氧化石墨烯/多壁碳纳米管负载金铂核壳纳米粒子构建一种三维新型抗坏血酸电化学传感器

赵一玮，秦建华，李周原，王 静，刘学瑞，董丽娜，徐 慧

(鲁东大学 化学与材料科学学院，山东 烟台 264025)

近年来，各种纳米材料被广泛应用于电化学方法检测抗坏血酸(AA)[1-2]、多巴胺(DA)[3-4]、尿酸(UA)[5]等小分子物质。其中，不同维度的碳材料和贵金属材料，因其独特的物理化学性质引起了人们的极大关注。多壁碳纳米管(MWCNTs)是分子纳米电子学的理想组成部分，具有优异的平面导电性、较高的比表面积和非凡的力学性能[6-8]。然而，MWCNTs的分散能力较差，尤其在水中，这一缺点限制了其进一步应用[9]。因此，提高MWCNTs的水溶性势在必行。近年来，研究人员发现氧化石墨烯(GO)可作表面活性剂来分散MWCNTs[10-11]，引起了广泛关注。通常，当加入GO后还需通过还原反应，使其成为还原的氧化石墨烯(rGO)[12-14]，rGO具有导电性，可有效降低电荷转移电阻而提高检测灵敏度，但其存在还原方法复杂，还原剂多为有毒物等弊端[15]。有研究发现，GO对AA[16]、DA[17]、UA[18]等分子具有很高的电催化性能，因此，将其与MWCNTs混合既可提高MWCNTs的分散性，又能提高电化学效率，且无需使用还原剂，方法简单、环保。

金属纳米粒子具有较大的比表面积，可显著提高电子转移速率[19]，但金、铂等贵金属的高成本和稀缺性使提高其利用率成为研究重点[20-22]。金纳米粒子(AuNPs)具有促进电子传递速率的能力，已广泛应用于电催化研究中[23-25]。同时，铂纳米粒子是一种具有高催化作用的物质，具有较高的催化作用。金铂核壳纳米粒子(Au@Pt NPs)由于其核和壳的协同作用和良好的催化性能[26]，在检测过程中能显示出更高的电流响应、更高的稳定性和持久性，已在医疗等众多领域得到良好的应用。

本研究将GO、MWCNTs和Au@Pt NPs 3种纳米材料相结合，发现GO能有效防止MWCNTs的聚集，并与其结合形成比表面积较大的三维纳米材料[27]，可为Au@Pt NPs提供多维的附着位点，基于此，构建了GO/MWCNTs/Au@Pt NPs/GCE电化学传感器，将其用于AA的检测，可获得较宽的线性范围和极低的检出限，有望用于临床检测。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

MWCNTs(纯度>95%，中国深圳纳米港有限公司)；六水合氯铂酸(H2PtCl6·H2O，分析纯，Pt≥37.5%，Addline公司)；四水合氯金酸(HAuCl4·4H2O)；葡萄糖(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)；柠檬酸钠(分析纯，天津市鼎盛鑫化工有限公司)；抗坏血酸(分析纯，天津市瑞金特有限公司)；盐酸多巴胺(分析纯，Sigma公司)；尿酸(分析纯，Alfa Aesar公司)。其他试剂均为分析纯，未经提纯直接使用。实验用水为超纯水(电导率为18.25 MΩ·cm)。

UV-2550紫外-可见分光光度计(日本岛津公司)；JEM-1230型透射电子显微镜(TEM，日本日立公司)；电化学测量均在CHI-660C电化学工作站(上海市辰华仪器厂)上完成，电化学实验采用传统三电极系统：裸玻碳电极(Bare GCE，直径3 mm)或修饰的GCE为工作电极，铂丝电极为辅助电极，Ag/AgCl电极(3 mol/L KCl)为参比电极。

