CN116297745A - 具有氧功能化石墨烯膜的碳电极及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有氧功能化石墨烯膜的碳电极及其制备方法和应用，属于电化学检测技术领域。其中，该碳电极的制备方法包括以下步骤：将裸碳电极放在pH为7.2、浓度为0.1M的磷酸盐缓冲溶液中于1.75V高氧化电位下I‑T处理10min得到EGO^1/1.75V，将EGO^1/1.75V放在pH为4.0、浓度为0.1M的醋酸盐缓冲溶液中于‑0.85V负还原电位下I‑T处理10min得到

本发明的有益之处在于：在室温、无酸、无碱、无有机溶剂的条件下，可以直接在各种裸碳电极(包括裸碳微电极)表面原位生成氧功能化石墨烯膜，制备方法简单、方便，既实现了绿色合成，又免去了电极修饰过程，还解决了修饰层不稳定的问题。

Description

具有氧功能化石墨烯膜的碳电极及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种碳电极及其制备方法和应用，具体涉及一种具有氧功能化石墨烯膜的碳电极及其制备方法和在检测生物巯基(如谷胱甘肽、半胱氨酸、高半胱氨酸)和其它电活性分子(如尿酸、抗坏血酸、多巴胺、血清素、氨基酸、亚硝酸盐、酚类污染物等)中的应用，属于电化学检测技术领域。

背景技术

生物巯基分子主要包括谷胱甘肽、半胱氨酸、高半胱氨酸等，它们是人体内重要的非蛋白小分子巯基化合物，在人体生理活动中起到重要作用，并且与很多疾病息息相关。例如：

(1)谷胱甘肽在生物体内起到抗氧化作用，能够有效清除掉人体内的自由基，保护许多蛋白质和酶等分子中的巯基不被氧化，从而保证蛋白质和酶等分子正常的生理功能。近年来，越来越多的研究表明人体内谷胱甘肽含量的失衡与很多疾病有关，如阿尔海默茨病、老年痴呆、HIV、糖尿病、癌症、免疫性疾病等。谷胱甘肽主要存在于细胞当中，广泛分布在肝脏和大脑中。在大脑中的分布不均匀，不同区域含量不同，大多数谷胱甘肽存在非神经元细胞中。另外，谷胱甘肽也存在于植物体中，植物本身可通过谷胱甘肽来抵御环境应激，还能缓解重金属对植物的毒害作用。

(2)半胱氨酸也具有重要的抗氧化和解毒作用，它还是体内合成谷胱甘肽的前体之一，与谷胱甘肽不同，它主要存在于血液中。

因此，检测人体内的生物巯基分子对于理解生理过程以及疾病诊断均具有重要的意义，特别是细胞内谷胱甘肽分析以及大脑等器官内的活体分析。

目前，监测生物巯基分子的方法有荧光、紫外可见、质谱、色谱、核磁共振、电化学等方法。相比于其他方法，电化学不需要昂贵的仪器和复杂的样品处理过程，操作简单，易于小型化，可用于床旁及时检测以及活体分析。电化学检测的关键是电极的修饰，电极表面修饰具有巯基电活性的纳米材料，实现巯基的电氧化，产生电化学信号。目前有效的催化剂有碳材料(碳纳米管、介孔碳、氧化石墨烯等)、金纳米材料、金属氧化物、金属-酞菁等，然而这些材料基本都存在制备过程繁琐、价格昂贵、不易修饰微电极等不足。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有氧功能化石墨烯膜的碳电极，以及一种在室温、无酸、无碱、无有机溶剂的条件下就可以制备得到该碳电极的方法，同时还提供该碳电极的新用途——检测生物巯基(如谷胱甘肽、半胱氨酸、高半胱氨酸)和其它电活性分子(如尿酸、抗坏血酸、多巴胺、血清素、氨基酸、亚硝酸盐、酚类污染物等)。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种具有氧功能化石墨烯膜的碳电极的制备方法，包括以下步骤：

