Au/rGO修飾的單壁碳納米管柔性電極的制備及其在生物傳感器中的應用*

文可彬，朱天翔，趙新洛，盛雷梅，安 康

(1. 上海大學 理學院物理系，上海 200444； 2. 常州工學院 理學院，江蘇 常州 213032)

0 引 言

柔性傳感器憑借便攜且功能集成度高等優點已經成為一個令人矚目的研究領域[1-2]，而碳納米管憑借其出色的物理化學性能在柔性傳感器領域中得以廣泛發展。例如Chen[3]等在950℃下將碳納米管附著在碳化絲綢上來制備柔性葡萄糖傳感器。在各類生物傳感器中，葡萄糖和H2O2傳感器在食品、醫藥和生物等領域均有廣泛的應用。有文獻表明，至2030年，全球糖尿病患者將會達到5.52億[4]。在治療及預防糖尿病的過程中，葡萄糖濃度檢測是必不可少的。另一方面，為了維持正常的細胞生理活動，人體內的H2O2濃度應保持在0.5 mmol/l以內[5]。過量的H2O2會損害人體細胞繼而引發癌癥、心血管和神經退行性疾病等各種疾病[6-7]。因此精確的檢測H2O2濃度同樣是有必要的。現在檢測葡萄糖和H2O2濃度的方法主要有比色法、熒光法、色譜法和電化學法等[8-10]，其中電化學法以便捷、操作簡單、價格低廉等優勢成為重要檢測手段。無酶傳感器憑借不過度依賴環境溫度和酸堿度成為研究者新的關注點。無酶傳感器的活性材料一般有過渡金屬(Ni、Cu)、貴金屬(Au、Ag、Pt、Pd)和金屬氧化物等[11]，其中金納米顆粒(gold nanoparticles，AuNPs)是最穩定的金屬納米顆粒之一[12]。由于金納米顆粒有較好的選擇性、導電性[13]，和非常低的電荷轉移電阻[14]被廣泛應用在電化學領域[15-17]。氧化石墨烯(graphene oxide，GO)可溶于普通溶劑，且表面豐富的官能團使得它容易被金屬顆粒修飾[18]，因此氧化石墨烯在傳感器領域已成為與AuNPs結合的熱門材料。

通過電弧放電法制備的高結晶性單壁碳納米管(single-walled carbon nanotubes, SWCNT)本身具有柔性，即使不與其他柔性材料復合也可以形成互相糾纏的自支撐結構的巴基紙(buckypaper, BP)。值得注意的是，運用原位負載法僅有少數種類的納米顆粒能對單壁碳納米管巴基紙進行改性形成復合柔性單壁碳納米管巴基紙，但rGO與巴基紙有相似的sp2結構，將rGO作為媒介可以使更多種類的材料與巴基紙緊密結合而無需粘接劑，這將大大拓寬巴基紙的應用范圍。

本文一步還原了金納米顆粒與還原氧化石墨烯復合材料，利用電弧法制備了SWCNT并抽濾成巴基紙，并首次將AuNPs/rGO修飾到巴基紙上形成AuNPs/rGO-BP(gold nanoparticles/ reduced graphene oxide- buckypaper)柔性電極。對還原的金納米顆粒與石墨烯復合材料和SWCNT形貌結構進行了表征，通過電化學工作站對AuNPs/rGO-BP柔性電極進行葡萄糖和H2O2的電化學性能檢測。電化學測試表明制備的AuNPs/rGO-BP電極對葡萄糖和H2O2有較高的靈敏度。本工作利用一種簡易高效的制備方法，制得了對葡萄糖和H2O2的氧化還原反應均有良好催化活性的電極，拓展了SWCNT巴基紙電極能檢測的物質種類，將進一步推動其在柔性生物傳感器中的應用。

1 實 驗

1.1 AuNPs/rGO-BP柔性電極的制備

1.1.1 實驗試劑

無水葡萄糖、氫氧化鈉(NaOH)、二水檸檬酸三鈉、H2O2、磷酸鹽緩沖液(phosphate buffered saline, PBS)均購于國藥集團化學試劑有限公司；氯金酸購自阿法埃莎(中國)化學有限公司；GO水溶液(2 mg/mL，片徑>500 nm)由南京先豐納米材料科技有限公司提供。以上試劑均為分析純級，實驗用水為去離子水。

