羅瑞香，許桂彰，曾瑋斌

（珠?？萍紝W(xué)院化工與新能源材料學(xué)院，廣東珠海519041）

1 前言

碳基材料，特別是碳納米管（CNT）和石墨烯在過去二十年中的發(fā)現(xiàn)已成為材料研究的熱點。碳納米管作為納米尺度的積木已經(jīng)被應(yīng)用于傳感器、電子設(shè)備等領(lǐng)域。目前，石墨烯作為一種“超級明星”材料，由于其獨特的結(jié)構(gòu)和電子特性也引起了人們的極大關(guān)注。石墨烯在納米電子學(xué)、生物傳感器和儲能領(lǐng)域的研究得到了極大的發(fā)展。由于這些領(lǐng)域研究的需要，人們開發(fā)了不同的方法來合成具有不同微觀結(jié)構(gòu)的石墨烯。例如，化學(xué)氣相沉積（CVD）常用于制備石墨烯。在這種方法中，金屬催化劑通常被包裹在產(chǎn)物中，這使得解釋其固有電催化性質(zhì)變得困難，就像碳納米管的情況一樣。

用氮原子或硼原子等雜原子進行化學(xué)摻雜是調(diào)節(jié)碳材料電子性質(zhì)和表面化學(xué)的有效策略。例如，由于原子尺寸和五價電子結(jié)構(gòu)的相似性，氮原子可以通過形成C-N鍵很容易地摻雜到碳結(jié)構(gòu)中。迄今為止，在含氮物種（即NH3和吡啶）存在下，通過CVD和含有氮原子的大環(huán)金屬配合物的熱解，成功制備了摻氮碳納米管（N-CNT）。合成的N-CNT在生物傳感應(yīng)用中表現(xiàn)出更高的靈敏度和對氧還原反應(yīng)（ORR）的優(yōu)異電催化活性。由于碳納米管和石墨烯的結(jié)構(gòu)相似，碳納米管的摻雜方法直接擴展到制備氮摻雜石墨烯（NG）。相關(guān)學(xué)者曾報道了在氨氣中通過電熱反應(yīng)可以獲得具有n型半導(dǎo)體性質(zhì)的天然氣。也有研究顯示，在堿性燃料電池中，NG比鉑具有更好的ORR電催化活性、長時間穩(wěn)定性和對交叉效應(yīng)的耐受性。最近也有報道稱，NG可以促進過氧化氫（H2O2）的電化學(xué)還原和葡萄糖氧化酶的直接電子轉(zhuǎn)移動力學(xué)。因此，可以通過測定O2存在下酶促反應(yīng)產(chǎn)生的H2O2來檢測葡萄糖。我們最近報道了一種通過對氧化石墨和三聚氰胺的混合物進行熱退火來合成NG的簡便方法，并且NG在堿性溶液中對ORR也表現(xiàn)出高度催化活性。

抗壞血酸是人體不能合成只能從外界吸收的物質(zhì)，但卻與許多疾病有關(guān)，所以檢測抗壞血酸的存在和含量是十分重要的。對于抗壞血酸的檢測，大多采用化學(xué)光學(xué)法、電化學(xué)法、色譜法、和毛細管電泳法等方法?？箟难幔ˋA）、尿酸（UA）和多巴胺（DA）在生物體的生理功能中起著重要作用。其水平的不足或失調(diào)可能導(dǎo)致許多疾病的癥狀，如癌癥、帕金森病和心血管疾病。因此，AA、DA和UA的測定對神經(jīng)生理學(xué)的發(fā)展、診斷和藥物控制具有重要意義。然而，在實際系統(tǒng)中，AA、DA和UA通常共存于中樞神經(jīng)系統(tǒng)和血清的細胞外液中。在傳統(tǒng)電極上單獨和/或同時測定它們是非常困難的，因為它們通常污染檢測電極，并且它們的氧化電位嚴重重疊。為了解決這些問題，人們提出了各種方法來單獨確定這些生物分子。最近的報道表明，石墨烯電極可用于在AA存在下選擇性測定DA。電化學(xué)法因其具有選擇性高、靈敏度好、操作簡單和成本較低等特點，近年來基于金屬材料和石墨烯修飾電化學(xué)傳感器檢測抗壞血酸受到人們的廣泛關(guān)注。

