注册 English

Cu2O/Cu-垂直石墨烯微电极的制备及尿酸/脑电的检测

白浩 ,  冀伟志 ,  陈瑾妍 ,  李红姬 ,  李明吉

downloadPDF
引用本文: 白浩, 冀伟志, 陈瑾妍, 李红姬, 李明吉. Cu2O/Cu-垂直石墨烯微电极的制备及尿酸/脑电的检测[J]. 无机化学学报, 2024, 40(7): 1309-1319. doi: 10.11862/CJIC.20240001 shu
Citation:  Hao BAI, Weizhi JI, Jinyan CHEN, Hongji LI, Mingji LI. Preparation of Cu2O/Cu-vertical graphene microelectrode and detection of uric acid/electroencephalogram[J]. Chinese Journal of Inorganic Chemistry, 2024, 40(7): 1309-1319. doi: 10.11862/CJIC.20240001 shu

Cu2O/Cu-垂直石墨烯微电极的制备及尿酸/脑电的检测

  • 1.

    天津理工大学化学化工学院, 天津 300384

  • 2.

    天津理工大学集成电路科学与工程学院, 天津 300384

    • 通讯作者: 李红姬，E-mail: hongjili@yeah.net; 李明吉，E-mail: limingji@163.com
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 62271350

  • #共同第一作者
摘要: 结合Cu(Ⅱ)离子浸渍吸附方法及直流电弧等离子体喷射化学气相沉积技术制备了一种电化学/电生理双模Cu2O/Cu-垂直石墨烯微电极，并研究了电化学方法检测尿酸以及记录脑电信号的双响应性能。使用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪表征了形貌、微结构及晶体成分，并测试了电化学及脑电记录能力。结果表明，该微电极直径仅为200 μm，大量镶嵌Cu2O/Cu纳米粒子的石墨烯纳米片垂直生长在基片上，排列成了一种三维的多孔结构，使其具有了高的电化学催化活性、短程离子扩散路径、以及长程导电网络。由此，以10 μL的饱和NaCl溶液为介质记录脑电信号时，该微电极的皮肤接触电阻低至约7.05 kΩ，生理电采集性能接近涂导电膏的商用湿电极。此外，该微电极还灵敏响应尿酸的氧化电流，检测浓度范围在0.5~500μmol·L-1，检测限低至0.024 μmol·L-1，且具有良好的抗干扰能力及长期稳定性。

English

  • 0.   引言

    尿酸是嘌呤代谢的终产物，体内尿酸的生成量和排泄量不平衡会导致血尿酸升高而引起痛风、白血病、恶性肿瘤、慢性肾炎等疾病[1-3]。同时，尿酸对大脑功能影响也非常大，不仅可以兴奋大脑皮层，抑制谷氨酸释放，还可以通过抗氧化作用保护大脑组织[4]。尿酸可以升高人类的血压水平，确保人类脑部的血液供应，减少脑中风患者的缺血性脑损害，甚至可以对抗帕金森病的神经元损害[5]。因此脑脊液中尿酸水平可用作脑细胞损伤的指标，正常值约为14.28 μmol·L-1。脑电是从头皮或大脑皮层上通过电极记录下来的神经细胞群的自发性、节律性电活动，该电信号来源于脑细胞内外的电化学反应[6]。由此可见，尿酸和脑电信号的同步检测对人的大脑功能的探索及脑损伤疾病的诊治具有重要意义，而电化学/脑电双模微电极有望突破原位同步检测2种信号这一瓶颈技术。

    电化学传感器具有灵敏度高、响应快、操作方便、成本低、结构简单的优势，而由微电极组装的电化学传感器具有尺寸小、电流密度高、干扰低和传质速度快等优点，因此可以植入到生物组织内进行原位长时间持续检测[7-10]。脑电电极是一种用于记录和监测人体脑电活动的脑机接口，它可以通过将电极贴附到头皮上、植入皮下、甚至植入到大脑皮层测量和记录脑部神经元的电活动[11]。尿酸属于电化学活性物质，而脑电信号也属于电学/电化学反应范畴。若能开发一种脑电和尿酸双响应微电极，那么就可以开展尿酸和脑电信号关联的脑功能相关的研究工作。石墨烯是一种具有出色的电学、电化学及机械性能的二维纳米晶体材料。多层石墨烯、掺杂石墨烯等构成的石墨烯衍生物或杂化薄膜，除了保留石墨烯的大多优异固有性能外，还表现了离子吸附、生物亲和力、电催化活性的可控性方面的优势[12-13]。因此，多层石墨烯、掺杂石墨烯、金属及金属氧化物修饰石墨烯等在电化学传感器及生理电采集电极领域都有研究报道[14-15]。在尿酸的无酶检测方面，石墨烯衍生物具有检测限(LOD)低的优势，包括分子印迹的电化学还原的石墨烯氧化物/聚(3，4-亚乙二氧基噻吩)∶聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT∶PSS)复合物修饰玻碳电极达到0.05 μmol·L-1[16]，三维氮掺杂石墨烯修饰玻碳电极达到0.12 μmol·L-1[17]，以及金纳米粒子/石墨烯复合电极为1.47 μmol·L-1[18]。本组前期制备了一种Cu/CuO-垂直石墨烯(Cu2O/Cu-VG)微电极，发现其有效电活性面积达到了几何面积的1.8倍，验证了Cu/CuO纳米粒子和石墨烯的电催化活性协同作用[19]。在脑-机接口方面，石墨烯主要起到降低头皮接触电阻及提高信噪比的作用，例如石墨烯凝胶用来代替湿电极的导电凝胶[20]，直接作为电极材料的包括石墨烯氧化物电极[21]、MoCl2-插入的双层石墨烯电极[22]、热还原石墨烯氧化物-尼龙膜表皮电极[23]、本组前期提出的硼氮共掺杂VG脑电电极[24]及石墨烯/碳纳米管复合电极等[25]。

