工程科学学报.第41卷.第12期：1536-1542.2019年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.41,No.12:1536-1542,December 2019 D0L:10.13374/.issn2095-9389.2019.07.04.034,http://journals.ustb.edu.cn 基于氮化钛-石墨烯的传感器对多巴胺和尿酸的电化学检测 杨 涛)，冯娇)，陈俊红，周国治，侯新梅)区 1)北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心.北京1000832)北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:houxinmeiustb@ustb.edu.cn 摘要采用水热法和还原氮化法合成了菊花状形貌的氮化钛(TN)纳米材料，并将其与还原氧化石墨烯(GO)水热复合制备 了氮化钛-还原氧化石墨烯(TN-GO)复合材料.利用扫描电镜、X射线衍射、X射线光电子能谱等测试方法对材料的形貌和物 相进行了表征和分析.结果表明，TN-rGO复合材料很好地保持了TN菊花状的三维结构和rGO透明帮皱的形貌，且层状的 rGO均匀地包覆在了菊花状的TN的周围.用TN-rG0复合材料修饰玻碳电极(GCE)制得了TN-rGO/GCE电化学传感器，用 于测定人体中的生物小分子DA和UA.由于复合材料中TN和GO的协同效应，构建的电化学传感器表现出了优秀的电化 学性能.检测结果表明：TN-rGO/GCE传感器对DA和UA的检测限分别为0.11和0.12 umol-L,线性范围分别为0.5~ 210 umol-L-和5~350 umol-L,且具有良好的抗干扰性、重现性和稳定性，且成功应用于人体内真实样品的DA和UA检测. 关键词氮化钛；还原氧化石墨烯：多巴胺：尿酸：电化学传感器 分类号0657.1 Electrochemical detection of dopamine and uric acid using a titanium nitride-graphene composite sensor YANG Tao,FENG Jiao,CHEN Jun-hong,CHOU Kuo-Chih,HOU Xin-mei 1)Collaborative Innovation Center of Steel Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Material Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:houxinmeiustb@ustb.edu.cn ABSTRACT Dopamine(DA)and uric acid(UA)are small biological molecules involved in many important processes in the human body.Their concentrations are closely related to human health.Abnormal concentrations of these molecules lead to various diseases, such as Parkinson's and gout,so monitoring of DA and UA in blood and urine,respectively,is very meaningful in clinical analysis. Electrochemical sensor detection is a widely-used method in the field of biological analysis owing to its advantages of simple operation, high sensitivity,low cost,environmental friendliness,etc.In this paper,titanium nitride (TiN)nanomaterial with chrysanthemum morphology was synthesized by hydrothermal and reduction nitridation methods toward preparation of an effective electrochemical sensor for human testing.It was further combined with reduced graphene oxide(rGO)through the hydrothermal method to form a titanium nitride-reduced graphene oxide (TiN-rGO)composite material.The phase and morphology of the material were characterized and analyzed by scanning electron microscopy,X-ray diffraction,X-ray photoelectron spectroscopy,and other test methods.The results show that the TiN-rGO composite material maintaines the three-dimensional