Ag/AgCl/PDA-r GO无酶葡萄糖传感器的构建

王 瑞, 胡亦杨, 蒋晓濛, 赵攀登, 程伶俐, 焦 正

(1.上海大学生命科学学院,上海200444;2.上海大学环境与化学工程学院,上海200444)

近年来,葡萄糖生物传感器发展迅速,种类众多,总体来说,可以分为有两大类:有酶葡萄糖生物传感器[1-4]和无酶葡萄糖生物传感器.由于反应过程中需要酶的参与,而酶的活性又容易受到诸多外在因素的制约,如酸碱度等,因此有酶葡萄糖生物传感器的应用受到了较大程度的限制.无酶葡萄糖传感器具有制备简单、可重复利用等优点,且反应过程中不需要酶的参与,因此成为该领域的研究热点[5-6].

自英国的科研人员第一次以石墨为原料,成功制备了石墨烯之后,石墨烯因其特殊结构和性质而受到广泛的关注[6-7].石墨烯拥有较大的理论比表面积和优秀的电化学性能,可以用作电子传递媒介[7-10],因此越来越多的研究关注于石墨烯纳米材料的应用.Yang等[11]对比分析了石墨烯纳米复合材料修饰的碳糊电极和未修饰碳糊电极对葡萄糖的响应,发现在相同实验条件下,前者对葡萄糖的响应电流比后者要高.

多巴胺是一种传递脉冲的儿茶酚胺类物质,其电化学行为受到科研人员的广泛关注[12-13].研究表明,多巴胺在固体基质的表面很容易形成一层聚多巴胺(polydopamine,PDA)层,这是由于多巴胺在水溶液中会发生氧化反应而自发地自聚-交联[14-15],而聚多巴胺分子中的邻苯二酚基团具有配位作用,可以与大多数金属离子结合并将其还原.鉴于此,在固体基质的表面上形成一层金属与聚多巴胺的复合结构不难实现[15-16].

本工作首先利用多巴胺在水溶液中的自聚性能及还原性能,采用一步法使多巴胺在氧化石墨烯表面自聚合的同时,还原银离子,制备聚多巴胺/银复合物修饰的还原石墨烯复合纳米材料;然后采用此材料构建无酶葡萄糖电化学传感器;最后通过循环伏安法探究该传感器的性能.

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

试剂:石墨、五氧化二磷、过硫酸钾、高锰酸钾、双氧水、硫酸、盐酸、硝酸银、氢氧化钠、葡萄糖、氯化钾、丙酮、铁氰化钾、亚铁氰化钾、无水乙醇、多巴胺和Tris,药品均为分析纯化学试剂.

仪器:FA1004型电子天平,0406-1型离心机,85-1型恒温磁力搅拌器,JSM-2010F型透射电子显微镜,D/MAX-2500型X射线衍射仪,CHI660C电化学工作站.

1.2 A g/AgCl/PDA-r GO复合材料的制备

称取2.5 g过硫酸钾和2.5 g五氧化二磷,将其溶解在12 mL的浓硫酸中,加热到80◦C,再将5.0 g的石墨加入溶液,恒温4 h,冷却到室温,最后用300 mL的去离子水对上述溶液进行稀释,彻夜静置;抽滤,真空干燥箱60◦C干燥8 h;用120 mL冰浴浓硫酸溶解得到的物质,在搅拌的条件下,加入0.09 mol KMnO4,且过程中保持温度不高于20◦C.之后将温度控制在35◦C搅拌至充分反应;冰浴条件下,250 mL去离子水稀释,温度低于50◦C.搅拌2 h后,加入700 mL的去离子水,随后立即加入20 mL 30%的H2O2,混合物产生气泡,颜色变成了亮黄色后反应停止;过滤,用1 L的稀盐酸和水分别洗涤,之后用1 L去离子水溶解上述溶液,超声至混合均匀,便可得到GO溶液;干燥,得到GO固体.

称取制备的GO少许,用去离子水溶解,配置成浓度为0.5 mg/mL的GO溶液;随后,用Tris-HCl调节溶液的p H至8.5,加入多巴胺,质量浓度达到0.3 mg/mL,室温中,搅拌24 h;加入硝酸银,浓度达到0.1 mol/L,搅拌反应30,60,90 min;反应后的产物用乙醇和去离子水洗涤离心若干次,冷干,研磨成粉末,分别标记为Ag/AgCl/PDA-r GO30,Ag/AgCl/PDArGO60和Ag/AgCl/PDA-rGO90.

1.3 电化学实验

采用常规的三电极体系进行电化学实验,选择的对电极是Pt丝电极,参比电极是Ag/AgCl电极.工作电极的制备详见文献[17]. 工作电极基体为玻碳电极(glassy carbon electrode,GCE),玻碳电极经抛光、清洗、干燥,将5 mg/mL的待测样品的乙醇溶液滴于玻碳电极表面,自然晾干后,再滴入20µL的Nafion,自然晾干.室温,于20 mL 1.0 mmol/L和0.1 mol/L KCl中进行交流阻抗测试,于20 mL浓度为50 mmol/L的NaOH溶液中进行循环伏安测试.