    在本工作中，采用直流电弧等离子体喷射化学气相沉积(CVD)系统，以Cu(Ⅱ)为催化剂前驱体，在钽(Ta)微丝上垂直生长镶嵌Cu2O/Cu纳米粒子的多层石墨烯，制备了Cu2O/Cu-VG微电极。主要研究了Cu2O/Cu-VG微电极的形貌、微结构及成分，并对尿酸的电化学传感性能及脑电的记录功能进行了评估，验证了Cu2O/Cu-VG微电极作为电化学/电生理双模电极的应用价值。

    1.   实验部分

    1.1   Cu2O/Cu-VG微电极的制备方法

    采用直流电弧等离子体喷射CVD系统，Ta微丝为基底，五水合硫酸铜(CuSO4·5H2O)为铜催化剂前驱体，制备Cu2O/Cu-VG微电极。将直径为200 μm、长度为3 cm的Ta微丝用800目的细砂纸打磨去除表面氧化物，以超纯水、无水乙醇及超纯水的顺序分别超声清洗10 min，去除表面污垢，然后浸泡在盛有CuSO4·5H2O的培养皿中1 h，取出置于红外灯下干燥，使铜前驱体附着在Ta微丝表面，制备出Cu前驱体/Ta微丝电极。将若干Cu前驱体/Ta微丝整齐排放到石墨台置于直流电弧等离子体喷射CVD设备沉积台上。当腔压和泵压真空显示计上的示数稳定在500 Pa以下，开启罗茨泵，对系统细抽真空，待腔压和泵压真空显示计示数均为1 Pa以下时，向系统通入Ar和H2，Ar流量1.5 L·min-1，H2流量2 L·min-1，通过调节腔压和泵压旋钮，使其压强分别回升并维持在3 200 Pa和13 200 Pa左右，打开磁场按钮，施加磁控电压7 V，磁场电流1.6 A，启动电弧功率控制，调节弧电压为70 V，弧电流为130 A，然后按下点火按钮，引燃电弧，再按下样品控制台旋转按钮，使等离子体均匀地分布在样品上。反应温度保持在950 ℃左右，点火后向腔室通入流量350 mL·min-1的甲烷(CH4)，保持2 min，制备出Cu2O/Cu-VG薄膜。重复以上CVD工艺，不通入CH4的条件下保持2 min，制备出Cu2O/Cu微电极。

    1.2   微电极样品的表征

    采用德国Carl Zeiss公司的MERLIN Compact场发射扫描电镜(SEM)观察微电极的表面及截面形貌，加速电压为10 kV。使用美国FEI公司的Talos F200X型透射电子显微镜(TEM)表征样品的微结构，其加速电压为200 kV。利用日本Rigaku公司的D/Max2500/PC型粉末X射线衍射(PXRD)仪进行了晶体结构分析，工作电压为40 kV，工作电流为40 mA，辐射源Cu靶Kα射线的波长为0.1 541 nm，扫描范围为20°~80°，扫描步长为0.02°，扫描速度为10 (°)·min-1。

    1.3   电化学性能测试

    使用上海辰华的CHI760E电化学工作站，采用电化学交流阻抗(EIS)法、差分脉冲伏安(DPV)法、循环伏安(CV)法测试了电化学性能。电化学性能测试系统为三电极体系，其中包括Cu2O/Cu-VG微电极作为工作电极，铂丝作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极。手背皮肤上记录EIS谱时，用磨砂膏打磨贴电极的手部位置，取用2个涂抹导电凝胶的Ag/AgCl电极作为参比和对电极分别贴在手的两侧，工作电极固定在手背中心区域，皮肤与电极的接触位置滴10 μL的饱和NaCl溶液。

    1.4   脑电信号的测试

    使用澳大利亚Compumedics公司的Grael型便携式45导脑电放大器记录眼电、肌电及脑电信号。工作电极使用Cu2O/Cu-VG微电极，2个涂抹导电凝胶的Ag/AgCl湿电极作为参比电极和接地电极。被试者的佩戴方法为，在头皮的左前额叶(Fp1)位置用10 μL的饱和NaCl溶液擦拭后固定Cu2O/Cu-VG微电极，2个涂抹导电凝胶的Ag/AgCl湿电极置于耳垂后作为参比电极和接地电极。利用MATLAB软件中开源的EEGLAB及FieldTrip工具箱对脑电信号进行数据处理并提取特征信号。