chrysanthemum-like morphology of TiN,and the transparent and wrinkled morphology of rGO.The chrysanthemum-like TiN is uniformly coated with the layered rGO.The TiN- rGO/GCE electrochemical sensor was then prepared by modifying the glassy carbon electrode(GCE)with TiN-rGO composite material 收稿日期：2019-07-04 基金项目：国家自然科学基金优秀青年基金资助项目(51522402)：博士后创新人才支持计划资助项目(BX20180034):国家自然科学基金青 年基金资助项目(51902020：博士后科学基金资助项目(2018M641192:中央高校基本科研业务费资助项目(FRF-TP.-18-045A1)
基于氮化钛–石墨烯的传感器对多巴胺和尿酸的电化学检测 杨 涛1)，冯 娇1)，陈俊红2)，周国治1)，侯新梅1) 苣 1) 北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心，北京 100083 2) 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083 苣通信作者，E-mail: houxinmeiustb@ustb.edu.cn 摘 要 采用水热法和还原氮化法合成了菊花状形貌的氮化钛（TiN）纳米材料，并将其与还原氧化石墨烯（rGO）水热复合制备 了氮化钛–还原氧化石墨烯（TiN-rGO）复合材料. 利用扫描电镜、X 射线衍射、X 射线光电子能谱等测试方法对材料的形貌和物 相进行了表征和分析. 结果表明，TiN-rGO 复合材料很好地保持了 TiN 菊花状的三维结构和 rGO 透明褶皱的形貌，且层状的 rGO 均匀地包覆在了菊花状的 TiN 的周围. 用 TiN-rGO 复合材料修饰玻碳电极（GCE）制得了 TiN-rGO/GCE 电化学传感器，用 于测定人体中的生物小分子 DA 和 UA. 由于复合材料中 TiN 和 rGO 的协同效应，构建的电化学传感器表现出了优秀的电化 学性能. 检测结果表明：TiN-rGO/GCE 传感器对 DA 和 UA 的检测限分别为 0.11 和 0.12 μmol·L−1，线性范围分别为 0.5～ 210 μmol·L−1 和 5～350 μmol·L−1，且具有良好的抗干扰性、重现性和稳定性，且成功应用于人体内真实样品的 DA 和 UA 检测. 关键词 氮化钛；还原氧化石墨烯；多巴胺；尿酸；电化学传感器 分类号 O657.1 Electrochemical detection of dopamine and uric acid using a titanium nitride-graphene composite sensor YANG Tao1) ，FENG Jiao1) ，CHEN Jun-hong2) ，CHOU Kuo-Chih1) ，HOU Xin-mei1) 苣 1) Collaborative Innovation Center of Steel Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) School of Material Science and Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: houxinmeiustb@ustb.edu.cn ABSTRACT Dopamine (DA) and uric acid (UA) are small biological molecules involved in many important processes in the human body. Their concentrations are closely related to human health. Abnormal concentrations of these molecules lead to various diseases, such as Parkinson's and gout, so monitoring of DA and UA in blood and urine, respectively, is very meaningful in clinical analysis. Electrochemical sensor detection is a widely-used method in the field of biological analysis owing to its advantages of simple operation, high sensitivity, low cost, environmental friendliness, etc. In this paper, titanium nitride (TiN) nanomaterial with chrysanthemum morphology was synthesized by hydrothermal and reduction nitridation methods toward preparation of an effective electrochemical sensor for human testing. It was further combined with