1.2 传感器的构建

1.2.1GO的制备按修改过的Hummers方法制备[28]GO。

1.2.2Au@PtNPs的制备首先用Frens法合成AuNPs[29]：取45 mL 1 mmol/L氯金酸溶液于三口烧瓶中，并搭建加热回流装置，将三口烧瓶放入磁力加热搅拌套进行加热并搅拌，设置温度270 ℃，转速650 r/min，加热至沸腾。待HAuCl4溶液沸腾5 min后，将2 mL 38.8 mmol/L柠檬酸钠溶液加入沸腾的HAuCl4·4H2O溶液中，再沸腾10 min，停止加热，继续搅拌15 min，配制完成。关闭搅拌，使其自然冷却，冰箱冷藏放置。

再采用种子介导法合成Au@Pt NPs[30-31]：取2 mL合成的AuNPs加入25 mL洁净烧杯中，加入450 μL 1.0 mmol/L六水合氯铂酸溶液及660 μL超纯水，于4 ℃条件下边搅拌边加入220 μL 10 mmol/L的硼氢化钠溶液，持续搅拌30 min，得Au@Pt NPs。

1.2.3GO/MWCNTs混合液的制备将1 mg/mL的GO和1 mg/mL的MWCNTs水溶液混合后超声4 h以上，制备成GO/MWCNTs混合溶液。

1.2.4GO/MWCNTs/Au@PtNPs/GCE传感器的制备将GCE依次用1.0、0.3、0.05 μm Al2O3抛光成镜面，用超纯水清洗后分别在无水乙醇、用超纯水中各超声1 min，最后用N2吹干备用。用移液枪取5 μL 1 mg/mL GO/MWCNTs混合悬浮液滴涂在GCE电极表面，置于37 ℃烘箱中晾干，待电极表面成膜后，再将5 μL Au@Pt NPs滴涂在GO/MWCNTs/GCE表面，同样置于37 ℃烘箱中晾干，层层组装使电极表面再次成膜，此时，得到GO/MWCNTs/Au@Pt NPs/GCE传感器。

1.3 电化学实验

电化学阻抗(EIS)测量：初始电位设置为开路电压，频率范围为0.01～100 000 Hz，振幅5 mV，采用三电极系统在含5 mmol/L K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6] 的0.1 mol/L KCl溶液中进行EIS分析。

差示脉冲伏安法(DPV)测量：在电势范围-0.4～0.4 V，灵敏度为1.0×10-4的条件下，将三电极系统浸于不同浓度AA的0.1 mol/L PBS(pH 7.4)溶液中于1 min后进行DPV测量。

循环伏安法(CV)测量：在-0.4～0.6 V范围内，于0.1 V/s扫速下(灵敏度为1.0×10-4)，将三电极系统置于含1 mmol/L AA溶液中进行CV测量。

图1 AuNPs(a)和 Au@Pt NPs(b)的紫外图Fig.1 UV-Vis images of AuNPs(a) and Au@Pt NPs(b)synthetic wine red AuNPs (left) and Au@Pt NPs (right)

图2 不同传感界面的TEM图Fig.2 TEM images of different materialsA:MWCNTs,B:GO/MWCNTs,C:AuNPs,D:Au@Pt NPs, E:GO/MWCNTs/Au@Pt NPs

2 结果与讨论

2.1 AuNPs与Au@Pt NPs的紫外光谱表征

Frens法合成的AuNPs溶液呈葡萄酒红色，采用紫外可见分光光度计对其进行表征，发现在519 nm出现了一个强特征吸收峰(图1曲线a)，此吸收峰为AuNPs的表面等离子共振所致，表明AuNPs已成功制备。当加入六水合氯铂酸和硼氢化钠后，溶液颜色加深，相对于519 nm处AuNPs的特征峰发生略微红移并伴随着吸收峰展宽(图1曲线b)。由此可见，Au@Pt NPs已成功合成。

