石墨烯复合修饰电极的电化学应用

陈志华，葛玉卿，金庆辉，柳建设，赵建龙

(1.东华大学环境科学与工程学院，上海201620）（2.中国科学院上海微系统与信息技术研究所，传感技术联合国家重点实验室，上海200050）

0 引言

石墨烯作为一种新型碳材料，具有独特的结构和优异的性能。它具有非常高的机械强度[1]、大的比表面积以及极强的电子传导能力，且成本低廉，可加工性好[2～3]；对于待测物质具有一定的电催化作用，可以实现良好的重现性和可再生性[4]。近年来，石墨烯在理论与实验方面都得到了很大的关注和发展[5～6]，已经在电子、储能和转换以及生物科学和生物技术方面得到有效的开发和应用[7～8]。

石墨烯是一种单层化的二维碳材料，具有很高的纯度（不含过渡金属、Fe、Ni等），这为研究碳材料的电催化性质提供了有效的平台[8～9]；经过功能化的石墨烯具有两亲性，既可溶于水又可溶于有机溶剂,拥有比碳纳米管更好的性质和优势[10]，能够有效实现电子的高效率传导。

该文分析了石墨烯和功能化石墨烯的性质优势；总结了石墨烯作为新型传感材料的应用优势；着重介绍近几年基于石墨烯修饰电极的电化学和生物传感器的应用和发展，如各种酶传感器用于测量葡萄糖、乙醇等的含量等；展望了石墨烯修饰电极在生物检测与环境监测等方面的电化学应用前景。

1 石墨烯简介

1.1 石墨烯的基本性质

石墨烯（图1）[8]是在2004年由英国曼彻斯特大学Geim课题组发现的[3]，作为单原子层的二维石墨晶体模型，它具有一些特殊优异的性质，如大的比表面积[11]、高机械强度以及超强的电子传导能力[12]。

图1 （a）石墨烯的原始结构；（b）石墨烯的透射电子显微镜图像；（c）扫描式电子显微镜图像Fig.1 (a)Structural model of pristine graphene；(b)TEM image of graphene；(c)SEM image of graphene

石墨烯由一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子组成[7],是世界上最薄的二维材料,其厚度仅为0.335 nm[2]。结构完整的石墨烯是由不含任何不稳定键的苯六元环组合而成的二维晶体,化学稳定性高,表面呈惰性状态,与其它介质(如溶剂等)的相互作用较弱,并且由于石墨烯片与片之间有较强的范德华力的作用,使其容易产生聚集,难溶于水及常用的有机溶剂,对于进一步研究和应用有一定的限制[7]。因此，对石墨烯进行一定程度的功能化并将其溶解于特定的溶液中，可以实现石墨烯的功能化利用和性质的发挥。

在0.1 mol/L的pH=7的PBS缓冲液中测试石墨烯修饰电极的电化学性质，发现它有比单纯的石墨电极、玻璃碳电极以及金刚石电极都要优异的电化学性质，主要表现在：通过交流阻抗谱测得的电阻明显低于其它碳材料；通过循环伏安法测得的曲线出现了明显的氧化还原峰，并且氧化还原峰电流与扫描频率的平方根有明显的线性关系，这表明通过石墨烯修饰电极上的氧化还原过程可以实现特定物质的检测[13]。

1.2 石墨烯的制备和功能化

石墨烯的制备主要以氧化石墨（GO）作为前驱体，通过氧化石墨的还原和石墨烯的功能化得到性能优异的石墨烯，主要制备方法包括机械剥离、晶体外延生长、化学氧化、化学气相沉积和有机合成等，其中低温热剥离GO所制备的功能型单层石墨烯具有更优异的超电容性能[14]。目前，由于氧化插层剥落，再还原法制备石墨烯具有成本低、产量高等特点，成为批量合成石墨烯的主要途径之一[15]。

