林轩宇等：氧化锌纳米线阵列/泡沫石墨烯电化学检测左旋多巴 ·1307· phene foam,GF).3DGF具有高载流子迁移率、大的 GF.在氩气(Ar)与氢气(H,)气氛下，通入甲烷(CH) 活性表面积和良好的生物相容性，并在多种生物分子 作为碳源，具体步骤同之前已有报道四 的检测方面表现出优异的性能-.不同纳米材料与 1.2 ZnO NWAs./GF的制备 3DGF平台结合制备新型的纳米复合材料可以发挥复 采用水热法在3DGF表面生长氧化锌纳米线阵 合材料的协同作用，大大提高材料的表面积、电导性及 列.将GF转移到氧化铟锡(TO)导电玻璃上，然后滴 电催化等性能 加适量的Zm0种子层溶液.其中种子层溶液是0.01 -维(1D)氧化锌纳米线阵列(Zn0NWs)具有较 mo·L醋酸锌溶于甲醇中制备.然后在200℃条件热 大长径比，良好的电化学催化性且与生物分子尺寸相 处理得到预制有Z0种子层的3DGF.水热溶液为硝 似等特点，被用于生物分子的检测s.1DZn0NWs 酸锌(0.05mol·L1)、六亚甲基四胺(0.05mol·L)和 可以通过化学气相沉积(CVD)、气一液一固沉积(VLS) 聚乙烯亚胺(2mmol·L)溶于75mL去离子水中，加 和水热法等制备方法得到.水热合成相对其他制备方 入氨水(0.5molL)后充分搅拌，并将水热溶液倒入 法有很大的优势，如低成本、合成温度低和无污染，且 100mL的聚四氟乙烯反应釜中.将预制有Zn0种子层 形貌易控等o 的3DGF倒置于反应釜中.水热温度为100℃，保温 帕金森病症(PD)是一种慢性运动功能障碍，其病 时间12h.之后，反应釜自然冷却.将得到ZnO NWAs/ 人表现为静止性震颤、肢体僵硬、运动迟缓和反应迟钝 GF多次清洗，置于450℃石英管式炉中热处理1h,得 等.帕金森病症是由于中脑黑质多巴胺(DA)神经元 到最终的ZnO NWAs/GF 死亡，产生多巴胺的酪氨酸羟化酶下降，DA生成不足 1.3材料表征 而引起的nu.左旋多巴(3,4 dihydroxy-L-phenylala- 采用日本JSM-7000F型扫描电子显微镜(SEM,) nine,LD)是治疗帕金森症的最有效药物之一.DA不 观察材料的形貌：采用日本RIGAKU公司的D/Max一 能通过血脑屏障进入大脑，而LD可以通过血脑屏障， RBX射线衍射(XRD)仪(Cu靶，K,辐射，A= 在酶的催化反应下生成DA来缓解大脑中DA的缺失， 0.154056nm)进行结构分析；拉曼光谱(Raman)分析 用于帕金森症的治疗2-.但体内LD过量会产生偏 采用英国RENISHAW公司的RM-1O00型显微共焦激 执，运动障碍等副作用，因为通过血脑屏障转化为DA 光拉曼光谱仪，激光波长为514nm 的只有少量LD,过多的会在脑外发生自氧化.人体 1.4电化学性能测试 内尿酸(UA)的存在会对LD的检测产生干扰，所以找 本实验采用循环伏安(CV)和差分脉冲伏安 到便捷灵敏的检测LD的方法对帕金森症的治疗有重 (DPV)方法检测ZnO NWAs/GF对LD的电化学性能 大意义.非电化学检测LD的方法有可见紫外分光光 电化学实验在VMP3型电化学工作站(Biologic Science 度法，高效液相色谱法、毛细管电泳法W等，但需要 instrument,法国)上进行.采用三电极检测装置，以 复杂而耗时的预处理，且存在设备成本昂贵，检测时间 ZnO NWAs/GF为工作电极，Ag/AgCI为参比电极，Pt 长等不足.电化学方法成本较低、灵敏度高、选择性 丝为对电极.检测均在0.01mol·L的PBS缓冲溶液 好，已被广泛应用到实际的实验和工业生产中.目前 (20mL,pH7.4)中进行.除说明外，循环伏安测试的 关于LD电化学生物传感器已多有报道90，但多为 扫描速率为50mVs,差分脉冲测试的电压范围为 平面材料电极，比表面积较小，电极吸附目标物质的活 -0.2~0.6V,基本参数如下：脉冲幅度50mV,脉冲宽 性电位较少，导致电极的灵敏度不高. 