基于3D打印技術構建石墨烯電化學生物傳感器及其應用研究

魯文娟，李 陽

(1.陜西鐵路工程職業技術學院道橋與建筑學院，渭南 714000；2.西北工業大學材料學院，凝固技術國家重點實驗室,西安 710072)

0 引 言

3D打印技術因其具有加工任意性強、成型精度高、制造周期短及節能環保等諸多優點，為材料制造領域帶來了新的變革[1-2]，近些年來3D打印技術在生物醫學、航空航天、汽車等領域得到了廣泛應用[3-5]。其中在電化學分析檢測領域3D打印技術也有著非常重要的應用，例如，利用3D打印技術可高效快速制備均一性良好的石墨烯檢測電極，從而用于生化分子的檢測，而以往需利用電泳沉積石墨烯粉體、絲網印刷、化學氣相沉積等復雜制備工藝，3D打印技術無疑大大節約了人力和物力。目前3D打印技術按照工藝特點，可以分為激光熔化成型、激光燒結成型、激光直接燒結技術、電子束熔化技術、熔融沉積成型、選擇性熱燒結、立體平板打印等，其中在石墨烯電極制備方面熔融沉積成型(fused deposition modeling， FMD)是應用最廣泛的一種工藝，其所用的原料為熱塑性材料[6]。在制造過程中，聚合物材料被熔融，其沉積由擠出機控制。整個操作過程簡單便捷，原料成本較低[7]。Foster等[8]首次報道了一種由石墨烯基聚乳酸(PLA)長絲制成的3D打印電極作為儲能裝置和析氫反應的電催化劑。Foo等[9]研發了低成本3D打印石墨烯平臺并成功應用于超級電容器和光電化學傳感器。最近，Palenzuela等[10]利用石墨烯/聚乳酸纖維絲制造了檢測苦味酸和抗壞血酸的環形和圓盤狀傳感器。此外，Cardoso等[11]已經使用石墨烯摻雜的PLA打印傳感器在酸性條件下檢測多巴胺和兒茶酚。前人的研究中已經證明，石墨烯因其表面豐富的π—π鍵及含氧基團，可以吸附多種有機分子及重金屬，是適宜應用于傳感器的材料之一，因此，石墨烯片的功能化在電催化傳感應用中具有重要意義[12]。如氧化石墨烯(grapheneoxide， GO)表面的羧酸基和羥基，增加了石墨烯材料的生物相容性，使它們能夠共價連接到酶和神經遞質的氨基上。此外，普魯士藍等電催化劑可以錨定在功能化石墨烯表面，以提高其對生物分子的響應，另外對GO進行電化學還原，以調節還原材料(還原石墨烯氧化物，rGO)的電催化性能。但在對石墨烯復合電極功能化過程中一直存在著一些矛盾的問題，對石墨烯進行功能基團的修飾雖然可增加其對生物分子的相容性，但基團的修飾卻降低了石墨烯本身的電子傳輸特性從而影響傳感器的靈敏度，如何在不降低石墨烯復合電極傳感器靈敏度的前提下對其進行功能基團的修飾，這將是3D打印石墨烯電極在應用中所面臨的巨大挑戰。

因此，本文首先利用氧化電位對石墨烯電極進行氧化處理使其具有更多的氧化功能基團，再通過電化學還原去除部分含氧基團改善氧化石墨烯的電子遷移率，以微囊藻毒素(MC-LR)作為待測物進一步分析最佳還原電位，同時采用SEM、XPS、AFM對相關物理化學機理進行研究分析。

1 實 驗

1.1 試劑與材料

氯化鉀(KCl)、磷酸氫二鉀(KH2PO4)、氫氧化鉀(KOH)、鹽酸多巴胺(C8H11NO2·HCl)、四環素(C22H24N2O8)、水中汞標準物質均購自上海麥克林公司。測試所用的電解液為pH=7.4的磷酸緩沖液(濃度為0.1 mol/L)。用于打印石墨烯復合電極的原料使用導電石墨烯PLA燈絲，線材購自美國Graphene 3D Lab公司，體積電阻率為0.6 Ω·cm。所有化學品均為分析純級別，實驗中未再進一步純化。所有溶液均使用Milli-Q級水(Millipore水凈化系統Z18 MΩ)制備。