Step1：电化学氧化

将裸碳电极放在pH为7.2、浓度为0.1M的磷酸盐缓冲溶液中，在1.75V高氧化电位下I-T处理10min，水冲洗干净备用，记为EGO^1/1.75V，其中，所述裸碳电极包括裸玻碳电极、裸石墨电极、裸碳纤维电极和裸碳微电极；

Step2：电化学还原

将EGO^1/1.75V放在pH为4.0、浓度为0.1M的醋酸盐缓冲溶液中，在-0.85V负还原电位下I-T处理10min，水冲洗干净备用，记为

一种具有氧功能化石墨烯膜的碳电极，由前述方法制备得到，可以用于检测谷胱甘肽、半胱氨酸、高半胱氨酸、尿酸、抗坏血酸、多巴胺、血清素、氨基酸、亚硝酸盐和酚类污染物。

本发明的有益之处在于：

(1)本发明提供的制备方法，在室温、无酸、无碱、无有机溶剂的条件下，可以直接在各种裸碳电极(包括裸碳微电极)表面原位生成氧功能化石墨烯膜，快速制备得到具有氧功能化石墨烯膜的碳电极，制备方法简单、方便，既实现了绿色合成，又免去了电极修饰过程，还解决了修饰层不稳定的问题；

(2)采用本发明提供的制备方法制备得到的具有氧功能化石墨烯膜的碳电极，具有良好的抗生物污染特性；

(3)采用本发明提供的制备方法制备得到的具有氧功能化石墨烯膜的碳电极，可通过电化学氧化-电化学还原进行再处理，可重复使用，解决了化学污染的问题；

(4)采用本发明提供的制备方法制备得到的具有氧功能化石墨烯膜的碳电极，可用于谷胱甘肽、半胱氨酸、高半胱氨酸等生物巯基的检测，还可以用于尿酸、抗坏血酸、多巴胺、血清素、氨基酸、亚硝酸盐、酚类污染物等其它电活性分子的检测。

附图说明

图1是三种碳电极的水接触角测试结果图，其中，A是GCE的水接触角测试结果图，B是EGO^1/1.75V的水接触角测试结果图，C是

的水接触角测试结果图；

图2是三种碳电极的拉曼光谱图，其中，A是GCE的拉曼光谱图，B是EGO^1/1.75V的拉曼光谱图，C是

的拉曼光谱图；

图3是三种碳电极的C1s谱图，其中，A是GCE的C1s谱图，B是EGO^1/1.75V的C1s谱图，C是

的C1s谱图；

图4是三种碳电极的O1s谱图，其中，A是GCE的O1s谱图，B是EGO^1/1.75V的O1s谱图，C是

的O1s谱图；

图5是三种碳电极在不同试剂中的循环伏安图和电化学阻抗谱，其中，A和C是GCE、EGO^1/1.75V和

分别在Fe(CN)₆ ^3-和Fe(CN)₆ ^4-中的循环伏安图，B和D是GCE、EGO^{1 /1.75V}和/>

分别在Ru(NH₃)₆ ²⁺和Ru(NH₃)₆ ³⁺中的电化学阻抗谱；

图6是三种电极对GSH的CV响应曲线图；

图7是

对不同浓度GSH的I-T响应图；

图8是三种电极的抗生物污染性能测试结果图，其中，铁氰化钾溶液的浓度是5mM，实线为不存在牛血清白蛋白的情况，虚线为存在10mg/mL牛血清白蛋白的情况；

图9是

经过三次重复电化学处理后对谷胱甘肽的响应情况图，其中，A是/>

经过一次氧化-还原处理后对谷胱甘肽的循环伏安曲线图，B是

连续经过两次氧化-还原处理重复使用后对谷胱甘肽的循环伏安曲线图，C是

连续经过三次氧化-还原处理重复使用后对谷胱甘肽的循环伏安曲线图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

