他電極,具有更強的電化學(xué)響應(yīng),電化學(xué)活性具體順序為:GCE

為了進一步證明納米復(fù)合材料的優(yōu)越性,對裸GCE電極、GQDs@PEI電極和GQDs@PEI/Pd/GCE電極的電化學(xué)活性表面積進行了研究。在含有0.1 mol/L KCl的5 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4-溶液中通過循環(huán)伏安(CV)評估電極活性。在可逆過程中,峰值電流(Ip)與掃描速率的平方根(ν1/2)成比例,如式(1)所示。

Ip=(2.69×105)n3/2AD01/2C0ν1/2

(1)

式中Ip是峰電流,n是電荷轉(zhuǎn)移數(shù),A是電極的表面積,ν是掃描速率,C0是[Fe(CN)6]3-/4-的濃度(5.0 mmol/L),D0是[Fe(CN)6]3-/4-的擴散系數(shù),其值為6.56×106cm2/s(25℃)。如圖4所示,以各種速率掃描不同電極的CV曲線。通過擬合Ip與ν1/2的校準線(圖4d),獲得了(2.69×105)n3/2AD01/2代表的一系列斜率。從而得到各種修飾電極的表面積和氧化還原電位電勢差(如表1所示)。從表中可以看出GQDs@PEI/Pd/GCE電極的表面積相對于裸電極及GQDs@PEI電極有較大的提高,說明納米復(fù)合材料的電子轉(zhuǎn)移性能要優(yōu)于單一的量子點或納米材料。這些結(jié)果表明,PdNPs使GQDs@PEI具有缺陷表面和高活性位點,從而產(chǎn)生更大的電化學(xué)活性表面積和更好的性能。而氧化還原電位電勢差的縮小更加證明了該復(fù)合材料的優(yōu)越性。

a.石墨烯量子點的TEM;b.石墨烯量子點鈀納米復(fù)合材料的TEM;c.石墨烯量子點鈀納米復(fù)合材料的能譜分析圖圖2 納米復(fù)合材料的透射電鏡表征和能譜分析Fig.2 TEM images of GQDs (a) and GQDs@PEI/Pd (b) as well as EDX of the GQDs@PEI/Pd (c)

表1 不同修飾電極的有效表面積及電勢差

2.2 修飾電極測量條件優(yōu)化及選擇性與穩(wěn)定性的評估

氨基化石墨烯量子點與鈀納米的結(jié)合比例會影響修飾電極的電化學(xué)活性,如圖5所示,當鈀納米的含量較高時,在硫酸電解質(zhì)中鈀納米復(fù)合物修飾電極的氧化還原特征峰會減弱或消失,這是因為鈀納米聚集會阻礙電子的傳遞過程,所以兩者摩爾比例以2∶1為最佳。具體為:所用PdCl2(5 mmol/L)的體積為5 mL,氨基化石墨烯量子點和PdCl2摩爾比例為2∶1制備的納米復(fù)合材料應(yīng)用于本論文的后續(xù)實驗中。除此之外,修飾電極量與檢測反應(yīng)富集時間都會影響電極活性,通過優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)納米復(fù)合材料的電極修飾量與檢測反應(yīng)富集時間最佳值分別為5 μL(濃度是0.047 6 mg/cm2)和100 s(如圖6(a),

圖5 不同比例的納米復(fù)合材料在0.5 mol/L硫酸溶液中的CV圖Fig.5 CV of different proportions of modifiedmaterials in 0.5 mol/L sulfuric acid solution