1.2 檢測電極的設計與制備

3D打印石墨烯復合電極設計是使用Tinkercad在線平臺繪制的，電極形狀為直徑5 mm、厚度1 mm的圓盤。使用RepRap打印機進行電極打印，打印機平臺溫度為50 ℃，擠出溫度為190 ℃，打印速度為1 800 mm/min，噴嘴尺寸>0.5 mm，擠出倍數為1.1。打印后的石墨烯復合電極標記為3D-GR，電極的光學照片如圖1所示。隨后將電極3D-GR置于pH=7.4的磷酸緩沖液(PBS)中施加+1.8 V偏壓900 s以制備氧化型石墨烯，記為3D-GRO。然后以50 mV/s的掃描速率，分別在0～-1.0 V、0～-1.2 V、0～-1.4 V、0～-1.6 V和0～-1.8 V對3D-GRO進行循環伏安掃描，所得的石墨烯復合電極分別記為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)。每次進行電化學測量前，通過氮氣鼓泡15 min除去氧氣。在對待測物進行檢測前，取20 μL含有特異性的探針適配體溶液均勻涂于電極之上，37 ℃恒溫孵化2 h，然后用去離子水清洗電極表面后即可用于檢測。

圖1 3D打印的石墨烯復合電極照片

1.3 測試與表征

電化學測試使用德國札納電化學公司生產的Zennium-Pro型電化學工作站(Zahner)，以Ag/AgCl為參比電極，鉑片為對電極。電極材料形貌表征采用德國蔡司公司生產的Ultra 5型場發射掃描電鏡(FE-SEM)。拉曼光譜測試使用法國Horiba Scientific公司生產的T6400型三級拉曼光譜儀，積分時間為30 s，物鏡范圍為1 000～3 000 cm-1。紅外光譜測量使用日本安捷倫公司生產的Cary 630型傅里葉紅外變換光譜儀，掃描范圍為450～4 000 cm-1。使用英國Kratos公司生產的AXIS Supra型X射線光電子能譜儀進行X射線光電子能譜測量。原子力顯微鏡(AFM)使用瑞士Nanosurf公司生產的Flex-Axiom型原子力顯微鏡。

2 結果與討論

2.1 拉曼、紅外光譜及XPS能譜分析

圖2 拉曼及紅外光譜分析

圖3 3D打印石墨烯電極的XPS能譜

圖4 電化學氧化(+1.8 V)后得到的3D打印石墨烯電極的XPS能譜

圖5 經電化學氧化(+1.8 V)然后在-1.2 V還原后的3D打印石墨烯電極的XPS能譜

表1 3D打印石墨烯電極的XPS數據

2.2 微觀形貌分析

為對電化學處理前后石墨烯復合電極表面的形貌進行分析，采用掃描電鏡分別對石墨烯復合電極(3D-GR)、氧化石墨烯復合電極(3D-GRO)、-1.2 V還原的電極3D-GRE(-1.2 V)和過電位還原的電極3D-GRE(-1.8 V)進行表面形貌表征。圖6(a)為直接打印出的石墨烯表面形貌，其表面較為平整，有明顯的條狀物分布，為3D打印過程中的聚合物纖維。對石墨烯復合電極在+1.8 V偏壓下進行氧化后的表面形貌如圖6(b)所示，可以看出，平整的表面開始出現褶皺，同時出現大的斷裂片狀物。圖6(c)為在-1.2 V對氧化石墨烯復合電極進行還原后的表面形貌，可以看出，表面變得更加粗糙，褶皺變得更加明顯，表明表面聚合鏈發生了一定程度的降解。如果繼續增加還原電位至-1.8 V，電極表面形貌如圖6(d)所示，從電極形貌來講其表面的粗糙度進一步提升，但并未出現大的形貌上的變化。圖7為不同電位處理后電極表面的AFM圖，可以看出3D-GRO和3D-GRE(-1.2 V)電極表面比3D-GR電極表面起伏更小，同時可以看出電化學還原處理(-1.2 V)的電極表面出現了石墨烯納米片。對于生物傳感來說其檢測電極表面越粗糙、比表面積越大、活性吸附基團越多越有利于有機基團(探針或待測物)的吸附，綜合AFM和SEM結果來看，經過電化學還原的3D-GRE(-1.2 V)橫向表面更加粗糙，縱向起伏更小，這樣的表面更加有利于與待測物的充分吸附和接觸。但不同電位處理對傳感器線性檢測區、檢測限的影響還需進一步研究。