2.2 电极修饰材料的透射电镜形貌表征

采用透射电镜(TEM)对碳纳米管(MWCNTs)、氧化石墨烯/碳纳米管(GO/MWCNTs)、金纳米粒子(AuNPs)、金铂核壳纳米粒子(Au@Pt NPs)和氧化石墨烯/碳纳米管/金铂核壳纳米粒子(GO/MWCNTs/Au@Pt NPs)的形貌进行了表征(图2)。结果显示，MWCNTs呈互相缠绕的管状结构(图2A)，直径约10～20 nm，较大的比表面积利于Au@Pt NPs的附着；GO的结构呈片状分布形貌(图2B)，有效防止了MWCNTs的团聚，使MWCNTs呈现良好的分散性；通过柠檬酸钠还原合成的AuNPs分散性良好，粒径约13 nm(图2C)；Au@Pt NPs核壳结构粒径稍微增大[32]，说明以 AuNPs 为核形成了Au@Pt NPs，展现了明显的壳与核的对比(图2D)。当GO/MWCNTs和Au@Pt NPs结合后，Au@Pt NPs在传感界面的附着明显增加(图2E)，纳米粒子的多分散性将会增强传感界面对AA的识别能力。

2.3 修饰电极的电化学特性表征

于含5 mmol/L K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]的0.1 mol/L KCl溶液中，采用EIS对裸GCE、GO/GCE、Au@Pt NPs/GCE、MWCNTs/GCE、GO/MWCNTs/GCE、GO/MWCNTs/Au@Pt NPs/GCE进行了研究(图3A)，图中直线部分表示扩散过程，高频处的半圆直径显示电荷转移的电阻。结果显示，裸GCE半圆较大，导电性能较差(曲线a)；GO/GCE半圆相对裸GCE较小(曲线b)，但其电荷转移电阻仍较大。将Au@Pt NPs修饰在电极表面后(曲线c)，电极的电阻显著减小，具有良好的导电性能。MWCNTs修饰电极(曲线d)的高频处半圆基本消失，表明MWCNTs显著促进了电极表面电子的传输，具有良好的导电性。GO/MWCNTs修饰电极(曲线e)的高频处的半圆又大于仅有MWCNTs时的半圆，说明GO/GCE导电性能弱于MWCNTs/GCE。GO/MWCNTs/Au@Pt NPs修饰电极(曲线f)的高频处半圆远小于其它电极，基本接近直线，有力证明了GO/MWCNTs和Au@Pt NPs的协同作用使复合膜具有良好的导电性。

实验采用CVs考察了6支电极对相同浓度AA的电化学响应(图3B)。结果显示，裸GCE对AA仅有微弱的响应信号(曲线a)；修饰GO后，由于GO过多含氧官能团的阻碍使氧化峰电流并没有得到较大改善，因此其响应电流仅产生少许增大和负移(曲线b)；采用Au@Pt NPs修饰电极后，氧化峰电流明显增加，并且峰电位产生较大负移(曲线c)，显示了Au@Pt NPs/GCE对AA的检测具有相当良好的催化效果。当裸GCE上修饰MWCNTs后，氧化峰电流明显增加且峰电位显著负移(曲线d)，表明MWCNTs/GCE对AA具有很好的电催化性能。GO/MWCNTs/GCE(曲线e)与GO/MWCNTs/Au@Pt NPs/GCE(曲线f)相比，因大比表面积、优异导电性能的GO/MWCNTs与Au@Pt NPs产生了协同作用，使得GO/MWCNTs/Au@Pt NPs/GCE对AA的响应电流更加灵敏，与EIS研究结果一致。

2.4 实验条件的优化

2.4.1pH值的优化pH值是影响电化学检测的重要因素，因此需对电化学检测AA过程中的pH值进行优化。实验采用CV考察了GO/MWCNTs/Au@Pt NPs/GCE在不同pH值(6.0、7.0、7.4、8.0、8.5)的0.1 mol/L PBS缓冲溶液中的电化学响应。结果显示，随着溶液pH值的增大，氧化峰电流呈先增大后急剧减小的趋势，且在pH 7.4时达最大值，与人体实际pH值相符。由此可见，该GO/MWCNTs/Au@Pt NPs/GCE传感器具有良好的实际应用前景。