由于功能化石墨烯具有一系列晶格缺陷和官能团，可以为各种反应的发生提供有效的接触面和媒介，因此石墨烯的功能化也是石墨烯应用的重要内容。功能化是实现石墨烯分散、溶解和成型加工的最重要手段，目前主要有共价键功能化和非共价键功能化[7]两种方法。石墨烯的主体边沿及缺陷部位具有较高的反应活性,通过化学氧化的方法制备的石墨烯氧化物中含有大量的羧基、羟基和环氧键等活性基团,可以利用有机小分子与其中的羧基和羟基发生化学反应[7]、利用与有机物化学共聚作用以及与有机高分子的杂化结合对石墨烯进行共价键功能化；除了共价键功能化外,还可以通过分子间相互作用、离子键以及氢键等非共价键作用,使修饰分子对石墨烯进行表面功能化,形成稳定的分散体系。

2 石墨烯的电化学应用

石墨烯作为一种高导电性能的优质材料，在电化学检测以及电化学传感器的发展中正在得到有效地利用。石墨烯的高导电性和高电子传导速率可以实现酶的活性中心的直接电子传递，为葡萄糖以及其它细胞物质的检测提供了可行的途径；石墨烯大的比表面积和高的电子传递效率还可以为过氧化氢以及NADH等小分子物质提供电子传递的可能[8]，实现过氧化氢和NADH的有效检测[16]。

2.1 酶的直接电化学行为

酶在电极上的直接电化学行为涉及到酶的活性中心与外端电极上的电子传递，由于酶的活性中心一般被疏水性的生物分子所包裹，因此在没有其它介质和试剂的参与下，很难将酶的活性中心与外界电极连接起来，也就无法实现酶与电极之间的电子流通，借助于石墨烯特殊的电子传输性质和大的比表面积，能够有效实现酶活性中心与电极之间的电子传递。

通过对分别修饰了葡萄糖氧化酶和修饰了石墨烯和葡萄糖氧化酶的玻碳电极的阻抗谱分析得出，修饰了石墨烯的电极电阻明显减低，而没有修饰石墨烯的玻碳电极电阻很大，在10 mHz到10 kHz的频率范围内阻抗已经明显超过108，对于测量结果有很大影响。可见，通过石墨烯的高效传导能力实现了酶的活性中心与电极的电子交流，可以有效实现酶电极的物质检测。

2.2 石墨烯修饰电极用于小分子物质的检测

2.2.1 扑热息痛的电化学检测

扑热息痛的还原可以表达为两个电子和一个质子的转移过程（图2）。由于石墨烯具有很好的电子传递能力，因此可以使扑热息痛在电极表面发生电子的转移，通过电流的强弱就可以判定扑热息痛的含量，检测限一般为3.2×10-8mol/L【17】。

图2 扑热息痛的还原过程Fig.2 Reduction process of paracetamol

测量过程采用三电极系统：活化玻碳电极作工作电极，铂丝作对电极，Ag/AgCl/3.0 mol/L KCl做参比电极。实验选用的缓冲液是NH3·H2ONH4Cl(0.1 mol/L,pH9.3)，玻碳电极上附着的石墨烯量一般为5 μL，沉积累计时间为240 s，在此条件下可以得到很好的测试曲线。电流强度（Ipa，A）与扑热息痛浓度（c，μmol/L）的线性回归方程（在0.1～20 μmol/L的浓度范围内）[17]：Ipa=3.798+4.055c，相关系数为0.998 4。

2.2.2 葡萄糖的电化学检测

聚乙烯吡咯烷酮能够增加石墨烯在溶液中的分散性，将聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和石墨烯（graphene）混合溶解于水中，然后将此溶液附着于玻碳电极上再修饰葡萄糖氧化酶（GOD），制成PVP-graphene-GOD电极，可以实现石墨烯在玻碳电极上的单层化，提高电子传导能力和待测物质氧化还原的灵敏性和快速性。待测溶液是溶解有葡萄糖和过氧化氢的磷酸盐（PBS）缓冲液，电极上附着有葡萄糖氧化酶，随着葡萄糖的氧化，过氧化氢被还原，产生的电流表征了葡萄糖的含量。

利用PBS溶液作为基底液，通过循环伏安法测量电流响应，此电极表现出很好的测量效果，出现两个明显的氧化还原峰；而在单纯的玻碳电极上表现不出过氧化氢酶的直接电化学行为。这是由于葡萄糖氧化酶的活性中心深深地镶嵌在蛋白质内，限制了它的直接电化学交流，而石墨烯有非凡的电子传送能力和大的比表面积，所以推测石墨烯能够促进电极薄膜的电子传输并促进GOD和电极间的直接电子传递。