一、制备具有氧功能化石墨烯膜的碳电极

三电极系统：碳电极(包括微碳电极)为工作电极，银/氯化银电极为参比电极，铂丝电极为对电极，所需仪器为电化学工作站。

实施例1

Step1：电化学氧化

将裸玻碳电极(GCE)放在pH为7.2、浓度为0.1M的磷酸盐缓冲溶液中，在1.75V(相对于饱和银/氯化银电极)高氧化电位下I-T处理10min，水冲洗干净备用，记为EGO^1/1.75V。

Step2：电化学还原

将EGO^1/1.75V放在pH为4.0、浓度为0.1M的醋酸盐缓冲溶液中，在-0.85V(相对于饱和银/氯化银电极)负还原电位下I-T处理10min，水冲洗干净备用，记为

实施例2

Step1：电化学氧化

将裸石墨电极放在pH为7.2、浓度为0.1M的磷酸盐缓冲溶液中，在1.75V(相对于饱和银/氯化银电极)高氧化电位下I-T处理10min，水冲洗干净备用，记为EGO^1/1.75V。

Step2：电化学还原

将EGO^1/1.75V放在pH为4.0、浓度为0.1M的醋酸盐缓冲溶液中，在-0.85V(相对于饱和银/氯化银电极)负还原电位下I-T处理10min，水冲洗干净备用，记为

实施例3

Step1：电化学氧化

将裸碳纤维电极放在pH为7.2、浓度为0.1M的磷酸盐缓冲溶液中，在1.75V(相对于饱和银/氯化银电极)高氧化电位下I-T处理10min，水冲洗干净备用，记为EGO^1/1.75V。

Step2：电化学还原

将EGO^1/1.75V放在pH为4.0、浓度为0.1M的醋酸盐缓冲溶液中，在-0.85V(相对于饱和银/氯化银电极)负还原电位下I-T处理10min，水冲洗干净备用，记为

实施例4

Step1：电化学氧化

将裸碳微电极放在pH为7.2、浓度为0.1M的磷酸盐缓冲溶液中，在1.75V(相对于饱和银/氯化银电极)高氧化电位下I-T处理10min，水冲洗干净备用，记为EGO^1/1.75V。

Step2：电化学还原

将EGO^1/1.75V放在pH为4.0、浓度为0.1M的醋酸盐缓冲溶液中，在-0.85V(相对于饱和银/氯化银电极)负还原电位下I-T处理10min，水冲洗干净备用，记为

二、对三种碳电极进行表征

以实施例1中的GCE、EGO^1/1.75V和

三种碳电极为例进行说明。

1、对三种碳电极进行水接触角表征

对GCE、EGO^1/1.75V和

进行水接触角表征，表征结果见图1。

表征结果显示，GCE表面呈黑色，而经氧化处理得到的EGO^1/1.75V表面呈蓝色，再经还原处理得到的

表面变成棕色。接触角实验表明，三种碳电极表面的亲水性顺序为/>

2、对三种碳电极进行拉曼光谱表征

对GCE、EGO^1/1.75V和

进行拉曼光谱表征，表征结果见图2。

表征结果显示，低波长区域可以拟合出5种成分，分别为D*带、D带、D”带、G带和D’带；长波长区域可以拟合出4种成分，分别为G*带、2D带、D+D’带和2D’带。拟合结果显示，

的D带含量比GCE和EGO^1/1.75V的D带含量都要高，这是由于石墨氧化以及接下来的还原操作改变了石墨平面结构；另外，与GCE和EGO^1/1.75V相比，/>

的I(D)/I(G)(强度比)增大、G带半峰宽右移、2D带强度降低，这些均说明/>

的表面形成了氧功能化石墨烯。

3、对三种碳电极进行XPS表征

对GCE、EGO^1/1.75V和

进行XPSC1s谱表征，表征结果见图3。

表征结果显示，EGO^1/1.75V和

可以拟合出4种成分，分别为C-O(285.8eV)、C＝O(287.0eV)、O-C＝O(288.5eV)以及C-C/C＝C(284.5eV)。但是GCE中缺少O-C＝O成分。由于电化学氧化，与GCE相比，EGO^1/1.75V呈现更高含量的C＝O和O-C＝O组分，但是C-O和C-C/C＝C的含量相对较低。与EGO^1/1.75V相比，/>

