石墨烯_聚多巴胺纳米复合材料制备过氧化氢生物传感器

第40卷2012年1月

分析化学（FENXI HUAXUE ）研究报告第1期72～76

DOI ：10．3724/SP．J．1096．2012．10308

Chinese Journal of Analytical Chemistry

石墨烯-聚多巴胺纳米复合材料制备过氧化氢生物传感器

郑龙珍

摘

要

*

李引弟熊乐艳刘文刘强韩奎杨绍明夏坚

（华东交通大学化学化工系，南昌330013）

通过合成具有仿生功能的石墨烯-聚多巴胺纳米材料，将其与辣根过氧化酶组装到电极表面，以对苯

二酚为电子媒介体制备H 2O 2传感器。此修饰电极对H 2O 2具有良好的电催化活性，检测的线性范围为5．0×

－7

10－7～3．3×10－4mol /L；线性回归方程为Y =29．69x +0．04577，相关系数为R =0．9995；检出限为3．7×10

mol /L（S /N=3）。关键词

聚多巴胺；石墨烯；对苯二酚；辣根过氧化物酶；过氧化氢

1引言

［1～4］

。纳米材料由于具有良好的导电性及生物相容性，已经被广泛应用于生物传感器的制备中

2004年，Geim 等首次发现二维晶体石墨烯（GR ）的存在。由于其独特的电学、光学及催化性能，被广泛［5，6］

。结构完整的石墨烯是由不含任何不稳定键的苯六元环组合而成应用于生物传感器及电催化领域

的二维晶体，表面呈惰性使其具较高的化学稳定性。与其它溶剂的相互作用较弱，同时石墨烯的片与片

容易聚集，这给石墨烯的研究和应用造成了极大的困难。因此，对其进行有效之间有较强的范德华力，

［7～9］

。的功能化修饰非常重要

聚多巴胺是贝壳、蚌等生物分泌的粘性蛋白的主要成分，具有极强的粘附性，能稳定地固定在各种

［10，11］

。Lee 等［12］以多巴胺（DA ）为单体，基质上通过简单的自聚合反应在各种基质表面形成了仿生聚多巴胺膜（PDA ），该聚多巴胺膜不仅具有良好的粘附性，同时保持了原有单体良好的生物相容性。聚

［13～15］

。多巴胺薄膜被广泛地应用于对Au 和Pt 纳米颗粒、碳纳米管、石墨烯氧化物的表面修饰多巴胺特有的还原性可以作为氧化石墨烯（GO ）的还原剂。聚多巴胺良好的粘附性和生物相容性

通过又可以作为石墨烯的保护剂。本研究利用聚多巴胺膜对基底极强的结合力及其良好的生物活性，PDA ）纳米复合材料，一步反应法合成具有仿生功能的石墨烯-聚多巴胺（GR-并将其引入过氧化氢传感

器的制备中，实现了对过氧化氢的快速、灵敏检测。

2

2．1

实验部分

仪器与试剂

Chi660a 电化学工作站（上海辰华仪器有限公司）；Lambda 35紫外光谱仪（PerkinElmer 公司）；78-2

双向磁力加热搅拌器（金坛市新航仪器厂）；SK1200H 超声波清洗器（上海科学超声仪器有限公司）；AJ-Ⅲa 原子力显微镜（上海爱建纳米科技发展有限公司）。

盐酸多巴胺（CP 阿拉丁试剂）；辣根过氧化物酶（≥250U /mg上海三杰生物技术有限公司）；对苯二酚（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）；H 2O 2（分析纯，汕头西陇化工有限公司）；石墨粉（汕头西

