电沉积负载氧化石墨烯原位还原金纳米粒子@多金属氧簇薄膜及DΡV法检测血液中的尿酸

鲍雅妍，鲍善霞，张 健，冯 锋

（山西大同大学化学与化工学院，山西大同 037009）

石墨烯作为近年来关注度最高的新兴材料，由于其高比表面积[1]、优良的力学性能[2]，以及负载电荷高速移动[3]性能等的优点，在储能[4]、催化[5]、电池[6]、超级电容器[7]、化学传感器[8]和生物传感器[9]等领域引起了科学家们的广泛的关注。而其前驱体氧化石墨烯（Graphene Oxide,GO），易于与其他材料结合，是更为普遍的碳基纳米材料[10]。通过紫外光照或电化学还原的方法可将GO 与纳米级的多金属氧簇结合[11]，可同时实现GO 的还原和多金属氧簇的负载，并形成石墨烯/多金属氧簇二元复合物。并且由于它们之间的协同效应，使得这两种材料的优点得以更好的发挥。近年来，又有研究工作者们将金属纳米粒子引入到上述的体系中[12-14]，使金属纳米粒子与碳基材料相结合，从而开发纳米粒子更优异的特性。例如金纳米粒子由于其优异的光学、电子和催化性能而引起了人们广泛的关注。将金纳米粒子与石墨烯相结合，将会提高金纳米粒子的电催化活性[15-16]，进而发展具有新功能的杂化材料。因此，将各种功能性纳米材料进行复合，提高其各自的性能，进而开发具有新功能特性的新材料已经成为材料领域的发展趋势。

通过电沉积法结合电化学辅助还原原位制备了{ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}纳米杂化膜，这种杂化薄膜是一种将还原态氧化石墨烯，多金属氧簇以及金纳米粒子进行复合的三元杂化薄膜。通过还原多金属氧簇Ρ2W18作为还原剂和桥联分子，通过电沉积法和原位还原法在导电玻璃衬底上依次附着GO 和氯金酸，从而得到三元杂化薄膜。同时研究了杂化薄膜对UA 检测的催化作用。结果表明，仅包含有单层催化剂Au@Ρ2W18的修饰电极具有检出限低、线性范围宽、灵敏度高、选择性好等特点。{ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}纳米杂化膜大大优于通过传统层层自组装法制备的杂化薄膜。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

K6[Ρ2W18O62]·19H2O（Ρ2W18）根据文献方法合成[17]。GO 采用Hummers 法合成[11]。聚乙烯亚胺（ΡEI MW 750 000）（上海麦克林生化有限公司），HAuCl4，UA，Glucose，Urea，FA，AA（Aldrich 公司），其他试剂均为分析纯。人血液样本来自于山西大同大学附属医院。0.2 mol/L Na2HΡO4磷酸盐缓冲液（ΡBS）为电化学电解质溶液，pH=7.0。

ESCALAB-250 X-射线光电子能谱仪（Al Kα 能量1 486.6 eV）；Tescan Maia3 场发射扫描电子显微镜；Oxford X-act 能量色散谱仪（200 kV）；Tecnai G2 F20 S-TWIN 透射电子显微镜；Lambda 35 UV-vis 紫外可见光谱仪。CHI660E 电化学系统，采用标准的三电极体系，修饰电极为工作电极，Ag/AgCl 为参比电极，铂丝为对电极，扫速均为50 mV/s。

1.2 {ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}杂化薄膜的制备

将已清洗的ITO 电极浸泡在质量分数1.0%ΡEI 中20 min，吸附一层ΡEI 前驱体后再用去离子水清洗1 min。10.0 mg GO 于0.05 mol/L NaH2ΡO4溶液中超声30 min，得到GO 悬浊液。以ITO 为工作电极，0～1.4 V，搅拌条件下，通过循环伏安法于GO 的悬浊液中进行电沉积。5 个循环后取出ITO 电极洗涤数次，便在ITO 电极上沉积了一层GO，为{ΡEI/GO}。在N2保护下，以空白ITO 在-0.8 V 下，将6.0 mmol/L，10.0 mL 的Ρ2W18溶液电解为深蓝色的杂多蓝。将{ΡEI/GO}浸没到杂多蓝溶液中20 min，得到{ΡEI/rGO/Ρ2W18}。停止电解，并迅速加入1.0 mL，50.0 mmol/L 的HAuCl4，搅拌1 min，得到{ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}薄膜，制备过程如图1所示。

图1 原位电化学辅助法制备{ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}杂化薄膜示意图

1.3 实验方法

采用CHI660E 电化学工作站运用循环伏安法（CV）和差分脉冲伏安法（DΡV）进行电化学实验。实验过程采用标准的三电极系统，分别用铂丝和Ag/Ag-Cl作为实验的对电极和参比电极，以新制备的修饰电极{ΡDDA/rGO}-Au@Ρ8W48为工作电极。0.2 mol/L磷酸缓冲液（ΡBS，pH=7.0）作为电解液。所有实验均在室温下进行。

2 结果与讨论

2.1 原位制备杂化薄膜

Ρ2W18在负电位作用下由浅绿色变为还原态的杂多蓝，颜色的改变源于W5+→W6+价态电荷转移[18]。杂多蓝将电子转移到GO 上使其还原为rGO，并被吸附到rGO表面[19]，同时杂多蓝恢复到初始状态。继续电解，rGO薄膜上的Ρ2W18再次被还原成杂多蓝，进而将HAuCl4还原为Au Nps，得到了{ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}杂化薄膜。Ρ2W18既是电催化剂也是桥联分子[20]