的O-C＝O和C＝O含量降低，C-C/C＝C和C-O的含量升高。

对GCE、EGO^1/1.75V和

进行XPSO1s谱表征，表征结果见图4。

表征结果显示，EGO^1/1.75V和

可以拟合出5种成分，分别为O-C＝O(～530.9eV)、C＝O(～531.5eV)、C-OH(～532.6eV)、C-O-C(～533.5eV)以及化学吸附的水和氧(～535.0eV)，其含量变化与C1s谱基本一致。然而GCE中没有检测出化学吸附的水和氧(～535.0eV)，并且几乎没有检出O-C＝O。

4、对三种碳电极进行界面电化学和电化学阻抗谱表征

分别在Fe(CN)₆ ^3-和Fe(CN)₆ ^4-中对GCE、EGO^1/1.75V和

进行界面电化学表征，分别在Ru(NH₃)₆ ²⁺和Ru(NH₃)₆ ³⁺中对GCE、EGO^1/1.75V和/>

进行电化学阻抗表征，表征结果见图5。

由图5中的A和C可知，GCE、EGO^1/1.75V和

在Fe(CN)₆ ^3-和Fe(CN)₆ ^4-中的循环伏安图有很大区别，氧化还原电流的顺序为：

上的电流大约是EGO^1/1.75V上的电流的15倍，另外，/>

上的充电电流比GCE和EGO^1/1.75V上的充电电流都要高，这与文献上报道的电化学还原氧化石墨烯相一致。

由图5中的B和D可知，GCE、EGO^1/1.75V和

在Ru(NH₃)₆ ²⁺和Ru(NH₃)₆ ³⁺中的电化学性质也有很大区别，GCE上只有一对氧化还原峰，分别在-0.1V和-0.2V，这是扩散控制的过程。但是，在EGO^1/1.75V和/>

上，除了扩散控制的一对氧化还原峰，一对表面扩散控制的峰出现在-0.3V附近。EGO^1/1.75V表面由于拥有更多的含氧管能团(如羧基)会排斥Fe(CN)₆ ^3-和Fe(CN)₆ ^4-，但会吸引Ru(NH₃)₆ ²⁺和Ru(NH₃)₆ ³⁺。拟合的电化学阻抗谱显示电荷转移电阻的顺序为：/>

由以上各种表征结果可知，实施例1提供的制备方法在裸玻碳电极的表面原位合成了氧功能化石墨烯膜。

由于石墨电极、碳纤维电极、碳微电极和玻碳电极一样均是由碳原子组成的，只是杂化方式不同，所以实施例2、实施例3和实施例4提供的制备方法也均可以在相应的裸碳电极的表面原位合成氧功能化石墨烯膜。

三、用三种碳电极检测谷胱甘肽

以实施例1中的GCE、EGO^1/1.75V和

三种碳电极为例进行说明。

1、用GCE、EGO^1/1.75V和

对谷胱甘肽进行电氧化循环伏安表征，溶液为pH为4.0、浓度为0.1M的磷酸盐缓冲溶液，扫速为0.05V/s。

经检测，得到如图6所示的GCE、EGO^1/1.75V和

对谷胱甘肽(GSH)的CV响应曲线图。

由图6可知，相比于GCE和EGO^1/1.75V，

对GSH表现出最佳的电氧化活性，氧化电位为0.2V。

2、

对谷胱甘肽进行I-T检测

在0.2V下，向旋转搅动的缓冲溶液(pH＝4.5、0.1M磷酸盐缓冲溶液)中连续滴加不同浓度(0.2μM至2mM)的谷胱甘肽，用

对连续滴加的不同浓度的谷胱甘肽进行I-T检测。

经检测，得到如图7所示的

对不同浓度谷胱甘肽的I-T响应图。

由图7可知，

对GSH的响应速度较快，在1μM至1.09mM之间呈现良好的线性关系，最低检出限为0.3μM(S/N＝3)。

由于实施例2、实施例3和实施例4制备得到的碳电极的表面和实施例1制备得到的碳电极的表面一样，都原位合成有氧功能化石墨烯膜，所以实施例2、实施例3和实施例4制备得到的碳电极也可以和实施例1制备得到的碳电极一样用来检测谷胱甘肽。