陇化工有限公司）。2．2GR-PDA 仿生材料的制备

通过改进的Hummers 方法

［16～18］

制备GO 。

GR-PDA 仿生材料的制备［13］：10mg GO 加入到20mL ，磷酸盐缓冲液（pH =8．0）中，搅拌下通N 2

2011-03-31收稿；2011-06-21接受

21163007，21165009），本文系国家自然科学基金（Nos．20965003，江西省科技支撑计划（No．2010BGA01800），教育部科学技术研究

重点项目（No．210112）和教育部留学回国人员科研启动基金资助*E-mail ：zhenglongzhen@tsinghua．org．cn

10min ，60℃下强烈搅拌24h ，加入5mg 盐酸多巴胺，冰水浴下超声10min ，反应过程用紫外可见光谱监反应混合物用蒸馏水洗涤3次，重新分散到20mL 蒸馏水中，得到0．5g /L黑色悬浮液。测。冷却后离心，2．3HRP 酶的固定

PDA 悬浮液120! L ，与40! L 2g /LHRP 混合，超声10min ，取上述0．5g /LGR-在冰箱4℃里放

使其达到平衡状态。置12h ，

2．4修饰电极的制备

电极预处理：玻碳电极分别用0．3和0．05! m 的Al 2O 3粉抛光，依次用无水乙醇和蒸馏水超声洗涤10min ，PDA ，HRP /GO，HRP 溶液，氮气吹干待用。分别取5! L 的HRP /GR-滴加到电极表面，于4℃冰箱中过夜自然干燥，然后取5! L 0．1%Nafion 溶液滴加到电极上，置于4℃冰箱中干燥，即可得到所需的生物传感器。2．5

实验方法

Ag /AgCl（饱和KCl ）电极为采用三电极体系，以GC 或修饰GC 电极为工作电极，铂电极为对电极，

参比电极。在0．5mol /LKCl +2mmol /LK 4Fe （CN ）6/K3Fe （CN ）6溶液中进行交流阻抗（IMP ）扫描，采t ）在含有0．2mmol /L对苯二酚（HQ ）的0．1mol /L磷酸盐缓冲底液用循环伏安（CV ）和电流-时间法（i-（PBS ，pH =7．0）中研究传感器的催化性能及其稳定性。