reduced graphene oxide (rGO) through the hydrothermal method to form a titanium nitride-reduced graphene oxide (TiN-rGO) composite material. The phase and morphology of the material were characterized and analyzed by scanning electron microscopy, X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, and other test methods. The results show that the TiN-rGO composite material maintaines the three-dimensional chrysanthemum-like morphology of TiN, and the transparent and wrinkled morphology of rGO. The chrysanthemum-like TiN is uniformly coated with the layered rGO. The TiNrGO/GCE electrochemical sensor was then prepared by modifying the glassy carbon electrode (GCE) with TiN-rGO composite material 收稿日期: 2019−07−04 基金项目: 国家自然科学基金优秀青年基金资助项目 (51522402)；博士后创新人才支持计划资助项目 (BX20180034)；国家自然科学基金青 年基金资助项目 (51902020)；博士后科学基金资助项目 (2018M641192)；中央高校基本科研业务费资助项目 (FRF-TP-18-045A1) 工程科学学报，第 41 卷，第 12 期：1536−1542，2019 年 12 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 41, No. 12: 1536−1542, December 2019 DOI：10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.04.034; http://journals.ustb.edu.cn
杨涛等：基于氮化钛-石墨烯的传感器对多巴胺和尿酸的电化学检测 1537 for the determination DA and UA levels in the human body.Due to the synergistic effect of TiN and rGO in the composite,the constructed electrochemical sensor exhibits excellent electrochemical performance.The detection results show that the detection limits of DA and UA for the TiN-rGO/GCE electrochemical sensor are 0.11 and 0.12 umol-L-,respectively,and the linear ranges are 0.5- 210 umol-L-and 5-350 umol-L,respectively.TiN-rGO/GCE electrochemical sensor also has good anti-interference,reproducibility and stability,and has been successfully applied in the detection of DA and UA in real human samples. KEY WORDS titanium nitride;reduced graphene oxide;dopamine;uric acid;electrochemical sensor 多巴胺(DA)和尿酸(UA)是广泛分布在人体 (DMF),DA,UA,磷酸氢二钠，磷酸二氢钠，铁氰 内的生物小分子.DA在中枢神经系统中发挥着重 化钾(KFe(CN)6),氯化钾(KCI),氯化钠(NaCl), 要的作用山，然而，DA浓度异常时会导致帕金森冈 硫酸镁(MgSO4),硝酸钾(KNO3),L-半胱氨酸，葡 等疾病.UA的浓度反映着人体的代谢水平，其正 萄糖，丙氨酸，酪氨酸，亚硫酸钠(Na2SO3),乙醇， 常情况下稳定在90~420moL,过高则会使体 氧化铝粉.以上所用试剂均为分析纯，购买自国药 液变酸，引发痛风等疾病).目前，测定DA,UA的 集团化学试剂北京有限公司.氧化石墨烯粉末 方法有荧光法、电泳法)、化学发光法等，但这 (GO)购买自南京先丰纳米材料科技有限公司.高 些方法耗时长、易受杂质干扰且试剂有害.电化 纯氨气纯度为99.999%，氨气为普通工业氨气.实 学方法因其低检测限、低成本、操作简单和实时 验中所使用的均为去离子水 分析等优点脱颖而出，但是在裸电极上的DA和 1.2实验方法 UA的氧化需要较高的电位，大大降低了检测效 将一定量的钛酸四丁酯加入到异丙醇中搅拌 率，因此选择合适的电极修饰材料用于构建电化 15min,随后加入甘油搅拌至溶液澄清后转移到高 学传感器检测这两种物质无论是在临床医学领域 压釜中，在烘箱中加热至180℃并保温24h,随后 还是科学领域都有很重要的意义. 