基于金属材料和石墨烯修饰电化学传感器检测抗坏血酸

罗瑞香，许桂彰，曾玮斌

（珠海科技学院化工与新能源材料学院，广东珠海519041）

1 前言

碳基材料，特别是碳纳米管（CNT）和石墨烯在过去二十年中的发现已成为材料研究的热点。碳纳米管作为纳米尺度的积木已经被应用于传感器、电子设备等领域。目前，石墨烯作为一种“超级明星”材料，由于其独特的结构和电子特性也引起了人们的极大关注。石墨烯在纳米电子学、生物传感器和储能领域的研究得到了极大的发展。由于这些领域研究的需要，人们开发了不同的方法来合成具有不同微观结构的石墨烯。例如，化学气相沉积（CVD）常用于制备石墨烯。在这种方法中，金属催化剂通常被包裹在产物中，这使得解释其固有电催化性质变得困难，就像碳纳米管的情况一样。

用氮原子或硼原子等杂原子进行化学掺杂是调节碳材料电子性质和表面化学的有效策略。例如，由于原子尺寸和五价电子结构的相似性，氮原子可以通过形成C-N键很容易地掺杂到碳结构中。迄今为止，在含氮物种（即NH3和吡啶）存在下，通过CVD和含有氮原子的大环金属配合物的热解，成功制备了掺氮碳纳米管（N-CNT）。合成的N-CNT在生物传感应用中表现出更高的灵敏度和对氧还原反应（ORR）的优异电催化活性。由于碳纳米管和石墨烯的结构相似，碳纳米管的掺杂方法直接扩展到制备氮掺杂石墨烯（NG）。相关学者曾报道了在氨气中通过电热反应可以获得具有n型半导体性质的天然气。也有研究显示，在碱性燃料电池中，NG比铂具有更好的ORR电催化活性、长时间稳定性和对交叉效应的耐受性。最近也有报道称，NG可以促进过氧化氢（H2O2）的电化学还原和葡萄糖氧化酶的直接电子转移动力学。因此，可以通过测定O2存在下酶促反应产生的H2O2来检测葡萄糖。我们最近报道了一种通过对氧化石墨和三聚氰胺的混合物进行热退火来合成NG的简便方法，并且NG在碱性溶液中对ORR也表现出高度催化活性。

抗坏血酸是人体不能合成只能从外界吸收的物质，但却与许多疾病有关，所以检测抗坏血酸的存在和含量是十分重要的。对于抗坏血酸的检测，大多采用化学光学法、电化学法、色谱法、和毛细管电泳法等方法。抗坏血酸（AA）、尿酸（UA）和多巴胺（DA）在生物体的生理功能中起着重要作用。其水平的不足或失调可能导致许多疾病的症状，如癌症、帕金森病和心血管疾病。因此，AA、DA和UA的测定对神经生理学的发展、诊断和药物控制具有重要意义。然而，在实际系统中，AA、DA和UA通常共存于中枢神经系统和血清的细胞外液中。在传统电极上单独和/或同时测定它们是非常困难的，因为它们通常污染检测电极，并且它们的氧化电位严重重叠。为了解决这些问题，人们提出了各种方法来单独确定这些生物分子。最近的报道表明，石墨烯电极可用于在AA存在下选择性测定DA。电化学法因其具有选择性高、灵敏度好、操作简单和成本较低等特点，近年来基于金属材料和石墨烯修饰电化学传感器检测抗坏血酸受到人们的广泛关注。

2 用金属材料和纳米材料电化学法对抗坏血酸的检测

2.1 金属材料电化学法对抗坏血酸的检测

唐倩等[1]以PdCl2和Zn(Ac)2为起始物，采用静电纺丝方法结合高温煅烧，制备了钯-氧化锌(Pd-ZnO)中空纳米管。通过改变前驱液中Pd含量调节复合材料结构，从而得到均匀、稳定的Pd-ZnO中空纳米管复合物，再通过简单的滴涂法制备了Pd-ZnO复合物修饰玻碳电极(Pd-ZnO/GCE)再利用电极的线性范围宽、检出限低，可以实现对AA的检测。不同于其它纳米修饰电极，Pd-ZnO/GCE修饰材料具有简单、成本低廉，且电极的灵敏度高、选择性好的优点从而降低了检测AA的，成本以及提高了检测的准确性和效率。

郑瑞娟等[2]以醋酸锌和聚乙二醇－400为原料，合成了ZnO纳米片。将ZnO滴涂在自制铅笔芯电极（PEG）表面上，制成ZnO修饰铅笔芯电极（ZnO／PEG）该电极具有取材方便、耐用性强、价廉易得、可批量生产、表面易于更新和修饰等优点，基于ZnO体系化学发光的湮灭作用，他们建立了一种新的检测抗坏血酸的方法，并实现了对抗坏血酸浓度的检测研究，成功应用于市售维生素C片的检测。

