Au/rGO修饰的单壁碳纳米管柔性电极的制备及其在生物传感器中的应用*

文可彬，朱天翔，赵新洛，盛雷梅，安 康

(1. 上海大学 理学院物理系，上海 200444；

2. 常州工学院 理学院，江苏 常州 213032)

柔性传感器凭借便携且功能集成度高等优点已经成为一个令人瞩目的研究领域[1-2]，而碳纳米管凭借其出色的物理化学性能在柔性传感器领域中得以广泛发展。例如Chen[3]等在950℃下将碳纳米管附着在碳化丝绸上来制备柔性葡萄糖传感器。在各类生物传感器中，葡萄糖和H2O2传感器在食品、医药和生物等领域均有广泛的应用。有文献表明，至2030年，全球糖尿病患者将会达到5.52亿[4]。在治疗及预防糖尿病的过程中，葡萄糖浓度检测是必不可少的。另一方面，为了维持正常的细胞生理活动，人体内的H2O2浓度应保持在0.5 mmol/l以内[5]。过量的H2O2会损害人体细胞继而引发癌症、心血管和神经退行性疾病等各种疾病[6-7]。因此精确的检测H2O2浓度同样是有必要的。现在检测葡萄糖和H2O2浓度的方法主要有比色法、荧光法、色谱法和电化学法等[8-10]，其中电化学法以便捷、操作简单、价格低廉等优势成为重要检测手段。无酶传感器凭借不过度依赖环境温度和酸碱度成为研究者新的关注点。无酶传感器的活性材料一般有过渡金属(Ni、Cu)、贵金属(Au、Ag、Pt、Pd)和金属氧化物等[11]，其中金纳米颗粒(gold nanoparticles，AuNPs)是最稳定的金属纳米颗粒之一[12]。由于金纳米颗粒有较好的选择性、导电性[13]，和非常低的电荷转移电阻[14]被广泛应用在电化学领域[15-17]。氧化石墨烯(graphene oxide，GO)可溶于普通溶剂，且表面丰富的官能团使得它容易被金属颗粒修饰[18]，因此氧化石墨烯在传感器领域已成为与AuNPs结合的热门材料。

通过电弧放电法制备的高结晶性单壁碳纳米管(single-walled carbon nanotubes, SWCNT)本身具有柔性，即使不与其他柔性材料复合也可以形成互相纠缠的自支撑结构的巴基纸(buckypaper, BP)。值得注意的是，运用原位负载法仅有少数种类的纳米颗粒能对单壁碳纳米管巴基纸进行改性形成复合柔性单壁碳纳米管巴基纸，但rGO与巴基纸有相似的sp2结构，将rGO作为媒介可以使更多种类的材料与巴基纸紧密结合而无需粘接剂，这将大大拓宽巴基纸的应用范围。

本文一步还原了金纳米颗粒与还原氧化石墨烯复合材料，利用电弧法制备了SWCNT并抽滤成巴基纸，并首次将AuNPs/rGO修饰到巴基纸上形成AuNPs/rGO-BP(gold nanoparticles/ reduced graphene oxide- buckypaper)柔性电极。对还原的金纳米颗粒与石墨烯复合材料和SWCNT形貌结构进行了表征，通过电化学工作站对AuNPs/rGO-BP柔性电极进行葡萄糖和H2O2的电化学性能检测。电化学测试表明制备的AuNPs/rGO-BP电极对葡萄糖和H2O2有较高的灵敏度。本工作利用一种简易高效的制备方法，制得了对葡萄糖和H2O2的氧化还原反应均有良好催化活性的电极，拓展了SWCNT巴基纸电极能检测的物质种类，将进一步推动其在柔性生物传感器中的应用。

1.1 AuNPs/rGO-BP柔性电极的制备

1.1.1 实验试剂

无水葡萄糖、氢氧化钠(NaOH)、二水柠檬酸三钠、H2O2、磷酸盐缓冲液(phosphate buffered saline, PBS)均购于国药集团化学试剂有限公司；
氯金酸购自阿法埃莎(中国)化学有限公司；
GO水溶液(2 mg/mL，片径>500 nm)由南京先丰纳米材料科技有限公司提供。以上试剂均为分析纯级，实验用水为去离子水。