3

3．1

结果与讨论

紫外可见光谱

采用紫外-可见吸收光谱对多巴胺还原氧化石墨

烯过程进行监测，结果如图1所示：氧化石墨烯的吸收峰位于230和300nm 处。随着还原反应的进行，氧化石墨烯的吸收峰消失，在263nm 处出现了一个

［6，13］

。随着反新的吸收峰，可归为石墨烯的吸收峰应时间的延长，吸光度值逐渐增大，且溶液逐渐由浑

说明多巴胺与氧化石墨烯发生反应；在浊变得澄清，

将氧化石墨烯还原成石墨烯的同时，氧化石墨烯作

为氧化剂又将多巴胺氧化聚合生成聚多巴胺，得到

图1Fig．1

GO （A ）和反应时间分别为3，6，9，12和24h UV-vis absorption spectra of grapheme oxide

PDA （B ）的紫外可见吸收光谱的GR-（GO ）（A ）and graphene-polydopamine （GR-PDA ）（B ）

PDA 纳米复合材料。在石墨烯表面沉积的聚多巴胺由于其表面大量的亲水基团又极大地提高了了GR-石墨烯的水溶性。3．2

原子力显微镜表征

PDA 纳米复合材料进行了AFM 表征。如图2所示，GO 片层厚度为0．60nm ；GO 被对合成的GR-

图2Fig．2

GO （A ）和GR-PDA （B ）在AFM 下的片层结构形貌图AFM images of GO （A ）and GR-PDA （B ）on mica

PDA 片层厚度增大为1．46nm ，多巴胺还原生成GR ，同时多巴胺被GO 氧化聚合生成PDA ，得到的GR-表明聚多巴胺薄膜均匀地覆盖在石墨烯的表面。3．3

交流阻抗图

图3是几种修饰电极在0．5mol /LKCl +2mmol /LK 4Fe （CN ）6/K3Fe （CN ）6溶液中的交流阻抗图，根

［19］

裸玻碳电极阻抗为40Ω；当据Nyquist 图中的半圆直径可以求出电极的电子传递电阻。由图3可知，

在玻碳电极表面修饰一层HRP /Nafion膜后，电极的阻抗增大到2700Ω；当用GO /HRP/Nafion膜修饰电

PDA /HRP/Nafion膜修饰电极时，电极的阻抗减小到1200Ω；当用GR-电极的阻抗减小到300Ω。说极时，

明聚多巴胺仿生功能化的石墨烯具有良好的导电性，能提高电子的传递速率，可应用于传感器的构建中

。

图3Fig．3

不同修饰电极在0．5mol /LKCl +2mmol /LK 4Fe （CN ）6/K3Fe （CN ）6溶液中的交流阻抗图Nyquist plots of bare GCE （a ），GCE /GR-PDA /HRP/Nafion（b ），GCE /GO/HRP/Nafion

（c ），GCE /HRP/Nafion（d ）electrodes in 0．5mol /LKCl +2mmol /LK 3Fe （CN ）6/K4Fe （CN ）6aque-ous solution

PDA /HRP/Nafion电极在不同扫速下的电化学行为，进一步考察GCE /GR-研究了其峰电流与扫速关系，发现电流与扫速的平方根呈线性关系，表明修饰电极反应受表面扩散控制。3．4

循环伏安法表征

PDA /HRP/Nafion和GCE /HRP/Nafion电极上的循环伏安曲线，图4A 比较了H 2O 2在GCE /GR-发现使用石墨烯修饰的电极对H 2O 2的电催化还原峰电流明显大于未使用石墨烯修饰的电极，且还原峰电位正移了85mV ，表明该石墨烯修饰电极对H 2O 2有很强的电催化活性，并且可以有效减少其它物质PDA /HRP/Nafion电极在0，0．2，0．4，0．6，0．8和1．0mmol /LH 2O 2溶液的干扰。图4B 为GCE /GR-中的循环伏安图。3．5

电极过程的机理

以HQ 为媒介体的过氧化氢生物传感器的催化过程原理如下：

H 2O 2+HRP →HRP-Ⅰ+H 2O

*

HRP-Ⅰ+HQ （Red ）→HRP-Ⅱ+HQ （Ox ）→HRP +HQ （Ox ）

HQ （Ox ）+2H ++2e →HQ （Red ）

（1）（2）（3）

HQ （Ox ）被还原为HQ （Red ），从而形成还原电流。石墨烯表面存在大量类似于断层的结构缺陷，能提供较多的反应活性位点，同时由于其优良的导电性能，又能促进酶活性中心与电极间的电子转移过程。因此聚多巴胺-石墨烯复合材料既具有石墨烯的优良的电催化性能，又表现出良好的生物相容性。其对过氧化氢表现出良好的电催化活性，使过氧化氢能够在较正的电位下发生电催化还原反应。3．6不同修饰电极的电化学性质比较

t 响应曲线，图5比较了3种不同修饰电极对H 2O 2的i-发现聚多巴胺仿生功能化的石墨烯修饰电极对H 2O 2的响应电流明显增大。石墨烯由于其巨大的比表面积及优良的导电性能能够为HRP 活性中

图4（A ）GCE /HRP/Nafion电极（线1和线2）与GCE /GR-PDA /HRP/Nafion电极（线3和线

4）在不含H 2O 2（线1和线3）和含有1．0mmol /LH 2O 2的PBS 溶液（线2和线4）中的CV 曲PDA /HRP/Nafion电极在含有0（a ），0．2（b ），0．4（c ），0．6（d ），0．8（e ），线；（B ）GCE /GR-1．0（f ）mmol /LH 2O 2的PBS 溶液中的CV 曲线Fig．4