2.2 纳米材料电化学法对抗坏血酸的检测

石墨烯作为一种新型纳米材料，具有大的比表面积、高的电子转移速率和优异的导电性，在化学修饰电极及电化学传感器领域备受关注。实验表明直接在电极上对抗坏血酸进行检测会导致氧化峰过宽，峰电流较小，无法进行灵敏检测.因此，需要借助纳米材料对电极进行修饰，以提高其导电性和催化性能。

2011年，李峰等[3]首次将碳糊电极掺杂了石墨烯，制备出一种改良的修饰电极，与传统的碳糊电极相比，由于石墨烯导电性高，在铁氰化钾溶液中，graphene/CPE具有较大的氧化还原峰电流和可逆的电化学行为。对所修饰的的电极进行电化学表征，结果显示，graphene/CPE对比传统碳糊电极显著提高了电极对电子的转移速率，有效提高了传感器检测的灵敏度，经过实验证明该传感器响应快速(＜5 s)，线性响应范围为1.0×10-7～1.06×10-4M，检出限为7.0×10-8M，从实验结果看，该种修饰电极能够快速对AA进行检测。

肖世秀等[4]通过设计利用抗坏血酸在相同浓度的AA在Gr/β-CD修饰电极上具有最大的电流响应，使用改进后的Hummers法制备石墨烯，通过滴涂法将石墨烯/β-环糊精修饰到玻碳电极表面，利用范德华力将β-CD固定在Gr表面形成的Gr/β-CD复合材料修饰电极，采用循环伏安法和电流-时间曲线法研究了抗坏血酸在该修饰电极上的电化学行为，实验表明Gr/β-CD在检测AA时具有协同作用，能使循环伏安图中峰形更加明显，有利于抗坏血酸的检测，研究结果显示：Gr/β-CD在滴涂量为7μL，缓冲溶液pH为6.5时对Gr/β-CD/GCE对AA检测效果最佳。其修饰电极具备一定的抗干扰能力，能够抵抗50倍的柠檬酸钠及草酸的干扰。并在重现性实验中，保持稳定状态，且测得电流与初始结果有90%的响应，Gr/β-CD修饰电极能够实现对AA的检测，并且具有较宽的线性范围和较低的检测限。

郭伟华等[5]通过使用通过电化学方法制得壳聚糖－还原氧化石墨烯复合膜(CS-rGO)修饰电极，再通过静电作用将钒取代的磷钼酸(PMV)组装到该复合膜表面，制得PMV/CS-rGO修饰电极。利用循环伏安法和计时电流法研究了此修饰电极对抗坏血酸的电催化氧化性能，由于CS-rGO中的rGO具有较高的导电性，促进了电极表面电子的转移。rGO可以有效地提高电极的有效面积，使在此基础上能够负载更多的PMV，该修饰电极制备简单，具有良好的电化学信号且对抗坏血酸检测响应快速，不仅灵敏度高、检测限低，而且重现性和稳定性良好，可以用于AA的分析检测中。

窦砚鹏等[6]通过设计利用石墨烯修饰电极改良了以往使用聚合方式形成亚甲基蓝聚合物膜的修饰电极，可以让亚甲基蓝牢固地负载在电极表面，使亚甲基蓝与石墨烯能够均匀分散，从而最大限度地发挥其催化作用，由于抗坏血酸与尿酸在GN电极上氧化峰相近极其容易判断错误人体体液的UA和AA共存，其浓度的同时测定具有重要实用价值，该种电极能够实现同时检测AA和UA，能使AA和UA氧化峰电位在循环伏安法上明显区分开，且互不干扰，能够准确对人体内的抗坏血酸与尿酸进行检测，具有重要实用价值。

3 实验

3.1 实验与材料

石墨粉（99.9995%纯度，从AlfaAesar购买了100目，成型级，目）。三聚氰胺从国药集团化学试剂有限公司（中国）购买，并在使用前用水重结晶。抗坏血酸从国药集团化学试剂有限公司（中国）购买，多巴胺和尿酸从Sigma购买并按接收使用。分析级H2SO4、KMnO4、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）从南京化学试剂有限公司（中国）购买。所有溶液均采用电阻率为18.2m的微孔水制备（美国Purelab Classic公司）。AA、DA和UA溶液在使用前在磷酸盐缓冲溶液（PBS）中新制备。

3.2 仪器和测量

在安捷伦5500 AFM/SPM系统上收集NG的原子力显微镜（AFM）图像。在环境条件下，在轻敲模式下进行成像。NG的形态也在加速电压为10kV的场发射扫描电子显微镜（FE-SEM，S-4800，日本日立）和加速电压为200kV的透射电子显微镜（TEM，JEM-2100，日本JEOL）上进行了表征。使用激发波长为514nm的微型拉曼系统（英国Renishaw InVia）记录室温拉曼光谱。X射线光电子能谱（XPS）分析是在装有铝辐射作为探针（K-alpha，Thermo Fisher Scientific，USA）的Thermo Fisher X射线光电子能谱仪系统上，在5×10的腔室压力下进行的-9托。电源功率设置为72W，测量扫描的通过能量为200 eV，高分辨率扫描的通过能量为50 eV。电化学测量在CHI 900电化学工作站（美国CH仪器公司）上进行。在整个测量过程中使用了传统的三电极系统。工作电极为裸玻碳电极或修饰玻碳电极（GCE，Φ=3.0mm），铂丝为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极。采用微分脉冲伏安法（DPV）分别或同时测定AA、DA和UA。

