王炎英, 屈 穎, 李春涯

(中南民族大學(xué) a.實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)室管理中心;b.化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，武漢 430074)

0 引 言

化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)體系的完善不僅需強(qiáng)化學(xué)科之間的交叉滲透，更側(cè)重科學(xué)前沿的引入，因此，新材料、新產(chǎn)品、新方法以及科研新進(jìn)展都紛紛被改造為綜合實(shí)驗(yàn)或創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，從而開闊學(xué)生的視野，拓展知識(shí)領(lǐng)域[1-6]。

石墨烯是形成碳同素異形體(如石墨、碳納米管、富勒烯等)的基本單元[7-8]，Geim等通過簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)獲取了單層石墨烯[9]，這一開創(chuàng)性的工作使得石墨烯在物理、化學(xué)、生物以及材料科學(xué)等領(lǐng)域獲得了廣泛關(guān)注[7,10]。石墨烯具有一些獨(dú)一無二的特性，如量子霍爾效應(yīng)，室溫下具有高量子遷移效率(～10 000 cm2/(V·s),大比表面積(2 630 m2/g)，好的光透性(～97.7%)，高彈性模量(～1 TPa)，優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性(3～5 kW/(m·K)和導(dǎo)電性，低熱膨脹系數(shù)等。迄目前為止，基于無機(jī)納米粒子、有機(jī)晶體、聚合物、有機(jī)金屬框架化合物、生物材料、碳納米管等的石墨烯復(fù)合材料都已成功制備，并廣泛用于電池、 電容、 燃料電池、 光伏裝置、 光催化、傳感界面等領(lǐng)域[11]。本文以絲肽功能化石墨烯納米復(fù)合材料(SP-Gr)構(gòu)建出電化學(xué)傳感界面，考察了其對(duì)多巴胺的傳感性能，并實(shí)現(xiàn)多巴胺的高效檢測(cè)，基于此衍生出新型綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)體系，適用于材料化學(xué)、分析化學(xué)、應(yīng)用化學(xué)等相關(guān)專業(yè)，囊括了材料制備及表征，電化學(xué)傳感器制備方法，電化學(xué)表征及測(cè)試方法，電化學(xué)分析基本模式及數(shù)據(jù)處理等。主要內(nèi)容如下：在堿性溶液中，高分子絲肽上的氨基會(huì)和氧化石墨烯表面的環(huán)氧基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)氧化石墨烯表面修飾[12]，再經(jīng)硼氫化鈉溶液還原，可獲得(SP-Gr)。采用透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X-射線光電子能譜、X-射線衍射、紫外光譜等對(duì)所制備的(SP-Gr)進(jìn)行表征。將SP-Gr分散至水相中，并滴涂至潔凈的玻碳電極表面，蒸發(fā)溶劑后制備出SP-Gr膜修飾電極。考察多巴胺在該SP-Gr膜修飾電極上的電化學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)在pH 7.0的磷酸緩沖溶液中，Gr-SP膜修飾電極對(duì)多巴胺表現(xiàn)出靈敏的響應(yīng)性能，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件后，可實(shí)現(xiàn)多巴胺的高選擇性、高靈敏度檢測(cè)，并可成功用于注射液樣品中多巴胺測(cè)定。

1 實(shí)驗(yàn)試劑及儀器

主要試劑：氧化石墨烯(先豐納米)；高分子絲肽(MW=10 000～15 000)；多巴胺；硼氫化鈉；Na2HPO4；NaH2PO4；KOH,所用試劑均為分析純，溶液由超純水配制。

主要儀器：CHI 660D電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司，上海)；透射電子顯微鏡(FEI Tecnai G220S-TWIN)；場(chǎng)掃描電子顯微鏡(JSM-6700F)；X-射線光電子能譜儀(Thermo Electron Corp., USA)；X-射線衍射儀(Bruker D8)；紫外-可見光譜儀；電子分析天平。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 SP-Gr制備

