信宇航，宋 蕊，孫啟元，高 迪，崔 萌*

(1.吉林化工學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 吉林 132011；2.國(guó)家能源集團(tuán) 吉林熱電廠，吉林 吉林 132011)

近來石墨烯因其大表面積、高機(jī)械強(qiáng)度、優(yōu)良的傳導(dǎo)性以及良好的生物兼容性等出色性能獲得了廣泛關(guān)注[1-2]，這使它在傳感器[3]、電化學(xué)設(shè)備[4]、納米復(fù)合物[5]等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景.當(dāng)石墨烯與高分子[6-7]、量子點(diǎn)[8-9]和金屬納米顆粒[10-11]相結(jié)合之后，這些新型的石墨烯復(fù)合物得到了很大程度的發(fā)展.

VB6是一種具有巨大生物醫(yī)學(xué)效益的化合物，在VB家族中具有舉足輕重的地位，蛋白質(zhì)消化及油脂的吸收等人類代謝活動(dòng)中都有VB6的參與.生物體中缺乏VB6會(huì)導(dǎo)致貧血、關(guān)節(jié)炎等疾病.作為一種常見的藥品，VB6可用于治療動(dòng)脈硬化、關(guān)節(jié)炎、智力缺陷以及白細(xì)胞減少癥等疾病，因此，研究VB6的測(cè)定意義重大.目前，測(cè)定VB6有分光光度測(cè)定法、熒光法、高效液相色譜法等方法.電化學(xué)方法作為傳統(tǒng)檢測(cè)方法的替代物，由于其可攜帶、高靈敏度、花費(fèi)甚少及具有良好的適應(yīng)性，已經(jīng)被視為一種有前景的方法來跟蹤及現(xiàn)場(chǎng)分析VB6.

VB6有電化學(xué)活性，這使其能以電化學(xué)方法測(cè)定.可是它在固體電極上有很大的過電位，這會(huì)導(dǎo)致電極反應(yīng)緩慢，所以未修飾的固體電極對(duì)VB6的靈敏度很低.化學(xué)修飾可以有效減低過電位，增加電子反應(yīng)的傳質(zhì)速率，并可以通過電子表面有選擇地高效吸收和濃縮被分析物.目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于以化學(xué)修飾電極為基礎(chǔ)VB6的電化學(xué)行為的報(bào)道還很少.在這種情況下，人們對(duì)這個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生了濃厚的興趣，已經(jīng)發(fā)明了許多以此為目的的修飾電極.包括高聚物、納米粒子、自組裝單層膜以及金屬氧化物在內(nèi)的不同修飾電極已經(jīng)被用來同步測(cè)定VB6.

制造基于納米復(fù)合薄膜的生物傳感器，必須要有合適的基底材料.單一種類的材料有它內(nèi)在的缺點(diǎn)，比如裂縫以及較差的生物兼容性.復(fù)合材料可以有效消除單一無機(jī)材料的脆性以及水凝膠單一高聚物的溶脹效應(yīng).同時(shí)，以纖維素衍生物為基體的復(fù)合材料也得到了深入地探索.其中，SiO2/CMC具有可調(diào)孔隙度、疏水可控性及機(jī)械穩(wěn)定性等特征，因而得到了廣泛地關(guān)注.本工作中，得到了一種綠色、易制、低成本的方法來制造基于GO和SiO2/CMC的復(fù)合薄膜，將其修飾固體玻碳電極用于檢測(cè)VB6.其中SiO2/CMC有良好的粘附性和生物兼容性，GO有較大的表面積、電子轉(zhuǎn)移速率高，并且也具有良好的生物兼容性，而這種方法綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn).上述所提的電化學(xué)傳感器表現(xiàn)出了良好的選擇性、可接受的再現(xiàn)性，并且在實(shí)際樣本中可用于VB6的測(cè)定.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 GO的制備

采用典型方法制備GO.11.5 mL的H2SO4(98 wt%)在冰浴中冷卻，0.5 g石墨粉和0.5 g NaNO3緩慢加入到上述溶液中至溫度達(dá)到0 ℃后充分?jǐn)嚢?將溫度控制在20 ℃以下，把KMnO4(3.75 g)緩慢加入上述混合溶液中，在冰浴中攪拌2～4 h使反應(yīng)完全.攪拌過后，混合溶液變成粘性深綠色溶液，之后將其放在熱式恒溫?cái)嚢杵髦杏?5 ℃下攪拌1 h，溶液的粘度會(huì)隨之降低.所得懸浮液中倒入230 mL去離子水，控制反應(yīng)溫度在98 ℃并保溫15 min.懸浮液變成深棕色后再倒入480 mL去離子水.逐滴加入15 mL H2O2后混合溶液變成金黃色.將液體倒出，沉淀倒入透析袋中.為了得到GO，透析過程將持續(xù)7 d直至分散系的PH達(dá)中性.將GO的最后產(chǎn)物收集并儲(chǔ)存以備后用.