圖6 (a)優(yōu)化納米復(fù)合材料電極修飾量;(b)GQDs@PEI/Pd/GCE電極在1.0 V下含有0.1 mmol/L葡萄糖電解質(zhì)的i-t曲線圖;(c)GQDs@PEI/Pd/GCE電極在0.1, 0.5, 0.7, 1.0 V含有0.1 mmol/L葡萄糖電解質(zhì)的i-t曲線圖;(d)GQDs@PEI/Pd/GCE電極對連續(xù)加入0.2 mmol/L葡萄糖,0.2 mmol/L AA, 0.2 mmol/L GSH,0.2 mmol/L Cys, 0.2 mmol/L Sur,0.2 mmol/L D-fur,0.2 mmol/L NaCl和0.2 mmol/L葡萄糖的響應(yīng)圖。所有優(yōu)化實驗均在0.1 mol/L NaOH溶液中進行。Fig.6 (a) The change of current with the amount of modification;(b) i-t curve of GQDs@PEI/Pd/GCE obtained in the presence of 0.1 mmol/L glucose at 1.0 V;(c) i-t curve of GQDs@PEI/Pd/GCE obtained in the presence of 0.1 mmol/L glucose at 0.3 V, 0.5 V, 0.7 V, 1.0 V,(d) Amperometric response of GQDs@PEI/Pd/GCE to the successive additionof 0.2 mmol/L glucose,0.2 mmol/L, 0.2 mmol/L AA, 0.2 mmol/L GSH,0.2 mmol/L Cys, 0.2 mmol/L Sur,0.2 mmol/L D-fur,0.2 mmol/L NaCl and 0.2 mmol/L glucose.All optimization experiments were performed in 0.1 mol/L NaOH solution

(b)所示)。同時,修飾電極的穩(wěn)定性考察如圖6(c)所示,在電流-時間(i-t)中改變不同的固定電壓,反應(yīng)1 000 s,氧化電流基本保持不變,證實GQDs@PEI/Pd/GCE電極具有較好的穩(wěn)定性,固定電壓為1.0 V時可獲得更高的電極活性。

人體血液中含有一系列電活性物質(zhì),如抗壞血酸、谷胱甘肽、半胱氨酸等。為了評估制備的傳感器對這些干擾物質(zhì)的耐受性,通過連續(xù)加入0.2 mmol/L葡萄糖,0.2 mmol/L抗壞血酸、0.2 mmol/L谷胱甘肽、0.2 mmol/L半胱氨酸、0.2 mmol/L蔗糖、0.2 mmol/L D-果糖、0.2 mmol/L NaCl和0.2 mmol/L葡萄糖進行選擇性測量。如圖6(d)所示,GQDs@PEI/Pd/GCE對0.2 mmol/L半胱氨酸基本沒有電化學(xué)活性,而對抗壞血酸、谷胱甘肽等有較弱的活性響應(yīng),表明該傳感器具有優(yōu)異的選擇性。

2.3 葡萄糖的檢測

通過循環(huán)伏安法在0.1 mol/L NaOH溶液中研究GQDs@PEI/Pd/GCE對葡萄糖氧化的電化學(xué)性能。作為對比,在相同條件下測量裸GCE。在測試之前,在-0.2～1.4 V為電位范圍內(nèi)掃描50個循環(huán)伏安CV激活修飾的電極。在加入0.2 mmol/L葡萄糖后,活化的GQDs@PEI/Pd/GCE對葡萄糖氧化顯示出有利的催化性能,而裸GCE的陽極電流表現(xiàn)出可忽略的變化,表明其對葡萄糖氧化的催化性能差(如圖7所示)。

使用循環(huán)伏安法在含有0.2 mmol/L葡萄糖的0.1 mol/L NaOH溶液中以20至300 mV/s的各種掃描速率進行GQDs@PEI/Pd/GCE的進一步研究。 如圖8(a)所示,它清楚地表明陽極和陰極峰隨著掃描速率的增加而變化。 這主要是由于葡萄糖和電極表面的氧化中間體的表面吸附引起的峰值電流。 這些因素增加了溶液界面電阻,因此陽極峰值發(fā)生輕微的正偏移[28]。 峰值電流與掃描速率1/2之間的關(guān)系如圖6b所示,并證明了線性擬合方程I=11.52 ν1/2-1.232(R2=0.991 6)。 這些結(jié)果表明,GQDs@PEI/Pd/GCE電極表面上的葡萄糖氧化受擴散過程控制。

