碳/氧化锌纳米线阵列/泡沫石墨烯电化学检测叶酸

工程科学学报，第39卷，第11期：1647-1652,2017年11月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.11:1647-1652,November 2017 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2017.11.006:http://journals..ustb.edu.cn 碳/氧化锌纳米线阵列/泡沫石墨烯电化学检测叶酸 宝”，林轩宇”，黄硕2》，高鑫”，姚龙辉”，岳红彦” 1)哈尔滨理工大学材料科学与工程学院，哈尔滨150040 2)哈尔滨医科大学附属第一医院神经内科，哈尔滨150001 ☒通信作者，E-mail:hyyue@hrbust..cdu.cn 摘要通过化学气相沉积法制备三维(3D)泡沫石墨烯(G),然后利用水热合成法在泡沫石墨烯表面生长氧化锌纳米线 阵列(Zm0NWAs),再利用化学气相沉积法在其表面沉积碳(C),得到碳/氧化锌纳米线阵列/泡沫石墨烯(C/ZnO NWAs./GF) 复合材料.用该复合材料做电极，采用电化学方法检测叶酸(FA).结果表明，三维泡沫石墨烯具有和模板泡沫镍一样的三维 孔状结构，ZnO NWAs均匀且垂直地生长在泡沫石墨烯表面，碳沉积在Zn0NWAs表面.在线性范围为0~60μmolL内，C/ ZnO NWAs//GF电极检测FA时，灵敏度为0.13uA·μmol',L,且在尿酸(UA)干扰下检测FA具有良好的选择性.C/ZnO NWAs/GF电极有良好的稳定性和重复性 关键词泡沫石墨烯：氧化锌纳米线阵列：碳：电化学生物传感器：叶酸：尿酸 分类号TB332:TP212.3 Electrochemical determination of folic acid using carbon/ZnO nanowire arrays/gra- phene foam WANG Bao,LIN Xuan-yu,HUANG Shuo,GAO Xin,YAO Long-hui,YUE Hong-yan 1)School of Material Science and Engineering,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150040,China 2)Department of Neurology,The First Afiliated Hospital of Harbin Medical University,Harbin 150001,China Corresponding author,E-mail:hyyue@hrbust.edu.cn ABSTRACT Three-dimensional (3D)graphene foam (GF)was synthesized by chemical vapor deposition (CVD).Following this, ZnO nanowire arrays (ZnO NWAs)were grown on the 3D GF by hydrothermal synthesis.Finally,carbon (C)was deposited on the surface of ZnO NWAs by CVD to obtain a C/ZnO NWAs/GF hybrid.This composite was used to detect the presence of folic acid.The experimental results show that the GF inherits the 3D macroporous structure of nickel foam and that the ZnO NWAs are uniformly and vertically grown on the 3D GF.The length and diameter of the ZnO nanowires are -50nm and 2 um,respectively.Carbon is deposi- ted on the surface of ZnO NWAs,and the C/ZnO NWAs/GF is used as a working electrode to detect folic acid (FA)using an electro- chemical method.The experimental results show that the sensitivity of the electrode for FA is 0.13 uAumolL and it has good se- lectivity for detecting FA in the presence of uric acid.The electrode also has excellent reproducibility and stability KEY WORDS graphene foam:ZnO nanowire arrays;carbon:electrochemical biosensor:folic acid;uric acid 叶酸(FA)是一种水溶性维生素，它是人体中不可裂，心肌缺陷等问题.但是过量的FA会使人出现缺 缺少的成分四.人体缺少叶酸会引起贫血，怀孕的女锌，出现恶心、厌食等消化疾病.所以准确灵敏的检测 性如果体内缺少FA,会导致胎儿出生时体重过轻，唇 FA具有重要的意义.目前检测叶酸的方法主要包括 收稿日期：20170307 基金项目：黑龙江省自然科学基金资助项目(LC2015020):国家留学人员科技活动资助项目(2015192)：哈尔滨理工大学青年拔尖创新人才培 养计划资助项目(201604)：黑龙江博士后科研启动基金资助项目(LBH一Q14117):哈尔滨市应用技术研究与开发资助项目(2016 RAQXJ185)