2 用金屬材料和納米材料電化學(xué)法對抗壞血酸的檢測

2.1 金屬材料電化學(xué)法對抗壞血酸的檢測

唐倩等[1]以PdCl2和Zn(Ac)2為起始物，采用靜電紡絲方法結(jié)合高溫煅燒，制備了鈀-氧化鋅(Pd-ZnO)中空納米管。通過改變前驅(qū)液中Pd含量調(diào)節(jié)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，從而得到均勻、穩(wěn)定的Pd-ZnO中空納米管復(fù)合物，再通過簡單的滴涂法制備了Pd-ZnO復(fù)合物修飾玻碳電極(Pd-ZnO/GCE)再利用電極的線性范圍寬、檢出限低，可以實現(xiàn)對AA的檢測。不同于其它納米修飾電極，Pd-ZnO/GCE修飾材料具有簡單、成本低廉，且電極的靈敏度高、選擇性好的優(yōu)點從而降低了檢測AA的，成本以及提高了檢測的準確性和效率。

鄭瑞娟等[2]以醋酸鋅和聚乙二醇－400為原料，合成了ZnO納米片。將ZnO滴涂在自制鉛筆芯電極（PEG）表面上，制成ZnO修飾鉛筆芯電極（ZnO／PEG）該電極具有取材方便、耐用性強、價廉易得、可批量生產(chǎn)、表面易于更新和修飾等優(yōu)點，基于ZnO體系化學(xué)發(fā)光的湮滅作用，他們建立了一種新的檢測抗壞血酸的方法，并實現(xiàn)了對抗壞血酸濃度的檢測研究，成功應(yīng)用于市售維生素C片的檢測。

2.2 納米材料電化學(xué)法對抗壞血酸的檢測

石墨烯作為一種新型納米材料，具有大的比表面積、高的電子轉(zhuǎn)移速率和優(yōu)異的導(dǎo)電性，在化學(xué)修飾電極及電化學(xué)傳感器領(lǐng)域備受關(guān)注。實驗表明直接在電極上對抗壞血酸進行檢測會導(dǎo)致氧化峰過寬，峰電流較小，無法進行靈敏檢測.因此，需要借助納米材料對電極進行修飾，以提高其導(dǎo)電性和催化性能。

2011年，李峰等[3]首次將碳糊電極摻雜了石墨烯，制備出一種改良的修飾電極，與傳統(tǒng)的碳糊電極相比，由于石墨烯導(dǎo)電性高，在鐵氰化鉀溶液中，graphene/CPE具有較大的氧化還原峰電流和可逆的電化學(xué)行為。對所修飾的的電極進行電化學(xué)表征，結(jié)果顯示，graphene/CPE對比傳統(tǒng)碳糊電極顯著提高了電極對電子的轉(zhuǎn)移速率，有效提高了傳感器檢測的靈敏度，經(jīng)過實驗證明該傳感器響應(yīng)快速(＜5 s)，線性響應(yīng)范圍為1.0×10-7～1.06×10-4M，檢出限為7.0×10-8M，從實驗結(jié)果看，該種修飾電極能夠快速對AA進行檢測。

肖世秀等[4]通過設(shè)計利用抗壞血酸在相同濃度的AA在Gr/β-CD修飾電極上具有最大的電流響應(yīng)，使用改進后的Hummers法制備石墨烯，通過滴涂法將石墨烯/β-環(huán)糊精修飾到玻碳電極表面，利用范德華力將β-CD固定在Gr表面形成的Gr/β-CD復(fù)合材料修飾電極，采用循環(huán)伏安法和電流-時間曲線法研究了抗壞血酸在該修飾電極上的電化學(xué)行為，實驗表明Gr/β-CD在檢測AA時具有協(xié)同作用，能使循環(huán)伏安圖中峰形更加明顯，有利于抗壞血酸的檢測，研究結(jié)果顯示：Gr/β-CD在滴涂量為7μL，緩沖溶液pH為6.5時對Gr/β-CD/GCE對AA檢測效果最佳。其修飾電極具備一定的抗干擾能力，能夠抵抗50倍的檸檬酸鈉及草酸的干擾。并在重現(xiàn)性實驗中，保持穩(wěn)定狀態(tài)，且測得電流與初始結(jié)果有90%的響應(yīng)，Gr/β-CD修飾電極能夠?qū)崿F(xiàn)對AA的檢測，并且具有較寬的線性范圍和較低的檢測限。

