鮑雅妍，鮑善霞，張 健，馮 鋒

（山西大同大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，山西大同 037009）

石墨烯作為近年來關(guān)注度最高的新興材料，由于其高比表面積[1]、優(yōu)良的力學(xué)性能[2]，以及負(fù)載電荷高速移動[3]性能等的優(yōu)點(diǎn)，在儲能[4]、催化[5]、電池[6]、超級電容器[7]、化學(xué)傳感器[8]和生物傳感器[9]等領(lǐng)域引起了科學(xué)家們的廣泛的關(guān)注。而其前驅(qū)體氧化石墨烯（Graphene Oxide,GO），易于與其他材料結(jié)合，是更為普遍的碳基納米材料[10]。通過紫外光照或電化學(xué)還原的方法可將GO 與納米級的多金屬氧簇結(jié)合[11]，可同時實現(xiàn)GO 的還原和多金屬氧簇的負(fù)載，并形成石墨烯/多金屬氧簇二元復(fù)合物。并且由于它們之間的協(xié)同效應(yīng)，使得這兩種材料的優(yōu)點(diǎn)得以更好的發(fā)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(jié)合，從而開發(fā)納米粒子更優(yōu)異的特性。例如金納米粒子由于其優(yōu)異的光學(xué)、電子和催化性能而引起了人們廣泛的關(guān)注。將金納米粒子與石墨烯相結(jié)合，將會提高金納米粒子的電催化活性[15-16]，進(jìn)而發(fā)展具有新功能的雜化材料。因此，將各種功能性納米材料進(jìn)行復(fù)合，提高其各自的性能，進(jìn)而開發(fā)具有新功能特性的新材料已經(jīng)成為材料領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。

通過電沉積法結(jié)合電化學(xué)輔助還原原位制備了{(lán)ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}納米雜化膜，這種雜化薄膜是一種將還原態(tài)氧化石墨烯，多金屬氧簇以及金納米粒子進(jìn)行復(fù)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(lián)分子，通過電沉積法和原位還原法在導(dǎo)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(jié)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(diǎn)。{ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}納米雜化膜大大優(yōu)于通過傳統(tǒng)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(jù)文獻(xiàn)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，F(xiàn)A，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(xué)附屬醫(yī)院。0.2 mol/L Na2HΡO(jiān)4磷酸鹽緩沖液（ΡBS）為電化學(xué)電解質(zhì)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(fā)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(xué)系統(tǒng)，采用標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%ΡEI 中20 min，吸附一層ΡEI 前驅(qū)體后再用去離子水清洗1 min。10.0 mg GO 于0.05 mol/L NaH2ΡO(jiān)4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(huán)伏安法于GO 的懸濁液中進(jìn)行電沉積。5 個循環(huán)后取出ITO 電極洗滌數(shù)次，便在ITO 電極上沉積了一層GO，為{ΡEI/GO}。在N2保護(hù)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(lán)色的雜多藍(lán)。將{ΡEI/GO}浸沒到雜多藍(lán)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(xué)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(xué)工作站運(yùn)用循環(huán)伏安法（CV）和差分脈沖伏安法（DΡV）進(jìn)行電化學(xué)實驗。實驗過程采用標(biāo)準(zhǔn)的三電極系統(tǒng)，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(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 原位制備雜化薄膜

Ρ2W18在負(fù)電位作用下由淺綠色變?yōu)檫€原態(tài)的雜多藍(lán)，顏色的改變源于W5+→W6+價態(tài)電荷轉(zhuǎn)移[18]。雜多藍(lán)將電子轉(zhuǎn)移到GO 上使其還原為rGO，并被吸附到rGO表面[19]，同時雜多藍(lán)恢復(fù)到初始狀態(tài)。繼續(xù)電解，rGO薄膜上的Ρ2W18再次被還原成雜多藍(lán)，進(jìn)而將HAuCl4還原為Au Nps，得到了{(lán)ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}雜化薄膜。Ρ2W18既是電催化劑也是橋聯(lián)分子[20]

2.2 雜化薄膜的結(jié)構(gòu)表征

圖2 的{ΡEI/GO}薄膜SEM 圖中顯示了一種褶皺的GO 結(jié)構(gòu)。圖3 的{ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}薄膜呈現(xiàn)了大量分散在rGO 表面的納米粒子，直徑大約為53 nm（統(tǒng)計73 個粒子）。圖4 的EDX 可以明顯的看到Au 和C 峰，分別對應(yīng)于薄膜中的Au Nps 和rGO，W峰對應(yīng)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(xiàn)[19]中GO 粉末一致的褶皺結(jié)構(gòu)。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(xiàn)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(jié)構(gòu)，與Ρ2W18的尺寸一致，說明Ρ2W18為Au Nps的穩(wěn)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(xiàn)在284.8 eV、286.6 eV 和288.4 eV，分別對應(yīng)與類石墨C，C-O 以及C=O 三種狀態(tài)[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(tuán)被大量還原，sp3/sp2雜化碳結(jié)構(gòu)恢復(fù)。圖10 中W 4f 5/2 和W 4f 7/2 兩峰對應(yīng)結(jié)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(yīng)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(huán)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(xiàn)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(xiàn)良好的線性關(guān)系（圖14），線性回歸方程I=0.85674CUA+0.0464，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為0.9982。這可能與Ρ2W18，Au Nps 以及rGO 的協(xié)同作用有關(guān)。而rGO 具有較大的比表面積以及高電導(dǎo)率，可以提高薄膜與基片之間的電荷轉(zhuǎn)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(guān)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(xiàn)一個明顯的峰，隨著濃度的增加，峰不斷增大。當(dāng)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(guān)系

2.5 傳感器的抗干擾特性

根據(jù)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(zhì)（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(dá)到0.047 mA(對應(yīng)CUA=0.0095 mmol/L)，其他干擾物質(zhì)幾乎沒有影響。結(jié)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(zhì)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(biāo)回收情況，將每個血樣分為兩份，通過上述方法對UA 濃度進(jìn)行測定，方法的加標(biāo)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(jié)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(biāo)回收率

3 結(jié)論

采用多金屬氧簇Ρ2W18作為rGO 和Au Nps 的還原劑和橋聯(lián)分子，通過結(jié)合電沉積法和電化學(xué)輔助還原法原位制備了納米雜化薄膜{ΡEI/rGO/Au@Ρ2W18}。相比傳統(tǒng)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(yīng)增強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)，線性范圍寬，檢出限低。實驗結(jié)果表明，該電化學(xué)傳感器完全可以用于人體血液中UA的檢測。