SP-Gr制備方案如下：在20.0 mL超純水中加入4 mg氧化石墨烯、20.0 mg絲肽和16 mg KOH，劇烈攪拌混勻，80 °C恒溫 24 h。 向反應(yīng)混合物中加入1.0 mol/L NaBH4溶液2.0 mL，維持80 °C恒溫2 h。經(jīng)高速離心分離，以超純水洗去雜質(zhì)及過量的高分子絲肽，減壓干燥得SP-Gr納米復(fù)合材料。

2.2 SP-Gr修飾電極制備及多巴胺測(cè)定

玻碳電極先用金相砂紙和氧化鋁粉懸濁液拋光，超純水洗凈，然后依次用硝酸、乙醇和水超聲清洗，在室溫下晾干，備用。SP-Gr納米材料用磷酸緩沖溶液超聲分散成1.0 g/L溶液。用微量移液器移取5.0 μL SP-Gr溶液，滴涂至潔凈的玻碳電極表面，室溫晾干，即得SP-Gr膜修飾電極。

電化學(xué)測(cè)試在CHI 660D電化學(xué)工作站上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)采用傳統(tǒng)的三電極系統(tǒng)：玻碳電極(?=3.0 mm)或SP-Gr修飾電極為工作電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，鉑柱電極為輔助電極。

SP-Gr修飾電極置于磷酸緩沖溶液中，在-0.2～0.6 V電位范圍內(nèi)循環(huán)伏安掃描至基線穩(wěn)定。多巴胺鹽酸鹽以磷酸緩沖溶液配制成所需濃度，并移至10 mL電解池中，將SP-Gr修飾電極置于多巴胺溶液中，0 V電位下富集90 s,在-0.2～0.6 V電位區(qū)間內(nèi)微分脈沖伏安法掃描，其氧化峰峰電流用于定量分析多巴胺。

3 結(jié)果與討論

3.1 透射電子顯微鏡表征

由圖1可知，3種納米材料都呈現(xiàn)出分散的石墨烯片層結(jié)構(gòu)，其直徑在幾百nm，表明石墨烯表面經(jīng)絲肽修飾，不改變石墨烯的幾何結(jié)構(gòu)，可維持其大比表面積、高電子傳導(dǎo)等特性，有利于構(gòu)建性能優(yōu)良的電化學(xué)傳感器。

(a) 還原石墨烯

(b) SP-Gr納米材料

(c) 材料的透射電鏡圖

3.2 X-射線光電子能譜表征

由圖2可知，兩種納米材料中均含有C1s能級(jí)(284.6 eV)和O1s能級(jí)(531.8 eV)。在SP-Gr納米復(fù)合材料的XPS曲線中存在N1s能級(jí)(399.6 eV)，而石墨烯的XPS譜圖中未出現(xiàn)N1s能級(jí)，表明N元素主要來源于高分子絲肽，進(jìn)而證實(shí)高分子絲肽成功修飾至石墨烯表面。

(a) 石墨烯

(b) SP-Gr納米材料

圖2 材料的XPS能譜曲線

3.3 X-射線衍射光譜表征

如圖3所示，當(dāng)2θ在5°～80°范圍內(nèi)變化時(shí)，氧化石墨烯分別在9.7°出現(xiàn)一個(gè)尖峰和23.2°出現(xiàn)一個(gè)扁平峰。而在石墨烯和SP-Gr中僅在23.2°觀察到一個(gè)扁平峰。結(jié)果表明，高分子絲肽和氧化石墨烯鍵合后，可經(jīng)NaBH4還原為SP-Gr納米復(fù)合材料。

圖3 材料的XRD譜圖

3.4 UV/Vis光譜表征

如圖4所示，以水為分散劑時(shí)，氧化石墨烯在225 nm處出現(xiàn)吸收峰，高分子絲肽在213 nm出現(xiàn)吸收峰。當(dāng)絲肽修飾至石墨烯表面后，225 nm處的吸收峰紅移至263 nm，表明結(jié)合高分子絲肽并經(jīng)NaHB4還原后，石墨烯電子共軛體系得以修復(fù)。213 nm處的吸收峰藍(lán)移至202 nm，源于石墨烯和絲肽的相互作用。氧化石墨烯和NaHB4反應(yīng)后被還原為石墨烯，也可以由顏色變化獲得證實(shí)。還原前，其水分散體系為棕色，而還原后轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏?。其濃度? g/L的分散液可維持?jǐn)?shù)月不沉降，表明其在水相中具有很好的分散性，特別適合構(gòu)建生物傳感體系。