郭偉華等[5]通過使用通過電化學(xué)方法制得殼聚糖－還原氧化石墨烯復(fù)合膜(CS-rGO)修飾電極，再通過靜電作用將釩取代的磷鉬酸(PMV)組裝到該復(fù)合膜表面，制得PMV/CS-rGO修飾電極。利用循環(huán)伏安法和計時電流法研究了此修飾電極對抗壞血酸的電催化氧化性能，由于CS-rGO中的rGO具有較高的導(dǎo)電性，促進了電極表面電子的轉(zhuǎn)移。rGO可以有效地提高電極的有效面積，使在此基礎(chǔ)上能夠負載更多的PMV，該修飾電極制備簡單，具有良好的電化學(xué)信號且對抗壞血酸檢測響應(yīng)快速，不僅靈敏度高、檢測限低，而且重現(xiàn)性和穩(wěn)定性良好，可以用于AA的分析檢測中。

竇硯鵬等[6]通過設(shè)計利用石墨烯修飾電極改良了以往使用聚合方式形成亞甲基藍聚合物膜的修飾電極，可以讓亞甲基藍牢固地負載在電極表面，使亞甲基藍與石墨烯能夠均勻分散，從而最大限度地發(fā)揮其催化作用，由于抗壞血酸與尿酸在GN電極上氧化峰相近極其容易判斷錯誤人體體液的UA和AA共存，其濃度的同時測定具有重要實用價值，該種電極能夠?qū)崿F(xiàn)同時檢測AA和UA，能使AA和UA氧化峰電位在循環(huán)伏安法上明顯區(qū)分開，且互不干擾，能夠準確對人體內(nèi)的抗壞血酸與尿酸進行檢測，具有重要實用價值。

3 實驗

3.1 實驗與材料

石墨粉（99.9995%純度，從AlfaAesar購買了100目，成型級，目）。三聚氰胺從國藥集團化學(xué)試劑有限公司（中國）購買，并在使用前用水重結(jié)晶?？箟难釓膰幖瘓F化學(xué)試劑有限公司（中國）購買，多巴胺和尿酸從Sigma購買并按接收使用。分析級H2SO4、KMnO4、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）從南京化學(xué)試劑有限公司（中國）購買。所有溶液均采用電阻率為18.2m的微孔水制備（美國Purelab Classic公司）。AA、DA和UA溶液在使用前在磷酸鹽緩沖溶液（PBS）中新制備。

3.2 儀器和測量

在安捷倫5500 AFM/SPM系統(tǒng)上收集NG的原子力顯微鏡（AFM）圖像。在環(huán)境條件下，在輕敲模式下進行成像。NG的形態(tài)也在加速電壓為10kV的場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM，S-4800，日本日立）和加速電壓為200kV的透射電子顯微鏡（TEM，JEM-2100，日本JEOL）上進行了表征。使用激發(fā)波長為514nm的微型拉曼系統(tǒng)（英國Renishaw InVia）記錄室溫拉曼光譜。X射線光電子能譜（XPS）分析是在裝有鋁輻射作為探針（K-alpha，Thermo Fisher Scientific，USA）的Thermo Fisher X射線光電子能譜儀系統(tǒng)上，在5×10的腔室壓力下進行的-9托。電源功率設(shè)置為72W，測量掃描的通過能量為200 eV，高分辨率掃描的通過能量為50 eV。電化學(xué)測量在CHI 900電化學(xué)工作站（美國CH儀器公司）上進行。在整個測量過程中使用了傳統(tǒng)的三電極系統(tǒng)。工作電極為裸玻碳電極或修飾玻碳電極（GCE，Φ=3.0mm），鉑絲為對電極，Ag/AgCl電極為參比電極。采用微分脈沖伏安法（DPV）分別或同時測定AA、DA和UA。

3.3 氮摻雜石墨烯的合成

在典型程序中，將質(zhì)量比為1∶10的氧化石墨和三聚氰胺的混合物放置在剛玉管的中心。然后將退火溫度提高到800℃按5%的比率℃/min，并在氬氣環(huán)境中保持1h。當溫度冷卻到室溫時，最終產(chǎn)物從剛玉管中取出。改變氧化石墨與三聚氰胺的質(zhì)量比，可以得到不同氮含量的天然氣產(chǎn)品。

3.4 NG改性GCE的制備

使用0.3μm和0.05μm Al2O3粉末連續(xù)拋光GCE，并分別用乙醇和水徹底沖洗5min，然后用吹氮氣干燥。通過超聲波將5mg NG分散在DMF中，形成1mg/mL懸浮液。然后將A5μLNG懸浮液注入預(yù)處理的GCE表面，并在室溫下干燥。