1.1.2 實驗步驟

AuNPs/rGO-BP電極制備的流程如圖1所示。取75 mL的10 mmol/L的氯金酸溶液與稀釋至25 mL的2.548 mL GO溶液充分混合。采用Frens法[19]將氯金酸和GO混合液油浴加熱至沸騰后立即加入7.5 mL、38.8 mmol/L的二水檸檬酸三鈉，自然冷卻至室溫即得到AuNPs/rGO水溶液。此方法可通過一步還原制得AuNPs/rGO水溶液，無需分為兩步還原。

SWCNT由摻雜Fe(1%)(原子分數)作為催化劑的碳棒在H2/He混合氣氛下使用電弧法[20-21]制備并提純。SWCNT與酒精混合后用液相剪切機(IKA T25)剪碎，再由真空抽濾裝置在孔徑2 μm的聚四氟乙烯濾膜上抽濾成巴基紙，之后將AuNPs/rGO水溶液繼續抽濾到巴基紙上。真空干燥12 h并使用去離子水沖洗五遍后即得AuNPs/rGO-BP柔性電極。圖1光學照片為AuNPs/rGO-BP柔性電極，該電極是由SWCNT導電載體層和AuNPs/rGO催化劑層所組成的雙層結構并可經過反復折疊。該實驗方法可適用于制備不同金屬(或者金屬氧化物)催化劑修飾的巴基紙以用于電化學檢測。

圖1 制備AuNPs/rGO-BP的流程圖(光學照片：可反復折疊的AuNPs/rGO-BP柔性電極)Fig.1 Flow chart of preparation of AuNPs/rGO-BP. Optical photo: repeatedly folded AuNPs/rGO-BP electrode

1.2 樣品的及表征

本實驗利用場發射掃描電子顯微鏡(SEM，Hitachi SU5000)，拉曼光譜儀(Renishaw InVia Plus，激發波長：633 nm)，X射線衍射儀(X-ray diffraction，XRD，Rigaku D/MAX-2200，Cu Kα射線)，雙光束紫外分光光度計(Shimadzu，UV-3600)對柔性電極材料進行形貌與結構表征。

本實驗的電化學檢測由CHI-660C型電化學工作站(上海辰華公司)完成，實驗采用三電極系統：AuNPs/rGO-BP為工作電極，鉑片電極為對電極。在葡萄糖電化學測試中，汞/氯化銀電極(飽和氯化鉀)為參比電極，電解質為NaOH。在H2O2電化學測試中，銀/氧化汞電極(1 mmol/L氫氧化鉀)為參比電極，電解質為PBS緩沖液(中性)。所有測試均在室溫條件下進行。

2 結果與討論

2.1 表 征

圖2(a)為制備的SWCNT的形貌圖，圖中可以看到SWCNT表面的無定形碳和金屬催化劑在提純過程中被去除，高純度的SWCNT可以提高自支撐結構的機械和電學性能，圖中的纖維束是由多根SWCNT組成的。圖2(b)和(c)顯示了AuNPs/rGO-BP中AuNPs/rGO復合材料部分，從圖2(a)中可得AuNPs的粒徑大小為80～100 nm左右。從圖2(c)可以看到AuNPs已密集地修飾在rGO上。

圖2 (a) SWCNT、(b) AuNPs、(c) AuNPs/rGO的SEM圖像Fig.2 SEM images of (a) SWCNT, (b) AuNPs and (c) AuNPs/rGO

圖3(a)是GO、AuNPs/rGO溶液的紫外可見吸收光譜圖。GO圖譜中230和290 nm處出現兩個吸收峰，分別對應的是C=C鍵的π→π*躍遷和C=O鍵的n→π*躍遷[22]。隨著GO的還原，在AuNPs/rGO圖譜中可以看到隨π→π*躍遷的C=C峰紅移到245 nm處[23]，而n→π*躍遷的C=O峰卻幾乎消失。在520.2 nm處形成了金納米顆粒表面等離子共振信號[24]，這表明GO還原成rGO且形成了AuNPs。

