GO-SiO2-CMC修饰玻碳电极制备生物传感器对VB6的痕量检测研究

信宇航，宋 蕊，孙启元，高 迪，崔 萌*

(1.吉林化工学院 材料科学与工程学院，吉林 吉林 132011；2.国家能源集团 吉林热电厂，吉林 吉林 132011)

近来石墨烯因其大表面积、高机械强度、优良的传导性以及良好的生物兼容性等出色性能获得了广泛关注[1-2]，这使它在传感器[3]、电化学设备[4]、纳米复合物[5]等领域具有良好的应用前景.当石墨烯与高分子[6-7]、量子点[8-9]和金属纳米颗粒[10-11]相结合之后，这些新型的石墨烯复合物得到了很大程度的发展.

VB6是一种具有巨大生物医学效益的化合物，在VB家族中具有举足轻重的地位，蛋白质消化及油脂的吸收等人类代谢活动中都有VB6的参与.生物体中缺乏VB6会导致贫血、关节炎等疾病.作为一种常见的药品，VB6可用于治疗动脉硬化、关节炎、智力缺陷以及白细胞减少症等疾病，因此，研究VB6的测定意义重大.目前，测定VB6有分光光度测定法、荧光法、高效液相色谱法等方法.电化学方法作为传统检测方法的替代物，由于其可携带、高灵敏度、花费甚少及具有良好的适应性，已经被视为一种有前景的方法来跟踪及现场分析VB6.

VB6有电化学活性，这使其能以电化学方法测定.可是它在固体电极上有很大的过电位，这会导致电极反应缓慢，所以未修饰的固体电极对VB6的灵敏度很低.化学修饰可以有效减低过电位，增加电子反应的传质速率，并可以通过电子表面有选择地高效吸收和浓缩被分析物.目前，国内外关于以化学修饰电极为基础VB6的电化学行为的报道还很少.在这种情况下，人们对这个领域产生了浓厚的兴趣，已经发明了许多以此为目的的修饰电极.包括高聚物、纳米粒子、自组装单层膜以及金属氧化物在内的不同修饰电极已经被用来同步测定VB6.

制造基于纳米复合薄膜的生物传感器，必须要有合适的基底材料.单一种类的材料有它内在的缺点，比如裂缝以及较差的生物兼容性.复合材料可以有效消除单一无机材料的脆性以及水凝胶单一高聚物的溶胀效应.同时，以纤维素衍生物为基体的复合材料也得到了深入地探索.其中，SiO2/CMC具有可调孔隙度、疏水可控性及机械稳定性等特征，因而得到了广泛地关注.本工作中，得到了一种绿色、易制、低成本的方法来制造基于GO和SiO2/CMC的复合薄膜，将其修饰固体玻碳电极用于检测VB6.其中SiO2/CMC有良好的粘附性和生物兼容性，GO有较大的表面积、电子转移速率高，并且也具有良好的生物兼容性，而这种方法综合了两者的优点.上述所提的电化学传感器表现出了良好的选择性、可接受的再现性，并且在实际样本中可用于VB6的测定.

1 实验部分

1.1 GO的制备

采用典型方法制备GO.11.5 mL的H2SO4(98 wt%)在冰浴中冷却，0.5 g石墨粉和0.5 g NaNO3缓慢加入到上述溶液中至温度达到0 ℃后充分搅拌.将温度控制在20 ℃以下，把KMnO4(3.75 g)缓慢加入上述混合溶液中，在冰浴中搅拌2～4 h使反应完全.搅拌过后，混合溶液变成粘性深绿色溶液，之后将其放在热式恒温搅拌器中于35 ℃下搅拌1 h，溶液的粘度会随之降低.所得悬浮液中倒入230 mL去离子水，控制反应温度在98 ℃并保温15 min.悬浮液变成深棕色后再倒入480 mL去离子水.逐滴加入15 mL H2O2后混合溶液变成金黄色.将液体倒出，沉淀倒入透析袋中.为了得到GO，透析过程将持续7 d直至分散系的PH达中性.将GO的最后产物收集并储存以备后用.

1.2 SiO2粉体的制备

采用典型方法制备SiO2.将异丙醇、氢氧化铵和去离子水以一定比例混合，混合溶液经过超声处理后，过冷凝水.待温度稳定加入THEOS，然后稳定反应30 min使其完全反应.将混合溶液离心，用去离子水和无水乙醇交替洗至中性.干燥处理后，收集并储备所得粉末以备后用.

1.3 SiO2/CMC复合材料的制备

将1.25 g CMC溶解到100 mL蒸馏水里，所得溶液交替进行磁力搅拌和超声处理以制得CMC溶液.将0.25 g SiO2纳米颗粒溶解在50 mL毫升蒸馏水中，用NaOH溶液调整混合溶液的酸碱值至10左右后，对其进行超声处理.将10 mL PDDA加至8 mL蒸馏水中，同样调整PH至10之后，把混合溶液超声分散15 min.慢慢地将PDDA加入到SiO2体系中，超声处理15 min.进行离心分离后取出沉淀，倒入30 mL蒸馏水，搅拌，待SiO2分散均匀后，将溶液超声处理15 min.将25 mL蒸馏水加入到分散均匀的SiO2溶液中，搅拌并草绳分散处理.调整PH至10，将混合溶液缓慢加入CMC溶液上方.为了得到SiO2/CMC复合材料，将上述所得溶液进行超声处理，倒出上层清液.构造SiO2/CMC复合材料的典型步骤如图1所示.

