基于GR-MWCNT-Au/叉指电极的无酶碳水化合物传感器*

刘 可，李爱学，李朋朋

(1.河北工程大学 园林与生态工程学院，河北 邯郸 056038；2.北京市农林科学院 北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097)

0 引 言

碳水化合物的测定和定量在很多领域具有重要意义，无酶电化学传感器[1～3]因不依赖于酶、成本低、受环境因素影响小、稳定性好、制备方法简单等优点，而越来越受到研究人员的青睐。但现有传感器的检测上限较低，不能满足实际样品原位、现场检测的需求，因此还需要进一步研发新型的碳水化合物传感器。

碳基纳米结构如石墨烯(GR)、碳纳米管(MWCNT)、炭黑等，因其非凡的理化性能而受到了广泛的关注。MWCNT的良好分散可以避免GR片的聚集[4,5]，GR纳米片作为表面活性剂也可以直接分散MWCNT，从而形成比表面积大、电导率优良的三维网络结构[6～8]。此外，金(Au)催化剂因其优异的光电特性和催化活性被广泛应用于传感器研究中，如葡萄糖氧化、维生素含量的检测等[9,10]。这种催化作用也可用于催化其他碳水化合物，如果糖、半乳糖、木糖和甘露糖，因为这些糖具有非常相似的结构。叉指电极(interdigital electrodes,IDEs)是指状或梳状的面内有周期性图案的电极，其表层为指状镀金薄膜，具有灵敏度高、响应速度快、小型一体化等优点。

本文介绍了一种无酶检测碳水化合物的方法，即以陶瓷基底的叉指电极作为基础电极，利用GR-MWCNT复合材料构建3D网络结构来固定化AuNPs，形成复合材料，修饰叉指电极，催化氧化碳水化合物。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

羧基化石墨烯和羧基化碳纳米管购自先丰纳米材料科技有限公司(中国，南京)。D-无水葡萄糖(glucose),D-果糖(fructose),D-半乳糖(galactose)，氢氧化钠，亚铁氰化钾，氯化钾，柠檬酸三钠,柠檬酸(citric acid),无水苹果酸(malic acid)，氯化镁，无水乙醇购自国药控股化学试剂有限公司(中国，上海)。氯金酸，Nafion 溶液(质量分数5 %)，D-木糖(xylose)，甘露糖(mannose)，D-亮氨酸(leucine)，DL-色氨酸(tryptophan)购自西格玛试剂有限公司(美国，密苏里州圣路易斯)。L-赖氨酸(lysine)和磷酸盐缓冲溶液(PBS 0.01 mol/L pH 7.4)购自索莱宝科技有限公司(中国，北京)。其余试剂均为分析纯，整个实验均使用超纯水制备溶液。

1.2 仪 器

所有的电化学测量都是在 CHI760E 电化学工作站(上海辰华仪器有限公司，中国)上进行的。配备X 射线能谱分析(EDS)的场发射扫描电子显微镜(FESEM)系统(ZEISS，SEM 500，德国)用于研究不同修饰步骤的叉指电极形貌。叉指电极购自广州钰芯科技有限公司，线宽为100 μm，由工作电极和对电极组成，另加银(Ag)/氯化银(AgCl)电极作为参比电极，构成三电极系统，所有电化学测量均在室温条件(24 ℃)下进行。

