張循海,王超會,林 蔚,李曉生,張 永

(齊齊哈爾大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，齊齊哈爾 161006)

0 引 言

自1991年被Iijima發(fā)現(xiàn)以來，碳納米管(CNTs)就以其獨特的物理化學(xué)性質(zhì)越來越受到人們的關(guān)注[1-3]。CNTs具有一維納米結(jié)構(gòu)、較高的表面吸附能力、良好的電導(dǎo)率和電子彈道傳輸特性，因此具有優(yōu)異的機(jī)械、電子和物理化學(xué)性能[4-5]?；谏鲜鲈?，CNTs是制造納米氣體傳感器的理想基礎(chǔ)材料。納米金屬材料具有增強(qiáng)電極活性和促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移的功能，因此如果將納米金屬材料M(如Au、Pt、Cu、Pd等)與CNTs復(fù)合，其各組分的各種特性之間會產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)[6-8]。使用這種復(fù)合材料作為電極的電化學(xué)傳感器會具有更高的檢測靈敏度[9-10]。一些報道詳細(xì)介紹了在表面活性劑或封端劑存在下，在水溶液中通過控制尺寸和形狀合成Pt和Au納米顆粒的過程[11-12]。通常情況下，研究人員使用檸檬酸鹽或硼酸鹽作為還原劑，或引入氫作為還原劑以生產(chǎn)金屬納米粒子，這種方法反應(yīng)時間長，并涉及使用表面活性劑和高壓操作[13]。在圓底燒瓶中，用氫使氯酸鹽溶液產(chǎn)生氣泡，進(jìn)而沉降出大微米尺寸的M粒子，其在沒有表面活性劑的情況下在水中膠體不穩(wěn)定[14]。旋轉(zhuǎn)圓盤工藝(SDP)在快速旋轉(zhuǎn)的圓盤表面產(chǎn)生一層非常薄的流體膜(1～200 nm)，在這個過程中會形成納米顆粒[15]。SDP利用高離心加速度來產(chǎn)生快速傳熱和傳質(zhì)的薄膜，為納米材料的制備提供了一條新的途徑[16]。SDP促進(jìn)了一系列反應(yīng)器的設(shè)計和開發(fā)，這些反應(yīng)器可在連續(xù)流動條件下提供快速傳熱和傳質(zhì)的運行條件，并將反應(yīng)時間減少至數(shù)秒而不是數(shù)分鐘或數(shù)小時。

本文采用CVD技術(shù)合成了CNTs并進(jìn)行了純化。采用SDP利用化學(xué)沉積法制備了CNTs-M(M=Pt,Au)懸浮液，并涂覆在Au電極上。通過靜電作用將葡萄糖氧化酶固定在Au電極上，構(gòu)建了修飾電極。通過在CNTs修飾的玻碳電極(GCE)上電化學(xué)沉積鉑顆粒，制備了CNTs-Pt/GCE電極。在掃描電鏡和透射電鏡下分析CNTs、CNTs-M(M=Pt，Au)的微觀結(jié)構(gòu)，并對傳感器在醫(yī)學(xué)檢測中的應(yīng)用進(jìn)行了評估。

1 實 驗

1.1 儀器和試劑

實驗儀器主要包括：固定床非均相催化(氣-固)系統(tǒng)，JEOL3000透射電子顯微鏡(TEM)，蔡司VP 1550掃描電子顯微鏡(SEM)；CHI802電化學(xué)工作站；CNTs和CNTs-Pt修飾的玻碳電極(GCE)，CNTs-Au修飾金電極，飽和甘汞電極(參比電極)，鉑絲(對電極)，超聲波清洗機(jī)等。

實驗中使用的氯金酸(HAuCl4)、氯鉑酸(H2PtCl6)、甲醛、葡萄糖氧化酶(GOD)、葡萄糖等試劑均為分析純；實驗用水為二次蒸餾水；PSB磷酸鹽緩沖液由KH2PO4和Na2HPO4根據(jù)不同的比例配制而成。Al2O3拋光粉分別為0.3 μm和0.05 μm。

1.2 CNTs和CNTs-M(M=Pt,Au)的制備

1.2.1 CNTs的純化和功能化

通過化學(xué)氣相沉積(CVD)合成了CNTs，制備的CNTs含有金屬和金屬氧化物顆粒催化劑雜質(zhì)，以及無定形碳和石墨片[17]。獲得的CNTs按照以下操作進(jìn)行提純：將100 mg的CNTs分散在100 mL的HNO3(1 mol/L)中超聲30 min。懸浮液用 85 ℃的磁力加熱攪拌器，在HNO3中回流2 h，在鹽酸中回流3 h，以去除金屬和金屬氧化物顆粒催化劑雜質(zhì)。經(jīng)過洗滌和干燥后，CNTs在400 ℃空氣中處理2 h去除非晶態(tài)碳和石墨片。最終獲得高度純化的CNTs(95%以上)。

