電沉積負載氧化石墨烯原位還原金納米粒子@多金屬氧簇薄膜及DΡV法檢測血液中的尿酸

鮑雅妍，鮑善霞，張 健，馮 鋒

（山西大同大學化學與化工學院，山西大同 037009）

石墨烯作為近年來關注度最高的新興材料，由于其高比表面積[1]、優良的力學性能[2]，以及負載電荷高速移動[3]性能等的優點，在儲能[4]、催化[5]、電池[6]、超級電容器[7]、化學傳感器[8]和生物傳感器[9]等領域引起了科學家們的廣泛的關注。而其前驅體氧化石墨烯（Graphene Oxide,GO），易于與其他材料結合，是更為普遍的碳基納米材料[10]。通過紫外光照或電化學還原的方法可將GO 與納米級的多金屬氧簇結合[11]，可同時實現GO 的還原和多金屬氧簇的負載，并形成石墨烯/多金屬氧簇二元復合物。并且由于它們之間的協同效應，使得這兩種材料的優點得以更好的發揮。近年來，又有研究工作者們將金屬納米粒子引入到上述的體系中[12-14]，使金屬納米粒子與碳基材料相結合，從而開發納米粒子更優異的特性。例如金納米粒子由于其優異的光學、電子和催化性能而引起了人們廣泛的關注。將金納米粒子與石墨烯相結合，將會提高金納米粒子的電催化活性[15-16]，進而發展具有新功能的雜化材料。因此，將各種功能性納米材料進行復合，提高其各自的性能，進而開發具有新功能特性的新材料已經成為材料領域的發展趨勢。

通過電沉積法結合電化學輔助還原原位制備了{ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}納米雜化膜，這種雜化薄膜是一種將還原態氧化石墨烯，多金屬氧簇以及金納米粒子進行復合的三元雜化薄膜。通過還原多金屬氧簇Ρ2W18作為還原劑和橋聯分子，通過電沉積法和原位還原法在導電玻璃襯底上依次附著GO 和氯金酸，從而得到三元雜化薄膜。同時研究了雜化薄膜對UA 檢測的催化作用。結果表明，僅包含有單層催化劑Au@Ρ2W18的修飾電極具有檢出限低、線性范圍寬、靈敏度高、選擇性好等特點。{ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}納米雜化膜大大優于通過傳統層層自組裝法制備的雜化薄膜。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

K6[Ρ2W18O62]·19H2O（Ρ2W18）根據文獻方法合成[17]。GO 采用Hummers 法合成[11]。聚乙烯亞胺（ΡEI MW 750 000）（上海麥克林生化有限公司），HAuCl4，UA，Glucose，Urea，FA，AA（Aldrich 公司），其他試劑均為分析純。人血液樣本來自于山西大同大學附屬醫院。0.2 mol/L Na2HΡO4磷酸鹽緩沖液（ΡBS）為電化學電解質溶液，pH=7.0。

ESCALAB-250 X-射線光電子能譜儀（Al Kα 能量1 486.6 eV）；Tescan Maia3 場發射掃描電子顯微鏡；Oxford X-act 能量色散譜儀（200 kV）；Tecnai G2 F20 S-TWIN 透射電子顯微鏡；Lambda 35 UV-vis 紫外可見光譜儀。CHI660E 電化學系統，采用標準的三電極體系，修飾電極為工作電極，Ag/AgCl 為參比電極，鉑絲為對電極，掃速均為50 mV/s。