工程科学学报，第 39 卷，第 11 期: 1647--1652，2017 年 11 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 39，No． 11: 1647--1652，November 2017 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2017． 11． 006; http: / /journals． ustb． edu． cn 碳 /氧化锌纳米线阵列 /泡沫石墨烯电化学检测叶酸 王 宝1) ，林轩宇1) ，黄 硕1，2) ，高 鑫1) ，姚龙辉1) ，岳红彦1)  1) 哈尔滨理工大学材料科学与工程学院，哈尔滨 150040 2) 哈尔滨医科大学附属第一医院神经内科，哈尔滨 150001  通信作者，E-mail: hyyue@ hrbust． edu． cn 摘 要 通过化学气相沉积法制备三维( 3D) 泡沫石墨烯( GF) ，然后利用水热合成法在泡沫石墨烯表面生长氧化锌纳米线 阵列( ZnO NWAs) ，再利用化学气相沉积法在其表面沉积碳( C) ，得到碳/氧化锌纳米线阵列/泡沫石墨烯( C/ZnO NWAs /GF) 复合材料． 用该复合材料做电极，采用电化学方法检测叶酸( FA) ． 结果表明，三维泡沫石墨烯具有和模板泡沫镍一样的三维 孔状结构，ZnO NWAs 均匀且垂直地生长在泡沫石墨烯表面，碳沉积在 ZnO NWAs 表面． 在线性范围为 0 ～ 60 μmol·L － 1内，C/ ZnO NWAs /GF 电极检测 FA 时，灵敏度为 0. 13 μA·μmol － 1·L，且在尿酸( UA) 干扰下检测 FA 具有良好的选择性． C/ZnO NWAs /GF 电极有良好的稳定性和重复性． 关键词 泡沫石墨烯; 氧化锌纳米线阵列; 碳; 电化学生物传感器; 叶酸; 尿酸 分类号 TB332; TP212. 3 Electrochemical determination of folic acid using carbon /ZnO nanowire arrays /gra￾phene foam WANG Bao1) ，LIN Xuan-yu1) ，HUANG Shuo1，2) ，GAO Xin1) ，YAO Long-hui1) ，YUE Hong-yan1)  1) School of Material Science and Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150040，China 2) Department of Neurology，The First Affiliated Hospital of Harbin Medical University，Harbin 150001，China  Corresponding author，E-mail: hyyue@ hrbust． edu． cn ABSTＲACT Three-dimensional ( 3D) graphene foam ( GF) was synthesized by chemical vapor deposition ( CVD) ． Following this， ZnO nanowire arrays ( ZnO NWAs) were grown on the 3D GF by hydrothermal synthesis． Finally，carbon ( C) was deposited on the surface of ZnO NWAs by CVD to obtain a C/ZnO NWAs /GF hybrid． This composite was used to detect the presence of folic acid． The experimental results show that the GF inherits the 3D macroporous structure of nickel foam and that the ZnO NWAs are uniformly and vertically grown on the 3D GF． The length and diameter of the ZnO nanowires are ～ 50 nm and 2 μm，respectively． Carbon is deposi￾ted on the surface of ZnO NWAs，and the C/ZnO NWAs /GF is used as a working electrode to detect folic acid ( FA) using an electro￾chemical method． The experimental results show that the sensitivity of the electrode for FA is 0. 13 μA·μmol － 1·L and it has good se￾lectivity for detecting FA in the presence of uric acid． The electrode also has excellent reproducibility and stability． KEY WOＲDS graphene foam; ZnO nanowire arrays; carbon; electrochemical biosensor; folic acid; uric acid 收稿日期: 2017--03--07 基金项目: 黑龙江省自然科学基金资助项目( LC2015020) ; 国家留学人员科技活动资助项目( 2015192) ; 哈尔滨理工大学青年拔尖创新人才培 养计划资助项目( 201604) ; 黑龙江博士后科研启动基金资助项目( LBH--Q14117) ; 哈尔滨市应用技术研究与开发资助项目( 2016ＲAQXJ185) 叶酸( FA) 是一种水溶性维生素，它是人体中不可 缺少的成分［1］． 人体缺少叶酸会引起贫血，怀孕的女 性如果体内缺少 FA，会导致胎儿出生时体重过轻，唇 裂，心肌缺陷等问题． 但是过量的 FA 会使人出现缺 锌，出现恶心、厌食等消化疾病． 所以准确灵敏的检测 FA 具有重要的意义． 目前检测叶酸的方法主要包括

·1648 工程科学学报，第39卷，第11期 高效液相色谱法-、分光光度法5日、化学发光法团 1000型显微共焦激光拉曼光谱仪，激光波长为514m 荧光计法圆和酶联配体吸着剂测试法.这些检测方 1.3电化学性能测试 法复杂，耗时长且成本高.电化学方法在检测生物分 电化学实验在VMP3型电化学工作站(Biologic 子时具有价格低廉、操作方便、稳定性高、灵敏度和选 Science Instrument,法国)上进行.采用三电极检测体 择性高等优点@. 系，以C/Zn0NWAs/GF为工作电极，Ag/AgCl为参比 石墨烯是一种二维单原子厚度的碳材料，具有高 电极，P1丝为对电极.采用循环伏安测试法(CV)和差 光透性，高电导性以及优异的机械性能四.三维(3D) 分脉冲伏安(DPV)检测C/ZnO NWAs/GF对FA的电 泡沫石墨烯(GF)是以泡沫镍为模板，用化学气相沉积 化学性能.检测均在0.01mol·L的磷酸缓冲盐溶液 法(CVD)制备具有空间连通的三维结构石墨烯，具有 (PBS,20mL,pH7.4)中进行. 大的比表面积，同时石墨烯平面为金属氧化物的生长 2 提供了巨大的平台.氧化锌纳米线阵列(ZnO NWAs) 结果与讨论 具有好的生物兼容性、在生理环境中具有化学稳定性、 2.1C/ZnO NWAs./GF的表征 高催化效率以及大的比表面积2。