圖1 (a)SDP圖示和(b)波動圖示。SDP的關(guān)鍵組件包括：可控速度(最高3 000 r/min)的100 mm旋轉(zhuǎn)盤，以及距圓盤中心的徑向距離為5 mm的進(jìn)料口Fig.1 (a) Illustration of SDP and (b) illustration of wave motion. The key components of SDP include: a 100 mm rotating disc with controllable speed (up to 3 000 r/min) and feed jets located at a radial distance of 5 mm from the centre of the disc

1.2.2 懸浮液CNTs-M(M=Pt，Au)的合成

使用旋轉(zhuǎn)圓盤法合成了CNTs-Au和CNTs-Pt(見圖1)。在此過程中，首先將CNTs(1 mg/mL)超聲分散在水中(見圖2)，然后在劇烈攪拌下將0.4 mL 2%HAuCl4溶液或0.5 mL 1%H2PtCl6溶液滴加到CNTs懸浮液中，在室溫下劇烈攪拌3 h，將2%的檸檬酸鈉溶液加入到HAuCl4溶液中預(yù)還原，新鮮制備的5%NaBH4溶液用于還原H2PtCl6，稀氫氣(含80%N2或Ar)在SDP過程中被用作輔助還原劑。還原制注入后，試劑接觸到靠近旋轉(zhuǎn)盤中心的位置，流體膜的徑向流速開始增加，因此液體速度逐漸接近圓盤速度。這里的流動類似于Nusselt模型[18]。運動的流體層與圓盤表面之間的剪切力和粘性阻力會產(chǎn)生湍流和波紋，從而在薄流體層內(nèi)產(chǎn)生高效的湍流混合(見圖1(b))。由此產(chǎn)生的湍流可以是從圓盤中心向圓盤外圍移動的圓周波和螺旋波的組合，這取決于操作參數(shù)。氣體(尤其是稀釋的H2)存在下，在旋轉(zhuǎn)的磁盤表面上產(chǎn)生的波浪狀薄膜具有通過控制H2向薄膜的輸送來控制隨后的顆粒尺寸的能力。相關(guān)的報道表明，以中等旋轉(zhuǎn)的圓盤速度在液膜中產(chǎn)生的波明顯增強(qiáng)了氣體對液體的吸附[19]。

1.2.3 CNTs和CNTs-M改性電極的制備

CNTs/GCE：用氧化鋁粉末混濁液將GCE拋光成鏡面狀。分別在乙醇和去離子水中超聲洗滌15 min后，將電極干燥。將5 μL N,N-二甲基甲酰胺溶液的CNTs置于電極表面，自然干燥。

CNTs-Pt/GCE：將N,N-二甲基甲酰胺和檸檬酸溶解到CNTs-Pt懸浮液中。將該懸浮液在80 ℃下逐漸加熱直至形成糊狀。將GCE浸入糊中一段時間，然后在60 ℃下干燥0.5 h。該涂覆過程重復(fù)三遍。

1.3 測試方法

使用三電極裝置對器件進(jìn)行了測試。在測試CNTs-Pt/GCE時，將三個電極放入0.01 mol/L硫酸溶液中，在-0.2～1.2 V的電壓范圍內(nèi)掃描10圈，在循環(huán)伏安掃描曲線穩(wěn)定后加入一定量的甲醛。采用CNTs-Pt/GCE作為工作電極。在-0.1 V電位下攪拌3 min，然后靜置10 s。使用線性掃描伏安法以10 mV/s的掃描速率在0.1～0.5 V進(jìn)行電位掃描。對于CNTs-Au，以獲得的CNTs-Au葡萄糖傳感器為工作電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，鉑電極為對電極。在飽和磷酸鹽緩沖溶液(PBS，pH7.0)中，室溫下進(jìn)行循環(huán)伏安測試。

圖3 純化CNTs的SEM照片(a),(b)和XRD圖譜(c)Fig.3 SEM images (a), (b) and XRD pattern (c) of purified CNTs

