基于石墨烯金納米復(fù)合材料的無(wú)酶葡萄糖傳感器的研究

基于石墨烯金納米復(fù)合材料的無(wú)酶葡萄糖傳感器的研究

無(wú)酶葡萄糖傳感器是一種基于葡萄糖分子的電脈沖氧化信號(hào)的傳感器，能夠定量和定量地檢測(cè)相關(guān)材料表面的電脈沖氧化信號(hào)。鉑、金、銅、鎳等裸電極均可做成無(wú)酶葡萄糖傳感器,但這類電極表現(xiàn)出較低的靈敏度和選擇性。納米材料修飾電極具有較大的比表面積和更高的催化活性,已被廣泛地應(yīng)用于無(wú)酶葡萄糖傳感器的研制。研究表明,貴金屬納米粒子和過(guò)渡金屬納米材料均具有良好的催化葡萄糖氧化的活性,因而是構(gòu)建無(wú)酶葡萄糖傳感器的重要材料。碳納米材料優(yōu)良的導(dǎo)電性能促進(jìn)電極表面的電子傳遞,使納米粒子催化活性顯著增強(qiáng),其大的比表面積可以負(fù)載更多具有催化活性的納米粒子,使傳感器的檢測(cè)信號(hào)大大增強(qiáng)。石墨烯作為具有二維結(jié)構(gòu)的新型碳納米材料,具有更大的比表面積和更優(yōu)異的電子傳導(dǎo)能力,已成為繼碳納米管后新一代的理想電極修飾材料應(yīng)用于無(wú)酶葡萄糖傳感器的研制。研究表明利用陽(yáng)離子交換聚合膜將石墨烯和金納米顆粒固定在電極表面,其石墨烯和金納米顆粒能協(xié)同催化葡萄糖的氧化。該傳感器顯示了較高的靈敏度和選擇性。本文以抗壞血酸(AA)為還原劑,利用一步還原法直接制備石墨烯/金納米復(fù)合材料,并將該納米復(fù)合材料直接滴涂于玻碳電極(GCE)表面,構(gòu)建了基于石墨烯/金納米復(fù)合材料的無(wú)酶葡萄糖傳感器。該傳感器和已有的基于石墨烯/金納米復(fù)合材料的無(wú)酶葡萄糖傳感器相比,其制作簡(jiǎn)單、方法靈敏、重現(xiàn)性好、穩(wěn)定性好,能很好地應(yīng)用于葡萄糖注射液中葡萄糖的檢測(cè)。1實(shí)驗(yàn)部分1.1儀器、檢測(cè)電極AutolabPGSTAT302型電化學(xué)工作站(瑞士,萬(wàn)通公司),采用三電極系統(tǒng):以玻碳電極或修飾電極為工作電極,Ag/AgCl電極為參比電極,鉑絲電極為對(duì)電極;HJ-1磁力加熱攪拌器(鞏義予華儀器公司);H1650-W高速離心機(jī)(湖南湘儀儀器公司);HitachiS-4800掃描電子顯微鏡(日本,日立公司);KQ2200DB型數(shù)控超聲波清洗器(昆山市超市儀器公司)。氧化石墨烯(南京先豐納米材料科技公司);實(shí)驗(yàn)中所用試劑均為分析純,實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水。1.2氧化石墨烯溶液稱取5mg氧化石墨烯,將其置于50mL二次蒸餾水中,超聲溶解24h,制成0.1mg/mL的氧化石墨烯水溶液。取10mL上述溶液于燒杯中,加入10mgAA還原氧化石墨烯,攪拌12h,即得到石墨烯溶液。1.3haucl4溶液的制備參考文獻(xiàn),采用一步還原法制備石墨烯/金納米復(fù)合材料。取上述10mL石墨烯溶液,加入4mL0.01g/mLHAuCl4溶液,攪拌20h。將攪拌后的溶液在10000r/min下離心15min,去除上層溶液。余下的黑色沉淀用二次蒸餾水洗滌后離心,反復(fù)操作3次,得黑色沉淀即為石墨烯/金納米復(fù)合材料。1.4石墨烯/金納米復(fù)合材料懸浮液的制備玻碳電極用Al2O3粉末在拋光布上拋光,然后依次用二次蒸餾水、無(wú)水乙醇、二次蒸餾水各超聲清洗5min,自然晾干,備用。