    2.   结果与讨论

    2.1   样品的物理表征

    图 1给出了Cu2O/Cu-VG微电极的光学照片、表面和截面SEM、TEM图以及XRD图。该微电极的直径仅为200 μm，具有半柔性特征，长度可控(图 1a)。由低倍的表面SEM图观察到大量的石墨烯纳米片密堆积覆盖了整个Ta微丝表面(图 1b和1c)。空白Ta微丝表面相对光滑，但能观察到预处理打磨留下的痕迹(图 1d)，而附着Cu前驱体的微丝的表面SEM图上观察到了主要依附于缝隙及裂痕上的异相颗粒(图 1e)。然而，在Cu2O/Cu-VG微电极的高倍SEM图则呈现纳米片相互交错包裹形成了开放的多孔、多缝隙形态(图 1f)，这显然有利于电解质的快速扩散。此外，从SEM截面形貌分析，石墨烯纳米片们直立于基底生长，该薄膜的高度达到了6 μm左右，且高度相对均匀(图 1g)。

    图 1

    图 1.  Cu2O/Cu-VG微电极的(a) 光学照片及(b、c) 表面SEM图; (d) Ta微丝、(e) Cu前驱体/Ta微丝及(f) Cu2O/Cu-VG微电极的高倍表面SEM图; Cu2O/Cu-VG微电极的(g) 截面SEM及(h、i) TEM图; (j) 3个微电极的XRD图
    Figure 1.  (a) Optical picture and (b, c) surface SEM images of Cu2O/Cu-VG microelectrode; High-magnifications surface SEM images of (d) Ta, (e) Cu precursor/Ta, and (f) Cu2O/Cu-VG microelectrodes; (g) Cross-sectional SEM and (h, i) TEM images of Cu2O/ Cu-VG microelectrode; (j) XRD patterns of three microelectrodes
    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    为进一步探索微结构，对该样品进行了TEM表征。如图 1h所示，该样品的纳米片是一种半透明、可卷曲的二维片状晶体，但是表面镶嵌了大量的不同尺寸纳米颗粒。在制备TEM测试样的过程中对该样品进行了8 h的超声分散，但是这些纳米颗粒仍然牢固地镶嵌在二维纳米片上。一个纳米粒子的高分辨TEM分析表明，纳米粒子的表面被条纹间距为0.35 nm的石墨烯(002)晶面所覆盖(图 1i)，这与石墨烯的生长过程中同步还原Cu2O/Cu颗粒有关。

    为了进一步确认纳米颗粒的成分，对空白Ta微丝、Cu前驱体/Ta微丝及Cu2O/Cu-VG微电极进行了XRD分析，结果如图 1j所示。与空白Ta微丝相比，从Cu前驱体/Ta微丝的XRD图中观察到了CuSO4的(120)、(111)、(311)晶面衍射峰，分别位于25.5°、27.0°、57.0°附近。这表明先浸泡再红外干燥的工艺把CuSO4晶体成功附着到了Ta微丝上。此外，Cu2O/Cu-VG微电极的XRD图显示了TaC、Cu、Cu2O以及石墨相关的衍射峰，其中TaC特征峰(PDF No. 35-0801)来自Ta微丝表面的碳化过渡层。在26.0°附近出现了石墨烯的(002)晶面衍射峰(PDF No.41-1487)[26]，而49.9°附近的是Cu(200)晶面特征峰(PDF No.89-2838)。此外，还观察到了相对弱的Cu2O相的(110)、(111)、(200)、(211)和(220)晶面衍射峰(PDF No.78-2076)[27]。这些结果证实成功制备了Cu2O/Cu-VG微电极，而Cu2O/Cu-VG薄膜则利用TaC过渡层牢固结合在Ta微丝表面。

    2.2   微电极的阻抗及电化学反应动力学行为

    为了研究Cu2O/Cu-VG微电极的电化学和生理电双模性能，先分析了Ta、Cu2O/Cu、VG及Cu2O/Cu-VG微电极在电化学反应动力学研究中常用的5.0 mmol·L-1 K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]混合溶液中的反应动力学特性，并进一步探讨了这些微电极在手背皮肤以及受脑电影响的头皮区域的阻抗特征(图 2)。对于Nyquist图，高频区与实轴的交点为半电池体系的总内阻(Rs)，高频区的半圆直径与电极、电解质之间的界面电荷转移电阻(Rct)有关，半圆直径越大，表明Rct值越大，而低频区的直线段反映了离子的扩散效应。在[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-探针溶液里，Rs为8.26~9.36 Ω。此外，Ta微丝表现了金属电阻特性，Cu2O/Cu微电极则呈现金属局部腐蚀电极特性(图 2a)；而在VG和Cu2O/Cu-VG微电极的阻抗谱上观察到了半无限扩散特征(图 2b)。如图 2c和2d所示，Cu2O/Cu-VG微电极的Rct最低，该值为23.74 Ω，表示在液-固界面可以快速传输电子，这与扩散传质有关。4种微电极在手背上均表现了扩散传质特性，但阻抗大幅增加了(图 2e和2f)。Rct值从大到小的顺序为Ta > Cu2O/Cu > VG > Cu2O/Cu-VG，其中Cu2O/Cu-VG微电极的Rct值达到1.36 kΩ，这与皮肤角质层的阻抗显著高于[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-电解液有关。图 2g显示了手背上记录的频率-阻抗谱。如图 2h所示，在4种微电极中，Cu2O/Cu-VG微电极具有最低的皮肤接触阻抗，其中包括α节律范围(8~13 Hz)的皮肤阻抗值(Rskin, 1)为3.65 kΩ，生理电范围(1~1 000 Hz)的皮肤阻抗值(Rskin, 2)为4.67 kΩ。我们继续监测了头皮接触电阻(Rscalp)，Cu2O/Cu-VG微电极仍然具有最低值，该实时值约为7.05 kΩ，远低于表皮可用电阻50 kΩ。这些结果表明，Cu2O/Cu-VG微电极作为电化学传感电极具有低的Rct值，可以提高电解质和电极之间的电子转移过程，又可作为表皮电极直接从头皮记录生理电信号。