圖6 電化學處理前后石墨烯電極表面形貌

圖7 不同電位處理后電極表面的AFM圖

2.3 MC-LR檢測及傳感器靈敏度表征

采用循環伏安法在0～0.3 V的掃描偏壓下進行MC-LR檢測。圖8為7種石墨烯復合電極的檢測結果，其中不同曲線代表了不同濃度的MC-LR(CMC-LR)在不同電壓下的電流密度變化情況(J-E)，其中J代表電流密度，E代表相對于Ag/AgCl參比電極的測試電壓(vs.SCE)。由圖8(a)可以看出直接打印的石墨烯復合電極(3D-GR)對MC-LR的響應不是很明顯，這主要因為其表面平整且不含與待測物作用吸附的含氧基團，因此難以有效吸附固定MC-LR，從而電流響應微弱。圖8(b)～(g)為經過電化學處理后幾種石墨烯復合電極對于MC-LR的J-E變化曲線，在進行電化學處理后的6種檢測電極都可以看到明顯的氧化峰，氧化峰的位置在0.12 V左右，且隨著MC-LR濃度的增大對應氧化峰高度也逐漸增加，這與文獻[14]報道的MC-LR的氧化電位基本吻合。以MC-LR濃度變化的對數為橫坐標，電流變化為縱坐標可以得到不同電極對于MC-LR的線性檢測區域，結果如圖8(h)所示。線性檢測方程的斜率反映了傳感器的靈敏度(即相同橫坐標變化，縱坐標數值變化越明顯傳感器靈敏度越高)。通過對比幾種檢測電極線性檢測方程的斜率，如圖8(i)所示，可以發現3D-GRE(-1.2 V)電極對于MC-LR的靈敏度最高，其線性檢測區域為4×10-6～1 μg/L，檢測限為1.5×10-7μg/L(3 N/S)，這也與上文化學表征、形貌表征中對于幾種電極靈敏度猜測的結果完全吻合。通過與國內發表的針對于MC-LR檢測的傳感器靈敏度對比(見表2)可以發現，本文設計的傳感器靈敏度處于同類型傳感器的較高水平。

表2 本文傳感器與其他報道的MC-LR檢測方法性能對比

圖8 MC-LR的檢測

2.4 傳感器的普適性和特異性分析

特異性是衡量傳感器的最重要的指標，因此對MC-LR傳感器進行特異性表征是十分必要的。采用MC-LR傳感器對相同物質的量濃度的幾種待測物(MC-RR、牛血清蛋白(BSA)、Hg2+、四環素、Pb2+、MC-LR)進行響應測試，所得測試結果如圖9(a)所示，圖中的縱坐標代表光電流變化值(ΔJ)。可以看出所設計的MC-LR傳感器表現出僅對MC-LR響應的電流信號，這也驗證了傳感器的特異性。最后為驗證傳感器可以應用于其他物質的監測，分別使用了Hg2+和多巴胺的探針，圖9(b)和9(c)分別為利用傳感器檢測多巴胺和Hg2+的檢測線，其中Cdopamine和CHg2+分別為多巴胺和Hg2+的濃度。可以看出傳感器對于重金屬Hg2+和多巴胺依然表現出高靈敏度的檢測特性，這也證明了本文設計的傳感器具有在其他檢測物應用的可能性。

圖9 傳感器特異性及普適性測試結果

3 結 論

(1)采用3D打印技術成功制備重復性良好的石墨烯傳感器電極，并采用電化學處理的方式得到了不同表面形貌和含氧基團的石墨烯復合電極。

(2)對初始打印的石墨烯復合電極在+1.8 V的偏壓下進行氧化，然后在-1.2 V偏壓下進行還原，此時傳感器表面形貌粗糙且含氧基團也明顯增多，這些都有助于對待測分子的吸附。

(3)對環境污染物MC-LR檢測的結果表明，3D-GRE(-1.2 V)具有最高的檢測靈敏度，其線性檢測區在4×10-6～1 μg/L，檢測限為1.5×10-7μg/L。同時傳感器具有良好的特異性，在更換適配體探針后傳感器同樣可以應用于其他物質的檢測。