基于石墨烯和金納米棒復合物的過氧化氫電化學傳感器

摘要：利用陰離子型聚合物聚乙烯吡咯烷酮（PVP）保護的帶負電荷的還原態石墨烯（GN）與帶正電荷的金納米棒（AuNR）之間的靜電吸附，通過層層自組裝的方法研制出一種新型過氧化氫（H2O2）傳感器。首先將PVP保護的石墨烯（PVPGNs）吸附到表面干凈的裸玻碳電極（GCE）上，再將PVPGNs修飾的電極浸泡于金納米棒溶液中，通過靜電吸附將金納米棒負載在PVPGNs膜之上。以循環伏安及計時安培電流等方法對修飾電極的性質進行了表征。結果表明，制備的PVPGNsAuNRsGCE對H2O2的催化還原顯示出好的電催化活性。測定H2O2的線性范圍為25～712 靘olL； 檢出限（SN=3）為7.5 靘olL。此傳感器制作簡單，具有響應快、穩定性好、靈敏度高等特點。

關鍵詞：石墨烯； 金納米棒； 過氧化氫； 生物傳感器

1引言

過氧化氫（H2O2，雙氧水）作為氧化劑、還原劑和催化劑在工業、環境、制藥、食品分析和臨床診斷等領域得到廣泛應用。醫學上用雙氧水（3%左右或更低，wV）作消毒劑；在食品行業中，雙氧水作為生產加工助劑，應用于飲料、乳品、啤酒等生產過程中，但雙氧水的過量使用會對人體健康產生不良影響[1]。因此，構建簡單、靈敏的H2O2檢測方法，對H2O2含量的精確測量具有重要意義。目前，檢測低含量雙氧水的主要方法有化學發光法[2]、熒光法[3]、分光光度法[4]及電化學分析法[5]等。電化學方法由于操作簡單、靈敏度較高、快速而廣泛受到重視。已有許多文獻報道辣根過氧化物酶（HRP）修飾的電化學生物傳感器對H2O2的檢測[6，7]。另外也有報道一些蛋白質如過氧化物大豆酶、血色素、肌球素[8]用于H2O2的測定，而關于無酶的H2O2傳感器的報道甚少。

石墨烯是單層碳原子緊密堆積形成的二維蜂窩狀晶格結構的晶體，石墨晶體薄膜的厚度只有0.335 nm，其獨特的二維結構使其具有優異的電學、力學、熱學及化學性質[9]，因其優異的電子轉移性能和大的比表面積而用于電化學生物傳感器[10]。但石墨烯片層間存在痧共軛和較大的范德華力，容易堆積和聚集，這給石墨烯的研究和應用帶來了極大的困難。為了克服這個問題，對其進行有效的功能化修飾尤其重要。聚乙烯吡咯烷酮（PVP）是一種水溶性高分子化合物，具有膠體保護作用、成膜性、粘結性、吸濕性、增溶或凝聚作用，但其最具特色的是其優異的溶解性能及生理相容性。據文獻報道PVP保護的石墨烯納米片膠體溶液在水、乙醇和二甲基甲酰胺中展現了高的溶解性和穩定性[11]。

納米金具有大的比表面積，優異的光學性能，良好的生物兼容性，同時具有良好的導電性，能有效提高電子傳輸速率[12]。金納米棒是納米金的一種形式，其具有比球形金納米粒子更好的性能。球形金納米粒子在520 nm處產生強烈的吸收帶，而金納米棒則出現兩個吸收帶：橫向表面等離子共振吸收峰（520 nm）和縱向表面等離子共振吸收峰（>600 nm，從可見光區到近紅外光區），縱向表面等離子共振吸收對周圍介電性質的改變反應更加靈敏，并且靈敏度隨縱橫比的增大而增加[13]。目前，已經報道了多種金納米粒子修飾的石墨烯傳感器[14，15]，但基于金納米棒修飾的石墨烯傳感器尚未見報道。本研究利用靜電引力自組裝，將帶正電荷的金納米棒（AuNRs）吸附負載在帶負電荷的PVP保護的石墨烯（PVPGNs）表面上，形成PVPGNsAuNRs復合物?；赑VPGNsAuNRs復合物，發展了一種新型的無酶型電化學傳感器用于H2O2的檢測。此傳感器制備簡單，對H2O2的電催化還原性能好，檢出限低，靈敏度高，抗干擾性好。2實驗部分

2.1儀器與試劑

3結果與討論

3.1PVPGNsAuNRs納米復合材料的表征

將所制得的PVPGNs和金納米棒（AuNRs）的形貌分別用透射電鏡（TEM）表征，如圖1所示。所得PVPGNs片層薄且比表面積較大，其極薄的尺寸引起形變，導致了其如皺褶一樣的形貌。所合成的金納米棒形狀和尺寸都比較均勻，長徑比為3.5。CTAB保護的金納米棒在水中分散性好而且非常穩定，未發生團聚現象，金納米棒任意地分布在銅網上。

[TS（][HT5”SS]圖1金納米棒和PVPGNs的TEM圖

Fig.1TEM images of goldnanorods （AuNRs） （a） and poly graphene （PVPGNs）（b）[HT5][TS）]