2 结果和讨论

2.1 X射线衍射分析

图1为GO,Ag/AgCl/PDA-rGO30,Ag/AgCl/PDA-r GO60和Ag/AgCl/PDA-rGO90共4种样品的XRD图谱.可以看出:在2θ=10.2◦附近出现的强衍射峰是GO的特征衍射峰;Ag/AgCl/PDA-r GO30,Ag/AgCl/PDA-rGO60和Ag/AgCl/PDA-rGO90样品在2θ=10.2◦处的特征峰消失,说明在反应中生成的聚多巴胺成功还原了GO;样品在2θ=38.12◦,44.30◦,64.44◦,77.40◦出现明显的衍射峰,分别对应Ag(JCPDS No.65-2871)的(111),(200),(220),(311)晶面, 在2θ=27.83◦,32.24◦,46.23◦,54.83◦,57.48◦,67.47◦,74.47◦,76.74◦处出现的衍射峰对应的是AgCl(JCPDS No.06-0480)的(111),(200),(220),(311),(222),(400),(331),(420)晶面,且Ag的特征峰的强度远远大于AgCl.这可归因于:多巴胺在弱碱条件下发生自聚合,生成聚多巴胺;生成的聚多巴胺具有还原性,在还原氧化石墨烯的同时,将银复合物修饰到石墨烯片层上.

图1 4种纳米材料样品的X射线衍射图Fig.1 XRD pattern of four kinds of nanomaterial samples

2.2 拉曼分析

图2 是GO,Ag/AgCl/PDA-r GO30,Ag/AgCl/PDA-rGO60和Ag/AgCl/PDA-rGO90复合材料的Raman谱图.可以发现:存在2个明显的位于∼1330 cm−1(D峰)和∼1585 cm−1(G峰)的特征峰.D峰是处在缺陷位碳原子的sp3三维振动模式产生的特征峰,是一种无序活性拉曼模式;而G峰是sp2杂化的碳原子振动造成的,代表着有序性.材料的无序程度常用ID/IG的大小来衡量[16].如图2所示,当反应时间增加(30∼90 min)时,Ag/AgCl/PDA-rGO复合纳米材料的ID/IG值逐渐增大,石墨烯的无序程度逐渐增大以及产生的内部缺陷增多,这种情况的产生主要是由于反应过程中生成银复合物所导致.

图2 3种纳米材料样品的Raman谱图Fig.2 Raman spectrum of three kinds of nanomaterial samples

2.3 傅里叶变换红外光谱

Ag/AgCl/PDA-r GO位于1 728 cm−1处C=O的吸收峰和位于3 200∼3 500 cm−1处羧基官能团中的O-H的吸收峰减弱,且随反应时间(30∼60 min)增加,含氧官能团的吸收峰变弱趋势明显.这说明氧化石墨烯中的更多的含氧官能团在反应进程中被还原.从FT-IR谱图中还可以观察到N-H的吸收峰,这是由于聚多巴胺化学结构中的N-H造成的.

图3 3种纳米材料样品的FT-IR图Fig.3 FT-IR spectrum of three kinds of nanomaterial samples

2.4 透射电子显微镜(tramsmission electron microscop e,TEM)

图4 为GO,Ag/AgCl/PDA-r GO30,Ag/AgCl/PDA-rGO60和Ag/AgCl/PDA-rGO90纳米材料样品的TEM表征图.可以直观看出:GO为透明片层状,且存在少许褶皱,这是由于片层之间的电子排斥力造成的;随时间增加,石墨烯片层中颗粒的负载量增多,90 min时负载量最大,这是因为反应时间的增加,更多的Ag+被PDA还原为Ag纳米颗粒,大量未被还原的Ag+与Cl−反应生成AgCl.

2.5 交流阻抗分析

电化学交流阻抗(electrochemical impedance spectroscopy,EIS)图通常是由高频区和低频区两部分组成其中高频区的半圆部分代表电子传递受限过程,受限程度可用半圆直径来评估,低频区的直线代表扩散过程[5].由图5可以看出,反应时间增加,Ag/AgCl/PDA-rGO纳米复合材料的交流阻抗图谱曲线的直径减小,表明交流阻抗值减小,90 min时交流阻抗值最小.这说明Ag/AgCl/PDA-rGO90的纳米材料最利于电子的传递,故选取90 min的样品作为后续的研究材料.

图4 4种纳米材料样品的透射电镜图Fig.4 TEM images of four kinds of nanomaterial samples

图5 4种纳米复合材料样品的电化学交流阻抗Fig.5 EIS of four kinds of nanomaterial samples

2.6 循环伏安法分析

在一定的实验条件下,采用Ag/AgCl/PDA-rGO90复合纳米材料构建无酶葡萄糖传感器图6为Nafion/Ag/AgCl/PDA-rGO90/GCE对不同葡萄糖浓度响应的循环伏安(cyclic voltammogram,CV)曲线.由图6可以看出:电流随着葡萄糖浓度(5∼9 mmol/L)的增加而增大电流大小与葡萄糖溶液的浓度之间具有较好的线性相关性.经过拟合,线性回归函数方程式为Y=1.485+0.162 X,线性相关系数为0.998,灵敏度为0.162×10−5mA·cm−2·mmol·L−1.

图6 Nafion/Ag/AgCl/PDA-r GO90/GCE对不同葡萄糖浓度响应的循环伏安曲线Fig.6 Cyclic voltammograms of Nafion/Ag/AgCl/PDA-rGO90/GCE in the presence of different concentrations of glucose

3 结束语

本工作利用多巴胺在水溶液中的自聚性以及还原性,采用一步法在多巴胺于氧化石墨烯表面发生自聚合的同时,制备了银负载的聚多巴胺修饰的rGO复合纳米材料然后考察了实验过程中反应时间对复合纳米材料中聚多巴胺和银复合物负载量的影响.随后选择的工作电极为玻碳电极(GCE),成功构建了葡萄糖无酶的电化学传感器(Ag/AgCl/PDA-rGO).研究结果表明:反应时间为90 min时,得到的产物中Ag/AgCl纳米颗粒和聚多巴胺的含量最高,且拥有最小的交流阻抗值;当葡萄糖的浓度在5∼9 mmol/L时,构建的无酶葡萄糖传感器对其具有良好的线性响应(R2=0.998),灵敏度为0.162×10−5mA·cm−2·mmol·L−1.