1.2 SiO2粉體的制備

采用典型方法制備SiO2.將異丙醇、氫氧化銨和去離子水以一定比例混合，混合溶液經(jīng)過超聲處理后，過冷凝水.待溫度穩(wěn)定加入THEOS，然后穩(wěn)定反應(yīng)30 min使其完全反應(yīng).將混合溶液離心，用去離子水和無水乙醇交替洗至中性.干燥處理后，收集并儲(chǔ)備所得粉末以備后用.

1.3 SiO2/CMC復(fù)合材料的制備

將1.25 g CMC溶解到100 mL蒸餾水里，所得溶液交替進(jìn)行磁力攪拌和超聲處理以制得CMC溶液.將0.25 g SiO2納米顆粒溶解在50 mL毫升蒸餾水中，用NaOH溶液調(diào)整混合溶液的酸堿值至10左右后，對(duì)其進(jìn)行超聲處理.將10 mL PDDA加至8 mL蒸餾水中，同樣調(diào)整PH至10之后，把混合溶液超聲分散15 min.慢慢地將PDDA加入到SiO2體系中，超聲處理15 min.進(jìn)行離心分離后取出沉淀，倒入30 mL蒸餾水，攪拌，待SiO2分散均勻后，將溶液超聲處理15 min.將25 mL蒸餾水加入到分散均勻的SiO2溶液中，攪拌并草繩分散處理.調(diào)整PH至10，將混合溶液緩慢加入CMC溶液上方.為了得到SiO2/CMC復(fù)合材料，將上述所得溶液進(jìn)行超聲處理，倒出上層清液.構(gòu)造SiO2/CMC復(fù)合材料的典型步驟如圖1所示.

圖1 SiO2與CMC作用機(jī)理

1.4 GO-SiO2-CMC/GCE的制備

1 mg GO和1 mg SiO2/CMC溶解在10 mL蒸餾水中，將混合溶液進(jìn)行30 min聲處理以得到一元懸浮液.在電化學(xué)實(shí)驗(yàn)和修飾步驟開始之前，首先用0.3 μm的α氧化鋁研磨液拋光GCE，超聲處理2～3 min后相繼用乙醇和水清洗.之后將10 μL的混合溶液用顯微注射器滴至GCE表面.然后將電極在空氣中干燥以制得GO-SiO2-CMC修飾的GCE，記為GO-SiO2-CMC/GCE.

1.5 GO-SiO2-CMC/GCE對(duì)VB6的檢測(cè)

將GO-SiO2-CMC/GCE在三電極體系中對(duì)含不同濃度的VB6的PBS緩沖溶液進(jìn)行電化學(xué)檢測(cè)，將得到的CV曲線和DPV曲線進(jìn)行比較，得到VB6濃度與CV和DPV曲線峰值電流的關(guān)系.

2 結(jié)果與討論

2.1 GO及GO-SiO2-CMC的形貌分析

對(duì)GO及GO-SiO2-CMC薄膜進(jìn)行的形貌分析如圖2所示.圖2a和2c表明，GO納米片厚20～30 nm，透明，表面有褶皺可固定更多的SiO2/CMC.圖2b表明，GO納米片均勻的分散在高聚物SiO2/CMC中，GO附著在SiO2/CMC復(fù)合物上.從圖2還能發(fā)現(xiàn)，在GO-SiO2-CMC薄膜上有許多小孔洞，這可能是由GO-SiO2-CMC還原過程中所產(chǎn)生的氣泡引起的.