由于石墨烯和金納米棒在紫外可見光區都有特征吸收峰，因此紫外可見吸收光譜可用于監控該復合物的合成情況。將所得到的PVPGNs， AuNRs和PVPGNsAuNRs分別用紫外分光光度計表征，如圖2所示。石墨烯在260 nm左右有吸收峰（如圖2a所示），表明肼還原后石墨烯的電子共軛結構的恢復。金納米棒在紫外可見光譜有兩個吸收帶：橫向表面等離子共振吸收峰和縱向表面等離子共振吸收峰。隨著縱橫比的增大，縱向表面等離子共振吸收峰會加強，且吸收波長也會發生紅移。如圖2b所示，合成的金納米棒在510和700 nm處有等離子體共振吸收峰，分別是金納米棒的橫向表面等離子共振吸收峰和縱向表面等離子共振吸收峰。根據文獻[12]報道的方法，計算得到該金納米棒的長徑比是3.5。如圖2c所示，PVPGNsAuNRs復合物在270，520和700 nm處有紫外可見吸收峰，分別對應的是GNs，AuNRs的橫向表面等離子共振吸收峰和縱向表面等離子共振吸收峰，這表明帶負電荷的PVP保護的石墨烯與帶正電荷的金納米棒能夠通過靜電作用結合。

如圖4所示，比較了AuNRsGCE、PVPGNsGCE和PVPGNsAuNRsGCE不同電極對H2O2的電催化性能。在未添加H2O2的條件下，3種修飾電極在N2飽和的中性磷酸鹽緩沖液中均沒有電催化性能；當電解質中加入相同濃度H2O2后，AuNRsGCE、PVPGNsGCE和PVPGNsAuNRsGCE均對H2O2表現出明顯的電催化還原，但PVPGNsAuNRs電極比AuNRs電極和PVPGNs電極均展現了更大的催化電流，從而證實了PVPGNsAuNRs對H2O2的催化還原效應是石墨烯和金納米棒的協同作用所引起的，表明PVPGNsAuNRs納米復合材料對H2O2有更好的電催化活性。負電荷的PVPGNs納米片，使得帶正電的CTAB保護的金納米棒通過靜電作用吸附負載在PVPGNs納米片。PVPGNs大的比表面積和高的電子傳遞效率，可以為H2O2在電極表面的還原提供電子傳遞的能力。由于電子導體金納米粒子均勻分散在傳感膜中，以及石墨烯與金棒的緊密接觸而形成了三維電子導電網絡，從而加速了膜中的電荷傳遞，使得H2O2在電極表面的還原得到增強。同時這些被吸附的金納米棒能夠進一步有效提供電子傳遞路徑，并在電極與分析物之間加速電子傳遞時起到納米微電極的作用，從而使得PVPGNsAuNRs修飾的電極上時，對H2O2的電催化還原能力比石墨烯和納米金棒本身顯著增大。

3.4干擾實驗和標準加入的回收率

為了證明PVPGNsAuNRs納米復合材料修飾的電極的選擇性，測試了干擾物尿酸（UA）和抗壞血酸（AA）對H2O2的干擾情況。圖6為PVPGNsAuNRsGCE在N2飽和的PBS（pH 7.0）中，對H2O2、UA和AA的電流響應曲線。在施加電位為_Symbolm@@_0.40 V時，該電極對H2O2有明顯的響應電流，加入UA和AA后，沒有顯示額外的信號或干擾電流，表明干擾物對H2O2的測定沒有影響，說明此傳感器具有較好的選擇性和抗干擾能力。

采用標準加入法對4份H2O2的實際樣品進行了加標回收測定，結果見表1。此傳感器對4份H2O2實際樣品的加標回收率在95.0%～111.3%之間，比鈀納米粒子碳納米管傳感器[25]測定H2O2實際樣品的加標回收率高。此傳感器與傳統的高錳酸鉀滴定法相比，檢測H2O2的結果基本一致，表明傳感器可用于實際樣品的分析。

3.5傳感器的重現性和穩定性

考察了此PVPGNsAuNRs修飾電極的重現性，相同條件下制備的6 支電極對20 mmolL H2O2進行檢測，電化學信號的相對標準偏差為4.1%。還考察了該多層膜修飾電極的長期穩定性。將修飾電極貯存于4 ℃冰箱內，每天取出進行測量，結果表明， 在2 個月后，電化學信號降低5.2%。

4結論

通過自組裝制得了PVPGNsAuNRs納米復合物修飾電極，此納米修飾電極對H2O2的還原具有良好的電催化性能，顯示出了很高的靈敏度，穩定性和對H2O2的快速響應。 這種復合物結合了石墨烯和金納米棒修飾電極的性能優越性，提高了檢測靈敏度，降低檢出限。PVPGNsAuNRs納米復合物組裝方法簡單、易行，性能優良，穩定性好，可長期使用。由于石墨烯和金納米棒的良好生物相容性，PVPGNsAuNRs納米復合物修飾電有望制備出具有良好性能的酶生物傳感器。