    图 2

    图 2.  微电极的阻抗分析: (a~c) 在5.0 mmol•L-1 K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]溶液里记录的Nyquist图、(d) 液-固界面Rct、(e、f) 手部Nyquist图、(g) 手部的频谱-阻抗谱(插图: 4种微电极的等效电路图)和(h) Rct、Rscalp、Rskin, 1和Rskin, 2
    Figure 2.  Impedance analysis of microelectrodes: (a-c) Nyquist plot recorded in 5.0 mmol•L-1 K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6] solution, (d) liquid-solid interface Rct, (e, f) Nyquist plots on hand, (g) frequency-impedance spectra on hand(inset: equivalent circuit diagrams of four microelectrodes), and (h) Rct, Rscalp, Rskin, 1, and Rskin, 2
    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    此外，使用Ta、Cu2O/Cu、VG及Cu2O/Cu-VG微电极记录了10 μmol·L-1尿酸溶液的DPV曲线。如图 3a所示，Ta微丝不响应尿酸，Cu2O/Cu微电极上观察到了微弱的氧化峰；而在VG微电极上出现了明显的尿酸氧化峰，峰电位在0.232 V。当使用Cu2O/Cu-VG微电极时，尿酸的氧化峰电位轻微移动到0.244 V，但其峰电流达到了VG微电极上的6倍。这表明Cu2O/Cu纳米颗粒和石墨烯协同提高了尿酸的响应信号。

    图 3

    图 3.  (a) 四种微电极对10 μmol•L-1尿酸的DPV曲线(插图: Ta和Cu2O/Cu微电极响应曲线局部放大图); Cu2O/Cu-VG微电极的(b) 以10~1 000 mV•s-1的扫描速率记录的CV曲线、(c) 峰电位和扫描速率对数的关系、(d) 峰电流与扫描速率平方根的线性关系
    Figure 3.  (a) DPV curves of four microelectrodes recorded in the 10 μmol•L-1 uric acid solution (inset: locally enlarged response curves of Ta and Cu2O/Cu microelectrode); (b) CV curves of with scan rates of 10-1 000 mV•s-1, (c) relationship between peak voltage and logarithm of scan rate, (d) linear relationship between peak current and the square root of scan rate of Cu2O/Cu-VG microelectrode
    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    接着，使用Cu2O/Cu-VG微电极，把0.1 mol·L-1 KCl、5.0 mmol·L-1 K3[Fe(CN)6]和5.0 mmol·L-1 K4[Fe(CN)6]的混合溶液作为电解液，以10~1000 mV·s-1的电位扫描速率记录一组CV曲线，分析了电化学反应动力学行为的相关参数。图 3b呈现的CV曲线中出现了2对氧化还原峰，在0.13~0.25 V处的一对峰对应于[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-氧化还原探针，在0.6~0.7 V处的一对峰对应于KCu[Fe(CN)6]/K2Cu [Fe(CN)6]的氧化还原反应过程[28-30]。进一步利用[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-氧化还原探针峰，建立了峰电位(Ep)和扫描速率对数(lg v)、峰电流(Ip)和扫描速率平方根(v1/2)之间的线性关系(图 3c和3d)。Ip与v1/2之间的线性关系证实了该电极表面扩散控制的电化学反应动力学行为。根据Randles-Sevcik方程(Ip=2.69×105An3/2D01/2v1/2c0)[31]，利用已知扩散系数D0=7.6×10-6 cm2·s-1、氧化还原电对的初始浓度c0=5 mmol·L-1、电子转换数n=1、以及v1/2和峰电流Ip之间的斜率值，得到电极的有效活性面积(A，0.20 cm2)是几何面积(0.06 cm2)的3.3倍。利用Laviron理论方程[32]求得的反应速率常数(ks)为0.82 s-1。这些结果表明了该微电极具有优异的电催化能力。

    2.3   微电极的生理电响应性能

    图 4为使用Cu2O/Cu-VG微电极和商用Ag/AgCl电极同步记录的肌电、眼电、脑电信号(随附视频见Supporting information)。红色谱线表示使用Cu2O/ Cu-VG微电极采集的信号，蓝色谱线表示使用Ag/AgCl电极采集的信号。对比咬牙范式的肌电(图 4a~4d)、眨眼范式的眼电(图 4e~4h)以及闭眼/睁眼范式的脑电信号(图 4i~4l)，从时域谱和频域谱可观察到，Cu2O/Cu-VG微电极与商用Ag/AgCl电极具有接近的幅值、生理电频率特征、以及脑电α节律特征范围，且与正常人的生理电表现形式吻合。图 5a和5b选取了随附视频中眨眼、咬牙范式记录脑电的实际场景，而图 5c和5d给出了进一步计算的Cu2O/Cu-VG微电极和商用Ag/AgCl电极的生理电信号之间的相关度以及2种电极的信噪比(SNR)值。结果表明，2种电极的信号相关度在99%以上，Cu2O/Cu-VG微电极的平均SNR值高于商用湿电极，这证实了Cu2O/Cu-VG的高效脑电采集能力。