圖4 材料的紫外可見光譜圖

3.5 掃描電子顯微鏡表征修飾電極形貌

由圖5可見，SP-Gr均勻覆蓋至玻碳電極表面，呈現(xiàn)出褶皺狀，石墨烯的納米片層結(jié)構(gòu)清晰可見。表明該納米復(fù)合材料可穩(wěn)定修飾至玻碳電極表面，并具有石墨烯的結(jié)構(gòu)特性。

3.6 交流阻抗譜表征

由圖6可知，Nyquist曲線相似，高頻區(qū)為一圓弧，對(duì)應(yīng)著擴(kuò)散控制過程;而低頻區(qū)為一條直線，對(duì)應(yīng)著表面控制過程。 圓弧的半徑可反映電極界面電荷傳遞電阻的大小，半徑越大，電荷傳遞電阻越高。與曲線a相比，曲線b的圓弧半徑大大增加，說明SP-Gr納米復(fù)合材料阻礙了Fe(CN)63-/4-在電極上的電荷傳遞，作為絲肽載體的石墨烯是高導(dǎo)電材料，故其對(duì)探針電子傳遞的阻礙作用主要來源于絲肽分子，因?yàn)樵谠損H值條件下，絲肽分子帶負(fù)電荷，與電活性探針之間存在靜電排斥作用。

圖5 SP-Gr納米復(fù)合材料修飾玻碳電極的掃描電鏡圖

圖6 5.0 mmol/L K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]在SP-Gr修飾電極(a)和裸玻碳電極上的(b)Nyquist曲線(支持電解質(zhì)為0.1 mmol/L KCl溶液)

3.7 多巴胺的循環(huán)伏安行為

采用循環(huán)伏安法考察50 μmol/L多巴胺在不同電極表面的電化學(xué)行為，結(jié)果如圖7所示。由曲線b可知，在磷酸緩沖溶液中，當(dāng)電位掃描區(qū)間控制在-0.2～0.6 V范圍時(shí)，SP-Gr修飾電極無氧化峰、還原峰出現(xiàn)，表明其在該電位區(qū)間內(nèi)為電化學(xué)惰性。在多巴胺溶液中，該修飾電極呈現(xiàn)出一對(duì)準(zhǔn)可逆的氧化-還原峰，如曲線a所示，其氧化峰電位在0.22 V, 還原峰電位在0.16 V。在裸玻碳電極上，多巴胺也呈現(xiàn)出一對(duì)氧化-還原峰(曲線c)，氧化峰電位為0.20 V，還原峰電位為0.16 V，但氧化-還原峰峰電流明顯小于其在SP-Gr修飾電極上的峰電流，表明絲肽功能化石墨烯納米復(fù)合材料能增強(qiáng)多巴胺在電極表面的富集量，進(jìn)而增強(qiáng)其檢測(cè)靈敏度。

圖7 50 μmol/L多巴胺在SP-Gr修飾電極(a)和裸玻碳電極(c)上的循環(huán)伏安曲線；曲線b是SP-Gr修飾電極在磷酸緩沖溶液中的伏安曲線

3.8 實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化

3.8.1 pH值的影響

以SP-Gr修飾電極為工作電極，采用微分脈沖伏安法在pH 4.0～9.0范圍內(nèi)考察了緩沖溶液pH值對(duì)5.0 μmol/L多巴胺的電化學(xué)響應(yīng)的影響。如圖8所示，當(dāng)磷酸鹽緩沖溶液的pH值從4.0增加到7.0時(shí)，氧化峰峰電流逐漸增加；當(dāng)pH值由7.0增至9.0時(shí)，氧化峰峰電流迅速減小，故選擇pH 7.0的磷酸鹽緩沖為支持電解質(zhì)。