（A ）CVs of GCE /HRP/Nafion（line 1and line 2）and GCE /GR-PDA /HRP/Nafion（line

3and line 4）in the absence （line 1and line 3）and presence （line 2and line 4）of 1．0mmol /LPDA /HRP/Nafionin 0．1mol /LPBSsolu-H 2O 2in 0．1mol /LPBS solution．（B ）CVs of GCE /GR-tions containing 0（a ），0．2（b ），0．4（c ），0．6（d ），0．8（e ），1．0（f ）mmol /LH 2O 2．Scan rate ，100mV /s，the substrate solution containing 0．2mmol /Lhydroquinone （HQ ）

心与电极表面的电子传递提供快速通道，同时由于

聚多巴胺膜的生物相容性能有效保护HRP 的生物活PDA 复合材料能极大地促进酶活性性。因此，GR-对H 2O 2有很强的电中心与电极间的电子传递速率，催化活性，提高检测的灵敏度。

3．7i-t 曲线法检测H 2O 2的浓度

在0V 恒定电位下，连续加入不同浓度的H 2O 2，

PDA /HRP/Nafion修饰电极对H 2O 2考察GCE /GR-的电流响应。如图6所示，传感器对H 2O 2有快速灵

敏的响应，响应电流在5s 内达到稳态电流的95%。

－7－4

在5．0×10～3．3×10mol /L范围内，响应电流

线性回归方程为Y =与H 2O 2浓度呈线性关系，

图5GCE /HRP/Nafion（a ），GCE /GO/HRP/Nafion

（b ），GCE /GR-PDA /HRP/Nafion（c ）对H 2O 2的i-t 响应曲线，工作电位：0V Fig．5

Chronoamperometric responses for GCE /HRP/

Nafion （a ），GCE /GO/HRP/Nafion（b ），GCE /GR-PDA /HRP/Nafion（c ）upon subsequent additions of

29．69x +0．04577，灵敏度为0．42A （mol /L）cm ，R =0．9995，检出限（S /N=3）为3．7×10

mol /L。3．8

－2

－1－7

传感器抗干扰性研究H 2O 2in PBS solution．Potential applied ：0V 在最佳的实验条件下，且H 2O 2浓度为50! mol /L 时，L-L-加入4倍浓度的抗坏血酸，半胱氨酸、甘氨酸、组氨酸对实验结果均不产生明显干扰，说明此传

感器对H 2O 2具有良好的选择性。3．9传感器的重现性和稳定性

采用此电极平行测定1．0mmol /LH 2O 210次，相对标准偏差为2．8%。将修饰电极置于4℃的冰箱

28d 后仍保留响应电流的70%左右，中考察其稳定性，每隔7d 测定一次，表明此电极具有较好的稳定性。References

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图6Fig．6

GCE /GR-PDA /HRP/Nafion修饰电极对H 2O 2的Chronoamperometric responses to H 2O 2additions

i-t 响应曲线，工作电位：0V 。

on GCE /GR-PDA /HRP/Nafion．Potential applied ：0V

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Preparation of H 2O 2Biosensor Based on

Graphene-polydopamine Nanomaterials

ZHENG Long-Zhen *，LI Yin-Di ，XIONG Le-Yan ，LIU Wen ，LIU Qiang ，HAN Kui ，YANG Shao-Ming ，XIA Jian

（Department of Chemistry and Chemical Engineering ，East China Jiao Tong University ，Nanchang 330013）

Abstract A novel graphene-polydopamine nanomaterial with biomimetic functions was synthesized．The gra-

phene-polydopamine nanomaterial was applied in the fabrication of H 2O 2biosensors by using hydroquinone as electron mediator．The modified electrode exhibited good electrocatalytical activity to H 2O 2．The linear range was from 5．0×10－7to 3．3×10－4mol /Lwith a detection limit of 3．7×10－7mol /L（S /N=3）and the linear correlation coefficient was 0．9995．Keywords

Polydopamine ；Graphene ；Hydroquinone ；Horseradish peroxidase ；Hydrogen peroxide

（Received 31March 2011；accepted 21June 2011）