    图 4

    图 4.  使用Cu2O/Cu-VG微电极(红)和商用Ag/AgCl电极(蓝)同步记录的肌电、眼电及脑电信号的时域谱和频域谱: (a~d) 咬牙范式下记录的肌电信号、(e~h) 眨眼范式下记录的眼电信号、(i~l) 闭眼/睁眼范式记录的脑电信号
    Figure 4.  Time-domain and frequency-domain spectra collected using the Cu2O/Cu-VG microelectrode (red) and commercial Ag/AgCl electrode (blue): (a-d) electromyographic signals recorded under the biting paradigm, (e-h) electromyographic signals recorded under the blinking paradigm, (i-l) electroencephalogram signals recorded under the closed/open eye paradigm

    (a, b, e, f, i, j) Time-domain (VEEG: electroencephalogram potential) and (c, d, g, h, k, l) frequency-domain spectra.

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 5

    图 5.  (a、b)实验场景; Cu2O/Cu-VG微电极和商用Ag/AgCl电极的(c) 生理电信号的相关度和(d) 信噪比
    Figure 5.  (a, b) Experimental scenarios; (c) Correlation between physiological electrical signals and (d) signal-to-noise ratio of Cu2O/Cu-VG microelectrode and commercial Ag/AgCl electrode
    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    2.4   微电极的尿酸检测性能

    使用Cu2O/Cu-VG微电极以DPV法定量检测了尿酸。考虑到生物液体的pH值对峰电流的影响，最先评估了pH 6.0~8.0范围的尿酸响应能力。如图 6a~6e所示，随着尿酸浓度的提高，氧化峰电流随之提高，表明Cu2O/Cu-VG微电极在该pH范围内均能定量响应尿酸。此外，尿酸的峰电位随pH的增加而负向偏移，而且pH与氧化峰电位之间存在线性关系，对应的线性回归方程为Ep=0.764-0.070pH。该斜率0.070 V近似于理论值0.059 V，表明在电极反应转移的质子和电子的数目相同(图 6f)。

    图 6

    图 6.  Cu2O/Cu-VG微电极的尿酸响应能力: (a~e) 在不同pH值尿酸溶液里记录的DPV曲线和(f) pH值与氧化峰电位的线性关系
    Figure 6.  Response of Cu2O/Cu microelectrode to uric acid: (a-e) DPV curves recorded at different pH values and (f) linear relationship between pH value and oxidation peak potential
    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    在该Cu2O/Cu-VG微电极上尿酸的可能电化学反应见式1[33-34]：

    		 (1)

    图 7给出了在不同pH值环境中Cu2O/Cu-VG微电极对尿酸响应的工作曲线及灵敏度。对于10~90 μmol·L-1的尿酸，峰电流与尿酸浓度均呈线性关系。此外，在pH 6.0~8.0范围内，随着pH值的升高，尿酸的灵敏度先升高后降低，灵敏度变化范围为0.428~0.797 μA·L·μmol-1。这些结果证实了该Cu2O/Cu-VG微电极适用于脑脊液、血液、尿液、肠液等不同pH值的体液环境。

    图 7

    图 7.  pH值对尿酸响应的影响: (a~e) 尿酸浓度和峰电流的线性关系、(f) 尿酸灵敏度
    Figure 7.  Influence of pH value on uric acid response: (a-e) linear relationship between uric acid concentration and peak current, (f) uric acid sensitivity
    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    进一步模拟pH 7.4的体液环境，详细考察了Cu2O/Cu-VG微电极对尿酸的定量检测能力。图 8a展示了使用该微电极在0.5~500 μmol·L-1的浓度范围内记录的DPV曲线，而图 8b给出了工作曲线。

    图 8

    图 8.  使用Cu2O/Cu-VG微电极检测尿酸的定量模型: (a) 在pH 7.4的尿酸标准溶液里记录的DPV曲线、(b) 工作曲线及定量方程
    Figure 8.  Quantitative model for detecting uric acid using Cu2O/Cu-VG microelectrode: (a) DPV curves recorded in uric acid standard solution at pH 7.4, (b) working curve and quantitative equation
    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    在该浓度范围内存在2个线性区域，对于0.5~200 μmol·L-1的尿酸，线性回归方程为Ip=0.652c，其中Ip代表尿酸响应的峰电流，c表示尿酸的浓度，R2=0.998；对于200~500 μmol·L-1的尿酸，线性回归方程为Ip=0.392c+47.559，R2=0.990。该Cu2O/Cu-VG微电极检测尿酸的线性浓度范围达到0.5~500 μmol·L-1，涵盖了脑脊液、血液、尿液的正常人群检测范围，而LOD低至0.024 μmol·L-1，还可用于其它低尿酸水平标本的原位检测。