1.1.2 实验步骤

AuNPs/rGO-BP电极制备的流程如图1所示。取75 mL的10 mmol/L的氯金酸溶液与稀释至25 mL的2.548 mL GO溶液充分混合。采用Frens法[19]将氯金酸和GO混合液油浴加热至沸腾后立即加入7.5 mL、38.8 mmol/L的二水柠檬酸三钠，自然冷却至室温即得到AuNPs/rGO水溶液。此方法可通过一步还原制得AuNPs/rGO水溶液，无需分为两步还原。

SWCNT由掺杂Fe(1%)(原子分数)作为催化剂的碳棒在H2/He混合气氛下使用电弧法[20-21]制备并提纯。SWCNT与酒精混合后用液相剪切机(IKA T25)剪碎，再由真空抽滤装置在孔径2 μm的聚四氟乙烯滤膜上抽滤成巴基纸，之后将AuNPs/rGO水溶液继续抽滤到巴基纸上。真空干燥12 h并使用去离子水冲洗五遍后即得AuNPs/rGO-BP柔性电极。图1光学照片为AuNPs/rGO-BP柔性电极，该电极是由SWCNT导电载体层和AuNPs/rGO催化剂层所组成的双层结构并可经过反复折叠。该实验方法可适用于制备不同金属(或者金属氧化物)催化剂修饰的巴基纸以用于电化学检测。

图1 制备AuNPs/rGO-BP的流程图(光学照片：可反复折叠的AuNPs/rGO-BP柔性电极)Fig.1 Flow chart of preparation of AuNPs/rGO-BP. Optical photo: repeatedly folded AuNPs/rGO-BP electrode

1.2 样品的及表征

本实验利用场发射扫描电子显微镜(SEM，Hitachi SU5000)，拉曼光谱仪(Renishaw InVia Plus，激发波长：633 nm)，X射线衍射仪(X-ray diffraction，XRD，Rigaku D/MAX-2200，Cu Kα射线)，双光束紫外分光光度计(Shimadzu，UV-3600)对柔性电极材料进行形貌与结构表征。

本实验的电化学检测由CHI-660C型电化学工作站(上海辰华公司)完成，实验采用三电极系统：AuNPs/rGO-BP为工作电极，铂片电极为对电极。在葡萄糖电化学测试中，汞/氯化银电极(饱和氯化钾)为参比电极，电解质为NaOH。在H2O2电化学测试中，银/氧化汞电极(1 mmol/L氢氧化钾)为参比电极，电解质为PBS缓冲液(中性)。所有测试均在室温条件下进行。

2.1 表 征

图2(a)为制备的SWCNT的形貌图，图中可以看到SWCNT表面的无定形碳和金属催化剂在提纯过程中被去除，高纯度的SWCNT可以提高自支撑结构的机械和电学性能，图中的纤维束是由多根SWCNT组成的。图2(b)和(c)显示了AuNPs/rGO-BP中AuNPs/rGO复合材料部分，从图2(a)中可得AuNPs的粒径大小为80～100 nm左右。从图2(c)可以看到AuNPs已密集地修饰在rGO上。

图2 (a) SWCNT、(b) AuNPs、(c) AuNPs/rGO的SEM图像Fig.2 SEM images of (a) SWCNT, (b) AuNPs and (c) AuNPs/rGO

图3(a)是GO、AuNPs/rGO溶液的紫外可见吸收光谱图。GO图谱中230和290 nm处出现两个吸收峰，分别对应的是C=C键的π→π*跃迁和C=O键的n→π*跃迁[22]。随着GO的还原，在AuNPs/rGO图谱中可以看到随π→π*跃迁的C=C峰红移到245 nm处[23]，而n→π*跃迁的C=O峰却几乎消失。在520.2 nm处形成了金纳米颗粒表面等离子共振信号[24]，这表明GO还原成rGO且形成了AuNPs。

通过GO和AuNPs/rGO的XRD谱(图3b)，可以分析其材料组成和晶体结构。GO图谱中2θ为11.84°的峰对应于GO，处于21.0°的衍射峰可以归为石墨(002)晶面[25]。对比GO图谱可以看到AuNPs/rGO图谱中11.84°处的峰几乎消失，这说明GO在还原过程中含氧官能团的消失。同时，21.0°的衍射峰移动到26.35°处且峰形变低变宽，这说明样品层间距变大从而更接近石墨的层间距。AuNPs/rGO衍射谱中的38.7°、44.8°、65°和78.1°衍射角分别与金面心立方结构中的(111)、(200)、(220)、 (311)晶面对应 (JCPDS-04-0784)。XRD结果进一步表明金离子和GO被还原，且金纳米颗粒负载在rGO上。