2.4.2扫速的影响扫速是影响电化学检测的重要因素之一，不同的扫速会产生不同的电流值，还可通过扫速与电流的关系来判断修饰电极反应属于扩散控制还是表面吸附控制。实验采用循环伏安法，考察了GO/MWCNTs/Au@Pt NPs/GCE对1.0×10-3mol/L AA在0.1～0.4 V/s扫速范围内的电化学响应。结果显示，氧化峰电流值(Ip)与扫速(v，V/s)呈良好的线性关系，线性方程为Ip=213.31v+51.48，r=0.998，表明GO/MWCNTs/Au@Pt NPs/GCE表面的氧化过程属于吸附控制。

2.5 选择性研究

AA是人体中不可缺少的生物小分子物质，在医疗检测中十分重要，但人体中含有的UA、DA、葡萄糖等小分子物质常会干扰其测定。实验将5×10-7mol/L AA与同浓度的其他小分子物质(UA、DA、葡萄糖)分别混合在0.1 mol/L PBS缓冲溶液中(pH 7.4)，采用DPVs考察了GO/MWCNTs/Au@Pt NPs/GCE对AA的选择性，平行测定3次。结果显示，加入干扰物质前后电流响应值差别不大，表明该修饰电极对AA具有良好的选择性。

2.6 重现性及稳定性

平行制备5根GO/MWCNTs/Au@Pt NPs修饰电极，在优化条件下测定AA，得5支修饰电极的氧化峰电流的相对标准偏差(RSD)为3.7%，表明该修饰电极具有良好的重现性；将电极保存于4 ℃冰箱中，7 d后取出再次测定AA，氧化峰电流为初始的94.5%，表明电极的稳定性良好。

2.7 最优条件下不同浓度AA在新型传感界面的DPV响应

在优化条件下，于-0.4～0.4 V电位范围内考察了GO/MWCNTs/Au@Pt NPs/GCE对不同浓度AA的DPV响应。结果显示，氧化峰电流(Ip,μA)与AA浓度(c,μmol/L)在0.5～1 000 μmol/L和0.005～0.5 μmol/L范围内呈良好的线性关系，线性方程分别为IPC=0.079 12c+2.558 62(r=0.999)、IPC=3.435c+0.870 7(r=0.999)。根据低浓度线性范围区间，以3倍信噪比(S/N=3)计算得该传感器对AA的检出限(LOD)为4.0×10-9mol/L。

将本研究所制备GO/MWCNTs/Au@Pt NPs修饰电极与已报道文献进行比较(表1)。结果显示，本文制备的传感器具有极低的检出限和极宽的线性范围。进一步表明实验构建的新型传感界面对检测AA具有优越的灵敏度和良好的响应效果。

表1 不同修饰电极检测AA的分析性能比较Table 1 Comparison of reported various electrochemical sensors and this study for the detection of AA

PANI(聚苯胺)，3DNNCsHAs(具有层次结构的三维氮化纳米结构碳)，羧化多壁碳纳米管(c-MWCNT)，PIG(聚乙烯醇和氧化铁石墨烯)，PANI(聚苯胺)，CuPc(铜(Ⅱ)酞菁)，SPE(丝网印刷电极)

2.8 准确度与精密度

为了研究此方法构建的新型传感界面对AA检测在实际样品中的应用，将100 μL的血清分别加入10、0.1、0.01 μmol/L的AA中，采用本研究制备的GO/MWCNTs/Au@Pt NPs修饰电极在优化条件下进行DPVs测定，每个浓度平行测定3次。结果显示，3个加标水平下的回收率为90.9%～108%，相对标准偏差(RSD,n=3)为1.2%～2.8%。表明该GO/MWCNTs/Au@Pt NPs电化学传感器准确度与精密度良好，有望应用于临床医学检测。

3 结 论

本文成功构建了一种基于GO/MWCNTs/Au@Pt NPs的新型电化学传感界面。基于MWCNTs较大的比表面积和良好的导电效果，加入GO防止MWCNTs聚集。GO/MWCNTs界面与具有良好电催化性能的Au@Pt NPs协同作用。多种纳米粒子层层组装大大增加了修饰界面对AA检测灵敏度和稳定性。该方法对AA的检测具有灵敏度高、重现性好、稳定性优良、操作简易、成本低的优点，可望应用于医疗检测领域。