利用此电极对于葡萄糖的检测同样表现出了良好的再现性、稳定性以及可重复利用性，对于石墨烯电极应用于葡萄糖的电化学检测过程具有很好的指导意义。

2.2.3 过氧化氢和NADH的电化学检测

通过在玻碳电极的基层或边缘附着石墨烯，使其提供大的反应面积和强的电子传递能力，并发挥电催化作用，使过氧化氢和NADH的电化学检测过程变得简单、合理。存在于石墨烯电极附近的过氧化氢及NADH分子，在电解质溶液和电极所组成的回路通电的情况下，可以得到电子被还原，进而产生对应的电流响应，通过循环伏安法所测得的电流曲线就可以确定待测物质的含量。这种方法主要是通过降低过氧化氢等的电氧化电势（即活化能）使能够利用比较低的电势来进行还原反应，石墨烯修饰后的电极可以减缓电极表面的钝化。但在此反应过程中需要进一步的研究过氧化氢和NADH在石墨烯修饰电极表面的电催化原理[16]。

2.3 电化学DNA生物传感器

在疾病检测方面DNA电化学传感器对于特定DNA片段或者突变基因的检测具有高灵敏、高选择性和低成本的特点，可以实现疾病诊断的简单化、精确性和小型化。在众多类型的DNA电化学传感器中，基于DNA的直接氧化是最为简便的方法。

石墨烯修饰的玻碳电极通过循环伏安法可以分别将DNA片段（单链DNA或者双链DNA）中的四种碱基的电流响应表征出来，通过电流的强弱就能判断出此DNA片段中四种碱基的含量[13]，以往的玻碳电极和石墨电极都不能有效地将四种碱基的电化学行为分别表征出来，而此传感器的这种性能主要取决于石墨烯的防污性能和CR-GO/GC电极上反应动力学的高电子转移，这借助于其表面形成的高密度缺陷边缘平面和CR-GO上提供的含有许多活性中心的氧基官能团并有利于加快溶液中电极与元素之间的电子转移[18～19]。

2.4 重金属离子的电化学检测

通过石墨烯和Nafion的复合修饰可以实现对于重金属离子如Pb2+和Cd2+的电化学检测[20～21]，这样不仅可以增加测试灵敏性而且借助于石墨烯和Nafion的协同作用可以减轻其它物质的干扰。在这种石墨烯修饰电极的作用下，Pb2+和Cd2+的线性检测范围很广，分别为0.5 μg/L～50 μg/L，1.5 μg/L～30 μg/L,检测限为0.02 μg/L,比Nafion膜修饰的铋电极和碳纳米管的灵敏度都要高。这种效果主要得益于石墨烯的特殊性质，如纳米级的厚度和高电导性，以利于更好的吸纳目标离子来增加表面离子浓度，使灵敏度增加并有效避免了表面活性剂的污染。

3 总结与展望

石墨烯借助于它的大的比表面积和优良的电子传递能力，已经应用于生物大分子以及无机小分子的检测过程中，并取得了良好的效果，而石墨烯用于微生物的电化学检测还没有深层次的研究，通过石墨烯电极对于扑热息痛以及葡萄糖等的检测过程，可以发现，石墨烯应用于微生物检测有一定的发展潜力。

通过初步的研究发现，通过石墨烯修饰的玻碳电极而进行的酶联免疫分析法可以实现致病微生物的电化学检测，通过广泛存在于微生物体内的葡萄糖和过氧化氢酶可以发展通过检测葡萄糖含量和过氧化氢含量实现对于微生物的定量检测。

石墨烯作为一种新发现的优质电极材料，以它作为电极的电化学和生物传感器具有良好的重复性和再现性，在传感器方面的发展具有良好的前景,不仅对于生物小分子和细菌检测具有很好的效果，另外，在环境监测和分析、食品安全检测等常规检测中也有一定的指导意义。对于水中的各种污染物质，如微量金属离子，难降解有机物以及COD同样可以实现定量检测；对于检测食品以及饮料中的糖类和微生物量的标准值也是一种快速有效的方法。

[1]Lee C,Wei X D,Kysar J W,et al.Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene[J].Science，2008,321:385～388.