度0.2s,时间间隔0.5s,脉冲高度4mV. 本文采用化学气相沉积法制备三维泡沫状石墨烯 2 (graphene foam,GF),之后通过水热法在3DGF表面 结果与讨论 垂直生长ZnO NWAs,制备ZnO NWAs/GF复合纳米材 2.1氧化锌纳米线阵列/三维泡沫石墨烯的表征 料.ZnO NWAs和3DGF的复合大大提高了材料与溶 图1(a)为化学气相沉积得到的3DGF的扫描电 液的有效接触面积.用制备的ZnO NWAs/GF复会材 镜图.从图上可以看出，GF具有多孔的三维立体结 料构建LD生物传感器.电化学测试表明，ZnO NWAs/ 构，其孔径约为200μm,表面比较光滑.石墨烯保持了 GF电极对LD表现出高灵敏度，良好的选择性与重复 三维泡沫镍的网状结构，没有坍塌.图1(b)~()为 稳定性.该ZnO NWAs/GF复合材料是良好的传感材 ZnO NWAs/GF不同放大倍数的扫描电镜图.由图可 料，在构建生物传感器检测生物分子方面有很大的潜力. 以看出，ZnO NWAs/GF依然保持内部连通的三维结 构.ZnO NWAs在3DGF整个表面垂直生长，且尺寸 1实验部分 分布均匀.从图1(e)和图1(f)可以明显观察到Z0 1.1泡沫石墨烯的制备 NWAs的长度为~2μm,直径为~80nm. 以泡沫镍为模板，通过化学气相沉积法制备三维 图2(a)为3DGF的拉曼图谱.图中1578cm和林轩宇等: 氧化锌纳米线阵列/泡沫石墨烯电化学检测左旋多巴 phene foam，GF) ． 3D GF 具有高载流子迁移率、大的 活性表面积和良好的生物相容性，并在多种生物分子 的检测方面表现出优异的性能［4--7］． 不同纳米材料与 3D GF 平台结合制备新型的纳米复合材料可以发挥复 合材料的协同作用，大大提高材料的表面积、电导性及 电催化等性能． 一维( 1D) 氧化锌纳米线阵列( ZnO NWs) 具有较 大长径比，良好的电化学催化性且与生物分子尺寸相 似等特点，被用于生物分子的检测［8--9］． 1D ZnO NWs 可以通过化学气相沉积( CVD) 、气--液--固沉积( VLS) 和水热法等制备方法得到． 水热合成相对其他制备方 法有很大的优势，如低成本、合成温度低和无污染，且 形貌易控等［10］． 帕金森病症( PD) 是一种慢性运动功能障碍，其病 人表现为静止性震颤、肢体僵硬、运动迟缓和反应迟钝 等． 帕金森病症是由于中脑黑质多巴胺( DA) 神经元 死亡，产生多巴胺的酪氨酸羟化酶下降，DA 生成不足 而引 起 的［11］． 左 旋 多 巴 ( 3，4-dihydroxy-L-phenylala￾nine，LD) 是治疗帕金森症的最有效药物之一． DA 不 能通过血脑屏障进入大脑，而 LD 可以通过血脑屏障， 在酶的催化反应下生成 DA 来缓解大脑中 DA 的缺失， 用于帕金森症的治疗［12--13］． 但体内 LD 过量会产生偏 执，运动障碍等副作用，因为通过血脑屏障转化为 DA 的只有少量 LD，过多的会在脑外发生自氧化［14］． 人体 内尿酸( UA) 的存在会对 LD 的检测产生干扰，所以找 到便捷灵敏的检测 LD 的方法对帕金森症的治疗有重 大意义． 非电化学检测 LD 的方法有可见--紫外分光光 度法，高效液相色谱法、毛细管电泳法［15--18］等，但需要 复杂而耗时的预处理，且存在设备成本昂贵，检测时间 长等不足． 电化学方法成本较低、灵敏度高、选择性 好，已被广泛应用到实际的实验和工业生产中． 目前 关于 LD 电化学生物传感器已多有报道［19--21］，但多为 平面材料电极，比表面积较小，电极吸附目标物质的活 性电位较少，导致电极的灵敏度不高． 本文采用化学气相沉积法制备三维泡沫状石墨烯 ( graphene foam，GF) ，之后通过水热法在 3D GF 表面 垂直生长 ZnO NWAs，制备 ZnO NWAs/GF 复合纳米材 料． ZnO NWAs 和 3D GF 的复合大大提高了材料与溶 液的有效接触面积． 