1.3 GR-MWCNT-Au复合材料的制备

首先制备0.5 mg/mL GR和1.5 mg/mL MWCNT的混合液。取20 mL GR-MWCNT混合液，在其中加入23.6 mmol/L HAuCl4溶液15 mL，磁力搅拌60 min。随后在混合液中加入68 mmol/L的柠檬酸三钠溶液20 mL，磁力搅拌30 min。后放入温度为80 ℃ 水浴锅中加热30 min。将所得溶液以17 000 r/min的速度离心10 min。吸取上层清液后，放入温度为60 ℃干燥箱中干燥12 h。收集干燥后的复合材料，以55 mg材料滴加2.5 mL乙醇和55 μL Nafion 溶液为比例进行混合，即为制备好的修饰材料。另外通过制备各种比值的GR-MWCNT 混合液(0︰4,1︰3,2︰2,3︰1,4︰0)和各种浓度的氯金酸溶液(13.6,18.6,23.6,28.6,33.6 mmol/L)对修饰材料浓度进行优化。采用滴涂法对电极表面进行修饰，滴加8 μL GR-MWCNT-Au溶液，在室温(24 ℃)下修饰30 min。具体构建过程如图1所示，每一步骤完成后，用PBS缓冲液对电极进行冲洗。

图1 GR-MWCNT-Au和碳水化合物传感器的制备示意

1.4 测量程序

用循环伏安法(cyclic voltammetry,CV)研究修饰后的电极对各种糖的催化作用，扫描范围为-0.6～1.0 V，扫速为0.05 V/s。糖的浓度检测采用计时电流法，工作电压为0.3 V，扫描时间为300 s。所有电化学测试都是在0.1 mol/L NaOH溶液中进行的。

2 结果与讨论

2.1 传感器的形貌和结构表征

图2是电镜的表征结果。由图2(a)看出，裸IDEs表面光滑，无任何杂质。图2(b)为修饰GR-MWCNT-Au后的IDEs电极，图2(c)为图2(b)的放大图，从图2(c)中可以明显的看到片层状褶皱的GR结构，在GR纳米片之间穿插着管状的MWCNT，金纳米粒子分布在GR-MWCNT的表面，尺寸约为30～50 nm。D-H图显示了修饰GR-MWCNT-Au后电极的EDS Mapping图谱，得到了C,F,Au,N,O元素的信号。C元素的存在归因于GR和MWCNT中的C元素。由于Nafion含有大量F元素，导致F元素的出现。N,O元素来源于石墨烯，复合材料中的Au和叉指电极表面金薄膜是Au元素出现的原因。Mapping图谱也证明了各种材料已经成功修饰在了电极表面。

图2 裸IDEs(a)、GR-MWCNT-Au/IDEs(b)、GR-MWCNT-Au/IDEs高倍(c)的SEM图谱，(d)-(h)为GR-MWCNT-Au/IDEs的Mapping图谱

2.2 传感器制备过程的电化学表征

首先用CV方法对传感器的制备过程进行了表征，CV扫描是在1 mmol/L [Fe(CN)6]4-溶液(含0.1 mol KCL)中进行的。CV扫描的电流响应情况如图3(a)所示，与裸电极相比，当GR-MWCNT-Au材料修饰到电极上后，氧化还原峰电流有所减小，但峰峰电位差也减小。这是因为GR、MWCNT及Au粒子的高导电性和催化性能，提高了电子转移速率、增强了可逆性。CV的表征结果证实了该传感器的成功制备。电化学阻抗谱(EIS)在100.0 kHz～0.01 Hz范围内扫描的奈奎斯特曲线如图3(b)所示，裸电极存在一个较小的半弧。当修饰上GR-MWCNT-Au纳米复合材料后，几乎看不到半弧的存在。图3(b)的内插图中给出了一个简单的等效电路模型。裸电极拟合的阻抗值Rct为38.1 kΩ，修饰复合材料之后的阻抗值减小到30.9 kΩ，这是由于GR,MWCNT及Au纳米粒子提高了电极的导电性，加速了电子的传递。EIS的结果和CV一致，再次证明了传感器的制备是成功有效的。