本课题组曾将 图1(a)~图1（d)为不同放大倍数的C/Zn0 Z0NWAs生长在泡沫石墨烯表面用于检测帕金森病 NWAs/GF的扫描图.可以看出：GF保留着泡沫镍的 生物标记物☒，其能够简单、方便地测到标记物浓度. 三维结构骨架，平均孔径约等于300μm.Zn0NWAs 但是Z0是半导体Ⅱ-VI族材料a,电导性较差，响 均匀且垂直生长在GF表面，ZnO NWAs的直径和长度 应信号较低，限制了其应用.此外，由于ZnO NWAs具 分别约等于50nm和2μm.图1(e)为C/Zn0NWAs/ 有较高的等电点(9.5)，在检测生物分子的时候，表面 GF的拉曼光谱图，图中1575cm和2686cm两处的 容易吸附生物分子，影响电化学性能。为了改善 特征峰分别对应G带（由SP2杂化的碳原子的共面振 ZnO NWAs的这一缺陷，采用CVD法将碳(C)沉积在 动引起的峰)和2D带（由于双共振拉曼散射引起峰） 其表面网，改善复合电极的电化学性能 可以看出复合材料由ZnO和GF组成，GF为多层的 本文以泡沫镍为模板，通过CVD制备三维泡沫石 (G/2D大于1)，且无明显的缺陷峰带(1350cm左 墨烯，然后通过水热合成的方法在泡沫石墨烯表面生 右).图1()为C/Zn0NWAs/GF的能谱图，表明C 长ZnO NWAs.最后，再利用CVD在ZnO NWAs表面 沉积在ZnO NWAs表面. 沉积碳，制备出C/ZnO NWAs/GF.使用该复合材料为 2.2C/ZnO NWAs./GF的电化学性能测试 电极，检测溶液中FA的浓度，并研究尿酸(UA)的存 2.2.1循环伏安测试法(CV)测试 在下，FA浓度与峰电流之间的关系 图2为C/ZnO NWAs/GF电极在50μmol·LFA 1 和UA中扫描速率为50mV·s的循环伏安测试曲线. 实验部分 从图中可以明显看出，FA和UA的氧化峰电位分别为 1.1C/ZnO NWAs./GF的制备 0.7V和0.45V,修饰后的C/ZnO NWAs/.GF电极的氧 以泡沫镍为模板，采用CVD法制备三维泡沫石墨 化峰电流值明显高于裸TO玻璃电极，这主要因为C 烯(3DGF)2, 和GF都具有高的导电性，同时ZnO NWAs也为生物 将三维泡沫石墨烯转移到氧化铟锡(TO)玻璃 分子的检测提供了更多的活性点.两曲线的氧化峰与 上，在其表面滴加Zn0种子层，通过水热合成的方法 还原峰并不是完全的对称图形，说明FA与UA在C/ 制备Zn0NWAs,具体的实验操作如文献D2],与其不 ZnO NWAs/GF电极上的氧化和还原反应不是可逆 同的是，反应物中氨水的浓度增加为0.5molL,以 反应 降低ZnO NWAs的密度，制备出ZnO NWAs/GF. 图3为C/Zn0NWAs/GF电极在50mol·L'的 将ZnO NWAs/GF放入真空管式炉中，在Ar(500 FA中不同扫描速率(10,20,50,75和100mV·s)下 mL.min)保护下，以l0℃·min的升温速率将管式 的循环伏安曲线.由图3(a)可以看出，随着扫描速率 炉加热至700℃.将CH,通入管式炉20min,停止通入 的增加，FA氧化峰电流逐渐升高.图3(b)是FA的氧 CH后，炉温降至室温，取出产物即为C/ZnO NWAs/ 化峰电流(1p,μA)与扫描速率(m,mV·s)的拟合曲 GF复合材料. 线.拟合方程为1。=(5.93±1.44)+(0.28±0.02)u、 1.2材料表征 线性相关系数R=0.973.由此得知，该电极反应机理 采用荷兰飞利浦公司的FEI-Sirion200型热场发 为吸附型四， 射扫描电镜(SEM)配备有能谱(EDS)组件，对C/ZnO 2.2.2差分脉冲伏安(DPV)测试 NWAs/GF的形貌进行表征并对元素进行分析.拉曼 与CV测试相比，DPV可以降低背底电流的干扰 光谱(Raman)分析采用英国RENISHAW公司的RM一 而得到更强的分析信号，从而获得更好的灵敏度四

工程科学学报，第 39 卷，第 11 期 高效液相色谱法［2--4］、分光光度法［5--6］、化学发光法［7］、 荧光计法［8］和酶联配体吸着剂测试法［9］． 这些检测方 法复杂，耗时长且成本高． 电化学方法在检测生物分 子时具有价格低廉、操作方便、稳定性高、灵敏度和选 择性高等优点［10］． 石墨烯是一种二维单原子厚度的碳材料，具有高 光透性，高电导性以及优异的机械性能［11］． 三维( 3D) 泡沫石墨烯( GF) 是以泡沫镍为模板，用化学气相沉积 法( CVD) 制备具有空间连通的三维结构石墨烯，具有 大的比表面积，同时石墨烯平面为金属氧化物的生长 提供了巨大的平台． 氧化锌纳米线阵列( ZnO NWAs) 具有好的生物兼容性、在生理环境中具有化学稳定性、 高催化效率以及大的比表面积［12--15］． 本课题组曾将 ZnO NWAs 生长在泡沫石墨烯表面用于检测帕金森病 生物标记物［12］，其能够简单、方便地测到标记物浓度． 但是 ZnO 是半导体 II--VI 族材料［16］，电导性较差，响 应信号较低，限制了其应用． 此外，由于 ZnO NWAs 具 有较高的等电点( 9. 5) ，在检测生物分子的时候，表面 容易吸附生物分子，影响电化学性能［17］． 为了改 善 ZnO NWAs 的这一缺陷，采用 CVD 法将碳( C) 沉积在 其表面［18］，改善复合电极的电化学性能． 本文以泡沫镍为模板，通过 CVD 制备三维泡沫石 墨烯，然后通过水热合成的方法在泡沫石墨烯表面生 长 ZnO NWAs． 最后，再利用 CVD 在 ZnO NWAs 表面 沉积碳，制备出 C / ZnO NWAs /GF． 使用该复合材料为 电极，检测溶液中 FA 的浓度，并研究尿酸( UA) 的存 在下，FA 浓度与峰电流之间的关系． 1 实验部分 1. 1 C /ZnO NWAs /GF 的制备 以泡沫镍为模板，采用 CVD 法制备三维泡沫石墨 烯( 3D GF) ［12，19］． 将三维泡沫石墨烯转移到氧化铟锡( ITO) 玻璃 上，在其表面滴加 ZnO 种子层，通过水热合成的方法 制备 ZnO NWAs，具体的实验操作如文献［12］，与其不 同的是，反应物中氨水的浓度增加为 0. 5 mol·L － 1，以 降低 ZnO NWAs 的密度，制备出 ZnO NWAs /GF． 将 ZnO NWAs /GF 放入真空管式炉中，在 Ar( 500 mL·min － 1 ) 保护下，以 10 ℃·min － 1的升温速率将管式 炉加热至 700 ℃ ． 将 CH4通入管式炉 20 min，停止通入 CH4后，炉温降至室温，取出产物即为 C / ZnO NWAs / GF 复合材料． 1. 2 材料表征 采用荷兰飞利浦公司的 FEI--Sirion200 型热场发 射扫描电镜( SEM) 配备有能谱( EDS) 组件，对 C / ZnO NWAs /GF 的形貌进行表征并对元素进行分析． 拉曼 光谱( Ｒaman) 分析采用英国 ＲENISHAW 公司的 ＲM-- 1000 型显微共焦激光拉曼光谱仪，激光波长为514 nm． 