2 結(jié)果與討論

2.1 CNTs、CNTs-M的微觀和結(jié)構(gòu)分析

圖3(a)和3(b)是純化后CNTs的SEM照片。從圖中可以看出，CNTs的長度為幾十微米，呈曲線狀，在靜電作用下相互纏繞嚴(yán)重。另外，CNTs的末端是開放的，表明內(nèi)部催化劑順利被去除。純化的CNTs的XRD分析(見圖3(c))顯示其內(nèi)部只有石墨相，無定形碳和石墨碎片已經(jīng)在400 ℃的氧化過程中被去除。

圖4是CNTs純化前后SEM和TEM照片。如圖所示，未經(jīng)處理的CNTs與雜質(zhì)混合，如大量的黑色顆粒和絨毛，大量的無定形碳、超細(xì)石墨碎片雜質(zhì)等。碳管更彎曲且因為電力相互纏繞。凈化處理后，除去絕大多數(shù)催化劑顆粒，無定形碳、石墨碎片等雜質(zhì)被去除了。CNTs變得細(xì)長，長徑比增大且分散良好，沒有團(tuán)聚現(xiàn)象，這為其在傳感器中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

圖4 純化前(a,c)和純化后(b,d)CNTs的SEM和TEM照片F(xiàn)ig.4 SEM images and TEM images before(a,c) and after (b,d)purified CNTs

圖5 Au(a，b)和Pt(c，d)化學(xué)摻雜后CNTs的TEM照片F(xiàn)ig.5 TEM images of CNTs after Au(a, b) and Pt(c, d) chemical doped

圖5是經(jīng)Au和Pt化學(xué)摻雜后CNTs的TEM照片，可以看出Au和Pt顆粒是球形的，均勻地分散在CNTs表面。Au顆粒尺寸在5～20 nm之間，Pt顆粒尺寸在4～10 nm之間，這會極大地提高復(fù)合電極的比表面積。

2.2 CNTs、CNTs-M傳感器的性能分析

2.2.1 甲醛在CNTs-Pt/GCE上的電化學(xué)性能

采用循環(huán)伏安法研究了甲醛在CNTs-Pt/GCE上的電化學(xué)性能(見圖6(a))，圖6(a)是不同電極在0.01 mol/L硫酸溶液中的循環(huán)伏安圖，其中含有0.5 mmol/L的甲醛。圖6(a)中的曲線c是CNTs-Pt/GCE在0.01 mol/L硫酸空白溶液中的循環(huán)伏安圖，在0.72 V處的氧化峰和0.27 V處的還原峰分別對應(yīng)Pt顆粒的氧化和還原。位于0.05～0.2 V之間的峰分別對應(yīng)于電極吸附的氫的氧化和還原。其對應(yīng)的氧化還原反應(yīng)式為：

Pt-(HCOOH)ads→Pt+CO2+2H++2e-

(1)

氫峰的形狀、數(shù)目和大小取決于暴露的Pt晶面、電極預(yù)處理、溶液雜質(zhì)，及支撐電解質(zhì)等。從圖6(a)中曲線a和曲線b可以看出，甲醛在GCE和CNTs/GCE上沒有明顯的氧化還原峰。結(jié)果表明，該電極對甲醛沒有電催化氧化作用。從Pt/GCE(曲線d)和CNTs-Pt/GCE(曲線e)的對比可以看出甲醛在0.46 V時在CNTs-Pt/GCE上產(chǎn)生一個0.37 mA的明顯氧化峰值電流，但在0.44 V時Pt/GCE上只產(chǎn)生0.15 mA的氧化峰電流，前者約為后者的2.5倍，表明CNTs-Pt/GCE對于甲醛催化氧化的活性高于Pt/GCE。曲線b表明，簡單的CNTs/GCE幾乎沒有催化活性。Pt的高度分散和CNTs與Pt的協(xié)同作用增強(qiáng)了電極表面的活性位點，從而顯著提高了對甲醛的電催化活性。圖6(b)為CNTs-Pt/GCE的線性掃描伏安圖，與空白溶液相比，甲醛在0.36 V處有明顯的氧化電流峰，峰值電流約為57 μA。

圖6 不同電極甲醛傳感器的循環(huán)伏安圖(a)和CNTs-Pt/GCE的線性掃描伏安圖(b)Fig.6 Cyclic voltammograms of the different electrodes for formaldehyde sensors (a) and linear scan voltammograms of the CNTs-Pt/GCE(b)

2.2.2 CNTs-Au電極葡萄糖傳感器的電化學(xué)表征

本文將修飾的金電極浸泡在0.1 mol/L的半胱胺溶液中，以PBS(1 mg/mL)作為緩沖液清洗。半胱氨酸通過-SH基團(tuán)形式的Au-S化學(xué)鍵組裝在電極表面。葡萄糖的電化學(xué)氧化是一個脫氫過程,在堿性溶液中其陽極反應(yīng)如下:

Au-C6H12O6+24OH-→CO2+18H2O+24e-+Au

(2)

該電極反應(yīng)包含24個電子過程,故以葡萄糖作為傳感器的原料具有很高的比能量,但相關(guān)動力學(xué)過程緩慢是限制其實際應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。

因此，本文使用上述制備的CNTs-Au電極對其進(jìn)行了電化學(xué)性能表征，其在葡萄糖和0.1 mol/L KOH溶液中的循環(huán)伏安曲線如圖7(a)中的曲線a所示。與Au電極相比，曲線的峰值電流減小，峰值電位變寬(見圖7(a)中的曲線b)，表明半胱胺在Au電極表面形成了致密的單分子膜，阻礙了金電極上的電子轉(zhuǎn)移進(jìn)而使其在電極表面擴(kuò)散的有效面積減小。由于CNTs電極與通過1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽(EDC)和N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)活化形成的活性酯以及以酰胺鍵形式存在的Au電極底部的-NH2結(jié)合在一起，因此循環(huán)伏安曲線表明峰值電流上升(見圖7(a)中的曲線c)峰電位變窄，這主要是因為存在的碳納米管構(gòu)成了大比表面積的碳納米管微電極陣列。因此，其電流密度相對較高，伏安曲線的性能表現(xiàn)出了較大的斜率，峰值形狀比裸Au電極更尖，靈敏度隨著峰值電流的增加而提高。在結(jié)合了納米Au和CNTs作用的CNTs-Au電極中，峰值電流進(jìn)一步升高(見圖7(a)中的曲線d)，電位差進(jìn)一步縮小。這主要是因為納米Au具有相對較低的反應(yīng)活性和獨特的光學(xué)性質(zhì)，具有選擇性氧化、催化脫氫和電催化的作用[20]。納米Au粒子與CNTs一起，有效地增加了電極的比表面積，提高了電子轉(zhuǎn)移速率[21]。此外，CNTs-Au電極具有最高的峰值電流值，表明CNTs和Au的協(xié)同使用提高了傳感器的響應(yīng)速度。圖7(b)是在掃描速度為0.02 V/s的條件下循環(huán)10次的循環(huán)伏安曲線，可以看到曲線基本沒有大的變化，表明制備的CNTs-Au傳感器具有良好的穩(wěn)定性。這主要是由于納米Au的靜電吸附作用可以使其牢固地吸附到電極表面的生物活性物質(zhì)上，防止GOD的剝離并能保持其生物活性，從而使傳感器的穩(wěn)定性增強(qiáng)。

圖7 葡萄糖生物傳感器不同修飾電極的循環(huán)伏安曲線(a)和傳感器穩(wěn)定性測試(b)Fig.7 Cyclic voltammetry of different modified electrodes for glucose biosensors (a) and stability test of sensors (b)

為了驗證CNTs-Au的選擇性及抗干擾能力，本文依據(jù)血液中正常的生理水平，采用了與葡萄糖共存在血液中的電活性物質(zhì)，0.1 mmol/L抗壞血酸(AA)、0.5 mmol/L尿酸(UA)、0.05 mmol/L L-半胱氨酸(L-cysteine)，0.1 mmol/L對乙酰氨基酚(p-acetamidophenol)和2 mmol/L谷胱甘肽(Glutathione)作為干擾項驗證CNTs-Au的抗干擾能力，結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，這些電活性物質(zhì)對5.6 mmol/L的葡萄糖幾乎無影響，表明所制備電極具有良好的選擇性及抗干擾能力。

表1 電活性物質(zhì)對葡萄糖相應(yīng)的干擾情況Table 1 Interference of electroactive substance to the glucose response

從上述分析中可以看出，所制備的電極傳感器具有響應(yīng)快、靈敏度高、選擇性和穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

3 結(jié) 論

通過CVD法獲得了CNTs，然后對其純化。通過靜電作用將葡萄糖氧化酶固定在Au電極上，利用CNTs自組裝技術(shù)通過SDP對其進(jìn)行修飾。CNTs-Pt/GCE電極是由電化學(xué)沉積在GCE上的鉑粒子制成的，并由CNTs修飾。CNTs-Pt/GCE對甲醛具有良好的電催化活性，在測試甲醛時具有較高的靈敏度和準(zhǔn)確性。CNTs-Au傳感器對葡萄糖濃度檢測具有良好的特性，響應(yīng)快、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性好，可應(yīng)用于臨床中的血糖檢測。