图3 裸IDEs和GR-MWCNT-Au/IDEs在1mmol/L[Fe(CH)6]4-溶液中的循环伏安曲线

2.3 GR-MWCNT-Au纳米材料的电化学性能

为了检验GR-MWCNT-Au纳米材料的电化学性能，考察了裸IDEs、GR/IDEs、MWCNT/IDEs和GR-MWCNT-Au/IDEs在-0.6～1.0 V范围内的电化学行为。图4(a)的内插图为裸电极的在空白溶液(a)及20 mmol/L果糖溶液中(b)的循环伏安曲线，裸电极在空白溶液中显示了典型的金的氧化还原行为，在果糖溶液中，可以在0.28 V和0.53 V处观察到两个氧化峰，GR/IDEs(c)和MWCNT/IDEs(d)的导电性增强，背景电流增大，但果糖的氧化峰没有明显增大。

图4(a)内插图为裸IDEs在0 mmol/L(a)和20 mmol/L(b)果糖溶液的循环伏安曲线，裸IDEs(b)、GR/IDEs(c)、MWCNT/IDEs(d)和GR-MWCNT-Au/IDEs(e)在20 mmol/L果糖溶液中的循环伏安曲线，图4(b)GR-MWCNT-Au/IDEs在0 mmol/L(a)和20 mmol/L(b)果糖溶液中的循环伏安曲线，图4(c)GR-MWCNT-Au/IDEs在和20 mmol/L葡萄糖(a)、甘露糖(b)、半乳糖(c)和木糖(d)中的循环伏安曲线GR-MWCNT-Au/IDEs(e)获得了最高的电流响应，氧化峰也更加明显，这表明GR、MWCNT和AuNPs作为果糖发生反应的催化剂，结合后的协同效应能够能够使它们的催化效果进一步放大。所以后续的实验选择使用 GR-MWCNT-Au材料来进行。图4(b)中曲线(a)为在不添加果糖的情况下，GR-MWCNT-Au/IDEs没有氧化还原峰出现。在加入20 mmol/L的果糖(b)后，在0.3 V左右的电位处观察到一个明显的氧化峰，所以，将氧化峰对应的电压0.3 V作为后续i-t法的工作电压。这种催化作用也发生在其他碳水化合物，如图4(c)所示，在20 mmol/L的葡萄糖(a)、甘露糖(b)、半乳糖(c)和木糖(d)中，它们的氧化还原反应类似于果糖，这主要是由于这些碳水化合物和果糖的结构相似，因此GR-MWCNT-Au对它们有产生类似的催化作用[16]。GR-MWCNT-Au修饰电极可以催化氧化这几种碳水化合物形成对应的酯，酯水解后生成酸。

图4 电化学性能曲线

2.4 传感器制备条件的优化

首先考察了GR和MWCNT的含量对响应电流I的影响。在本研究中，固定碳纳米材料的总量为2 mg/mL，考察了不同配比GR-MWCNT复合材料(4︰0,3︰1,2︰2,1︰3,0︰4)对于响应电流的影响。利用20 mmol/L的果糖检测其i-t响应，结果如图5(a)所示，GR-MWCNT复合材料的响应电流要比单一的GR或MWCNT大。而在GR-MWCNT复合材料的各个配比中，当GR︰MWCNT为1︰3时获得了最大的电流响应，表明此时GR与MWCNT具有最佳的协同作用。所以,在本研究中GR和MWCNT的最佳含量分别为0.5 mg/mL和1.5 mg/mL。

金纳米粒子是修饰物重要组成部分之一，所以优化氯金酸的浓度(13.6,18.6,23.6,28.6,33.6 mmol/L)也是十分有必要的。优化结果如图5(b)所示，可以看出HAuCl4含量从13.6～23.6 mmol/L时，电流逐渐增大。HAuCl4含量为23.6 mmol/L时获得了最大的电流响应。而当HAuCl4含量继续提高时，响应电流不再增大，所以,HAuCl4含量选择23.6 mmol/L进行后续实验。

滴加的复合材料的总量也影响修饰后电极的性能，这就需要对复合材料的总量(40,45,50,55,60 mg)进行优化。结果如图5(c)所示，材料的总量为55 mg时，响应电流尤为显著。因此确定复合材料的总量为55 mg。