1. 3 电化学性能测试 电化学实验在 VMP3 型电化学工作站( Biologic Science Instrument，法国) 上进行． 采用三电极检测体 系，以 C / ZnO NWAs /GF 为工作电极，Ag /AgCl 为参比 电极，Pt 丝为对电极． 采用循环伏安测试法( CV) 和差 分脉冲伏安( DPV) 检测 C / ZnO NWAs /GF 对 FA 的电 化学性能． 检测均在 0. 01 mol·L － 1的磷酸缓冲盐溶液 ( PBS，20 mL，pH 7. 4) 中进行． 2 结果与讨论 2. 1 C /ZnO NWAs /GF 的表征 图 1( a) ～ 图 1 ( d) 为不同放大倍数的 C / ZnO NWAs /GF 的扫描图． 可以看出: GF 保留着泡沫镍的 三维结构骨架，平均孔径约等于 300 μm． ZnO NWAs 均匀且垂直生长在 GF 表面，ZnO NWAs 的直径和长度 分别约等于 50 nm 和 2 μm． 图 1( e) 为 C / ZnO NWAs / GF 的拉曼光谱图，图中 1575 cm － 1和 2686 cm － 1两处的 特征峰分别对应 G 带( 由 SP2 杂化的碳原子的共面振 动引起的峰) 和 2D 带( 由于双共振拉曼散射引起峰) 可以看出复合材料由 ZnO 和 GF 组成，GF 为多层的 ( G /2D 大于 1) ，且无明显的缺陷峰带( 1350 cm － 1 左 右) ． 图 1( f) 为 C / ZnO NWAs /GF 的能谱图，表明 C 沉积在 ZnO NWAs 表面． 2. 2 C /ZnO NWAs /GF 的电化学性能测试 2. 2. 1 循环伏安测试法( CV) 测试 图 2 为 C / ZnO NWAs /GF 电极在 50 μmol·L － 1 FA 和 UA 中扫描速率为 50 mV·s － 1的循环伏安测试曲线． 从图中可以明显看出，FA 和 UA 的氧化峰电位分别为 0. 7 V 和 0. 45 V，修饰后的 C / ZnO NWAs /GF 电极的氧 化峰电流值明显高于裸 ITO 玻璃电极，这主要因为 C 和 GF 都具有高的导电性，同时 ZnO NWAs 也为生物 分子的检测提供了更多的活性点． 两曲线的氧化峰与 还原峰并不是完全的对称图形，说明 FA 与 UA 在 C / ZnO NWAs /GF 电极上的氧化和还原反应不是可逆 反应． 图 3 为 C / ZnO NWAs /GF 电极在 50 μmol·L － 1 的 FA 中不同扫描速率( 10，20，50，75 和100 mV·s － 1 ) 下 的循环伏安曲线． 由图 3( a) 可以看出，随着扫描速率 的增加，FA 氧化峰电流逐渐升高． 图 3( b) 是 FA 的氧 化峰电流( IP，μA) 与扫描速率( v，mV·s － 1 ) 的拟合曲 线． 拟合方程为 Ip = ( 5. 93 ± 1. 44) + ( 0. 28 ± 0. 02) v、 线性相关系数 Ｒ2 = 0. 973． 由此得知，该电极反应机理 为吸附型［20］． 2. 2. 2 差分脉冲伏安( DPV) 测试 与 CV 测试相比，DPV 可以降低背底电流的干扰 而得到更强的分析信号，从而获得更好的灵敏度［21］． · 8461 ·

王宝等：碳/氧化锌纳米线阵列/泡沫石墨烯电化学检测叶酸 ·1649· e C/ZnO NWAs/GF Zno 1000 2000 3000 能量eV 拉曼位移cm 图1C/ZnO NWAs/GF的扫描形貌与结构.(a)~(d)C/ZnO NWAs/GF不同放大倍数的扫描图：(c)C/ZnO NWAs/.GF拉曼图：()C/ ZnO NWAs/GF的能谱分析图 Fig.1 SEM images and structure of C/ZnO NWAs/GF:(a)-(d)SEM images of C/ZnO NWAs/GF with different magnifications:(e)Raman spectrum of C/ZnO NWAs/GF:(f)EDS of C/ZnO NWAs/GF 0.04 0.06 C/ZnO NWAs/GF (a) -C/ZnO NWAs/GF 1T0 -T0 0.02 0.03 0%2 -0.03 0 0.20.40.6 0.8 1.0 0.2 00.20.40.60.81.0 电压N 电压/N 图2C/Zn0NWAs/GF电极在50molL'的FA(a)和UA(b)中的CV曲线 Fig.2 CV curves of C/ZnO NWAs/GF electrode in 50 umol-L-FA (a)and UA (b) 为了得到更精确的检测结果，进一步采用DPV测试方 表1不同电极采用差分脉冲伏安法对FA的检测结果 法对C/ZnO NWAs/GF电极进行电化学性能测试.图 Table 1 Results for detection of FA using DPV using different elec- 4(a)可以看出，在浓度为0~60 mol-L的范围内，随 trodes 着FA浓度(CA)的增加，氧化峰电流值逐渐升高.FA 灵敏度/ 线性范围/ 电极 数据来源 浓度与氧化峰电流的拟合曲线为1。=(1.11±0.36)+ (uA-umol-1.L)(pmol-L-) 0.01 0.02-1.00 (0.13±0.01)CEA(R2=0.9765).所以，C/Zn0NWAs/ 碳纤维 文献22] MC-CNPE 0.03 15550 文献23] GF电极检测FA时的检测限为1umol·L,灵敏度为 ZONMCPE 0.01 20~2500 0.13uA·umol.L(图4(b). 文献24] C/ZnO NWAs/GF 0.13 1-60 表1为不同电极材料检测FA的灵敏度及检测限 本文 等电化学性能结果对比.可以看出C/ZnO NWAs/GF 注：MC-CNPE为钼(VI)/碳纳米管修饰碳糊电极：ZONMCPE/ 电极在检测FA时具有良好的性能指标. CPE为ZO2纳米颗粒修饰碳糊电极 UA与FA共同存在于人体体液中，研究UA存在 度(1,5,10,20,30,40,50和60 umol.L)FA进行 下，采用C/ZnO NWAs/GF电极对测量FA具有重要的 的DPV测试.随着FA浓度的增加，氧化峰电流逐渐 意义.图5(a)是在15umol·LUA干扰下对不同浓 升高.图5(b)是FA氧化峰电流与浓度的拟合曲线