通過GO和AuNPs/rGO的XRD譜(圖3b)，可以分析其材料組成和晶體結構。GO圖譜中2θ為11.84°的峰對應于GO，處于21.0°的衍射峰可以歸為石墨(002)晶面[25]。對比GO圖譜可以看到AuNPs/rGO圖譜中11.84°處的峰幾乎消失，這說明GO在還原過程中含氧官能團的消失。同時，21.0°的衍射峰移動到26.35°處且峰形變低變寬，這說明樣品層間距變大從而更接近石墨的層間距。AuNPs/rGO衍射譜中的38.7°、44.8°、65°和78.1°衍射角分別與金面心立方結構中的(111)、(200)、(220)、 (311)晶面對應 (JCPDS-04-0784)。XRD結果進一步表明金離子和GO被還原，且金納米顆粒負載在rGO上。

圖3 (a) GO和AuNPs/rGO溶液的紫外-可見吸收光譜；(b) AuNPs/rGO和GO的XRD光譜；(c) SWCNT的拉曼光譜；(d) GO和AuNPs/rGO的拉曼光譜Fig.3 (a) UV-Vis absorption spectra of GO and AuNPs/rGO; (b) XRD patterns of AuNPs/rGO and GO; (c) Raman spectra of SWCNT; (d) Raman spectra of GO and AuNPs/rGO

根據樣品的拉曼光譜結果，我們研究了在制備AuNPs/rGO復合材料過程中GO的結構變化及SWCNT的特征。圖3(c)為SWCNT的拉曼光譜圖，1 589 cm-1處的G+峰是由于sp2碳結構的面內振動所引起的，1 573 cm-1處的G-峰是由于sp2彎曲成管狀從而被劈裂出來。位于1342 cm-1處的D峰與SWCNT的缺陷有關[26-27]。G峰與D峰的比值(IG/ID)為15.74，這說明SWCNT有較好的結晶性，可為電極提供良好的導電性和柔性。位于124、140和186 cm-1處的峰為SWCNT的RBM峰，根據公式[28]ωRBM= (234/dt+10) cm-1(ωRBM：RBM峰的峰位，dt：SWCNT的直徑)可以算出SWCNT的直徑大致為2.1、1.8和1.3 nm。圖3(d)中1 597和1 344 cm-1處的峰分別為GO的G峰和D峰，其IG/ID為0.988；1 577和1 340 cm-1處分峰分別對應AuNPs/rGO的G峰和D峰，其IG/ID為1.04。對比GO，rGO的IG/ID比值有一定的上升且G峰從1 597 cm-1移動到了1 577 cm-1處，說明sp2結構中的缺陷有一定程度的修復，即GO得到了一定程度的還原[29-30]。

2.2 AuNPs/rGO-BP柔性電極葡萄糖電催化性能研究

為了研究AuNPs/rGO-BP柔性材料作為葡萄糖傳感器的性能，對AuNPs/rGO-BP電極進行電化學檢測，電解質濃度為0.1 mol/L NaOH溶液，掃描速度20 mV/s，掃描范圍是-1～1 V。圖5(a)為有/無葡萄糖下無修飾的巴基紙電極和AuNPs/rGO-BP電極的測試數據，當電解液中存在20 mmol/L葡萄糖時，無修飾的巴基紙電極的回掃部分僅出現了還原峰，說明巴基紙對葡萄糖催化氧化表現不明顯，不能直接用于葡萄糖檢測。但巴基紙負載AuNPs/rGO活性物質時，在-0.25、0.53 V處和回掃部分0.23 V處有3個明顯的氧化峰，這說明AuNPs/rGO對葡萄糖有良好的催化活性。綜合以上結果并根據文獻分析[31-33]，AuNPs對葡萄糖氧化的電催化機理可由圖4中方程式(1)～(3)表示。

圖5(b)是濃度不同的NaOH溶液作為電解質溶液的循環伏安圖，隨著濃度的增加，葡萄糖氧化峰在0.1 mol/L處達到最大，因此將濃度為0.1 mol/L的NaOH作為電解質溶液。為探究AuNPs/rGO-BP電極電催化動力學控制過程，測試了AuNPs/rGO-BP電極在不同掃速下的CV曲線。圖5(c)顯示隨著掃速的增加，峰值電流不斷增加。由擬合圖圖5(d)可知氧化峰值電流與掃描速率的呈線性正相關，線性相關系數R2=0.988，這說明葡萄糖在AuNPs/rGO-BP電極表面是吸附控制過程。

圖4 AuNPs電催化氧化葡萄糖機理Fig.4 Mechanism of AuNPs for electrocatalytic oxidation of glucose