图3 (a) GO和AuNPs/rGO溶液的紫外-可见吸收光谱；
(b) AuNPs/rGO和GO的XRD光谱；
(c) SWCNT的拉曼光谱；
(d) GO和AuNPs/rGO的拉曼光谱Fig.3 (a) UV-Vis absorption spectra of GO and AuNPs/rGO; (b) XRD patterns of AuNPs/rGO and GO; (c) Raman spectra of SWCNT; (d) Raman spectra of GO and AuNPs/rGO

根据样品的拉曼光谱结果，我们研究了在制备AuNPs/rGO复合材料过程中GO的结构变化及SWCNT的特征。图3(c)为SWCNT的拉曼光谱图，1 589 cm-1处的G+峰是由于sp2碳结构的面内振动所引起的，1 573 cm-1处的G-峰是由于sp2弯曲成管状从而被劈裂出来。位于1342 cm-1处的D峰与SWCNT的缺陷有关[26-27]。G峰与D峰的比值(IG/ID)为15.74，这说明SWCNT有较好的结晶性，可为电极提供良好的导电性和柔性。位于124、140和186 cm-1处的峰为SWCNT的RBM峰，根据公式[28]ωRBM= (234/dt+10) cm-1(ωRBM：RBM峰的峰位，dt：SWCNT的直径)可以算出SWCNT的直径大致为2.1、1.8和1.3 nm。图3(d)中1 597和1 344 cm-1处的峰分别为GO的G峰和D峰，其IG/ID为0.988；
1 577和1 340 cm-1处分峰分别对应AuNPs/rGO的G峰和D峰，其IG/ID为1.04。对比GO，rGO的IG/ID比值有一定的上升且G峰从1 597 cm-1移动到了1 577 cm-1处，说明sp2结构中的缺陷有一定程度的修复，即GO得到了一定程度的还原[29-30]。

2.2 AuNPs/rGO-BP柔性电极葡萄糖电催化性能研究

为了研究AuNPs/rGO-BP柔性材料作为葡萄糖传感器的性能，对AuNPs/rGO-BP电极进行电化学检测，电解质浓度为0.1 mol/L NaOH溶液，扫描速度20 mV/s，扫描范围是-1～1 V。图5(a)为有/无葡萄糖下无修饰的巴基纸电极和AuNPs/rGO-BP电极的测试数据，当电解液中存在20 mmol/L葡萄糖时，无修饰的巴基纸电极的回扫部分仅出现了还原峰，说明巴基纸对葡萄糖催化氧化表现不明显，不能直接用于葡萄糖检测。但巴基纸负载AuNPs/rGO活性物质时，在-0.25、0.53 V处和回扫部分0.23 V处有3个明显的氧化峰，这说明AuNPs/rGO对葡萄糖有良好的催化活性。综合以上结果并根据文献分析[31-33]，AuNPs对葡萄糖氧化的电催化机理可由图4中方程式(1)～(3)表示。

图5(b)是浓度不同的NaOH溶液作为电解质溶液的循环伏安图，随着浓度的增加，葡萄糖氧化峰在0.1 mol/L处达到最大，因此将浓度为0.1 mol/L的NaOH作为电解质溶液。为探究AuNPs/rGO-BP电极电催化动力学控制过程，测试了AuNPs/rGO-BP电极在不同扫速下的CV曲线。图5(c)显示随着扫速的增加，峰值电流不断增加。由拟合图图5(d)可知氧化峰值电流与扫描速率的呈线性正相关，线性相关系数R2=0.988，这说明葡萄糖在AuNPs/rGO-BP电极表面是吸附控制过程。

图4 AuNPs电催化氧化葡萄糖机理Fig.4 Mechanism of AuNPs for electrocatalytic oxidation of glucose

