Ag/AgCl/PDA-r GO無(wú)酶葡萄糖傳感器的構(gòu)建

王 瑞, 胡亦楊, 蔣曉濛, 趙攀登, 程伶俐, 焦 正

(1.上海大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,上海200444;2.上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,上海200444)

近年來(lái),葡萄糖生物傳感器發(fā)展迅速,種類(lèi)眾多,總體來(lái)說(shuō),可以分為有兩大類(lèi):有酶葡萄糖生物傳感器[1-4]和無(wú)酶葡萄糖生物傳感器.由于反應(yīng)過(guò)程中需要酶的參與,而酶的活性又容易受到諸多外在因素的制約,如酸堿度等,因此有酶葡萄糖生物傳感器的應(yīng)用受到了較大程度的限制.無(wú)酶葡萄糖傳感器具有制備簡(jiǎn)單、可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn),且反應(yīng)過(guò)程中不需要酶的參與,因此成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[5-6].

自英國(guó)的科研人員第一次以石墨為原料,成功制備了石墨烯之后,石墨烯因其特殊結(jié)構(gòu)和性質(zhì)而受到廣泛的關(guān)注[6-7].石墨烯擁有較大的理論比表面積和優(yōu)秀的電化學(xué)性能,可以用作電子傳遞媒介[7-10],因此越來(lái)越多的研究關(guān)注于石墨烯納米材料的應(yīng)用.Yang等[11]對(duì)比分析了石墨烯納米復(fù)合材料修飾的碳糊電極和未修飾碳糊電極對(duì)葡萄糖的響應(yīng),發(fā)現(xiàn)在相同實(shí)驗(yàn)條件下,前者對(duì)葡萄糖的響應(yīng)電流比后者要高.

多巴胺是一種傳遞脈沖的兒茶酚胺類(lèi)物質(zhì),其電化學(xué)行為受到科研人員的廣泛關(guān)注[12-13].研究表明,多巴胺在固體基質(zhì)的表面很容易形成一層聚多巴胺(polydopamine,PDA)層,這是由于多巴胺在水溶液中會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)而自發(fā)地自聚-交聯(lián)[14-15],而聚多巴胺分子中的鄰苯二酚基團(tuán)具有配位作用,可以與大多數(shù)金屬離子結(jié)合并將其還原.鑒于此,在固體基質(zhì)的表面上形成一層金屬與聚多巴胺的復(fù)合結(jié)構(gòu)不難實(shí)現(xiàn)[15-16].

本工作首先利用多巴胺在水溶液中的自聚性能及還原性能,采用一步法使多巴胺在氧化石墨烯表面自聚合的同時(shí),還原銀離子,制備聚多巴胺/銀復(fù)合物修飾的還原石墨烯復(fù)合納米材料;然后采用此材料構(gòu)建無(wú)酶葡萄糖電化學(xué)傳感器;最后通過(guò)循環(huán)伏安法探究該傳感器的性能.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器

試劑:石墨、五氧化二磷、過(guò)硫酸鉀、高錳酸鉀、雙氧水、硫酸、鹽酸、硝酸銀、氫氧化鈉、葡萄糖、氯化鉀、丙酮、鐵氰化鉀、亞鐵氰化鉀、無(wú)水乙醇、多巴胺和Tris,藥品均為分析純化學(xué)試劑.

儀器:FA1004型電子天平,0406-1型離心機(jī),85-1型恒溫磁力攪拌器,JSM-2010F型透射電子顯微鏡,D/MAX-2500型X射線(xiàn)衍射儀,CHI660C電化學(xué)工作站.

1.2 A g/AgCl/PDA-r GO復(fù)合材料的制備

稱(chēng)取2.5 g過(guò)硫酸鉀和2.5 g五氧化二磷,將其溶解在12 mL的濃硫酸中,加熱到80?C,再將5.0 g的石墨加入溶液,恒溫4 h,冷卻到室溫,最后用300 mL的去離子水對(duì)上述溶液進(jìn)行稀釋,徹夜靜置;抽濾,真空干燥箱60?C干燥8 h;用120 mL冰浴濃硫酸溶解得到的物質(zhì),在攪拌的條件下,加入0.09 mol KMnO4,且過(guò)程中保持溫度不高于20?C.之后將溫度控制在35?C攪拌至充分反應(yīng);冰浴條件下,250 mL去離子水稀釋,溫度低于50?C.攪拌2 h后,加入700 mL的去離子水,隨后立即加入20 mL 30%的H2O2,混合物產(chǎn)生氣泡,顏色變成了亮黃色后反應(yīng)停止;過(guò)濾,用1 L的稀鹽酸和水分別洗滌,之后用1 L去離子水溶解上述溶液,超聲至混合均勻,便可得到GO溶液;干燥,得到GO固體.