最后考察不同电压(0.1,0.2,0.3,0.4,0.5 V)对响应电流I的影响。如图5(d)所示，当电压从0.1 V增加到0.3 V时，响应电流逐渐增大。而电压从0.3 V开始继续增大时，电流出现了下降。所以0.3 V是碳水化合物发生反应的最佳电压。

图5 GR-MWCNT含量比例、HAuCl4浓度、复合材料滴加的质量选用的工作电压对电流响应的影响

2.5 无酶碳水化合物传感器的性能测试

在最优的实验条件下，采用制备的无酶碳水化合物传感器测定一系列浓度的糖溶液。果糖在5～120 mmol/L的范围内果糖浓度和响应电流成线性关系。如图6,果糖的线性方程为I(mA)=4.446 23+0.112 23C(mmol/L)，相关系数R2=0.975，检测限为0.24 mmol/L(S/N=3)。葡萄糖在10～100 mmol/L的范围内果糖浓度和响应电流成线性关系。葡萄糖的线性方程为I(mA)=3.676 39+0.256 51C(mmol/L)，相关系数R2=0.975，检测限为3.12 mmol/L(S/N=3)。对于半乳糖、甘露糖和木糖，传感器也表现了类似的电流响应。传感器对这几种碳水化合物的检测性能如表1所示。与文献中报道的其他类型的无酶传感器相比，以果糖传感器为例(表2)，本文的传感器检测范围更适合对农产品及食品进行现场原位检测，具有较强的实际应用价值。

图6 GR-MWCNT-Au/IDEs 传感器对不同浓度果糖和葡萄糖进行检测的计时电流曲线和校准曲线

表1 碳水化合物传感器不同糖的特征

表2 不同无酶果糖传感器的性能比较

为了检验传感器对碳水化合物的选择性能，使用制备的传感器分别对20 mmol/L的果糖、苹果酸、柠檬酸、色氨酸、亮氨酸、赖氨酸和氯化镁进行检测，结果如图7所示。传感器对果糖的电流响应显著高于其他干扰物质，不受苹果酸、柠檬酸、色氨酸、亮氨酸、赖氨酸、Mg2+和Cl-的干扰，证明了传感器具有良好的选择性。

图7 GR-MWCNT-Au/IDEs传感器选择性能测试

在同等实验条件下，采用同一根修饰后的叉指电极，连续测定6次同一浓度的果糖溶液(20 mmol/L)，并记录其果糖溶液的电流响应值，结果如图8(a)，可见其电流响应值较为一致(RSD为4.25 %)。在同等实验条件下，用6根修饰后电极对同一浓度的果糖(20 mmol/L)进行10次测量(图8(b))，响应电流的RSD为4.43 %。这些都显示出传感器具有优异的重现性和稳定性。

图8 同一电极连续测6次同一浓度果糖和6根电极测同一浓度果糖的计时电流曲线(同一浓度果糖为20 mmol/L)

2.6 实际样品测试

采用标准加入法，通过检测橙汁中的碳水化合物，相关结果如表3所示，得到橙汁样品的加标回收率在99.45 %～104.39 %之间，且同一浓度的响应电流值较为一致(n=3)。这表明传感器的检测结果是准确可靠的，可用于实际样品中碳水化合物的测定。

表3 橙汁加标回收率结果(n=3)

3 结 论

本文研究采用叉指电极，利用石墨烯、碳纳米管和金纳米粒子的协同作用催化碳水化合物的氧化反应，制备了几种碳水化合物的无酶传感器。传感器的检测范围更适合对农产品及食品进行现场原位检测应用，并且具有良好的重现性及稳定性。使用其对橙汁中的碳水化合物含量进行了检测，获得了较好的回收率，表明该传感器具有较高的实际应用价值。这项工作证明了同时检测多种碳水化合物是可行的。