基于3D打印技术构建石墨烯电化学生物传感器及其应用研究

鲁文娟，李 阳

(1.陕西铁路工程职业技术学院道桥与建筑学院，渭南 714000；2.西北工业大学材料学院，凝固技术国家重点实验室,西安 710072)

0 引 言

3D打印技术因其具有加工任意性强、成型精度高、制造周期短及节能环保等诸多优点，为材料制造领域带来了新的变革[1-2]，近些年来3D打印技术在生物医学、航空航天、汽车等领域得到了广泛应用[3-5]。其中在电化学分析检测领域3D打印技术也有着非常重要的应用，例如，利用3D打印技术可高效快速制备均一性良好的石墨烯检测电极，从而用于生化分子的检测，而以往需利用电泳沉积石墨烯粉体、丝网印刷、化学气相沉积等复杂制备工艺，3D打印技术无疑大大节约了人力和物力。目前3D打印技术按照工艺特点，可以分为激光熔化成型、激光烧结成型、激光直接烧结技术、电子束熔化技术、熔融沉积成型、选择性热烧结、立体平板打印等，其中在石墨烯电极制备方面熔融沉积成型(fused deposition modeling， FMD)是应用最广泛的一种工艺，其所用的原料为热塑性材料[6]。在制造过程中，聚合物材料被熔融，其沉积由挤出机控制。整个操作过程简单便捷，原料成本较低[7]。Foster等[8]首次报道了一种由石墨烯基聚乳酸(PLA)长丝制成的3D打印电极作为储能装置和析氢反应的电催化剂。Foo等[9]研发了低成本3D打印石墨烯平台并成功应用于超级电容器和光电化学传感器。最近，Palenzuela等[10]利用石墨烯/聚乳酸纤维丝制造了检测苦味酸和抗坏血酸的环形和圆盘状传感器。此外，Cardoso等[11]已经使用石墨烯掺杂的PLA打印传感器在酸性条件下检测多巴胺和儿茶酚。前人的研究中已经证明，石墨烯因其表面丰富的π—π键及含氧基团，可以吸附多种有机分子及重金属，是适宜应用于传感器的材料之一，因此，石墨烯片的功能化在电催化传感应用中具有重要意义[12]。如氧化石墨烯(grapheneoxide， GO)表面的羧酸基和羟基，增加了石墨烯材料的生物相容性，使它们能够共价连接到酶和神经递质的氨基上。此外，普鲁士蓝等电催化剂可以锚定在功能化石墨烯表面，以提高其对生物分子的响应，另外对GO进行电化学还原，以调节还原材料(还原石墨烯氧化物，rGO)的电催化性能。但在对石墨烯复合电极功能化过程中一直存在着一些矛盾的问题，对石墨烯进行功能基团的修饰虽然可增加其对生物分子的相容性，但基团的修饰却降低了石墨烯本身的电子传输特性从而影响传感器的灵敏度，如何在不降低石墨烯复合电极传感器灵敏度的前提下对其进行功能基团的修饰，这将是3D打印石墨烯电极在应用中所面临的巨大挑战。

因此，本文首先利用氧化电位对石墨烯电极进行氧化处理使其具有更多的氧化功能基团，再通过电化学还原去除部分含氧基团改善氧化石墨烯的电子迁移率，以微囊藻毒素(MC-LR)作为待测物进一步分析最佳还原电位，同时采用SEM、XPS、AFM对相关物理化学机理进行研究分析。

1 实 验

1.1 试剂与材料

氯化钾(KCl)、磷酸氢二钾(KH2PO4)、氢氧化钾(KOH)、盐酸多巴胺(C8H11NO2·HCl)、四环素(C22H24N2O8)、水中汞标准物质均购自上海麦克林公司。测试所用的电解液为pH=7.4的磷酸缓冲液(浓度为0.1 mol/L)。用于打印石墨烯复合电极的原料使用导电石墨烯PLA灯丝，线材购自美国Graphene 3D Lab公司，体积电阻率为0.6 Ω·cm。所有化学品均为分析纯级别，实验中未再进一步纯化。所有溶液均使用Milli-Q级水(Millipore水净化系统Z18 MΩ)制备。