冷却至室温。将沉淀物洗涤并干燥后在空气中 氮化钛(TN)是一种重要的过渡金属氨化物， 450℃保温10h.然后将样品在NH3中，800℃下 具有硬度高和摩擦系数小等优点，被广泛的应用 氮化2h即得到TN.将20mg的GO溶解在20mL 在硬质涂层与润滑领域，而纳米氨化钛材料更 水和10mL乙醇中并超声，随后离心5min取上清 因比表面积大、导电性高等特点在超级电容器、 液加入100mg的TN搅拌2h.然后将混合物转移 锂离子电池和电化学传感器方面都发挥着作用- 到高压釜中，加热至120℃并保温3h.将样品离 石墨烯因具有独特的层状结构、超高的柔性和机 心后洗涤数次，干燥过夜，即得TN-GO复合材料. 械强度、优良的导电性和化学稳定性等，成为了电 先后分别用300nm和50nm的氧化铝粉打磨 化学各领域的研究热点基于此，考虑将纳米 玻碳电极(GCE),之后用丙酮、水、乙醇分别超声 TN与石墨烯相复合，一方面该种复合材料可以继 清洗电极，然后将电极置于5 mmol-LK3Fe(CN)6 承二者优异的电化学性能，另一方面在利用纳米 和0.1 mol-L KCI溶液中检测至氧化还原峰电压 TN的高比表面积吸附更多待检测物以提高检测 差值（△E,)小于85mV,清洗并烤干，用DMF配制 灵敏度的同时，利用石墨烯的高化学稳定性和高 1mgmL的TN-rGO溶液，超声4~5min,滴5μL 柔性对纳米TN加以保护并促进纳米TN与电极 于GCE上并烤干得到TN-rGO/GCE 之间的电子传输，以提高电极的性能 13表征与测试 本文采用水热法与氮化还原法制备了菊花状 通过日本EOL公司的场发射扫描电子显微 TN,并将其与还原氧化石墨烯(rGO)复合，得到 镜(SEM,JSM-670IF)观察样品形貌，日本理学 的TiN-rGO复合材料用于构建检测DA和UA的 TTRⅢX射线衍射仪(CuKa,=0.15406nm,40kV/ 电化学传感器.由于TN-GO复合材料继承了两 200mA)进行物相分析，英国Kratos公司的AXIS 者优异的电化学性能，构建的传感器检测限低，检 Ultra X射线光电子能谱仪分析材料表面组成 测范围宽且具有良好的重现性、稳定性和抗干扰性. (Mg靶，500mm罗兰圆，石英晶体，最大功率 0.450kW) 1实验 本实验在CHI760E电化学工作站上，采用三 11实验原料 电极体系进行检测.Ag/AgCI电极为参比电极，铂 钛酸四丁酯，异丙醇，甘油，二甲基甲酰胺 丝电极为辅助电极，TN-GO/GCE为工作电极.电
for the determination DA and UA levels in the human body. Due to the synergistic effect of TiN and rGO in the composite, the constructed electrochemical sensor exhibits excellent electrochemical performance. The detection results show that the detection limits of DA and UA for the TiN-rGO/GCE electrochemical sensor are 0.11 and 0.12 μmol·L−1, respectively, and the linear ranges are 0.5‒ 210 μmol·L−1 and 5‒350 μmol·L−1, respectively. TiN-rGO/GCE electrochemical sensor also has good anti-interference, reproducibility and stability, and has been successfully applied in the detection of DA and UA in real human samples. KEY WORDS titanium nitride；reduced graphene oxide；dopamine；uric acid；electrochemical sensor 多巴胺（DA）和尿酸（UA）是广泛分布在人体 内的生物小分子. DA 在中枢神经系统中发挥着重 要的作用[1] ，然而，DA 浓度异常时会导致帕金森[2] 等疾病. UA 的浓度反映着人体的代谢水平，其正 常情况下稳定在 90～420 μmol·L−1，过高则会使体 液变酸，引发痛风等疾病[3] . 目前，测定 DA，UA 的 方法有荧光法[4]、电泳法[5]、化学发光法[6] 等，但这 些方法耗时长、易受杂质干扰且试剂有害. 电化 学方法因其低检测限、低成本、操作简单和实时 分析等优点脱颖而出[7] . 但是在裸电极上的 DA 和 UA 的氧化需要较高的电位[8] ，大大降低了检测效 率，因此选择合适的电极修饰材料用于构建电化 学传感器检测这两种物质无论是在临床医学领域 还是科学领域都有很重要的意义. 氮化钛（TiN）是一种重要的过渡金属氮化物， 具有硬度高和摩擦系数小等优点[9] ，被广泛的应用 在硬质涂层与润滑领域[10] ，而纳米氮化钛材料更 因比表面积大、导电性高等特点在超级电容器、 锂离子电池和电化学传感器方面都发挥着作用[11−14] . 石墨烯因具有独特的层状结构、超高的柔性和机 械强度、优良的导电性和化学稳定性等，成为了电 化学各领域的研究热点[15−18] . 