王 宝等: 碳/氧化锌纳米线阵列/泡沫石墨烯电化学检测叶酸 图 1 C /ZnO NWAs/GF 的扫描形貌与结构． ( a) ～ ( d) C /ZnO NWAs/GF 不同放大倍数的扫描图; ( e) C /ZnO NWAs/GF 拉曼图; ( f) C / ZnO NWAs/GF 的能谱分析图 Fig． 1 SEM images and structure of C /ZnO NWAs/GF: ( a) --( d) SEM images of C /ZnO NWAs/GF with different magnifications; ( e) Ｒaman spectrum of C /ZnO NWAs/GF; ( f) EDS of C /ZnO NWAs/GF 图 2 C /ZnO NWAs/GF 电极在 50 μmol·L － 1的 FA ( a) 和 UA ( b) 中的 CV 曲线 Fig． 2 CV curves of C /ZnO NWAs/GF electrode in 50 μmol·L － 1 FA ( a) and UA ( b) 为了得到更精确的检测结果，进一步采用 DPV 测试方 法对 C / ZnO NWAs /GF 电极进行电化学性能测试． 图 4( a) 可以看出，在浓度为 0 ～ 60 μmol·L － 1的范围内，随 着 FA 浓度( CFA ) 的增加，氧化峰电流值逐渐升高． FA 浓度与氧化峰电流的拟合曲线为 Ip = ( 1. 11 ± 0. 36) + ( 0. 13 ± 0. 01) CFA ( Ｒ2 = 0. 9765) ． 所以，C / ZnO NWAs / GF 电极检测 FA 时的检测限为 1 μmol·L － 1，灵敏度为 0. 13 μA·μmol － 1·L ( 图 4( b) ) ． 表 1 为不同电极材料检测 FA 的灵敏度及检测限 等电化学性能结果对比． 可以看出 C / ZnO NWAs /GF 电极在检测 FA 时具有良好的性能指标． UA 与 FA 共同存在于人体体液中，研究 UA 存在 下，采用 C / ZnO NWAs /GF 电极对测量 FA 具有重要的 意义． 图5 ( a ) 是 在1 5μmol·L － 1 UA干扰下对不同浓 表 1 不同电极采用差分脉冲伏安法对 FA 的检测结果 Table 1 Ｒesults for detection of FA using DPV using different elec￾trodes 电极 灵敏度/ ( μA·μmol － 1·L) 线性范围/ ( μmol·L － 1 ) 数据来源 碳纤维 0. 01 0. 02 ～ 1. 00 文献［22］ MC--CNPE 0. 03 15 ～ 550 文献［23］ ZONMCPE 0. 01 20 ～ 2500 文献［24］ C /ZnO NWAs/GF 0. 13 1 ～ 60 本文 注: MC--CNPE 为钼( VI) /碳纳米管修饰碳糊电极; ZONMCPE / CPE 为 ZrO2纳米颗粒修饰碳糊电极． 度( 1，5，10，20，30，40，50 和 60 μmol·L － 1 ) FA 进行 的 DPV 测试． 随着 FA 浓度的增加，氧化峰电流逐渐 升高． 图 5( b) 是 FA 氧化峰电流与浓度的拟合曲线， · 9461 ·

·1650· 工程科学学报，第39卷，第11期 0.05(a 100mVs-4 (5.93±1.44+0.28±0.02m R2=0.973 40 10mV.s 20 ◆ 0.20 0.20.40.6 0.81.0 20 4060 80 100 电压N 扫描速率(mV·g) 图3C/Zm0NWAs/GF电极在50μmol-L-1 FA中不同扫描速率的CV曲线(a)及C/ZnO NWAs/GF电极氧化蜂电流与扫描速率的拟合曲 线() Fig.3 CV curves of the C/ZnO NWAs/GF electrode in 50 pmol-L FA with different scanning rates (a)and oxidation peak current of the C/ZnO NWAs/GF electrode vs.of scan rate (b) 12 60 umol.L- -1,11±0.36+0.130.01)CA 40 R2-0.9765 0 umol .L- 30 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 10 2030405060 70 电压N 浓度mol·L-) 图4 C/ZnO NWAs/.GF电极在不同浓度FA的DPV曲线(a)及FA峰电流与FA浓度的关系(b) Fig.4 DPV curves of C/ZnO NWAs/GF electrode in FA with different concentrations (a)and relationship of FA oxidation peak current vs.FA con- centration (b) 60 umol.L 8(b) I=(0,87±0.19)+(0.12±0.01)C 52 -0.983 ImolL-l 15 umol+L ■ 4 0.2 0.40.60.8 0 10 2030405060 电压N 浓度μmol·L) 图515 umol+L-1UA干扰下不同浓度FA的DPV曲线(a)及FA峰电流与浓度的关系(b) Fig.5 DPV curves of the C/ZnO NWAs/CF electrode to detect FA in the presence of 15 umol-LUA (a)and relationship of FA oxidation current vs.FA concentration (b) 曲线方程为I。=(0.87±0.19)+(0.12±0.01)CA2.2.3C/Zn0NWAs/GF电极重复性与稳定性测试 (R=0.983).由此证明，UA的存在并未对FA造成 用C/ZnO NWAs/.GF电极对50 umol.L-的FA进 明显干扰.C/ZnO NWAs/GF电极在检测FA时具有优 行重复性的DPV测试（如图6(a).共进行了15次重 异的选择性 复实验，实验时间间隔为10min.结果表明，氧化峰电

工程科学学报，第 39 卷，第 11 期 图 3 C /ZnO NWAs/GF 电极在 50 μmol·L － 1 FA 中不同扫描速率的 CV 曲线( a) 及 C /ZnO NWAs/GF 电极氧化峰电流与扫描速率的拟合曲 线( b) Fig． 3 CV curves of the C /ZnO NWAs/GF electrode in 50 μmol·L － 1 FA with different scanning rates ( a) and oxidation peak current of the C /ZnO NWAs/GF electrode vs． of scan rate ( b) 图 4 C /ZnO NWAs/GF 电极在不同浓度 FA 的 DPV 曲线 ( a) 及 FA 峰电流与 FA 浓度的关系( b) Fig． 