    为了评价Cu2O/Cu-VG微电极的尿酸选择性，在10 μmol·L-1尿酸溶液里加入了体液中可能共存的各种有机和无机化合物，分别记录了存在干扰物和不存在干扰物时尿酸溶液的DPV曲线(图 9a)。作为干扰的化合物包括色氨酸(Trp)、乳糖(Lac)、葡萄糖(Glc)、甘氨酸(Gly)、K2CO3、KCl、Na2CO3、NaCl、抗坏血酸(AA)、以及混合的干扰物。这些化合物的浓度均为10 μmol·L-1，与尿酸浓度相同。这些干扰物对尿酸响应电流的改变量范围为1.82%~8.59%，其中Gly(8.59%)干扰相对大，总的相对标准偏差(RSD)为8.59%，在可接受的范围之内，证实了Cu2O/Cu-VG微电极对尿酸具有良好的选择性。

    图 9

    图 9.  以10 μmol•L-1尿酸为模型的抗干扰能力: (a) 尿酸与不同干扰物共存时的DPV曲线、(b) 不同干扰物对尿酸峰电流的影响
    Figure 9.  Anti interference ability for 10 μmol•L-1 uric acid: (a) DPV curves recorded in solutions containing uric acid and different interfering substances, (b) effects of different interfering substances on peak current of uric acid
    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    为了更接近实际应用，对于一个Cu2O/Cu-VG微电极研究了长达3个月的长期稳定性。图 10a展示了不同日期记录的DPV曲线，检测对象是10 μmol·L-1的尿酸。图 10b给出了峰电流的统计结果。如图所示，3个月内尿酸的峰电流保持在7.23~8.29 μA范围内，RSD为4.70%；而3个月后峰电流达到了初始值的97.26%。这些结果证实了Cu2O/Cu-VG微电极具有良好的长期稳定性。

    图 10

    图 10.  以10 μmol•L-1尿酸为模型的长期稳定性: (a) 不同日期记录的DPV曲线、(b) 氧化峰的峰电流
    Figure 10.  Long-term stability of 10 μmol•L-1 uric acid as a model: (a) DPV curves recorded on different dates, (b) peak current of oxidation peak
    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    3.   结论

    通过一步直流电弧等离子体喷射CVD法同步还原铜催化剂并垂直生长多层石墨烯，制备了一种Cu2O/Cu-VG微电极，把Cu2O/Cu纳米颗粒牢固镶嵌到了多层石墨烯纳米片上。首先，Cu2O/Cu的掺杂保持了石墨烯的生长取向及二维纳米晶体特性，增加了石墨烯的电催化活性位点，有效电活性面积达到了几何面积的约3.3倍，液-固界面电荷转移电阻仅为23.74 Ω，具有高的电催化活性。其次，Cu2O/ Cu-VG微电极的头皮接触电阻低至7.05 kΩ，在头皮和脑机接口之间建立了有效的非接触电容式界面，肌电和脑电信号的SNR值分别达到23.2和7.9 dB，优于商用Ag/AgCl电极。此外，Cu2O/Cu-VG微电极可以快速、灵敏地电化学响应尿酸，定量响应的pH范围达到6.0~8.0，在pH 7.4的环境中LOD低至0.024 μmol·L-1，而且具有优异的选择性及长期稳定性。本工作提出的Cu2O/Cu-VG微电极可以原位同步检测尿酸浓度和脑电信号，为体内尿酸水平、脑电及脑功能关联机制研究提供了一种有潜力的可植入双模微电极。

    Supporting information is available at http://www.wjhxxb.cn


    1. [1]

      Rezaei H, Jouyban A, Rahimpour E. Development of a new method based on gold nanoparticles for determination of uric acid in urine samples[J]. Spectroc. Acta Pt. A-Molec. Biomolec. Spectr., 2022, 272:  120995. doi: 10.1016/j.saa.2022.120995

    2. [2]

      Siemińska E, Sobczak P, Skibińska N, Sikora J. The differential role of uric acid: The purpose or cause of cardiovascular diseases?[J]. Med. Hypotheses, 2020, 142:  109791. doi: 10.1016/j.mehy.2020.109791

    3. [3]

      方智利, 王平, 刘胜东, 王欣, 聂启祥, 杨绍明, 徐文媛, 周枚花. 基于手性MOF与乙炔黑修饰电极对多巴胺和尿酸的同时检测[J]. 无机化学学报, 2020,36,(1): 139-147. FANG Z L, WANG P, LIU S D, WANG X, NIE Q X, YANG S M, XU W Y, ZHOU M H. Simultaneous detection of dopamine and uric acid based on chiral MOF and acetylene black modified electrode[J]. Chinese J. Inorg. Chem., 2020, 36(1):  139-147.