基于此，考虑将纳米 TiN 与石墨烯相复合，一方面该种复合材料可以继 承二者优异的电化学性能，另一方面在利用纳米 TiN 的高比表面积吸附更多待检测物以提高检测 灵敏度的同时，利用石墨烯的高化学稳定性和高 柔性对纳米 TiN 加以保护并促进纳米 TiN 与电极 之间的电子传输，以提高电极的性能. 本文采用水热法与氮化还原法制备了菊花状 TiN，并将其与还原氧化石墨烯（rGO）复合，得到 的 TiN-rGO 复合材料用于构建检测 DA 和 UA 的 电化学传感器. 由于 TiN-rGO 复合材料继承了两 者优异的电化学性能，构建的传感器检测限低，检 测范围宽且具有良好的重现性、稳定性和抗干扰性. 1 实验 1.1 实验原料 钛酸四丁酯 ，异丙醇 ，甘油 ，二甲基甲酰胺 （DMF），DA，UA，磷酸氢二钠，磷酸二氢钠，铁氰 化钾（K3Fe（CN）6），氯化钾（KCl），氯化钠（NaCl）， 硫酸镁（MgSO4），硝酸钾（KNO3），L-半胱氨酸，葡 萄糖，丙氨酸，酪氨酸，亚硫酸钠（Na2SO3），乙醇， 氧化铝粉. 以上所用试剂均为分析纯，购买自国药 集团化学试剂北京有限公司. 氧化石墨烯粉末 （GO）购买自南京先丰纳米材料科技有限公司. 高 纯氮气纯度为 99.999%，氨气为普通工业氨气. 实 验中所使用的均为去离子水. 1.2 实验方法 将一定量的钛酸四丁酯加入到异丙醇中搅拌 15 min，随后加入甘油搅拌至溶液澄清后转移到高 压釜中，在烘箱中加热至 180 ℃ 并保温 24 h，随后 冷却至室温. 将沉淀物洗涤并干燥后在空气中 450 ℃ 保温 10 h. 然后将样品在 NH3 中，800 ℃ 下 氮化 2 h 即得到 TiN. 将 20 mg 的 GO 溶解在 20 mL 水和 10 mL 乙醇中并超声，随后离心 5 min 取上清 液加入 100 mg 的 TiN 搅拌 2 h. 然后将混合物转移 到高压釜中，加热至 120 ℃ 并保温 3 h. 将样品离 心后洗涤数次，干燥过夜，即得 TiN-rGO 复合材料. 先后分别用 300 nm 和 50 nm 的氧化铝粉打磨 玻碳电极（GCE），之后用丙酮、水、乙醇分别超声 清洗电极，然后将电极置于 5 mmol·L−1 K3Fe(CN)6 和 0.1 mol·L−1 KCl 溶液中检测至氧化还原峰电压 差值（ΔEp）小于 85 mV，清洗并烤干. 用 DMF 配制 1 mg·mL−1 的 TiN-rGO 溶液，超声 4～5 min，滴 5 μL 于 GCE 上并烤干得到 TiN-rGO/GCE. 1.3 表征与测试 通过日本 JEOL 公司的场发射扫描电子显微 镜 （ SEM， JSM-6701F）观察样品形貌 ，日本理 学 TTR Ⅲ X 射线衍射仪（Cu Kα，λ=0.15406 nm，40 kV/ 200 mA）进行物相分析，英国 Kratos 公司的 AXIS Ultra X 射线光电子能谱仪分析材料表面组成 （ Mg 靶 ， 500 mm 罗兰圆 ，石英晶体 ，最大功率 0.450 kW）. 本实验在 CHI 760E 电化学工作站上，采用三 电极体系进行检测. Ag/AgCl 电极为参比电极，铂 丝电极为辅助电极，TiN-rGO/GCE 为工作电极. 电 杨 涛等： 基于氮化钛–石墨烯的传感器对多巴胺和尿酸的电化学检测 · 1537 ·
1538 工程科学学报，第41卷，第12期 解质为1 mmol-L,pH值为7的磷酸盐缓冲溶液 聚合组成的，形状类似菊花，直径约2um.图1(c) (PBS).采用循环伏安法(CV)、交流阻抗法(EIS)、 和(d)为TN-rGO复合材料的扫描电镜图，图中的 差分脉冲伏安法(DPV)和计时电流法进行检测. 褶皱起伏的片层状结构为rGO,可以看出rGO的 2结果与讨论 加入并没有改变TN的菊花状结构，同时，透明而 褶皱的结构既增大表面积，充当菊花状纳米棒之 2.1材料形貌与物相表征 间电子转移的桥梁；又能保护TN提高其稳定性 图1(a)和(b)为TiN的扫描电镜图，可以看出 因此用TiN-rGO复合材料修饰GCE有利于DA和 氨化后的样品是由大量的直径为200nm的纳米棒 UA电化学检测 (a) (b) 1 um 200nm (c) (d) 1μm 200nm 图1TiN(a,b)和TN-rGOc,d)的扫描电镜图 Fig.1 SEM patterns of TiN (a,b)and TiN-rGO(c,d) 图2(a)为各样品的X射线衍射图谱.热处理 态进行表征.图2(b)中在285.08,397.08,458.08和 后样品在25.5°、37.9°、47.9°、53.8°、54.9°、62.6°、 531.08eV处的4个峰分别对应着C1s,N1s,Ti2p 69.8°、75.1°、82.9的峰分别对应着锐钛矿型 和O1s,表明TN-rGO的成功合成.C1s的高分辨 TiO2(JCPDS No.73-1764)的(101)、(004)、(200)、 率光谱（图2(c)中284.78,286.78,288.88eV处的 (105)、(211)、(204)、(116)、(220)、(215)和 3个峰分别对应C=C/C-C,C-O和C=020C=C/ (224)晶面.氮化后在37.3°、42.9°、62.2°、75.0°和 C一C峰强度远高于C一O和C=O,说明碳的氧化 78.9的峰分别与TiN(JCPDS No.38-1420)的 程度大大降低，表明TiN-rGO中大部分的含氧官 (111)、(200)、(220)、（311)、（222)晶面相匹配， 能团已被去除叫 表明TiO,已成功转化为TN.在复合样品中，除 2.2电极的电化学表征 了TiN的特征峰以外，在24.3的峰对应于rGO的 图3(a)是GCE,TiN/GCE和TiN-rGO/GCE在 (002)晶面，说明rGO已与TN成功复合.出现少 0.I mol-L KCI和5 mmol-L-K,Fe(CN)6溶液中的 量TiO,的特征峰是由于样品在水热合成过程中 循环伏安图.GCE上氧化还原峰较宽且峰电流较 TN少部分氧化形成 小，而两个修饰电极上的峰更明显尖锐，并且TN 采用X射线光电子能谱对TN-rGO的表面状 rGO/GCE上的峰电位差最小，峰电流最大，表明复