4 DPV curves of C /ZnO NWAs/GF electrode in FA with different concentrations ( a) and relationship of FA oxidation peak current vs． FA con￾centration ( b) 图 5 15 μmol·L － 1 UA 干扰下不同浓度 FA 的 DPV 曲线( a) 及 FA 峰电流与浓度的关系( b) Fig． 5 DPV curves of the C /ZnO NWAs/GF electrode to detect FA in the presence of 15 μmol·L － 1UA ( a) and relationship of FA oxidation current vs． FA concentration ( b) 曲线方程为 Ip = ( 0. 87 ± 0. 19) + ( 0. 12 ± 0. 01) CFA ( Ｒ2 = 0. 983) ． 由此证明，UA 的存在并未对 FA 造成 明显干扰． C / ZnO NWAs /GF 电极在检测 FA 时具有优 异的选择性． 2. 2. 3 C / ZnO NWAs /GF 电极重复性与稳定性测试 用 C / ZnO NWAs /GF 电极对 50 μmol·L － 1的 FA 进 行重复性的 DPV 测试( 如图 6( a) ) ． 共进行了 15 次重 复实验，实验时间间隔为 10 min． 结果表明，氧化峰电 · 0561 ·

王宝等：碳/氧化锌纳米线阵列/泡沫石墨烯电化学检测叶酸 ·1651· 流值的相对标准偏差(RSD)为1.9%，证明该电极具 在0.01 mol.L-PBS溶液中使用，一共测试两周.其相 有优异的重复性.将该电极放置5d后，继续对FA进 对标准偏差为2.1%，表明C/Zn0NWAs/GF电极具有 行DPV测试（如图6(b)),每两天进行一次测试，而且 优异的稳定性 40 60r (a 30 25 1 02 0.4 0.6 0.8 1.0 0246810121416 电压/N 时间/d 图6C/ZnO NWAs/GF电极的重复性测试图(a)及C/ZnO NWAs./GF电极的稳定性测试图(b) Fig.6 Reproducibility of the C/ZnO NWAs/GF electrode (a)and stability of the C/ZnO NWAs/GF electrode (b) 2.2.4C/Zn0NWAs/GF电极在蛋白质及离子环境中 (NaCl,KHCO,)等存在下采用DPV方法对FA进行测 检测FA 量.测试结果如表2中所示.表明C/ZnO NWAs/GF 为了测试C/ZnO NWAs/GF电极的实用性，真实 电极在离子及蛋白质存在下对FA测量是可行的. 生物样本分析是在蛋白质、K、Na、CI°、HCO 表2为C/ZnO NWAs/GF电极用于在离子及蛋白质等存在下检测FA Table 2 Application of C/ZnO NWAs/GF electrode for simultaneous determination of FA in ionicss and protein 样品 加入量/（μnol.L-I) 发现量/（μmolL1) 回收率/% 相对标准偏差/% 0 0 一 一 4.9 98.0 2.1 蛋白质/氯化钠/碳酸氢钾 10 10.3 103.1 2.2 20 20.2 100.8 2.0 matography.J Chromatogr A,2008,1213(1):93 3结论 3]Phillips K M,Ruggio D M,Haytowitz D B.Folate composition of 通过CVD制备出三维泡沫石墨烯，采用水热合成 10 types of mushrooms determined by liquid chromatography-mass 法将ZnO NWAs垂直生长于GF表面，再次CVD将碳 spectrometry.Food Chem,2011,129(2):630 4 Kirsch S H,Knapp J P,Herrmann W,et al.Quantification of 沉积于ZnO NWAs表面.C/ZnO NWAs/GF电极在检 key folate forms in serum using stable-isotope dilution ultra per- 测FA时具有优异的电化学性能，在浓度为0~60μmol formance liquid chromatography-tandem mass spectrometry.J L的范围内，灵敏度为0.13uA·umoL,具有良 Chromatogr B,2010,878(1):68 好的稳定性及重复性，且在UA的千扰下，C/ZnO [5] Shishehbore M R,SheibaniA,Haghdost A.Kinetic spectrophoto- NWAs/GF电极具有优异的选择性.C/ZnO NWAs/GF metric method as a new strategy for the determination of vitamin B 电极也将在检测其他生物分子上具有巨大的潜力. in pharmaceutical and biological samples.Spectrochim Acta A, 2011,81(1):304 参考文献 6]Akhtar M J.Khan M A,Ahmad I.Identification of photoproducts of folic acid and its degradation pathways in aqueous solution.J Asaikkutti A,Bhavan PS,Vimala K.Effects of different levels of Pharm Biomed Anal,2003,31(3):579 dietary folic acid on the growth performance,muscle composition, Zhang BT,Zhao LX,Lin J M.Determination of folic acid by immune response and antioxidant capacity of freshwater prawn, chemiluminescence based on peroxomonosulfate-cobalt (Il)sys- Macrobrachium rosenbergii.Aquaculture,2016,464:136 tem.Talanta,2008,74(5):1154 Cheung R H F,Morrison P D,Small D M,et al.Investigation of 8] Blanco CC,Carretero A S,Gutierrez A F,et al.Fluorometric folic acid stability in fortified instant noodles by use of capillary determination of folic acid based on its reaction with the fluorogen- electrophoresis and reversed-phase high performance liquid chro- ic reagent fluorescamine.Anal Lett,1994,27(7):1339