图1 SiO2与CMC作用机理

1.4 GO-SiO2-CMC/GCE的制备

1 mg GO和1 mg SiO2/CMC溶解在10 mL蒸馏水中，将混合溶液进行30 min声处理以得到一元悬浮液.在电化学实验和修饰步骤开始之前，首先用0.3 μm的α氧化铝研磨液抛光GCE，超声处理2～3 min后相继用乙醇和水清洗.之后将10 μL的混合溶液用显微注射器滴至GCE表面.然后将电极在空气中干燥以制得GO-SiO2-CMC修饰的GCE，记为GO-SiO2-CMC/GCE.

1.5 GO-SiO2-CMC/GCE对VB6的检测

将GO-SiO2-CMC/GCE在三电极体系中对含不同浓度的VB6的PBS缓冲溶液进行电化学检测，将得到的CV曲线和DPV曲线进行比较，得到VB6浓度与CV和DPV曲线峰值电流的关系.

2 结果与讨论

2.1 GO及GO-SiO2-CMC的形貌分析

对GO及GO-SiO2-CMC薄膜进行的形貌分析如图2所示.图2a和2c表明，GO纳米片厚20～30 nm，透明，表面有褶皱可固定更多的SiO2/CMC.图2b表明，GO纳米片均匀的分散在高聚物SiO2/CMC中，GO附着在SiO2/CMC复合物上.从图2还能发现，在GO-SiO2-CMC薄膜上有许多小孔洞，这可能是由GO-SiO2-CMC还原过程中所产生的气泡引起的.

a GO的SEM形貌

b GO-SiO2-CMC的SEM形貌

c GO的AFM分析图2 GO及GO-SiO2-CMC的形貌

2.2 鳞片石墨(GN)、GO及GO-SiO2-CMC的XRD分析

图3是GN、GO和GO-SiO2-CMC的XRD谱图.GN在2θ=26.5°处出现了一个衍射峰，根据布拉格定律对应着0.336 nm的层距.相比于GN，GO的特征峰出现在10.01°(002)，而层距0.892 nm的GO仍旧表现出AB堆叠方式.这个数值要高于GN的d-spacing，这是因为碳片中引入了含氧官能团.SiO2/CMC中的GO化合物被电化学还原之后，GO-SiO2-CMC中9.9°的衍射峰消失了，标志着GO的还原.

2θ/deg图3 XRD谱图

2.3 GN、GO、GO-SiO2-CMC的FT-IR分析

图4 FT-IR光谱

2.4 SiO2/CMC和GO-SiO2-CMC的EPR分析

SiO2/CMC和GO-SiO2-CMC的EPR光谱如图5所示.由图可知，1700G的特征峰对应于样本中的Fe3+，而在3 500 G的强峰则来自于水溶剂.室温下SiO2/CMC没有表现出EPR特征共振，这表明SiO2/CMC不能发射出样本中的EPR信号.可是，在与GO化合后，可以在3 500 G观察到各向同性g值2.002的S=2/5顺磁性自旋.第六多重谱线归属于Mn2+，这些Mn2+在合成过程中进入了GO中.用简单的旋转软件模拟GO的实验EPR光谱，它有高效的自旋哈密顿，以及塞满和超精细反应形式.结果与FR-IR相似.

图5 EPR光谱

2.5 GCE与GO-SiO2-CMC/GCE的阻抗分析

EIS可监控电极的修饰过程，用EIS来描述经过不同表面修饰的电极的电子转换性质.阻抗谱包括半圆和线性两部分.高频区的半圆直径对应于电子转移电阻RET，低频区的线性部分则对应于裸玻碳电极GCE和GO-SiO2-CMC修饰电极.从图6可得，裸玻碳电极的EIS在高频区表现出了小而清晰的半圆，这表明界面阻抗很小.可是，当GO-SiO2-CMC固定到GCE上时观察到了一个更小的RET(电子转移阻抗).这个结果表明，GO-SiO2-CMC是非常优良的电传导材料，可以加速电子转移并且降低RET.

图6 电极表面阻抗图

2.6 GO-SiO2-CMC/GCE对VB6的电化学检测

为了利用GO-SiO2-CMC/GCE对VB6进行精确检测，在-0.1～0.5 V范围内，在三电极体系中，对含不同浓度VB6的PBS缓冲溶液进行电化学DPV检测，结果如图7所示，在DPV谱图中VB6的电化学响应电流随着VB6浓度的升高而线性增加.VB6测定值在0.5-200 μm内线性变化.线性公式为I=-0.49011-0.18575C，检出限低至10-7M(S/N=3).

E/V图7 体系中VB6含量由0.5增加到200 μM时体系中的DPV谱图

3 结 论

发现了一种绿色、简易、低成本的方法来制造一种新的化合物，这种化合物可以通过将GO掺杂进SiO2/CMC复合物来获得.这样合成的复合薄膜可以用来构建测定VB6的生物传感器的薄膜模型.修饰电极表现出了更高的稳定性、更宽的线性变化、更低的检测限以及更好的再现性和稳定性.所提出的方法和电化学还原也许会对其他生物传感器有所助益.