3.5 結(jié)果和討論

首先，采用FE-SEM對GCE表面改性NG膜的表面形貌進行了表征。如圖1所示：NG納米片以折疊或堆疊結(jié)構(gòu)隨機堆積在GCE表面上。

圖1 氮摻雜石墨烯改性GCE的SEM圖像

放大的SEM圖像（圖1）顯示，仍能觀察到具有大量波紋的石墨烯片，表明石墨烯結(jié)構(gòu)仍保留在電極表面。

用循環(huán)伏安法（CV）研究了AA、DA和UA在裸GCE和NG/GCE上的電化學(xué)行為。在AA的情況下，氧化峰對應(yīng)于NG/GCE上AA呋喃環(huán)中的羥基氧化為羰基。由于AA在pH值為6.0時帶負電（pKa，AA=4.1），NG/GCE的電子轉(zhuǎn)移動力學(xué)增強可能是由于NG膜中抗壞血酸鹽層和石墨烯層之間形成氫鍵所致。對于DA，具有55 mV峰間距的明確氧化還原偶的外觀表明，NG/GCE上DA的可逆性比裸GCE（E=215 mV）要好得多。這對氧化還原峰對應(yīng)于DA雙電子氧化為多巴胺醌，隨后多巴胺醌還原為DA?？赡嫘缘奶岣呖赡苁怯捎贒A分子的苯環(huán)與石墨烯層之間的相互作用，以及DA分子中的羥基或胺基與石墨烯層中的氮原子之間形成的氫鍵。對于UA，在NG/GCE上出現(xiàn)一個明確的氧化峰和一個寬的還原峰。該CV曲線顯示UA首先氧化為醌類，然后發(fā)生快速化學(xué)反應(yīng)，這被認為是EC機制。

通過差分脈沖伏安法（DPV）實驗，在0.1M PBS（pH 6.0）中，使用1.0 mM（AA）、0.05 mM（DA）和0.1 mM（UA）的混合物，研究了NG對這三種生物分子氧化的優(yōu)異電催化活性。在裸露的GCE上，三個生物分子的電氧化僅呈現(xiàn)一個小的寬峰，因此無法同時測定這些分子。相反，在NG/GCE上，分別出現(xiàn)了三個定義明確的氧化峰，它們具有更大的峰間距和峰電流，對應(yīng)于AA、DA和UA的氧化，證實了具有更高電催化活性的NG可用于構(gòu)建電化學(xué)傳感器以同時測定AA、DA和UA。CV和DPV實驗均表明NG對這些分子的氧化具有良好的電催化活性。NG的高電催化活性可能是由于NG層中的氮原子可能通過氫鍵與這些分子相互作用，從而激活羥基和胺基，并加速這些分子在NG表面的電荷轉(zhuǎn)移動力學(xué)。同時，石墨烯層和這些分子之間的相互作用也可以促進這三個分子的電荷轉(zhuǎn)移。因此，觀察到的這三種分子在NG上的快非均相電子動力學(xué)可歸因于其源自氮摻雜的特殊二維微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。

4 結(jié)語

近年來抗壞血酸電化學(xué)傳感方面的研究也不斷發(fā)展，各種不同的修飾材料對抗壞血酸也都有很好的催化活性、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。目前的工作表明，氮摻雜石墨烯的平均厚度為通過對氧化石墨和三聚氰胺的混合物進行熱退火，成功地合成了0.8nm。結(jié)果表明，所制備的氮摻雜石墨烯對抗壞血酸、多巴胺和尿酸的氧化具有良好的電催化活性。詳細的電化學(xué)表征揭示了一個事實，即觀察到的電催化活性與目標生物分子的結(jié)構(gòu)、目標生物分子與氮摻雜石墨烯之間的氫鍵和堆疊相互作用以及氮摻雜石墨烯的獨特結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有關(guān)。此外，這三種生物分子在氮摻雜石墨烯修飾電極上的電氧化顯示出三個清晰的氧化峰，且峰間距較大。因此，一種靈敏的電化學(xué)傳感器已經(jīng)被設(shè)計成從混合溶液中單獨或同時測定這些生物分子。

目前抗壞血酸檢測有很大的應(yīng)用前景，在未來尋求高效便捷實惠的修飾材料，是對抗壞血酸檢測發(fā)展的趨勢，隨著電極修飾材料的研究增多，我們將會找到更多適用于不同場景下檢測抗壞血酸的修飾材料，如應(yīng)用于醫(yī)療人體健康方面的抗壞血酸的檢測，亦或是食品安全的過關(guān)檢測等等。