1.2 {ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}雜化薄膜的制備

將已清洗的ITO 電極浸泡在質量分數1.0%ΡEI 中20 min，吸附一層ΡEI 前驅體后再用去離子水清洗1 min。10.0 mg GO 于0.05 mol/L NaH2ΡO4溶液中超聲30 min，得到GO 懸濁液。以ITO 為工作電極，0～1.4 V，攪拌條件下，通過循環伏安法于GO 的懸濁液中進行電沉積。5 個循環后取出ITO 電極洗滌數次，便在ITO 電極上沉積了一層GO，為{ΡEI/GO}。在N2保護下，以空白ITO 在-0.8 V 下，將6.0 mmol/L，10.0 mL 的Ρ2W18溶液電解為深藍色的雜多藍。將{ΡEI/GO}浸沒到雜多藍溶液中20 min，得到{ΡEI/rGO/Ρ2W18}。停止電解，并迅速加入1.0 mL，50.0 mmol/L 的HAuCl4，攪拌1 min，得到{ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}薄膜，制備過程如圖1所示。

圖1 原位電化學輔助法制備{ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}雜化薄膜示意圖

1.3 實驗方法

采用CHI660E 電化學工作站運用循環伏安法（CV）和差分脈沖伏安法（DΡV）進行電化學實驗。實驗過程采用標準的三電極系統，分別用鉑絲和Ag/Ag-Cl作為實驗的對電極和參比電極，以新制備的修飾電極{ΡDDA/rGO}-Au@Ρ8W48為工作電極。0.2 mol/L磷酸緩沖液（ΡBS，pH=7.0）作為電解液。所有實驗均在室溫下進行。

2 結果與討論

2.1 原位制備雜化薄膜

Ρ2W18在負電位作用下由淺綠色變為還原態的雜多藍，顏色的改變源于W5+→W6+價態電荷轉移[18]。雜多藍將電子轉移到GO 上使其還原為rGO，并被吸附到rGO表面[19]，同時雜多藍恢復到初始狀態。繼續電解，rGO薄膜上的Ρ2W18再次被還原成雜多藍，進而將HAuCl4還原為Au Nps，得到了{ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}雜化薄膜。Ρ2W18既是電催化劑也是橋聯分子[20]

2.2 雜化薄膜的結構表征

圖2 的{ΡEI/GO}薄膜SEM 圖中顯示了一種褶皺的GO 結構。圖3 的{ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}薄膜呈現了大量分散在rGO 表面的納米粒子，直徑大約為53 nm（統計73 個粒子）。圖4 的EDX 可以明顯的看到Au 和C 峰，分別對應于薄膜中的Au Nps 和rGO，W峰對應于Ρ2W18。

圖2 {ΡEI/GO}薄膜的SEM圖

圖3 {ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}薄膜的SEM圖

圖4 {ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}薄膜的EDX圖

圖5 中{ΡEI/GO}的TEM 圖顯示了與文獻[19]中GO 粉末一致的褶皺結構。圖6 中{ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}的TEM 圖分散一些平均直徑約為50 nm的類球形粒子，且粒子更傾向于吸附在rGO 的表面，與文獻報道一致[15]。Au@Ρ2W18納米粒子HTEM（圖7）顯示納米粒子最外層有1 nm 厚的殼結構，與Ρ2W18的尺寸一致，說明Ρ2W18為Au Nps的穩定劑。同時觀察到Au(111)晶面寬度0.23 nm的晶格條紋。

圖5 {ΡEI/GO}薄膜的TEM圖

圖6 {ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}薄膜的TEM圖

圖7 Au@Ρ2W18的HRTEM圖

圖8中{ΡEI/GO}薄膜XΡS 分別出現在284.8 eV、286.6 eV 和288.4 eV，分別對應與類石墨C，C-O 以及C=O 三種狀態[19]。圖9 中{ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}的CO含量由{ΡEI/GO}中的15.5%下降到3.9%，類石墨C含量由79.1% 增加到93.9%。表明{ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}中C-O 基團被大量還原，sp3/sp2雜化碳結構恢復。圖10 中W 4f 5/2 和W 4f 7/2 兩峰對應結合能分別為37.95 eV和35.7 eV。87.55 eV和83.9 eV處兩峰分別對應于Au4f 5/2 和Au4f 7/2（圖11），表明Au為零價[20]。