圖8 電解質(zhì)溶液pH值對(duì)5 μmol/L多巴胺在SP-Gr修飾電極上的氧化峰峰電流的影響

3.8.2 富集時(shí)間和富集電位的影響

如圖9(a)所示, 當(dāng)富集時(shí)間由0 s增加到90 s時(shí), 多巴胺氧化峰峰電流隨著富集時(shí)間的延長(zhǎng)迅速增大。當(dāng)富集時(shí)間超過90 s后，多巴胺氧化峰電流基本趨于平穩(wěn)，表明絲肽功能化石墨烯對(duì)多巴胺的富集已基本趨于飽和，故選擇在90 s條件做為最佳富集時(shí)間。同時(shí)在-0.20～0.40 V之間考察了富集電位對(duì)多巴胺氧化峰峰電流的影響，如圖9(b)所示，在-0.20～0 V范圍內(nèi)，氧化峰峰電流隨富集電位變化不大，當(dāng)富集電位從0 V增加到0.40 V時(shí)，氧化峰峰電流隨富集電位的增加而下降，主要是因富集電位接近其氧化電位所致，因此，選擇在0 V作為最佳富集電位。

(a) 富集時(shí)間

(b) 富集電位

圖9 5.0 μmol/L多巴胺在SP-Gr修飾電極上的氧化峰峰電流的影響

3.9 分析應(yīng)用

在最佳條件下，以SP-Gr修飾電極為工作電極，采用微分脈沖溶出伏安法研究多巴胺氧化峰峰電流(Ipa)與其濃度(c)之間的關(guān)系，如圖10所示。其氧化峰峰電流隨多巴胺濃度增加而增大，在0.2～10 μmol/L呈線性關(guān)系，線性方程為

Ipa=0.317 2c+0.097 3(R=0.999)

檢出限為56 nmol/L(S/N=3)。

采用加入回收實(shí)驗(yàn)法驗(yàn)證SP-Gr修飾電極測(cè)定多巴胺的準(zhǔn)確性。測(cè)定10 μmol/L多巴胺的回收率在96.8%～101.6%，表明其具有較好的準(zhǔn)確性。將該SP-Gr修飾電極用于多巴胺注射液樣品分析，以考察其分析實(shí)際樣品的能力。多巴胺注射液用磷酸緩沖溶液(pH7.0)稀釋，采用標(biāo)準(zhǔn)加入法測(cè)得其多巴胺含量為(9.93±0.05) g/L(n=3,RSD=0.5%)，與注射液標(biāo)示值10 g/L相吻合，表明該傳感器具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖10 SP-Gr修飾電極用于多巴胺測(cè)定的校準(zhǔn)曲線

4 結(jié) 語

該綜合實(shí)驗(yàn)以高分子絲肽實(shí)現(xiàn)氧化石墨烯的功能化，經(jīng)硼氫化鈉還原為石墨烯，制備出絲肽功能化石墨烯，并修飾至玻碳電極表面構(gòu)建電化學(xué)傳感界面?；谑┑拇蟊缺砻娣e、高導(dǎo)電性，絲肽分子的生物親和性，實(shí)現(xiàn)多巴胺在修飾電極表面的高效富集，從而獲得高靈敏電化學(xué)傳感系統(tǒng)，成功用于多巴胺電化學(xué)分析。實(shí)驗(yàn)體系涉及納米復(fù)合材料的合成、表征，電化學(xué)傳感界面的制備、表征，電化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化及選擇，電化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取及處理，電化學(xué)傳感器實(shí)際應(yīng)用等方面，形成了序列性的科研創(chuàng)新模式，有助于培養(yǎng)學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)技能、科研思維、創(chuàng)新意識(shí)及實(shí)際應(yīng)用能力，也有利于激發(fā)學(xué)生的科研興趣，為培養(yǎng)科研后備隊(duì)伍奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。