取0.5mg的石墨烯/金納米復(fù)合材料于5mL二次蒸餾水中,超聲分散90min,形成石墨烯/金納米復(fù)合材料懸浮液。移取5μL上述懸浮液直接滴涂于已拋光好的玻碳電極表面,于室溫下自然晾干,即可得到石墨烯/金納米復(fù)合材料修飾電極。1.5加入適量葡萄糖溶液后電路分析實(shí)驗(yàn)采用三電極體系,以NaOH溶液作為支持電解質(zhì),加入適量葡萄糖溶液,分別采用循環(huán)伏安法和線性掃描伏安法進(jìn)行測(cè)試,掃描電位范圍為-0.6V~+0.6V,掃描速率為100mV/s。電化學(xué)測(cè)量均在室溫條件下進(jìn)行。2結(jié)果與討論2.1復(fù)合材料的制備以AA為還原劑,采用一步還原法同時(shí)還原氧化石墨烯和HAuCl4,制備石墨烯/金納米復(fù)合材料。該方法制備的金納米顆粒能牢固地分散在石墨烯的表面,形成石墨烯/金納米復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)所用的氧化石墨烯厚度為0.8~1.2nm,所制備的石墨烯/金納米復(fù)合材料的掃描電鏡(SEM)圖如圖1所示,金納米顆粒均勻分布在石墨烯的表面,其粒徑約為50nm。2.2石墨烯修飾電極的電化學(xué)表征不同電極在10mmol/LFe(CN)63-/Fe(CN)64-溶液中的循環(huán)伏安曲線見(jiàn)圖2。裸玻碳電極(GCE)在Fe(CN)63-/Fe(CN)64-溶液中出現(xiàn)了一對(duì)可逆的氧化還原峰(曲線A);以石墨烯修飾電極作為工作電極時(shí),Fe(CN)63-/Fe(CN)64-的峰電位沒(méi)有明顯改變,但其峰電流降低(曲線B),這可能是因?yàn)槭┍砻娴暮豕倌軋F(tuán)帶負(fù)電,由于靜電排斥作用阻礙了Fe(CN)63-/Fe(CN)64-在電極表面的電子傳遞。以石墨烯/金納米復(fù)合材料修飾電極為工作電極時(shí),其氧化峰負(fù)移,還原峰正移,其峰電位差值減小(曲線C),這說(shuō)明石墨烯/金納米復(fù)合材料催化了電極表面的電子傳遞過(guò)程,使Fe(CN)63-/Fe(CN)64-電對(duì)的氧化還原過(guò)程更加可逆,其峰電流相對(duì)減小,這主要是因?yàn)榻鸺{米粒子表面的負(fù)電性進(jìn)一步阻礙了Fe(CN)63-/Fe(CN)64-在電極表面的擴(kuò)散。2.3金納米復(fù)合材料的電化學(xué)行為將不同電極分別置于2mmol/L葡萄糖的NaOH溶液中進(jìn)行循環(huán)伏安掃描,其循環(huán)伏安曲線如圖3所示。葡萄糖在裸玻碳電極(曲線A)與石墨烯修飾電極(曲線B)上均無(wú)明顯的氧化還原信號(hào)。當(dāng)電極表面修飾上石墨烯/金納米復(fù)合材料后,其循環(huán)伏安曲線上出現(xiàn)了明顯的氧化還原電流信號(hào)(曲線C)。當(dāng)掃描電壓由-0.6V向+0.6V變化時(shí),在-0.2V和0.15V處各出現(xiàn)了一個(gè)氧化峰,分別對(duì)應(yīng)著葡萄糖的直接電化學(xué)氧化和金氧化物的形成。反向掃描時(shí),在0.4V和0.08V出現(xiàn)了兩個(gè)氧化峰,分別對(duì)應(yīng)金氧化物的還原與葡萄糖的催化氧化。此外,反向掃描過(guò)程中還出現(xiàn)了一個(gè)位于-0.4V的還原峰,此峰對(duì)應(yīng)于溶解氧的還原。