解质为 1 mmol·L−1 ，pH 值为 7 的磷酸盐缓冲溶液 （PBS）. 采用循环伏安法（CV）、交流阻抗法（EIS）、 差分脉冲伏安法（DPV）和计时电流法进行检测. 2 结果与讨论 2.1 材料形貌与物相表征 图 1（a）和（b）为 TiN 的扫描电镜图，可以看出 氮化后的样品是由大量的直径为 200 nm 的纳米棒 聚合组成的，形状类似菊花，直径约 2 μm. 图 1（c） 和（d）为 TiN-rGO 复合材料的扫描电镜图，图中的 褶皱起伏的片层状结构为 rGO，可以看出 rGO 的 加入并没有改变 TiN 的菊花状结构，同时，透明而 褶皱的结构既增大表面积，充当菊花状纳米棒之 间电子转移的桥梁；又能保护 TiN 提高其稳定性. 因此用 TiN-rGO 复合材料修饰 GCE 有利于 DA 和 UA 电化学检测. 图 2（a）为各样品的 X 射线衍射图谱. 热处理 后样品在 25.5°、 37.9°、 47.9°、 53.8°、 54.9°、 62.6°、 69.8°、 75.1°、 82.9°的 峰 分 别 对 应 着 锐 钛 矿 型 TiO2（JCPDS No. 73-1764）的（101）、（004）、（200）、 （ 105） 、 （ 211） 、 （ 204） 、 （ 116)、 （ 220） 、 （ 215） 和 （224）晶面. 氮化后在 37.3°、42.9°、62.2°、75.0°和 78.9°的 峰 分 别 与 TiN（ JCPDS No. 38-1420） 的 （111）、（200）、（220）、（311）、（222）晶面相匹配， 表明 TiO2 已成功转化为 TiN. 在复合样品中，除 了 TiN 的特征峰以外，在 24.3°的峰对应于 rGO 的 （002）晶面，说明 rGO 已与 TiN 成功复合. 出现少 量 TiO2 的特征峰是由于样品在水热合成过程中 TiN 少部分氧化形成[19] . 采用 X 射线光电子能谱对 TiN-rGO 的表面状 态进行表征. 图 2（b）中在 285.08，397.08，458.08 和 531.08 eV 处的 4 个峰分别对应着 C 1s，N 1s，Ti 2p 和 O 1s，表明 TiN-rGO 的成功合成. C 1s 的高分辨 率光谱（图 2(c)）中 284.78， 286.78， 288.88 eV 处的 3 个峰分别对应C＝C/C―C，C―O 和C＝O [20] . C＝C/ C―C 峰强度远高于 C―O 和 C＝O，说明碳的氧化 程度大大降低，表明 TiN-rGO 中大部分的含氧官 能团已被去除[21] . 2.2 电极的电化学表征 图 3（ a） 是 GCE， TiN/GCE 和 TiN-rGO/GCE 在 0.1 mol·L−1 KCl 和 5 mmol·L−1 K3Fe（CN）6 溶液中的 循环伏安图. GCE 上氧化还原峰较宽且峰电流较 小，而两个修饰电极上的峰更明显尖锐，并且 TiNrGO/GCE 上的峰电位差最小，峰电流最大，表明复 (a) (b) (c) (d) 1 μm 200 nm 1 μm 200 nm 图 1 TiN (a, b) 和 TiN-rGO(c, d) 的扫描电镜图 Fig.1 SEM patterns of TiN (a, b) and TiN-rGO (c, d) · 1538 · 工程科学学报，第 41 卷，第 12 期
杨涛等：基于氮化钛-石墨烯的传感器对多巴胺和尿酸的电化学检测 1539· (a) TiN-rGO (b) 01s TiN Ti 2p Cls wo/ Anatase TiO, TiN(PDF#38-1420) Anatase TiO,(PDF#73-1764) 40 60 80 200 400 600 800 1000 26M) 结合能/eV (c) C-C/C=C CIs C=0 280 285 290 295 300 结合能/eV 因2(a)TiO2、TN与TiN-rGO的X射线衍射图谱：b)TiN-rGO的X射线光电子能谱全谱图：(c)C1s高分辨率X射线光电子能谱 Fig.2 (a)XRD patterns of TiOz,TiN,and TiN-rGO;full XPS spectrum (b)and high-resolution spectrum of C I s(c)of TiN-rGO (a) -TiN-rGO/GCE (b) ■TiN-rGO/GCE 60 -TIN/GCE 900- ·TiN/GCE -GCE 750 ▲GCE 30 0 450 -30 300 60 150- 0 0.2 0.2 0.4 0.6 300 600 900 1200 1500 电压/N ReZ/O 图3GCE,TN/GCE和TN-rGO/GCE电极的循环伏安图(a)和交流阻抗图(b) Fig.3 CV curves(a)and EIS(b)spectra of GCE,TiN/GCE,and TiN-rGO/GCE 合材料的特殊结构使电极具有了更好的电化学活 荷转移电阻更进一步的减小到了79±22，这表明 性.图3(b)是电极在10°~0.1Hz频率范围，开路 TN-rGO能够促进电极/溶液之间的电子传递，使 电压且电压幅值为0.005V的交流阻抗图谱.图中 其具有更好的电化学性能. 高频区半圆的直径对应电荷转移电阻，直径越小， 2.3DA和UA的电化学检测 电阻就越小，电荷传递速率就越快.使用等效电路 用循环伏安法法研究了DA和UA在不同电 进行拟合，其中R为溶液电阻，R为电荷转移电 极上的电催化氧化行为.图4为GCE和TN-rGO/ 阻，C为界面电容，W为warburg阻抗，计算得到 GCE测定O.5 mmol-L的DA和UA的循环伏安法 GCE的电荷转移电阻约为327±22，TN/GCE电 对比图.GCE上的氧化峰峰形比较宽，峰电流较小 荷转移电阻减小为87±22，而TN-rGO/GCE的电 仅为5和6uA,而TN-rGO/GCE上的氧化峰电流