王 宝等: 碳/氧化锌纳米线阵列/泡沫石墨烯电化学检测叶酸 流值的相对标准偏差( ＲSD) 为 1. 9% ，证明该电极具 有优异的重复性． 将该电极放置 5 d 后，继续对 FA 进 行 DPV 测试( 如图 6( b) ) ，每两天进行一次测试，而且 在 0. 01 mol·L － 1PBS 溶液中使用，一共测试两周． 其相 对标准偏差为 2. 1% ，表明 C / ZnO NWAs /GF 电极具有 优异的稳定性． 图 6 C /ZnO NWAs/GF 电极的重复性测试图( a) 及 C /ZnO NWAs/GF 电极的稳定性测试图( b) Fig． 6 Ｒeproducibility of the C /ZnO NWAs/GF electrode ( a) and stability of the C /ZnO NWAs/GF electrode ( b) 2. 2. 4 C / ZnO NWAs /GF 电极在蛋白质及离子环境中 检测 FA 为了测试 C / ZnO NWAs /GF 电极的实用性，真实 生物 样 本 分 析 是 在 蛋 白 质、K + 、Na + 、Cl － 、HCO － 3 ( NaCl，KHCO3 ) 等存在下采用 DPV 方法对 FA 进行测 量． 测试结果如表 2 中所示． 表明 C / ZnO NWAs /GF 电极在离子及蛋白质存在下对 FA 测量是可行的． 表 2 为 C /ZnO NWAs/GF 电极用于在离子及蛋白质等存在下检测 FA Table 2 Application of C /ZnO NWAs/GF electrode for simultaneous determination of FA in ionicss and protein 样品 加入量/( μmol·L － 1 ) 发现量/( μmol·L － 1 ) 回收率/% 相对标准偏差/% 0 0 — — 蛋白质/氯化钠/碳酸氢钾 5 4. 9 98. 0 2. 1 10 10. 3 103. 1 2. 2 20 20. 2 100. 8 2. 0 3 结论 通过 CVD 制备出三维泡沫石墨烯，采用水热合成 法将 ZnO NWAs 垂直生长于 GF 表面，再次 CVD 将碳 沉积于 ZnO NWAs 表面． C / ZnO NWAs /GF 电极在检 测 FA 时具有优异的电化学性能，在浓度为 0 ～ 60 μmol ·L － 1的范围内，灵敏度为 0. 13 μA·μmol － 1·L，具有良 好的 稳 定 性 及 重 复 性，且 在 UA 的 干 扰 下，C / ZnO NWAs /GF 电极具有优异的选择性． C / ZnO NWAs /GF 电极也将在检测其他生物分子上具有巨大的潜力． 参 考 文 献 ［1］ Asaikkutti A，Bhavan P S，Vimala K． Effects of different levels of dietary folic acid on the growth performance，muscle composition， immune response and antioxidant capacity of freshwater prawn， Macrobrachium rosenbergii． Aquaculture，2016，464: 136 ［2］ Cheung Ｒ H F，Morrison P D，Small D M，et al． Investigation of folic acid stability in fortified instant noodles by use of capillary electrophoresis and reversed-phase high performance liquid chro￾matography． J Chromatogr A，2008，1213( 1) : 93 ［3］ Phillips K M，Ｒuggio D M，Haytowitz D B． Folate composition of 10 types of mushrooms determined by liquid chromatography--mass spectrometry． Food Chem，2011，129( 2) : 630 ［4］ Kirsch S H，Knapp J P，Herrmann W，et al． Quantification of key folate forms in serum using stable-isotope dilution ultra per￾formance liquid chromatography-- tandem mass spectrometry． J Chromatogr B，2010，878( 1) : 68 ［5］ Shishehbore M Ｒ，Sheibani A，Haghdost A． Kinetic spectrophoto￾metric method as a new strategy for the determination of vitamin B9 in pharmaceutical and biological samples． Spectrochim Acta A， 2011，81( 1) : 304 ［6］ Akhtar M J，Khan M A，Ahmad I． Identification of photoproducts of folic acid and its degradation pathways in aqueous solution． J Pharm Biomed Anal，2003，31( 3) : 579 ［7］ Zhang B T，Zhao L X，Lin J M． Determination of folic acid by chemiluminescence based on peroxomonosulfate-cobalt ( II) sys￾tem． Talanta，2008，74( 5) : 1154 ［8］ Blanco C C，Carretero A S，Gutierrez A F，et al． Fluorometric determination of folic acid based on its reaction with the fluorogen￾ic reagent fluorescamine． Anal Lett，1994，27( 7) : 1339 · 1561 ·