圖5 (a)巴基紙與AuNPs/rGO-BP在0.1 mol/L NaOH中的CV曲線(掃描速率：20 mV/s)；(b)不同NaOH濃度下AuNPs/rGO-BP電極的CV曲線(掃描速率：20 mV/s)；(c)不同掃速下AuNPs/rGO-BP電極的CV曲線(電解液含0.1 mol/L NaOH和20 mmol/L葡萄糖)；(d)電流密度vs.掃描速率的線性擬合結果Fig.5 (a) CV Curves of buckypaper and AuNPs/rGO-BP in 0.1 mol/L NaOH (scanning rate: 20 mV/s); (b) CV Curves of AuNPs/rGO-BP electrode at different NaOH concentrations (scanning rate: 20 mV/s); (c) CV curves of AuNPs/rGO-BP electrode at different scanning speeds (electrolyte containing 0.1 mol/L NaOH and 20 mmol/L glucose); (d) the corresponding plot of current density vs. scanning rate

在0.15 V電位、0.1 mol/L NaOH電解質濃度和相同時間間隔下，連續添加不同濃度葡萄糖時AuNPs/rGO-BP電極的電流響應曲線由圖6(a)表示，響應電流密度隨著葡萄糖的濃度的增加而增加。圖6(b)的擬合圖插圖表示當葡萄糖濃度范圍在0.25～1.5 mmol/L時，傳感器靈敏度為865 μA·(mmol/L)-1cm-2(R2=0.994)；當葡萄糖濃度范圍在1.5～8 mmol/L時，傳感器靈敏度為455 μA·(mmol/L)-1cm-2(R2=0.993)，這時可以到達人體的一個正常檢測范圍。在信噪比為3時，檢測限為8.5 μmol/L。測試結果表明AuNPs/rGO-BP電極與表1所列舉的金基葡萄糖傳感器相比，在靈敏度及檢測范圍方面都有較強的競爭力。

圖6 (a)葡萄糖在AuNPs/rGO-BP電極下的動態電流時間響應；(b)響應電流密度與葡萄糖濃度關系(插圖：葡萄糖濃度為0.25～1.5 mmol/L)Fig.6 Dynamic current time response of glucose at AuNPs/rGO-BP electrode, and the corresponding plot of current density vs. glucose concentration (inset: glucose concentration of 0.25-1.5 mmol/L)

表1 AuNPs/rGO-BP與其它金基葡萄糖傳感器催化性能比較Table 1 Comparison of catalytic performance of AuNPs/rGO-BP with other Au-based electrochemical glucose sensors

2.3 AuNPs/rGO-BP柔性電極H2O2電催化性能研究

AuNPs/rGO-BP電極作為優異的生物傳感器電極，對葡萄糖有良好的氧化活性，同時對過氧化氫的催化還原也表現出了出眾的性能。圖7 (a)為在掃描范圍是-0.9～0.9 V ，掃描速度20 mV/s，0.1 mol/L PBS緩沖溶液中，無AuNPs/rGO催化層的巴基紙柔性電極與AuNPs/rGO-BP電極在有無 20 mmol/L H2O2下的循環伏安圖。可以看出，在沒有H2O2溶液時，無負載的巴基紙柔性電極與AuNPs/rGO-BP柔性電極均表現出較弱的還原峰。當添加20 mmol/L H2O2溶液后，巴基紙柔性電極與AuNPs/rGO-BP柔性電極在-0.35 V左右均有還原峰，表明兩電極對H2O2具有催化活性。相比無負載的巴基紙柔性電極，AuNPs/rGO-BP電極有更明顯的還原電流，說明AuNPs/rGO對H2O2具有更優異的電化學性能。對比說明催化層的添加能提供更多的活性位點使電極催化活性大大增強。基于以上討論和綜合文獻分析[39-40]，該電極對H2O2的還原機制可表示為式(4)～(6)。

H2O2+e-→OHad+OH-

(4)

OHad+e-→ OH-

(5)

2OH-+2H+→ H2O2

(6)