图5 (a)巴基纸与AuNPs/rGO-BP在0.1 mol/L NaOH中的CV曲线(扫描速率：20 mV/s)；
(b)不同NaOH浓度下AuNPs/rGO-BP电极的CV曲线(扫描速率：20 mV/s)；
(c)不同扫速下AuNPs/rGO-BP电极的CV曲线(电解液含0.1 mol/L NaOH和20 mmol/L葡萄糖)；
(d)电流密度vs.扫描速率的线性拟合结果Fig.5 (a) CV Curves of buckypaper and AuNPs/rGO-BP in 0.1 mol/L NaOH (scanning rate: 20 mV/s); (b) CV Curves of AuNPs/rGO-BP electrode at different NaOH concentrations (scanning rate: 20 mV/s); (c) CV curves of AuNPs/rGO-BP electrode at different scanning speeds (electrolyte containing 0.1 mol/L NaOH and 20 mmol/L glucose); (d) the corresponding plot of current density vs. scanning rate

在0.15 V电位、0.1 mol/L NaOH电解质浓度和相同时间间隔下，连续添加不同浓度葡萄糖时AuNPs/rGO-BP电极的电流响应曲线由图6(a)表示，响应电流密度随着葡萄糖的浓度的增加而增加。图6(b)的拟合图插图表示当葡萄糖浓度范围在0.25～1.5 mmol/L时，传感器灵敏度为865 μA·(mmol/L)-1cm-2(R2=0.994)；
当葡萄糖浓度范围在1.5～8 mmol/L时，传感器灵敏度为455 μA·(mmol/L)-1cm-2(R2=0.993)，这时可以到达人体的一个正常检测范围。在信噪比为3时，检测限为8.5 μmol/L。测试结果表明AuNPs/rGO-BP电极与表1所列举的金基葡萄糖传感器相比，在灵敏度及检测范围方面都有较强的竞争力。

图6 (a)葡萄糖在AuNPs/rGO-BP电极下的动态电流时间响应；
(b)响应电流密度与葡萄糖浓度关系(插图：葡萄糖浓度为0.25～1.5 mmol/L)Fig.6 Dynamic current time response of glucose at AuNPs/rGO-BP electrode, and the corresponding plot of current density vs. glucose concentration (inset: glucose concentration of 0.25-1.5 mmol/L)

表1 AuNPs/rGO-BP与其它金基葡萄糖传感器催化性能比较Table 1 Comparison of catalytic performance of AuNPs/rGO-BP with other Au-based electrochemical glucose sensors

2.3 AuNPs/rGO-BP柔性电极H2O2电催化性能研究

AuNPs/rGO-BP电极作为优异的生物传感器电极，对葡萄糖有良好的氧化活性，同时对过氧化氢的催化还原也表现出了出众的性能。图7 (a)为在扫描范围是-0.9～0.9 V ，扫描速度20 mV/s，0.1 mol/L PBS缓冲溶液中，无AuNPs/rGO催化层的巴基纸柔性电极与AuNPs/rGO-BP电极在有无 20 mmol/L H2O2下的循环伏安图。可以看出，在没有H2O2溶液时，无负载的巴基纸柔性电极与AuNPs/rGO-BP柔性电极均表现出较弱的还原峰。当添加20 mmol/L H2O2溶液后，巴基纸柔性电极与AuNPs/rGO-BP柔性电极在-0.35 V左右均有还原峰，表明两电极对H2O2具有催化活性。相比无负载的巴基纸柔性电极，AuNPs/rGO-BP电极有更明显的还原电流，说明AuNPs/rGO对H2O2具有更优异的电化学性能。对比说明催化层的添加能提供更多的活性位点使电极催化活性大大增强。基于以上讨论和综合文献分析[39-40]，该电极对H2O2的还原机制可表示为式(4)～(6)。

H2O2+e-→OHad+OH-

(4)

OHad+e-→ OH-

(5)

2OH-+2H+→ H2O2

(6)