四、三种碳电极的抗污染特性测试

将GCE、EGO^1/1.75V和

三种碳电极分别置于浓度为5mM的铁氰化钾溶液(电解质为浓度为0.1M的氯化钾溶液)中进行循环伏安测试，测试完毕后将三种碳电极清洗干净备用。

将清洗干净的GCE、EGO^1/1.75V和

三种碳电极分别浸泡在浓度为10mg/mL的牛血清白蛋白溶液中，浸泡时间30min，然后将浸泡后的三种碳电极分别置于浓度为5mM的铁氰化钾溶液(电解质为浓度为0.1M的氯化钾溶液)中进行循环伏安测试。

经测试，得到如图8所示的GCE、EGO^1/1.75V和

三种碳电极的抗污染性能测试结果图。其中，实线为不存在牛血清白蛋白的情况，虚线为存在浓度为10mg/mL的牛血清白蛋白的情况。

由图8可知，在高浓度的牛血清白蛋白存在下，

对氧化还原探针铁氰化钾依然表现出良好的电活性，电流没有降低，说明/>

具有优异的抗生物污染特性。

五、具有氧功能化石墨烯膜的碳电极的化学污染恢复特性检测

将测试完GSH的同一个电极再重复进行Step1记载的电化学氧化处理和Step2记载的电化学还原处理，最后再对GSH进行循环伏安测试。

经过三次重复电化学处理后，得到如图9所示的

对谷胱甘肽的循环伏安曲线图。

由图9可知，

经过三次重复电化学处理后，谷胱甘肽氧化电流没有降低，/>

表现出了优异的化学污染恢复特性。

六、用具有氧功能化石墨烯膜的碳电极检测实际样品

采用校准曲线法对不同样品进行分析，样品根据物种在本样品中的浓度范围可进行适当稀释(如检测细胞裂解液中GSH，可稀释50-100倍)。

由于半胱氨酸、高半胱氨酸、尿酸、抗坏血酸、多巴胺、血清素、氨基酸、亚硝酸盐、酚类污染物等和谷胱甘肽一样在此修饰电极上均具有电化学活性，所以本发明制备得到的具有氧功能化石墨烯膜的碳电极也可以用于这些物质的检测。

本发明制备得到的具有氧功能化石墨烯膜的碳电极，其检测样品适用范围包括：动物血液、唾液、尿液、细胞裂解液等生物样品以及组织活体分析和细胞检测；植物样品。

需要说明的是，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明技术方案所引伸出的显而易见变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (4)

1.一种具有氧功能化石墨烯膜的碳电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

Step1：电化学氧化

将裸碳电极放在pH为7.2、浓度为0.1M的磷酸盐缓冲溶液中，在1.75V高氧化电位下I-T处理10min，水冲洗干净备用，记为EGO^1/1.75V；

Step2：电化学还原

将EGO^1/1.75V放在pH为4.0、浓度为0.1M的醋酸盐缓冲溶液中，在-0.85V负还原电位下I-T处理10min，水冲洗干净备用，记为

2.根据权利要求1所述的具有氧功能化石墨烯膜的碳电极的制备方法，其特征在于，所述裸碳电极包括：裸玻碳电极、裸石墨电极、裸碳纤维电极和裸碳微电极。

3.一种具有氧功能化石墨烯膜的碳电极，其特征在于，由权利要求1或2所述方法制备得到。

4.权利要求3所述的具有氧功能化石墨烯膜的碳电极在检测谷胱甘肽、半胱氨酸、高半胱氨酸、尿酸、抗坏血酸、多巴胺、血清素、氨基酸、亚硝酸盐和酚类污染物中的应用。

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