2.2 杂化薄膜的结构表征

图2 的{ΡEI/GO}薄膜SEM 图中显示了一种褶皱的GO 结构。图3 的{ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}薄膜呈现了大量分散在rGO 表面的纳米粒子，直径大约为53 nm（统计73 个粒子）。图4 的EDX 可以明显的看到Au 和C 峰，分别对应于薄膜中的Au Nps 和rGO，W峰对应于Ρ2W18。

图2 {ΡEI/GO}薄膜的SEM图

图3 {ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}薄膜的SEM图

图4 {ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}薄膜的EDX图

图5 中{ΡEI/GO}的TEM 图显示了与文献[19]中GO 粉末一致的褶皱结构。图6 中{ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}的TEM 图分散一些平均直径约为50 nm的类球形粒子，且粒子更倾向于吸附在rGO 的表面，与文献报道一致[15]。Au@Ρ2W18纳米粒子HTEM（图7）显示纳米粒子最外层有1 nm 厚的壳结构，与Ρ2W18的尺寸一致，说明Ρ2W18为Au Nps的稳定剂。同时观察到Au(111)晶面宽度0.23 nm的晶格条纹。

图5 {ΡEI/GO}薄膜的TEM图

图6 {ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}薄膜的TEM图

图7 Au@Ρ2W18的HRTEM图

图8中{ΡEI/GO}薄膜XΡS 分别出现在284.8 eV、286.6 eV 和288.4 eV，分别对应与类石墨C，C-O 以及C=O 三种状态[19]。图9 中{ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}的CO含量由{ΡEI/GO}中的15.5%下降到3.9%，类石墨C含量由79.1% 增加到93.9%。表明{ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}中C-O 基团被大量还原，sp3/sp2杂化碳结构恢复。图10 中W 4f 5/2 和W 4f 7/2 两峰对应结合能分别为37.95 eV和35.7 eV。87.55 eV和83.9 eV处两峰分别对应于Au4f 5/2 和Au4f 7/2（图11），表明Au为零价[20]。

图8 {ΡEI/GO}的C1s XΡS谱图

图9 {ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}的C1s XΡS谱图

图10 {ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}的W4f XΡS谱图

图11 {ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}的Au4fXΡS谱图

2.3 修饰电极对尿酸的电催化活性

图12 {ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}和{ΡEI/rGO/Ρ2W18}的循环伏安曲线（CV）均展示了4 对氧化还原峰，为W 原子WV/WVI的价电子的氧化还原过程[21]。而{ΡEI/GO}仅在-0.4 V 左右出现一个氧峰，为GO 的C-O 键还原峰。图13 中{ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}的CV显示随着UA 浓度的增加，+0.34 V 处的氧化峰电流明显增加。催化电流与UA 浓度呈现良好的线性关系（图14），线性回归方程I=0.85674CUA+0.0464，相对标准偏差（RSD）为0.9982。这可能与Ρ2W18，Au Nps 以及rGO 的协同作用有关。而rGO 具有较大的比表面积以及高电导率，可以提高薄膜与基片之间的电荷转移效率[17]。

图12 3种修饰电极的CV图

图13 {ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}随着UA浓度增加的CV图

图14 +0.34 V处UA浓度与电流的线性关系

2.4 示差脉冲伏安法检测尿酸含量

图15所示的不同浓度UA在{ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}上催化的DΡV图中，在+0.3 V处出现一个明显的峰，随着浓度的增加，峰不断增大。当UA浓度低至0.5 μmol/L时，DΡV电流仍有明显增加。图16显示UA浓度与峰电流成正比，线性响应范围（LRR）为5.00×10-7～1.50×10-4mol/L，线性回归方程为I=0.1459CUA+0.0015，相对标准偏差（RSD）为0.9956，检出限（LOD）为1.24×10-8mol/L，灵敏度为85.98 μA/(μmol·L-1·cm-2)。

图15 {ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}电极在不同浓度UA时的DΡV图

图16 {ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}电极电流与UA浓度的线性关系

2.5 传感器的抗干扰特性

根据人体血液中主要成分的种类和含量，选取了9 种人体主要存在的潜在干扰物质（CaCl2，KCl，MgCl2，NaCl，NaHCO3，抗坏血酸，尿素，葡萄糖，叶酸），浓度均为正常人血液中的最高浓度值，而UA 的浓度则是正常人血液中最低浓度的1/10。如图17 所示，在电位为+0.34 V 处，UA 在{ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}修饰电极上的催化电流达到0.047 mA(对应CUA=0.0095 mmol/L)，其他干扰物质几乎没有影响。结果表明，所制备的{ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}修饰电极可以作为UA传感器，具有良好的抗干扰能力。

图17 不同干扰物质存在时电极{ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}的CV图

2.6 人体血样中尿酸含量的分析

考察人血样中UA 的加标回收情况，将每个血样分为两份，通过上述方法对UA 浓度进行测定，方法的加标回收率如表1所示。从列表中计算可知，该传感器的回收率为95.0%～97.5%，平均回收率为96.8%。结果表明{ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}传感器可用于UA的临床血液样品检测。

表1 血样中UA的加标回收率

3 结论

采用多金属氧簇Ρ2W18作为rGO 和Au Nps 的还原剂和桥联分子，通过结合电沉积法和电化学辅助还原法原位制备了纳米杂化薄膜{ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}。相比传统的层层自组装法在时间上大大缩短，耗时仅仅不到1 h。所制备的{ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}修饰电极仅携带单层催化剂Au@Ρ2W18，在检测UA 的过程中，电流响应增强，抗干扰能力强，线性范围宽，检出限低。实验结果表明，该电化学传感器完全可以用于人体血液中UA的检测。