    4. [4]

      Cutler R G, Camandola S, Feldman N H, Yoon J S, Haran J B, Arguelles S, Mattson M P. Uric acid enhances longevity and endurance and protects the brain against ischemia[J]. Neurobiol. Aging, 2019, 75:  159-168. doi: 10.1016/j.neurobiolaging.2018.10.031

    5. [5]

      Zhou C B, Gu M J, Yin L, Yin W F, Liu J, Zhu Y Y, Yin K F, Lei C Y, Xu Z, Yang X L. Low serum uric acid levels may be a potential biomarker of poor sleep quality in patients with Parkinson's disease[J]. Sleep Med., 2023, 105:  9-13. doi: 10.1016/j.sleep.2023.03.011

    6. [6]

      Lin S, Liu J C, Li W Z, Wang D, Huang Y, Jia C, Li Z W, Murtaza M, Wang H Y, Song J N, Liu Z L, Huang K, Zu D, Lei M, Hong B, Wu H. A flexible, robust, and gel-free electroencephalogram electrode for noninvasive brain-computer interfaces[J]. Nano Lett., 2019, 19(10):  6853-6861. doi: 10.1021/acs.nanolett.9b02019

    7. [7]

      Aafria S, Kumari P, Sharma S, Yadav S, Batra B, Rana J S, Sharma M. Electrochemical biosensing of uric acid: A review[J]. Microchem J., 2022, 182:  107945. doi: 10.1016/j.microc.2022.107945

    8. [8]

      Walcarius A. Mesoporous materials-based electrochemical sensors[J]. Electroanalysis, 2015, 27(6):  1303-1340. doi: 10.1002/elan.201400628

    9. [9]

      Delgado-Avilez J, Huerta-Miranda G A, Jaimes-López R, Miranda-Hernández M. Theoretical study of the chemical interactions between carbon fiber ultramicroelectrodes and the dihydroxybenzene isomers for electrochemical sensor understanding[J]. Electrochim. Acta, 2022, 402:  139576. doi: 10.1016/j.electacta.2021.139576

    10. [10]

      李恳恳, 王松磊, 罗瑞明, 马亮, 刘丽, 魏培媛, 张也. 碳纸负载碳酸氢镍纳米颗粒的无酶葡萄糖电化学传感器[J]. 无机化学学报, 2021,37,(11): 2002-2010. doi: 10.11862/CJIC.2021.239LI K K, WANG S L, LUO R M, MA L, LIU L, WEI P Y, ZHANG Y. Nickel bicarbonate nanoparticles loadded on carbon paper for enzyme-free glucose electrochemical sensor[J]. Chinese J. Inorg. Chem., 2021, 37(11):  2002-2010. doi: 10.11862/CJIC.2021.239

    11. [11]

      Hinrichs H, Scholz M, Baum A K, Kam J W Y, Knight R T, Heinze H J. Comparison between a wireless dry electrode EEG system with a conventional wired wet electrode EEG system for clinical applications[J]. Sci. Rep, 2020, 10(1):  5218. doi: 10.1038/s41598-020-62154-0

    12. [12]

      Shao L, Guo Y F, Liu W J, Sun T, Wei D P. A flexible dry electroencephalogram electrode based on graphene materials[J]. Mater. Res. Express, 2019, 6(8):  085619-085619. doi: 10.1088/2053-1591/ab20a7

    13. [13]

      Wu S X, He Q Y, Tan C L, Wang Y D, Zhang H. Graphene-based electrochemical sensors[J]. Small, 2013, 9(8):  1160-1172. doi: 10.1002/smll.201202896

    14. [14]

      黄海平, 朱俊杰. 新型碳材料——石墨烯的制备及其在电化学中的应用[J]. 分析化学, 2011,39,(7): 963-971. HUANG H P, ZHU J J. Preparation of novel carbon-based nanomaterial of graphene and its applications for electrochemistry[J]. Chinese J. Anal. Chem., 2011, 39(7):  963-971.

    15. [15]

      陈政, 翟妮妮, 高素华, 李明吉, 李红姬. 硼-氮共掺杂垂直石墨烯电极的制备及其葡萄糖检测性能[J]. 无机化学学报, 2023,39,(5): 785-793. CHEN Z, ZHAI N N, GAO S H, LI M J, LI H J. Preparation of boron-nitrogen co-doped vertical graphene electrode for glucose detection[J]. Chinese J. Inorg. Chem., 2023, 39(5):  785-793.

    16. [16]

      Putra B R, Nisa U, Heryanto R, Khalil M, Khoerunnisa F, Ridhova A, Thaha Y N, Marken F, Wahyuni W T. Selective non-enzymatic uric acid sensing in the presence of dopamine: Electropolymerized poly-pyrrole modified with a reduced graphene oxide/PEDOT: PSS composite[J]. Analyst, 2022, 147(23):  5334-5346. doi: 10.1039/D2AN01463G

    17. [17]

      Jiang J J, Ding D, Wang J, Lin X Y, Diao G W. Three-dimensional nitrogen-doped graphene-based metal-free electrochemical sensors for simultaneous determination of ascorbic acid, dopamine, uric acid, and acetaminophen[J]. Analyst, 2021, 146(3):  964-970. doi: 10.1039/D0AN01912G

    18. [18]

      He W Z, Ye X Y, Cui T H. Flexible electrochemical sensor with graphene and gold nanoparticles to detect dopamine and uric acid[J]. IEEE Sens. J., 2021, 21(23):  26556-26565. doi: 10.1109/JSEN.2021.3122326

    19. [19]

      Sun Y X, Li H J, Li C P, Wang L T, Xuan X W, Li M J. Preparation of a Cu/CuO-vertical graphene microelectrode for the simultaneous determination of epinephrine and 2-aminoadenosine[J]. Mater. Today Chem., 2023, 33:  101685. doi: 10.1016/j.mtchem.2023.101685