合材料的特殊结构使电极具有了更好的电化学活 性. 图 3（b）是电极在 105～0.1 Hz 频率范围，开路 电压且电压幅值为 0.005 V 的交流阻抗图谱. 图中 高频区半圆的直径对应电荷转移电阻，直径越小， 电阻就越小，电荷传递速率就越快. 使用等效电路 进行拟合，其中 Rs 为溶液电阻，Rct 为电荷转移电 阻 ，C 为界面电容， W 为 warburg 阻抗，计算得到 GCE 的电荷转移电阻约为 327 ± 2 Ω，TiN/GCE 电 荷转移电阻减小为 87 ± 2 Ω，而 TiN-rGO/GCE 的电 荷转移电阻更进一步的减小到了 79 ± 2 Ω，这表明 TiN-rGO 能够促进电极/溶液之间的电子传递，使 其具有更好的电化学性能. 2.3 DA 和 UA 的电化学检测 用循环伏安法法研究了 DA 和 UA 在不同电 极上的电催化氧化行为. 图 4 为 GCE 和 TiN-rGO/ GCE 测定 0.5 mmol·L−1 的 DA 和 UA 的循环伏安法 对比图. GCE 上的氧化峰峰形比较宽，峰电流较小 仅为 5 和 6 μA，而 TiN-rGO/GCE 上的氧化峰电流 (a) 相对强度 相对强度 TiN-rGO TiN Anatase TiO2 TiN (PDF#38-1420) Anatase TiO2 (PDF#73-1764) 20 40 60 80 2θ/(°) (b) Cls N ls O 1s Ti 2p 200 400 600 800 1000 结合能/eV 相对强度 结合能/eV (c) C−C/C=C C−O C 1s C=O 280 285 290 295 300 图 2 (a) TiO2、TiN 与 TiN-rGO 的 X 射线衍射图谱；(b) TiN-rGO 的 X 射线光电子能谱全谱图；(c) C 1s 高分辨率 X 射线光电子能谱 Fig.2 (a) XRD patterns of TiO2 , TiN, and TiN-rGO; full XPS spectrum (b) and high-resolution spectrum of C 1 s (c) of TiN-rGO (a) 60 30 0 −30 −60 −0.2 0 0.2 0.4 0.6 电流/μA TiN-rGO/GCE TiN/GCE GCE 电压/V 900 750 600 450 300 150 0 Im Z/Ω TiN-rGO/GCE TiN/GCE GCE (b) Rs Rct C W 300 600 900 1200 1500 ReZ/Ω 图 3 GCE，TiN/GCE 和 TiN-rGO/GCE 电极的循环伏安图 (a) 和交流阻抗图 (b) Fig.3 CV curves (a) and EIS (b) spectra of GCE, TiN/GCE, and TiN-rGO/GCE 杨 涛等： 基于氮化钛–石墨烯的传感器对多巴胺和尿酸的电化学检测 · 1539 ·
·1540 工程科学学报，第41卷，第12期 分别为16和15A,比GCE高出了3.2倍和2.5 量.图5(a)和(c)可以看到DA和UA的峰电流随 倍，且峰形尖锐，表明通过修饰具有更大比表面积 着浓度的增加而增加，而峰电位没有明显变化 的TN-rGO,可以明显提高检测性能 在0.5~210umoL,5~350molL浓度范围 20 内，DA和UA的峰电流随着各自浓度的增加而线 TiN-rGO/GCE GCE 性增加（图5(b)和(d)),线性相关系数分别为 10 0.9956和0.9931.计算得出DA和UA的检测限分 别为0.11和0.12umoL,与文献（表1）中相比具 0 有更低的检测限 -10 2.4抗干扰性、重现性、稳定性和真实样品检测 为了测定传感器的抗干扰性，配制了1moL -20 的NaCl,MgSO4,KNO3,L半胱氨酸，葡萄糖，丙氨 -0.4-0.200.20.40.6 0.8 酸，酪氨酸，NaSO3溶液.采用计时电流法，分别 电压V 滴加10molL的DA(0.15V),UA(0.28V),和 图4TN-rGO/GCE和GCE在0.1molL-PBS(pH值为7)中，含0.5 1 mmol-L的干扰物.结果如图6，干扰物对电流 mmol-L-DA和UA.扫描速率100mVs的循环伏安图 信号没有明显的影响，表明TN-rGO/GCE有良好 Fig.4 CV curves of 0.5 mmol-L DA and UA in 0.1 mol-L-PBS (pH value of 7)on GCE and TiN-rGO/GCE with scan rate of 100 mV's 的抗干扰性.在含有DA和UA的溶液中，重复测 定5次，发现DA和UA峰电流的相对标准偏差分 为了研究DA和UA的电流响应与浓度的关 别为0.44%，2.07%，说明电极有很好的重现性.