稱(chēng)取制備的GO少許,用去離子水溶解,配置成濃度為0.5 mg/mL的GO溶液;隨后,用Tris-HCl調(diào)節(jié)溶液的p H至8.5,加入多巴胺,質(zhì)量濃度達(dá)到0.3 mg/mL,室溫中,攪拌24 h;加入硝酸銀,濃度達(dá)到0.1 mol/L,攪拌反應(yīng)30,60,90 min;反應(yīng)后的產(chǎn)物用乙醇和去離子水洗滌離心若干次,冷干,研磨成粉末,分別標(biāo)記為Ag/AgCl/PDA-r GO30,Ag/AgCl/PDArGO60和Ag/AgCl/PDA-rGO90.

1.3 電化學(xué)實(shí)驗(yàn)

采用常規(guī)的三電極體系進(jìn)行電化學(xué)實(shí)驗(yàn),選擇的對(duì)電極是Pt絲電極,參比電極是Ag/AgCl電極.工作電極的制備詳見(jiàn)文獻(xiàn)[17]. 工作電極基體為玻碳電極(glassy carbon electrode,GCE),玻碳電極經(jīng)拋光、清洗、干燥,將5 mg/mL的待測(cè)樣品的乙醇溶液滴于玻碳電極表面,自然晾干后,再滴入20μL的Nafion,自然晾干.室溫,于20 mL 1.0 mmol/L和0.1 mol/L KCl中進(jìn)行交流阻抗測(cè)試,于20 mL濃度為50 mmol/L的NaOH溶液中進(jìn)行循環(huán)伏安測(cè)試.

2 結(jié)果和討論

2.1 X射線(xiàn)衍射分析

圖1為GO,Ag/AgCl/PDA-rGO30,Ag/AgCl/PDA-r GO60和Ag/AgCl/PDA-rGO90共4種樣品的XRD圖譜.可以看出:在2θ=10.2?附近出現(xiàn)的強(qiáng)衍射峰是GO的特征衍射峰;Ag/AgCl/PDA-r GO30,Ag/AgCl/PDA-rGO60和Ag/AgCl/PDA-rGO90樣品在2θ=10.2?處的特征峰消失,說(shuō)明在反應(yīng)中生成的聚多巴胺成功還原了GO;樣品在2θ=38.12?,44.30?,64.44?,77.40?出現(xiàn)明顯的衍射峰,分別對(duì)應(yīng)Ag(JCPDS No.65-2871)的(111),(200),(220),(311)晶面, 在2θ=27.83?,32.24?,46.23?,54.83?,57.48?,67.47?,74.47?,76.74?處出現(xiàn)的衍射峰對(duì)應(yīng)的是AgCl(JCPDS No.06-0480)的(111),(200),(220),(311),(222),(400),(331),(420)晶面,且Ag的特征峰的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于AgCl.這可歸因于:多巴胺在弱堿條件下發(fā)生自聚合,生成聚多巴胺;生成的聚多巴胺具有還原性,在還原氧化石墨烯的同時(shí),將銀復(fù)合物修飾到石墨烯片層上.

圖1 4種納米材料樣品的X射線(xiàn)衍射圖Fig.1 XRD pattern of four kinds of nanomaterial samples

2.2 拉曼分析

圖2 是GO,Ag/AgCl/PDA-r GO30,Ag/AgCl/PDA-rGO60和Ag/AgCl/PDA-rGO90復(fù)合材料的Raman譜圖.可以發(fā)現(xiàn):存在2個(gè)明顯的位于～1330 cm?1(D峰)和～1585 cm?1(G峰)的特征峰.D峰是處在缺陷位碳原子的sp3三維振動(dòng)模式產(chǎn)生的特征峰,是一種無(wú)序活性拉曼模式;而G峰是sp2雜化的碳原子振動(dòng)造成的,代表著有序性.材料的無(wú)序程度常用ID/IG的大小來(lái)衡量[16].如圖2所示,當(dāng)反應(yīng)時(shí)間增加(30～90 min)時(shí),Ag/AgCl/PDA-rGO復(fù)合納米材料的ID/IG值逐漸增大,石墨烯的無(wú)序程度逐漸增大以及產(chǎn)生的內(nèi)部缺陷增多,這種情況的產(chǎn)生主要是由于反應(yīng)過(guò)程中生成銀復(fù)合物所導(dǎo)致.