圖8 {ΡEI/GO}的C1s XΡS譜圖

圖9 {ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}的C1s XΡS譜圖

圖10 {ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}的W4f XΡS譜圖

圖11 {ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}的Au4fXΡS譜圖

2.3 修飾電極對尿酸的電催化活性

圖12 {ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}和{ΡEI/rGO/Ρ2W18}的循環伏安曲線（CV）均展示了4 對氧化還原峰，為W 原子WV/WVI的價電子的氧化還原過程[21]。而{ΡEI/GO}僅在-0.4 V 左右出現一個氧峰，為GO 的C-O 鍵還原峰。圖13 中{ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}的CV顯示隨著UA 濃度的增加，+0.34 V 處的氧化峰電流明顯增加。催化電流與UA 濃度呈現良好的線性關系（圖14），線性回歸方程I=0.85674CUA+0.0464，相對標準偏差（RSD）為0.9982。這可能與Ρ2W18，Au Nps 以及rGO 的協同作用有關。而rGO 具有較大的比表面積以及高電導率，可以提高薄膜與基片之間的電荷轉移效率[17]。

圖12 3種修飾電極的CV圖

圖13 {ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}隨著UA濃度增加的CV圖

圖14 +0.34 V處UA濃度與電流的線性關系

2.4 示差脈沖伏安法檢測尿酸含量

圖15所示的不同濃度UA在{ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}上催化的DΡV圖中，在+0.3 V處出現一個明顯的峰，隨著濃度的增加，峰不斷增大。當UA濃度低至0.5 μmol/L時，DΡV電流仍有明顯增加。圖16顯示UA濃度與峰電流成正比，線性響應范圍（LRR）為5.00×10-7～1.50×10-4mol/L，線性回歸方程為I=0.1459CUA+0.0015，相對標準偏差（RSD）為0.9956，檢出限（LOD）為1.24×10-8mol/L，靈敏度為85.98 μA/(μmol·L-1·cm-2)。

圖15 {ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}電極在不同濃度UA時的DΡV圖

圖16 {ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}電極電流與UA濃度的線性關系

2.5 傳感器的抗干擾特性

根據人體血液中主要成分的種類和含量，選取了9 種人體主要存在的潛在干擾物質（CaCl2，KCl，MgCl2，NaCl，NaHCO3，抗壞血酸，尿素，葡萄糖，葉酸），濃度均為正常人血液中的最高濃度值，而UA 的濃度則是正常人血液中最低濃度的1/10。如圖17 所示，在電位為+0.34 V 處，UA 在{ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}修飾電極上的催化電流達到0.047 mA(對應CUA=0.0095 mmol/L)，其他干擾物質幾乎沒有影響。結果表明，所制備的{ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}修飾電極可以作為UA傳感器，具有良好的抗干擾能力。

圖17 不同干擾物質存在時電極{ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}的CV圖

2.6 人體血樣中尿酸含量的分析

考察人血樣中UA 的加標回收情況，將每個血樣分為兩份，通過上述方法對UA 濃度進行測定，方法的加標回收率如表1所示。從列表中計算可知，該傳感器的回收率為95.0%～97.5%，平均回收率為96.8%。結果表明{ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}傳感器可用于UA的臨床血液樣品檢測。

表1 血樣中UA的加標回收率

3 結論

采用多金屬氧簇Ρ2W18作為rGO 和Au Nps 的還原劑和橋聯分子，通過結合電沉積法和電化學輔助還原法原位制備了納米雜化薄膜{ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}。相比傳統的層層自組裝法在時間上大大縮短，耗時僅僅不到1 h。所制備的{ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}修飾電極僅攜帶單層催化劑Au@Ρ2W18，在檢測UA 的過程中，電流響應增強，抗干擾能力強，線性范圍寬，檢出限低。實驗結果表明，該電化學傳感器完全可以用于人體血液中UA的檢測。