·1652 工程科学学报，第39卷，第11期 ]Arcot J,Shrestha A K,Gusanoy U.Enzyme protein binding assay 2011,21:599 for determining folic acid in fortified cereal foods and stability of [18]Zhan H L,Garrett D J.Apollo N V,et al.Direct fabrication of folic acid under different extraction conditions.Food Control, 3D graphene on nanoporous anodic alumina by plasma-enhanced 2002,13(45):245 chemical vapor deposition.Sci Rep,2016,6:19822. [10]Chen A C,Shah B.Electrochemical sensing and biosensing [19]Chen Z P,Ren W C,Gao L B,et al.Three-dimensional flexible based on square wave voltammetry.Anal Methods,2013,5: and conductive interconnected graphene networks grown by chem- 2158 ical vapour deposition.Nat Mater,2011,10(6):424 [11]KHan M,Tahir M N,Adil S F,et al.Graphene based metal 20]Babaei A,Babazadeh M.A selective simultaneous determination and metal oxide nanocomposites:synthesis,properties and their of levodopa and serotonin using a glassy carbon electrode modi- applications.J Mater Chem A,2015,3:18753 fied with multiwalled carbon nanotube/chitosan composite.Elec- [12]Yue H Y.Huang S,Chang J,et al.ZnO nanowire arrays on 3D troanalysis,2011,23(7):1726 hierachical graphene foam:biomarker detection of Parkinson's 21]Taei M,Jamshidi M.Highly selective determination of ascorbic disease.Acs Nano,2014,8 (2):1639 acid,epinephrine,and uric acid by differential pulse voltammetry [13]Liu X W.Hu Q Y,Wu Q,et al.Aligned Zno nanorods:a use- using poly (Adizol Black B)-modified glassy carbon electrode.J ful film to fabricate amperometric glucose biosensor.Colloid Sur- Solid State Electrochem,2014,18(3)673 face B,2009,74(1):154 [22]O'Shea T J,Garcia A C.Blanco P T,et al.Electrochemical [14]Ma S W,Liao Q L,Liu H S,et al.An excellent enzymatic lac- pretreatment of carbon fibre microelectrodes for the determination tic acid biosensor with ZnO nanowires-gated AlGaAs/GaAs high of folic acid.J Electroanal Chem Interf Electrochem,1991,307 electron mobility transistor.Nanoscale,2012,4:6415 (12):63 [15]Ma S W,Zhang X H,Liao Q L,et al.Enzymatic lactic acid 3]Beitollahi H,Hamzavi M,Torkzadeh-Mahani M.Electrochemi- sensing by In-doped ZnO nanowires functionalized AlGaAs/GaAs cal determination of hydrochlorothiazide and folic acid in real high electron mobility transistor.Sens Actuators B:Chem,2015, samples using amodified graphene oxide sheet paste electrode. 212:41 Mater Sci Eng C,2015,52:297 [16]Vayssieres L.Growth of arrayed nanorods and nanowires of Zno 24]Mazloum-Ardakani M,Beitollahi H,Amini M K,et al.Simulta- from aqueous solutions.Adv Mater,2003,15(5):464 neous and selective voltammetric determination of epinephrine, [17]Ahmad M,Zhu J.ZnO based advanced functional nanostruc- acetaminophen and folic acid at a Zr02 nanoparticles modified tures:synthesis,properties and applications.J Mater Chem, carbon paste electrode.Anal Methods,2011,3:673

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