相比于裸玻碳電極與石墨烯修飾電極,石墨烯/金納米復(fù)合材料修飾電極出現(xiàn)了明顯的氧化還原峰,說(shuō)明石墨烯/金納米復(fù)合材料協(xié)同催化了葡萄糖的電化學(xué)氧化。由于0.08V處的氧化峰具有良好的峰形與顯著的峰電流,本實(shí)驗(yàn)以該峰作為定量分析的根據(jù)。2.4不同濃度naoh溶液氧化峰電流的影響堿性介質(zhì)有利于葡萄糖的催化氧化,實(shí)驗(yàn)考察了支持電解質(zhì)NaOH溶液的濃度對(duì)葡萄糖氧化電流強(qiáng)度的影響。將10μL1mol/L葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液分別加入10mL濃度為0.02、0.05、0.10、0.20和0.30mol/L的NaOH溶液,測(cè)量0.08V處氧化峰的峰電流,結(jié)果表明隨著NaOH溶液濃度的增加,氧化峰電流增大;進(jìn)一步增大NaOH溶液濃度,由于背景電流增大,氧化峰電流信號(hào)反而減弱。因此,本實(shí)驗(yàn)選擇0.20mol/L的NaOH溶液作為檢測(cè)葡萄糖的支持電解質(zhì)。2.5葡萄糖濃度的影響在上述選定的最佳實(shí)驗(yàn)條件下,用反向線性掃描伏安法考察了葡萄糖的氧化峰電流與濃度之間的關(guān)系。其測(cè)定結(jié)果如圖4所示,在0.2mol/L的NaOH溶液中,當(dāng)葡萄糖的濃度從0.01、0.05、0.1、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5mmol/L依次變化時(shí),其氧化峰電流隨葡萄糖濃度的增加而增大。葡萄糖氧化峰峰電流與葡萄糖濃度之間存在良好的線性關(guān)系。其線性方程為:I(μA)=0.0012+0.0142c(mmol/L),相關(guān)系數(shù)R=0.9964,傳感器的線性范圍為0.01~2.5mmol/L,檢出限(S/N=3)為0.003mmol/L。2.6同一支修飾電極的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性向含有2mmol/L的葡萄糖溶液中分別加入濃度為1mmol/L尿酸(UA)以及AA進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明加入的UA與AA對(duì)葡萄糖的測(cè)定無(wú)明顯的干擾,說(shuō)明該傳感器具有較好的選擇性。在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件下使用同一支修飾電極對(duì)濃度為1mmol/L葡萄糖溶液重復(fù)測(cè)定8次,其氧化峰電流的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為2.6%,表明該傳感器具有較好的重現(xiàn)性。實(shí)驗(yàn)后將該傳感器于室溫下放置,每隔一周對(duì)濃度為1mmol/L的葡萄糖溶液測(cè)定一次,經(jīng)過(guò)5次測(cè)定后,其電流強(qiáng)度為初始電流強(qiáng)度的78.6%,表明該傳感器具有較好的穩(wěn)定性。2.7葡萄糖濃度為了考察該傳感器的實(shí)用性,利用該傳感器對(duì)市售的葡萄糖注射液進(jìn)行了測(cè)定,平行測(cè)定三次,葡萄糖濃度為1.2mol/L(RSD=2.