圖2 3種納米材料樣品的Raman譜圖Fig.2 Raman spectrum of three kinds of nanomaterial samples

2.3 傅里葉變換紅外光譜

Ag/AgCl/PDA-r GO位于1 728 cm?1處C=O的吸收峰和位于3 200～3 500 cm?1處羧基官能團(tuán)中的O-H的吸收峰減弱,且隨反應(yīng)時(shí)間(30～60 min)增加,含氧官能團(tuán)的吸收峰變?nèi)踮厔?shì)明顯.這說(shuō)明氧化石墨烯中的更多的含氧官能團(tuán)在反應(yīng)進(jìn)程中被還原.從FT-IR譜圖中還可以觀察到N-H的吸收峰,這是由于聚多巴胺化學(xué)結(jié)構(gòu)中的N-H造成的.

圖3 3種納米材料樣品的FT-IR圖Fig.3 FT-IR spectrum of three kinds of nanomaterial samples

2.4 透射電子顯微鏡(tramsmission electron microscop e,TEM)

圖4 為GO,Ag/AgCl/PDA-r GO30,Ag/AgCl/PDA-rGO60和Ag/AgCl/PDA-rGO90納米材料樣品的TEM表征圖.可以直觀看出:GO為透明片層狀,且存在少許褶皺,這是由于片層之間的電子排斥力造成的;隨時(shí)間增加,石墨烯片層中顆粒的負(fù)載量增多,90 min時(shí)負(fù)載量最大,這是因?yàn)榉磻?yīng)時(shí)間的增加,更多的Ag+被PDA還原為Ag納米顆粒,大量未被還原的Ag+與Cl?反應(yīng)生成AgCl.

2.5 交流阻抗分析

電化學(xué)交流阻抗(electrochemical impedance spectroscopy,EIS)圖通常是由高頻區(qū)和低頻區(qū)兩部分組成其中高頻區(qū)的半圓部分代表電子傳遞受限過(guò)程,受限程度可用半圓直徑來(lái)評(píng)估,低頻區(qū)的直線(xiàn)代表擴(kuò)散過(guò)程[5].由圖5可以看出,反應(yīng)時(shí)間增加,Ag/AgCl/PDA-rGO納米復(fù)合材料的交流阻抗圖譜曲線(xiàn)的直徑減小,表明交流阻抗值減小,90 min時(shí)交流阻抗值最小.這說(shuō)明Ag/AgCl/PDA-rGO90的納米材料最利于電子的傳遞,故選取90 min的樣品作為后續(xù)的研究材料.

圖4 4種納米材料樣品的透射電鏡圖Fig.4 TEM images of four kinds of nanomaterial samples

圖5 4種納米復(fù)合材料樣品的電化學(xué)交流阻抗Fig.5 EIS of four kinds of nanomaterial samples

2.6 循環(huán)伏安法分析

在一定的實(shí)驗(yàn)條件下,采用Ag/AgCl/PDA-rGO90復(fù)合納米材料構(gòu)建無(wú)酶葡萄糖傳感器圖6為Nafion/Ag/AgCl/PDA-rGO90/GCE對(duì)不同葡萄糖濃度響應(yīng)的循環(huán)伏安(cyclic voltammogram,CV)曲線(xiàn).由圖6可以看出:電流隨著葡萄糖濃度(5～9 mmol/L)的增加而增大電流大小與葡萄糖溶液的濃度之間具有較好的線(xiàn)性相關(guān)性.經(jīng)過(guò)擬合,線(xiàn)性回歸函數(shù)方程式為Y=1.485+0.162 X,線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)為0.998,靈敏度為0.162×10?5mA·cm?2·mmol·L?1.

圖6 Nafion/Ag/AgCl/PDA-r GO90/GCE對(duì)不同葡萄糖濃度響應(yīng)的循環(huán)伏安曲線(xiàn)Fig.6 Cyclic voltammograms of Nafion/Ag/AgCl/PDA-rGO90/GCE in the presence of different concentrations of glucose

3 結(jié)束語(yǔ)

本工作利用多巴胺在水溶液中的自聚性以及還原性,采用一步法在多巴胺于氧化石墨烯表面發(fā)生自聚合的同時(shí),制備了銀負(fù)載的聚多巴胺修飾的rGO復(fù)合納米材料然后考察了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中反應(yīng)時(shí)間對(duì)復(fù)合納米材料中聚多巴胺和銀復(fù)合物負(fù)載量的影響.隨后選擇的工作電極為玻碳電極(GCE),成功構(gòu)建了葡萄糖無(wú)酶的電化學(xué)傳感器(Ag/AgCl/PDA-rGO).研究結(jié)果表明:反應(yīng)時(shí)間為90 min時(shí),得到的產(chǎn)物中Ag/AgCl納米顆粒和聚多巴胺的含量最高,且擁有最小的交流阻抗值;當(dāng)葡萄糖的濃度在5～9 mmol/L時(shí),構(gòu)建的無(wú)酶葡萄糖傳感器對(duì)其具有良好的線(xiàn)性響應(yīng)(R2=0.998),靈敏度為0.162×10?5mA·cm?2·mmol·L?1.