1.2 检测电极的设计与制备

3D打印石墨烯复合电极设计是使用Tinkercad在线平台绘制的，电极形状为直径5 mm、厚度1 mm的圆盘。使用RepRap打印机进行电极打印，打印机平台温度为50 ℃，挤出温度为190 ℃，打印速度为1 800 mm/min，喷嘴尺寸>0.5 mm，挤出倍数为1.1。打印后的石墨烯复合电极标记为3D-GR，电极的光学照片如图1所示。随后将电极3D-GR置于pH=7.4的磷酸缓冲液(PBS)中施加+1.8 V偏压900 s以制备氧化型石墨烯，记为3D-GRO。然后以50 mV/s的扫描速率，分别在0～-1.0 V、0～-1.2 V、0～-1.4 V、0～-1.6 V和0～-1.8 V对3D-GRO进行循环伏安扫描，所得的石墨烯复合电极分别记为3D-GRE(-1.0 V)、3D-GRE(-1.2 V)、3D-GRE(-1.4 V)、3D-GRE(-1.6 V)和3D-GRE(-1.8 V)。每次进行电化学测量前，通过氮气鼓泡15 min除去氧气。在对待测物进行检测前，取20 μL含有特异性的探针适配体溶液均匀涂于电极之上，37 ℃恒温孵化2 h，然后用去离子水清洗电极表面后即可用于检测。

图1 3D打印的石墨烯复合电极照片

1.3 测试与表征

电化学测试使用德国札纳电化学公司生产的Zennium-Pro型电化学工作站(Zahner)，以Ag/AgCl为参比电极，铂片为对电极。电极材料形貌表征采用德国蔡司公司生产的Ultra 5型场发射扫描电镜(FE-SEM)。拉曼光谱测试使用法国Horiba Scientific公司生产的T6400型三级拉曼光谱仪，积分时间为30 s，物镜范围为1 000～3 000 cm-1。红外光谱测量使用日本安捷伦公司生产的Cary 630型傅里叶红外变换光谱仪，扫描范围为450～4 000 cm-1。使用英国Kratos公司生产的AXIS Supra型X射线光电子能谱仪进行X射线光电子能谱测量。原子力显微镜(AFM)使用瑞士Nanosurf公司生产的Flex-Axiom型原子力显微镜。

2 结果与讨论

2.1 拉曼、红外光谱及XPS能谱分析

图2 拉曼及红外光谱分析

图3 3D打印石墨烯电极的XPS能谱

图4 电化学氧化(+1.8 V)后得到的3D打印石墨烯电极的XPS能谱

图5 经电化学氧化(+1.8 V)然后在-1.2 V还原后的3D打印石墨烯电极的XPS能谱

表1 3D打印石墨烯电极的XPS数据

2.2 微观形貌分析

为对电化学处理前后石墨烯复合电极表面的形貌进行分析，采用扫描电镜分别对石墨烯复合电极(3D-GR)、氧化石墨烯复合电极(3D-GRO)、-1.2 V还原的电极3D-GRE(-1.2 V)和过电位还原的电极3D-GRE(-1.8 V)进行表面形貌表征。图6(a)为直接打印出的石墨烯表面形貌，其表面较为平整，有明显的条状物分布，为3D打印过程中的聚合物纤维。对石墨烯复合电极在+1.8 V偏压下进行氧化后的表面形貌如图6(b)所示，可以看出，平整的表面开始出现褶皱，同时出现大的断裂片状物。图6(c)为在-1.2 V对氧化石墨烯复合电极进行还原后的表面形貌，可以看出，表面变得更加粗糙，褶皱变得更加明显，表明表面聚合链发生了一定程度的降解。如果继续增加还原电位至-1.8 V，电极表面形貌如图6(d)所示，从电极形貌来讲其表面的粗糙度进一步提升，但并未出现大的形貌上的变化。图7为不同电位处理后电极表面的AFM图，可以看出3D-GRO和3D-GRE(-1.2 V)电极表面比3D-GR电极表面起伏更小，同时可以看出电化学还原处理(-1.2 V)的电极表面出现了石墨烯纳米片。对于生物传感来说其检测电极表面越粗糙、比表面积越大、活性吸附基团越多越有利于有机基团(探针或待测物)的吸附，综合AFM和SEM结果来看，经过电化学还原的3D-GRE(-1.2 V)横向表面更加粗糙，纵向起伏更小，这样的表面更加有利于与待测物的充分吸附和接触。但不同电位处理对传感器线性检测区、检测限的影响还需进一步研究。