图7(b)是AuNPs/rGO-BP柔性电极在0.1 mol/L PBS溶液中，扫描速度20 mV/s，扫描范围-0.9～0.9 V的条件下，对不同H2O2浓度检测的CV图。图中可见，H2O2浓度从4 mmol/L增加至15 mmol/L的同时，还原峰的峰值也在不断增加。为了探究AuNPs/rGO-BP电极对H2O2还原的电子转移动力学，分析了AuNPs/rGO-BP电极在不同扫速下的CV曲线。图7(c)为在0.1 mol/L PBS溶液中，扫描范围是-0.9～0.9 V的条件下，扫速分别为20、40、60、80、100、120、140、160 mV/s的CV图。随着扫速的增加，还原峰峰值电流增大。根据电流密度强度与扫速的拟合图7(d)结果，可得电流密度强度随着扫速线性增大，其线性相关度R2为0.986，这表明AuNPs/rGO-BP电极对H2O2的还原是吸附过程。

图7 (a)巴基纸与AuNPs/rGO-BP在0.1 mol/L PBS中的CV曲线(扫描速率：20 mV/s)；
(b)不同H2O2浓度下AuNPs/rGO-BP电极的CV曲线(扫描速率：20 mV/s)；
(c)不同扫速下AuNPs/rGO-BP电极的CV曲线(电解液含0.1 mol/L PBS和20 mmol/L H2O2)；
(d)还原峰电流密度值vs.扫描速率的线性拟合结果Fig.7 (a) CV curves of buckypaper and AuNPs/rGO-BP in 0.1 mol/L PBS (scanning rate: 20 mV/s); (b) CV curves of AuNPs/rGO-BP electrode at different H2O2 concentrations (scanning rate: 20 mV/s); (c) CV curves of AuNPs/rGO-BP electrode at different scanning speeds (electrolyte containing 0.1 mol/L PBS and 20 mmol/L H2O2); (d) the corresponding plot of current density vs. scanning rate

图8(a)是AuNPs/rGO-BP电极在-0.3 V起始电压下的电流响应曲线图，当在0.1 mol/L PBS缓冲溶液中连续滴加H2O2溶液并不断搅拌时，电流急剧变化并在5 s内达到稳定电流，说明AuNPs/rGO-BP电极对H2O2能进行快速响应。图8(b)探讨的是电流响应密度与0.05～7.4 mmol/L范围内浓度的拟合图，从拟合数据可知该电极的灵敏度可以高达到1 533 μA·mM-1cm-2，检出限低至1.321 μM，且电流密度大小与H2O2浓度有着良好的线性关系(R2=0.993)，这些参数甚至优于传统含酶传感器的性能参数。表2对比了本工作与其余无酶金基/复合材料的性能参数，可以看到AuNPs/rGO-BP电极检出限性能比Pt-Au/rGSs/GCE电极高，但电极灵敏度要高出Pt-Au/rGSs/GCE电极200倍。也就是说，本传感器在保持相对低检出限的前提下，仍然有着相当高的灵敏度和相对较宽的线性范围，有着强有力的竞争力。

图8 (a)H2O2在AuNPs/rGO-BP电极下的动态电流时间响应；
(b)响应电流密度与H2O2浓度关系Fig.8 Dynamic current time response of H2O2 at AuNPs/rGO-BP electrode and the corresponding plot of current density vs. H2O2 concentration

表2 AuNPs/rGO-BP与其他金基H2O2传感器催化性能比较Table 2 Comparison of catalytic performance of AuNPs/rGO-BP with other Au-based electrochemical H2O2 sensors

(1)本工作通过水热还原法制备了AuNPs/rGO复合材料，并将其作为催化层抽滤至电弧法制备的SWCNT巴基纸上形成AuNPs/rGO-BP柔性电极，该电极的制备方法成本低且可规模化使用。

(2)通过SEM、UV-Vis、XRD、拉曼表征手段对催化层与柔性衬底进行形貌与结构的表征，结果表明AuNPs与rGO均被还原且形成复合材料，构成巴基纸的SWCNT具有高结晶性。

(3)电化学实验数据显示AuNPs/rGO-BP柔性电极对葡萄糖的氧化和H2O2的还原同时表现出优异的催化性能。基于此电极的无酶生物传感器有着灵敏度高、检出限低及检测范围宽等优点，其中对H2O2的灵敏度高达1 533 μA·(mmol/L)-1cm-2。

(4)此项研究首次将AuNPs/rGO修饰到SWCNT柔性巴基纸上，制备了可用于葡萄糖和H2O2电化学传感器的电极，进一步开拓了SWCNT巴基纸在柔性生物传感器领域的应用前景。

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