圖7 GQDs@PEI/Pd/GCE和裸GCE對含有0.2 mmol/L葡萄糖的電解質(zhì)響應(yīng)的CV比較圖Fig.7 A comparison of CV response on 0.2 mmol/L glucose between GQDs@PEI/Pd/GCE and bare GCE

準通過電流-時間(i-t)分析法評估GQDs@PEI/Pd/GCE的靈敏度和檢測范圍。如圖9(a)的插圖所示,在加入1 μmol/L葡萄糖后不久觀察到明顯的電流增量。葡萄糖氧化的催化電流在1 μmol/L至220 μmol/L的濃度范圍內(nèi)線性增加。

圖8 (a)在含有0.2 mmol/L葡萄糖的0.1 mol/L NaOH溶液中,不同掃描速率(20, 50,100, 150, 200,250和300 mV/s)下GQDs@PEI/Pd/GCE電極的CV圖;(b)氧化電流峰值與掃描速率1/2的線性校準線Fig.8 (a) CVs of GQDs@PEI/Pd/GCE obtained at different scan rates(20, 50,100, 150, 200,250 and 300 mV/s) in 0.1 mol/L NaOH solution containing 0.2 mmol/L glucose;(b) The linear calibration line of peak current vs. (scan rate)1/2 of GQDs@PEI/Pd/GCE

圖9 (a)GQDs@PEI/Pd/GCE電極對連續(xù)加入1 μmol/L,10 μmol/L,50 μmol/L,0.1 mmol/L和0.2 mmol/L葡萄糖的電流響應(yīng)圖,插圖為GQDs @ PEI/Pd/GCE電極對1-70 μmol/L葡萄糖電流響應(yīng)的放大圖(b)圖(a)的線性擬合校準線,插圖為葡萄糖濃度1-100 μmol/L區(qū)間的線性擬合校準線。Fig.9 (a)Amperometric response of GQDs@PEI/Pd/GCE to the successive addition of 1 μmol/L,10 μmol/L, 50 μmol/L,0.1 mmol/L,and 0.2 mmol/L glucose,The inset is an enlarged view of the GQDs @ PEI/Pd/GCE electrode response to 1-70 μmol/L glucose current;(b)Linear fitting calibration lines of (a),The illustration is a linear fit calibration line with a glucose concentration of 1-100 μmol/L

表2 現(xiàn)有工作與其他工作的比較

圖9(b)顯示了氧化電流對葡萄糖濃度的校準曲線。擬合方程分為兩段,分別為I=400.217 Cglucose-317.25 (0.1 mmol/L≤Cglucose≤0.22 mmol/L),R2=0.996 53;I=0.705 41 Cglucose-0.60 (1 μmol/L≤Cglucose< 100 μmol/L),R2=0.971 88。靈敏度分別為797.24 μA/cm2/(μmol/L),1.40 μA/cm2(μmol/L),最低檢測線為0.30 μmol/L (S/N=3)。與其他現(xiàn)有工作相比(表2),本工作具有較高的靈敏度、高選擇性、低檢測限的特點,顯示出較大的優(yōu)勢。

3 結(jié)論

本文通過簡單的方法成功合成了GQDs@PEI/PdNP納米復(fù)合材料,其中鈀作為一種重要的過渡金屬具有大的比表面積及優(yōu)異的催化性能,而石墨烯量子點大的比表面積為鈀納米負載提供了寬闊的平臺,因此該納米復(fù)合材料具有優(yōu)異的電化學(xué)傳感特性。利用該納米復(fù)合材料構(gòu)建的無酶電化學(xué)傳感器可用于葡萄糖檢測,該傳感器(GQDs@PEI/Pd/GCE)具有長期穩(wěn)定性,非常高的靈敏度(1 405.2 μA/(mmol/L)-1·cm-2)、選擇性、寬線性范圍、低檢測限(0.30 μmol/L)的特點,是理想的無酶葡萄糖電化學(xué)傳感器。