将 系，将TN-rGO/GCE置于pH值为7的PBS中，分 电极暴露于空气中1周之后再测量，发现电流的 别改变DA和UA的浓度，差分脉冲伏安法进行测 衰减小于3%，说明电极具有优异的稳定性 97 (a) (b) DA 3=3.95409+0.02118x 210 umol-L- 2=0.9956 7 ↓ 0.5 jmol-L- 6 5 0.1 0.2 0.3 50100150200250 电压V 浓度/（μmolL-) 12T (d) 11 UA 10 1=4.2401+0.0206x 350 umol-L-! 9 R=0.9931 8 5μmol-L- 8 6 4 0.2 03 0.4 050100150200250300350400 电压W 浓度/(molL-) 图5TN-rGO/GCE在0.1moL的PBS(pH值为中差分脉冲伏安法检测结果.(a)DA的差分脉冲伏安图：(b)DA峰电流与浓度的关系：(c) UA的差分脉冲伏安图：()UA峰电流与浓度的关系 Fig.5 DPV detection by TiN-rGO/GCE in 0.1 mol-L PBS (pH 7):(a)DPV of the detection of DA;(b)relationship between peak current and concentration of DA;(c)DPV of the detection of UA;(d)relationship between peak current and concentration of UA
分 别 为 16 和 15 μA， 比 GCE 高 出 了 3.2 倍 和 2.5 倍，且峰形尖锐，表明通过修饰具有更大比表面积 的 TiN-rGO，可以明显提高检测性能. 为了研究 DA 和 UA 的电流响应与浓度的关 系 ，将 TiN-rGO/GCE 置于 pH 值为 7 的 PBS 中，分 别改变 DA 和 UA 的浓度，差分脉冲伏安法进行测 量. 图 5（a）和（c）可以看到 DA 和 UA 的峰电流随 着浓度的增加而增加，而峰电位没有明显变化. 在 0.5～ 210 μmol·L−1 ， 5～ 350 μmol·L−1 浓度范围 内，DA 和 UA 的峰电流随着各自浓度的增加而线 性增加（图 5（ b）和（ d） ） ，线性相关系数分别为 0.9956 和 0.9931. 计算得出 DA 和 UA 的检测限分 别为 0.11 和 0.12 μmol·L−1，与文献（表 1）中相比具 有更低的检测限. 2.4 抗干扰性、重现性、稳定性和真实样品检测 为了测定传感器的抗干扰性，配制了 1 mol·L−1 的 NaCl，MgSO4，KNO3，L-半胱氨酸，葡萄糖，丙氨 酸，酪氨酸，Na2SO3 溶液. 采用计时电流法，分别 滴加 10 μmol·L−1 的 DA（ 0.15 V） ，UA（ 0.28 V），和 1 mmol·L−1 的干扰物. 结果如图 6，干扰物对电流 信号没有明显的影响，表明 TiN-rGO/GCE 有良好 的抗干扰性. 在含有 DA 和 UA 的溶液中，重复测 定 5 次，发现 DA 和 UA 峰电流的相对标准偏差分 别为 0.44%，2.07%，说明电极有很好的重现性. 将 电极暴露于空气中 1 周之后再测量，发现电流的 衰减小于 3%，说明电极具有优异的稳定性. 20 10 0 −10 −20 −0.4 −0.2 电流/μA TiN-rGO/GCE GCE 0 0.2 0.4 0.6 0.8 电压/V 图 4 TiN-rGO/GCE 和 GCE 在 0.1 mol·L−1 PBS(pH 值为 7) 中，含 0.5 mmol·L−1 DA 和 UA，扫描速率 100 mV·s−1 的循环伏安图 Fig.4 CV curves of 0.5 mmol·L−1 DA and UA in 0.1 mol·L−1 PBS (pH value of 7) on GCE and TiN-rGO/GCE with scan rate of 100 mV·s−1 9 8 7 6 5 4 电流/μA 电流/μA 峰电流/μA 0 0.1 0.2 0.3 电压/V 电压/V (a) DA 210 μmol·L−1 0.5 μmol·L−1 9 8 7 6 5 4 3 (b) y=3.95409+0.02118x R 2=0.9956 0 50 100 150 200 250 浓度/(μmol·L−1) 12 10 8 6 4 UA 350 μmol·L−1 5 μmol·L−1 0.2 0.3 0.4 12 11 10 9 8 7 6 5 4 (d) y=4.2401+0.0206x R 2=0.9931 (c) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 峰电流/μA 浓度/(μmol·L−1) 图 5 TiN-rGO/GCE 在 0.1 mol·L−1 的 PBS(pH 值为 7) 中差分脉冲伏安法检测结果. (a) DA 的差分脉冲伏安图；(b) DA 峰电流与浓度的关系；(c) UA 的差分脉冲伏安图；(d) UA 峰电流与浓度的关系 Fig.5 DPV detection by TiN-rGO/GCE in 0.1 mol·L−1 PBS (pH 7): (a) DPV of the detection of DA; (b) relationship between peak current and concentration of DA; (c) DPV of the detection of UA; (d) relationship between peak current and concentration of UA · 1540 · 工程科学学报，第 41 卷，第 12 期