图6 电化学处理前后石墨烯电极表面形貌

图7 不同电位处理后电极表面的AFM图

2.3 MC-LR检测及传感器灵敏度表征

采用循环伏安法在0～0.3 V的扫描偏压下进行MC-LR检测。图8为7种石墨烯复合电极的检测结果，其中不同曲线代表了不同浓度的MC-LR(CMC-LR)在不同电压下的电流密度变化情况(J-E)，其中J代表电流密度，E代表相对于Ag/AgCl参比电极的测试电压(vs.SCE)。由图8(a)可以看出直接打印的石墨烯复合电极(3D-GR)对MC-LR的响应不是很明显，这主要因为其表面平整且不含与待测物作用吸附的含氧基团，因此难以有效吸附固定MC-LR，从而电流响应微弱。图8(b)～(g)为经过电化学处理后几种石墨烯复合电极对于MC-LR的J-E变化曲线，在进行电化学处理后的6种检测电极都可以看到明显的氧化峰，氧化峰的位置在0.12 V左右，且随着MC-LR浓度的增大对应氧化峰高度也逐渐增加，这与文献[14]报道的MC-LR的氧化电位基本吻合。以MC-LR浓度变化的对数为横坐标，电流变化为纵坐标可以得到不同电极对于MC-LR的线性检测区域，结果如图8(h)所示。线性检测方程的斜率反映了传感器的灵敏度(即相同横坐标变化，纵坐标数值变化越明显传感器灵敏度越高)。通过对比几种检测电极线性检测方程的斜率，如图8(i)所示，可以发现3D-GRE(-1.2 V)电极对于MC-LR的灵敏度最高，其线性检测区域为4×10-6～1 μg/L，检测限为1.5×10-7μg/L(3 N/S)，这也与上文化学表征、形貌表征中对于几种电极灵敏度猜测的结果完全吻合。通过与国内发表的针对于MC-LR检测的传感器灵敏度对比(见表2)可以发现，本文设计的传感器灵敏度处于同类型传感器的较高水平。

表2 本文传感器与其他报道的MC-LR检测方法性能对比

图8 MC-LR的检测

2.4 传感器的普适性和特异性分析

特异性是衡量传感器的最重要的指标，因此对MC-LR传感器进行特异性表征是十分必要的。采用MC-LR传感器对相同物质的量浓度的几种待测物(MC-RR、牛血清蛋白(BSA)、Hg2+、四环素、Pb2+、MC-LR)进行响应测试，所得测试结果如图9(a)所示，图中的纵坐标代表光电流变化值(ΔJ)。可以看出所设计的MC-LR传感器表现出仅对MC-LR响应的电流信号，这也验证了传感器的特异性。最后为验证传感器可以应用于其他物质的监测，分别使用了Hg2+和多巴胺的探针，图9(b)和9(c)分别为利用传感器检测多巴胺和Hg2+的检测线，其中Cdopamine和CHg2+分别为多巴胺和Hg2+的浓度。可以看出传感器对于重金属Hg2+和多巴胺依然表现出高灵敏度的检测特性，这也证明了本文设计的传感器具有在其他检测物应用的可能性。

图9 传感器特异性及普适性测试结果

3 结 论

(1)采用3D打印技术成功制备重复性良好的石墨烯传感器电极，并采用电化学处理的方式得到了不同表面形貌和含氧基团的石墨烯复合电极。

(2)对初始打印的石墨烯复合电极在+1.8 V的偏压下进行氧化，然后在-1.2 V偏压下进行还原，此时传感器表面形貌粗糙且含氧基团也明显增多，这些都有助于对待测分子的吸附。

(3)对环境污染物MC-LR检测的结果表明，3D-GRE(-1.2 V)具有最高的检测灵敏度，其线性检测区在4×10-6～1 μg/L，检测限为1.5×10-7μg/L。同时传感器具有良好的特异性，在更换适配体探针后传感器同样可以应用于其他物质的检测。