用制备的 ZnO NWAs/GF 复会材 料构建 LD 生物传感器． 电化学测试表明，ZnO NWAs/ GF 电极对 LD 表现出高灵敏度，良好的选择性与重复 稳定性． 该 ZnO NWAs/GF 复合材料是良好的传感材 料，在构建生物传感器检测生物分子方面有很大的潜力． 1 实验部分 1. 1 泡沫石墨烯的制备 以泡沫镍为模板，通过化学气相沉积法制备三维 GF． 在氩气( Ar) 与氢气( H2 ) 气氛下，通入甲烷( CH4 ) 作为碳源，具体步骤同之前已有报道［3］． 1. 2 ZnO NWAs/GF 的制备 采用水热法在 3D GF 表面生长氧化锌纳米线阵 列． 将 GF 转移到氧化铟锡( ITO) 导电玻璃上，然后滴 加适量的 ZnO 种子层溶液． 其中种子层溶液是 0. 01 mol·L － 1 醋酸锌溶于甲醇中制备． 然后在 200 ℃条件热 处理得到预制有 ZnO 种子层的 3D GF． 水热溶液为硝 酸锌( 0. 05 mol·L － 1 ) 、六亚甲基四胺( 0. 05 mol·L － 1 ) 和 聚乙烯亚胺( 2 mmol·L － 1 ) 溶于 75 mL 去离子水中，加 入氨水( 0. 5 mol·L － 1 ) 后充分搅拌，并将水热溶液倒入 100 mL 的聚四氟乙烯反应釜中． 将预制有 ZnO 种子层 的 3D GF 倒置于反应釜中． 水热温度为 100 ℃，保温 时间12 h． 之后，反应釜自然冷却． 将得到 ZnO NWAs/ GF 多次清洗，置于 450 ℃石英管式炉中热处理 1 h，得 到最终的 ZnO NWAs/GF． 1. 3 材料表征 采用日本 JSM--7000F 型扫描电子显微镜( SEM，) 观察材料的形貌; 采用日本 ＲIGAKU 公司的 D/Max-- ＲB X 射 线 衍 射 ( XＲD) 仪 ( Cu 靶，K" 辐 射，λ = 0. 154056 nm) 进行结构分析; 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. 4 电化学性能测试 本实 验 采 用 循 环 伏 安 ( CV) 和 差 分 脉 冲 伏 安 ( DPV) 方法检测 ZnO NWAs/GF 对 LD 的电化学性能． 电化学实验在 VMP3 型电化学工作站( Biologic Science instrument，法国) 上 进 行． 采用三电极检测装置，以 ZnO NWAs/GF 为工作电极，Ag /AgCl 为参比电极，Pt 丝为对电极． 检测均在 0. 01 mol·L － 1 的 PBS 缓冲溶液 ( 20 mL，pH 7. 4) 中进行． 除说明外，循环伏安测试的 扫描速率为 50 mVs － 1 ，差分脉冲测试的电压范围为 － 0. 2 ～ 0. 6 V，基本参数如下: 脉冲幅度 50 mV，脉冲宽 度 0. 2 s，时间间隔 0. 5 s，脉冲高度 4 mV． 2 结果与讨论 2. 1 氧化锌纳米线阵列/三维泡沫石墨烯的表征 图 1( a) 为化学气相沉积得到的 3D GF 的扫描电 镜图． 从图上可以看出，GF 具有多孔的三维立体结 构，其孔径约为 200 μm，表面比较光滑． 石墨烯保持了 三维泡沫镍的网状结构，没有坍塌． 图 1( b) ～ ( f) 为 ZnO NWAs/GF 不同放大倍数的扫描电镜图． 由图可 以看出，ZnO NWAs/GF 依然保持内部连通的三维结 构． ZnO NWAs 在 3D GF 整个表面垂直生长，且尺寸 分布均匀． 从图 1( e) 和图 1( f) 可以明显观察到 ZnO NWAs 的长度为 ～ 2 μm，直径为 ～ 80 nm． 图 2( a) 为 3D GF 的拉曼图谱． 图中 1578 cm － 1 和 ·1307·