圖7(b)是AuNPs/rGO-BP柔性電極在0.1 mol/L PBS溶液中，掃描速度20 mV/s，掃描范圍-0.9～0.9 V的條件下，對不同H2O2濃度檢測的CV圖。圖中可見，H2O2濃度從4 mmol/L增加至15 mmol/L的同時，還原峰的峰值也在不斷增加。為了探究AuNPs/rGO-BP電極對H2O2還原的電子轉移動力學，分析了AuNPs/rGO-BP電極在不同掃速下的CV曲線。圖7(c)為在0.1 mol/L PBS溶液中，掃描范圍是-0.9～0.9 V的條件下，掃速分別為20、40、60、80、100、120、140、160 mV/s的CV圖。隨著掃速的增加，還原峰峰值電流增大。根據電流密度強度與掃速的擬合圖7(d)結果，可得電流密度強度隨著掃速線性增大，其線性相關度R2為0.986，這表明AuNPs/rGO-BP電極對H2O2的還原是吸附過程。

圖7 (a)巴基紙與AuNPs/rGO-BP在0.1 mol/L PBS中的CV曲線(掃描速率：20 mV/s)；(b)不同H2O2濃度下AuNPs/rGO-BP電極的CV曲線(掃描速率：20 mV/s)；(c)不同掃速下AuNPs/rGO-BP電極的CV曲線(電解液含0.1 mol/L PBS和20 mmol/L H2O2)；(d)還原峰電流密度值vs.掃描速率的線性擬合結果Fig.7 (a) CV curves of buckypaper and AuNPs/rGO-BP in 0.1 mol/L PBS (scanning rate: 20 mV/s); (b) CV curves of AuNPs/rGO-BP electrode at different H2O2 concentrations (scanning rate: 20 mV/s); (c) CV curves of AuNPs/rGO-BP electrode at different scanning speeds (electrolyte containing 0.1 mol/L PBS and 20 mmol/L H2O2); (d) the corresponding plot of current density vs. scanning rate

圖8(a)是AuNPs/rGO-BP電極在-0.3 V起始電壓下的電流響應曲線圖，當在0.1 mol/L PBS緩沖溶液中連續滴加H2O2溶液并不斷攪拌時，電流急劇變化并在5 s內達到穩定電流，說明AuNPs/rGO-BP電極對H2O2能進行快速響應。圖8(b)探討的是電流響應密度與0.05～7.4 mmol/L范圍內濃度的擬合圖，從擬合數據可知該電極的靈敏度可以高達到1 533 μA·mM-1cm-2，檢出限低至1.321 μM，且電流密度大小與H2O2濃度有著良好的線性關系(R2=0.993)，這些參數甚至優于傳統含酶傳感器的性能參數。表2對比了本工作與其余無酶金基/復合材料的性能參數，可以看到AuNPs/rGO-BP電極檢出限性能比Pt-Au/rGSs/GCE電極高，但電極靈敏度要高出Pt-Au/rGSs/GCE電極200倍。也就是說，本傳感器在保持相對低檢出限的前提下，仍然有著相當高的靈敏度和相對較寬的線性范圍，有著強有力的競爭力。

圖8 (a)H2O2在AuNPs/rGO-BP電極下的動態電流時間響應；(b)響應電流密度與H2O2濃度關系Fig.8 Dynamic current time response of H2O2 at AuNPs/rGO-BP electrode and the corresponding plot of current density vs. H2O2 concentration

表2 AuNPs/rGO-BP與其他金基H2O2傳感器催化性能比較Table 2 Comparison of catalytic performance of AuNPs/rGO-BP with other Au-based electrochemical H2O2 sensors

3 結 論

(1)本工作通過水熱還原法制備了AuNPs/rGO復合材料，并將其作為催化層抽濾至電弧法制備的SWCNT巴基紙上形成AuNPs/rGO-BP柔性電極，該電極的制備方法成本低且可規模化使用。

(2)通過SEM、UV-Vis、XRD、拉曼表征手段對催化層與柔性襯底進行形貌與結構的表征，結果表明AuNPs與rGO均被還原且形成復合材料，構成巴基紙的SWCNT具有高結晶性。

(3)電化學實驗數據顯示AuNPs/rGO-BP柔性電極對葡萄糖的氧化和H2O2的還原同時表現出優異的催化性能。基于此電極的無酶生物傳感器有著靈敏度高、檢出限低及檢測范圍寬等優點，其中對H2O2的靈敏度高達1 533 μA·(mmol/L)-1cm-2。

(4)此項研究首次將AuNPs/rGO修飾到SWCNT柔性巴基紙上，制備了可用于葡萄糖和H2O2電化學傳感器的電極，進一步開拓了SWCNT巴基紙在柔性生物傳感器領域的應用前景。