a GO的SEM形貌

b GO-SiO2-CMC的SEM形貌

c GO的AFM分析圖2 GO及GO-SiO2-CMC的形貌

2.2 鱗片石墨(GN)、GO及GO-SiO2-CMC的XRD分析

圖3是GN、GO和GO-SiO2-CMC的XRD譜圖.GN在2θ=26.5°處出現(xiàn)了一個(gè)衍射峰，根據(jù)布拉格定律對(duì)應(yīng)著0.336 nm的層距.相比于GN，GO的特征峰出現(xiàn)在10.01°(002)，而層距0.892 nm的GO仍舊表現(xiàn)出AB堆疊方式.這個(gè)數(shù)值要高于GN的d-spacing，這是因?yàn)樘计幸肓撕豕倌軋F(tuán).SiO2/CMC中的GO化合物被電化學(xué)還原之后，GO-SiO2-CMC中9.9°的衍射峰消失了，標(biāo)志著GO的還原.

2θ/deg圖3 XRD譜圖

2.3 GN、GO、GO-SiO2-CMC的FT-IR分析

圖4 FT-IR光譜

2.4 SiO2/CMC和GO-SiO2-CMC的EPR分析

SiO2/CMC和GO-SiO2-CMC的EPR光譜如圖5所示.由圖可知，1700G的特征峰對(duì)應(yīng)于樣本中的Fe3+，而在3 500 G的強(qiáng)峰則來自于水溶劑.室溫下SiO2/CMC沒有表現(xiàn)出EPR特征共振，這表明SiO2/CMC不能發(fā)射出樣本中的EPR信號(hào).可是，在與GO化合后，可以在3 500 G觀察到各向同性g值2.002的S=2/5順磁性自旋.第六多重譜線歸屬于Mn2+，這些Mn2+在合成過程中進(jìn)入了GO中.用簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)軟件模擬GO的實(shí)驗(yàn)EPR光譜，它有高效的自旋哈密頓，以及塞滿和超精細(xì)反應(yīng)形式.結(jié)果與FR-IR相似.

圖5 EPR光譜

2.5 GCE與GO-SiO2-CMC/GCE的阻抗分析

EIS可監(jiān)控電極的修飾過程，用EIS來描述經(jīng)過不同表面修飾的電極的電子轉(zhuǎn)換性質(zhì).阻抗譜包括半圓和線性兩部分.高頻區(qū)的半圓直徑對(duì)應(yīng)于電子轉(zhuǎn)移電阻RET，低頻區(qū)的線性部分則對(duì)應(yīng)于裸玻碳電極GCE和GO-SiO2-CMC修飾電極.從圖6可得，裸玻碳電極的EIS在高頻區(qū)表現(xiàn)出了小而清晰的半圓，這表明界面阻抗很小.可是，當(dāng)GO-SiO2-CMC固定到GCE上時(shí)觀察到了一個(gè)更小的RET(電子轉(zhuǎn)移阻抗).這個(gè)結(jié)果表明，GO-SiO2-CMC是非常優(yōu)良的電傳導(dǎo)材料，可以加速電子轉(zhuǎn)移并且降低RET.

圖6 電極表面阻抗圖

2.6 GO-SiO2-CMC/GCE對(duì)VB6的電化學(xué)檢測(cè)

為了利用GO-SiO2-CMC/GCE對(duì)VB6進(jìn)行精確檢測(cè)，在-0.1～0.5 V范圍內(nèi)，在三電極體系中，對(duì)含不同濃度VB6的PBS緩沖溶液進(jìn)行電化學(xué)DPV檢測(cè)，結(jié)果如圖7所示，在DPV譜圖中VB6的電化學(xué)響應(yīng)電流隨著VB6濃度的升高而線性增加.VB6測(cè)定值在0.5-200 μm內(nèi)線性變化.線性公式為I=-0.49011-0.18575C，檢出限低至10-7M(S/N=3).

E/V圖7 體系中VB6含量由0.5增加到200 μM時(shí)體系中的DPV譜圖

3 結(jié) 論

發(fā)現(xiàn)了一種綠色、簡(jiǎn)易、低成本的方法來制造一種新的化合物，這種化合物可以通過將GO摻雜進(jìn)SiO2/CMC復(fù)合物來獲得.這樣合成的復(fù)合薄膜可以用來構(gòu)建測(cè)定VB6的生物傳感器的薄膜模型.修飾電極表現(xiàn)出了更高的穩(wěn)定性、更寬的線性變化、更低的檢測(cè)限以及更好的再現(xiàn)性和穩(wěn)定性.所提出的方法和電化學(xué)還原也許會(huì)對(duì)其他生物傳感器有所助益.