[2]褚颖，刘娟，方庆，等.碳材料石墨烯及在电化学电容器中的应用[J].电池，2009，39（4）：220～221.

[3]代波，邵晓萍,马拥军,等.新型碳材料--石墨烯的研究进展[J].材料导报：综述篇，2010,24（2）：17～21.

[4]Changsheng Shan,Huafeng Yang,Jiangfeng Song,et al.Direct Electrochemistry of Glucose Oxidase and Biosensing for Glucose Based on Graphene[J].Anal.Chem.，2009,81：2 378～2 382.

[5]Emtsev K V,Speck F,Seyller T H,et al.Interaction,growth,and ordering of epitaxial graphene on SiC｛0001｝surfaces:A comparative photoelectron spectroscopy study[J].Phys.Rev.B,2008,77:155303.

[6]Pumera M.Electrochemistry of Graphene:New Horizons for Sensing and Energy Storage[J].TheChemical Record,2009,9:211～223.

[7]黄毅，陈永胜.石墨烯的功能化及其相关应用[J].中国科学B辑：化学，2009,39（9）：887～896.

[8]Yuyan Shao,Jun Wang,Hong Wu,et al.Graphene Based Electrochemical sensors and Biosensors:A Review[J].Electroanalysis，2010,22（10）：1 027～1 036.

[9]Banks C E,Crossley A,Salter C,et al.Carbon Nanotubes Contain Metal Impurities Which are Responsible for the“Electrocatalysis”Seen at Some Nanotube-Modified Electrodes[J].Angew.Chem.Int.Ed.,2006,45：2 533～2 537.

[10]Shen J F,Hu Y Z,Li C,et al.Synthesis of amphiphilic graphene nanoplatelets[J].Small,2009,5:82～85.

[11]杨常玲，刘云芸，孙彦平.石墨烯的制备及其电化学性能[J].电源技术，2010，34（2）:177～180.

[12]Yu-Ming Lin,Keith A Jenkins,Alberto Valdes-Garcia，et al.Operation of Graphene Transistors at Gigahertz Frequencies[J].Nano Letters,2009,9(1):422～426.

[13]Ming Zhou,Yueming Zhai,Shaojun Dong.Electrochemical Sensing and Biosensing Platform Based on Chemically Reduced Graphene Oxide[J].Anal.Chem.,2009,81(14):5 603～5 613.

[14]杜庆来，张立逢，郑明波，等.功能型单层石墨烯的热剥离法制备及其超电容性能[J].化学研究，2010，21（3）：18～23.

[15]Sungjin Park，RodneyS Ruoff.Chemical methods for the production of graphenes[J].Nature Nanotechnology,2009,4：217～224.

[16]Wei-Jhih Lin,Chien-Shiun Liao,Jia-Hao Jha,et al.Graphene modified basal and edge plane pyrolytic graphite electrodes for Electrocatalytic oxidation of hydrogen peroxide and β-nicotinamide adenine Dinucleotide[J].Electrochemistry Communications，2009，11：2 153～2 156.

[17]Xinhuang Kang,Jun Wang,Hong Wu,et al.A graphenebased electrochemical sensor for sensitive detection of paracetamol[J].Talanta，2010，81：754～759.

[18]Banks C E,Davies T J,Wildgoose G G,et al,Electrocatalysis at graphite and carbon nanotube modified electrodes:edge-plane sites and tube ends are the reactive sites[J].Chem.Commun,2005,829～841.

[19]Banks C E,Moore R R,Davies T J,et al.Investigation of modifiedbasalplanepyrolyticgraphiteelectrodes:definitive evidence for the electrocatalytic properties of the ends of carbon nanotubes[J].Chem.Commun,2004,1 804～1 805.

[20]Li J,Guo S J,Zhai Y M,et al.High-sensitivity determination of lead and cadmium based on the Nafiongraphene composite film[J].Anal.Chim.Acta,2009，(649)：196～201.

[21]Li J,Guo S J,Zhai Y M,et al.Nafion-graphene nanocomposite film as enhanced sensing platform for ultrasensitive determinationofcadmium[J].Electrochem.Commun,2009,(11):1 085～1 088.