3.3 氮掺杂石墨烯的合成

在典型程序中，将质量比为1∶10的氧化石墨和三聚氰胺的混合物放置在刚玉管的中心。然后将退火温度提高到800℃按5%的比率℃/min，并在氩气环境中保持1h。当温度冷却到室温时，最终产物从刚玉管中取出。改变氧化石墨与三聚氰胺的质量比，可以得到不同氮含量的天然气产品。

3.4 NG改性GCE的制备

使用0.3μm和0.05μm Al2O3粉末连续抛光GCE，并分别用乙醇和水彻底冲洗5min，然后用吹氮气干燥。通过超声波将5mg NG分散在DMF中，形成1mg/mL悬浮液。然后将A5μLNG悬浮液注入预处理的GCE表面，并在室温下干燥。

3.5 结果和讨论

首先，采用FE-SEM对GCE表面改性NG膜的表面形貌进行了表征。如图1所示：NG纳米片以折叠或堆叠结构随机堆积在GCE表面上。

图1 氮掺杂石墨烯改性GCE的SEM图像

放大的SEM图像（图1）显示，仍能观察到具有大量波纹的石墨烯片，表明石墨烯结构仍保留在电极表面。

用循环伏安法（CV）研究了AA、DA和UA在裸GCE和NG/GCE上的电化学行为。在AA的情况下，氧化峰对应于NG/GCE上AA呋喃环中的羟基氧化为羰基。由于AA在pH值为6.0时带负电（pKa，AA=4.1），NG/GCE的电子转移动力学增强可能是由于NG膜中抗坏血酸盐层和石墨烯层之间形成氢键所致。对于DA，具有55 mV峰间距的明确氧化还原偶的外观表明，NG/GCE上DA的可逆性比裸GCE（E=215 mV）要好得多。这对氧化还原峰对应于DA双电子氧化为多巴胺醌，随后多巴胺醌还原为DA。可逆性的提高可能是由于DA分子的苯环与石墨烯层之间的相互作用，以及DA分子中的羟基或胺基与石墨烯层中的氮原子之间形成的氢键。对于UA，在NG/GCE上出现一个明确的氧化峰和一个宽的还原峰。该CV曲线显示UA首先氧化为醌类，然后发生快速化学反应，这被认为是EC机制。

通过差分脉冲伏安法（DPV）实验，在0.1M PBS（pH 6.0）中，使用1.0 mM（AA）、0.05 mM（DA）和0.1 mM（UA）的混合物，研究了NG对这三种生物分子氧化的优异电催化活性。在裸露的GCE上，三个生物分子的电氧化仅呈现一个小的宽峰，因此无法同时测定这些分子。相反，在NG/GCE上，分别出现了三个定义明确的氧化峰，它们具有更大的峰间距和峰电流，对应于AA、DA和UA的氧化，证实了具有更高电催化活性的NG可用于构建电化学传感器以同时测定AA、DA和UA。CV和DPV实验均表明NG对这些分子的氧化具有良好的电催化活性。NG的高电催化活性可能是由于NG层中的氮原子可能通过氢键与这些分子相互作用，从而激活羟基和胺基，并加速这些分子在NG表面的电荷转移动力学。同时，石墨烯层和这些分子之间的相互作用也可以促进这三个分子的电荷转移。因此，观察到的这三种分子在NG上的快非均相电子动力学可归因于其源自氮掺杂的特殊二维微观结构和性质。

4 结语

近年来抗坏血酸电化学传感方面的研究也不断发展，各种不同的修饰材料对抗坏血酸也都有很好的催化活性、稳定性和重现性。目前的工作表明，氮掺杂石墨烯的平均厚度为通过对氧化石墨和三聚氰胺的混合物进行热退火，成功地合成了0.8nm。结果表明，所制备的氮掺杂石墨烯对抗坏血酸、多巴胺和尿酸的氧化具有良好的电催化活性。详细的电化学表征揭示了一个事实，即观察到的电催化活性与目标生物分子的结构、目标生物分子与氮掺杂石墨烯之间的氢键和堆叠相互作用以及氮掺杂石墨烯的独特结构和性质有关。此外，这三种生物分子在氮掺杂石墨烯修饰电极上的电氧化显示出三个清晰的氧化峰，且峰间距较大。因此，一种灵敏的电化学传感器已经被设计成从混合溶液中单独或同时测定这些生物分子。

目前抗坏血酸检测有很大的应用前景，在未来寻求高效便捷实惠的修饰材料，是对抗坏血酸检测发展的趋势，随着电极修饰材料的研究增多，我们将会找到更多适用于不同场景下检测抗坏血酸的修饰材料，如应用于医疗人体健康方面的抗坏血酸的检测，亦或是食品安全的过关检测等等。