    20. [20]

      Wang Z Z, Zhao N, Shen G C, Jiang C P, Liu J Q. MEMS-based flexible wearable tri-polar concentric ring electrode array with self-adhesive graphene gel for EEG monitoring[J]. IEEE Sens. J., 2023, 23(3):  3137-3146. doi: 10.1109/JSEN.2022.3230679

    21. [21]

      Li Z, Guo W, Huang Y Y, Zhu K H, Yi H K, Wu H. On-skin graphene electrodes for large area electrophysiological monitoring and human-machine interfaces[J]. Carbon, 2020, 164:  164-170. doi: 10.1016/j.carbon.2020.03.058

    22. [22]

      Du X J, Jiang W C, Zhang Y, Qiu J K, Zhao Y, Tan Q S, Qi S Y, Ye G, Zhang W F, Liu N. Transparent and stretchable graphene electrode by intercalation dopineg for epidermal electrophysiology[J]. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12(50):  56361-56371. doi: 10.1021/acsami.0c17658

    23. [23]

      Das P S, Park S H, Baik K Y, Lee J W, Park J Y. Thermally reduced graphene oxide-nylon membrane based epidermal sensor using vacuum filtration for wearable electrophysiological signals and human motion monitoring[J]. Carbon, 2020, 158:  386-393. doi: 10.1016/j.carbon.2019.11.001

    24. [24]

      Zhai P F, Xuan X W, Li H J, Li C P, Li P H, Li M J. Boron and nitrogen co-doped vertical graphene electrodes for scalp electroencephalogram recording[J]. Carbon, 2022, 189:  71-80. doi: 10.1016/j.carbon.2021.12.056

    25. [25]

      Li P H, Wang C, Li M J, Xuan X W, Zhou B Z, Li H J. Flexible silver/carbon nanotube-graphene oxide-polydimethylsiloxane electrode patch for electroencephalography language[J]. Adv. Intell. Syst., 2023, 5:  2300018. doi: 10.1002/aisy.202300018

    26. [26]

      Ge C, Li H J, Li M J, Li C P, Wu X G, Yang B H. Synthesis of a ZnO nanorod/CVD graphene composite for simultaneous sensing of dihydroxybenzene isomers[J]. Carbon, 2015, 95:  1-9. doi: 10.1016/j.carbon.2015.08.006

    27. [27]

      Yuan M J, Guo X T, Pang H. Derivatives (Cu/CuO, Cu/Cu2O, and CuS) of Cu superstructures reduced by biomass reductants[J]. Mater. Today Chem., 2021, 21:  100519. doi: 10.1016/j.mtchem.2021.100519

    28. [28]

      Ramos M K, Zarbin A J G. Graphene/copper oxide nanoparticles thin films as precursor for graphene/copper hexacyanoferrate nanocomposites[J]. Appl. Surf. Sci., 2020, 515:  146000. doi: 10.1016/j.apsusc.2020.146000

    29. [29]

      Oliveira P R, Kalinke C, Mangrich A S, Marcolino-Junior L H, Bergamini M F. Copper hexacyanoferrate nanoparticles supported on biochar for amperometric determination of isoniazid[J]. Electrochim. Acta, 2018, 285:  373-380. doi: 10.1016/j.electacta.2018.08.004

    30. [30]

      Sharma M K, Aggarwal S K. Simultaneous formation of Prussian blue and copper hexacyanoferrate from a solution of Cu2+ and K3[Fe(CN)6] in presence of HAuCl4[J]. J. Electroanal. Chem., 2013, 705:  64-67. doi: 10.1016/j.jelechem.2013.07.023

    31. [31]

      Randles J E B. A cathode ray polarograph. Part Ⅱ: The current- voltage curves[J]. Trans. Faraday Soc., 1948, 44:  327-338. doi: 10.1039/TF9484400327

    32. [32]

      Laviron E. General expression of the linear potential sweep voltammogram in the case of diffusionless electrochemical systems[J]. J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem., 1979, 101(1):  19-28. doi: 10.1016/S0022-0728(79)80075-3

    33. [33]

      Iranmanesh T, Foroughi M M, Jahani S, Zandi M S, Nadiki H H. Green and facile microwave solvent-free synthesis of CeO2 nanoparticle-decorated CNTs as a quadruplet electrochemical platform for ultrasensitive and simultaneous detection of ascorbic acid, dopamine, uric acid and acetaminophen[J]. Talanta, 2020, 207:  120318. doi: 10.1016/j.talanta.2019.120318

    34. [34]

      Lavanya N, Fazio E, Neri F, Bonavita A, Leonardi S G, Neri G, Sekar C. Simultaneous electrochemical determination of epinephrine and uric acid in the presence of ascorbic acid using SnO2/graphene nanocomposite modified glassy carbon electrode[J]. Sens. Actuators B-Chem., 2015, 221:  1412-1422. doi: 10.1016/j.snb.2015.08.020

  • 图 1  Cu2O/Cu-VG微电极的(a) 光学照片及(b、c) 表面SEM图; (d) Ta微丝、(e) Cu前驱体/Ta微丝及(f) Cu2O/Cu-VG微电极的高倍表面SEM图; Cu2O/Cu-VG微电极的(g) 截面SEM及(h、i) TEM图; (j) 3个微电极的XRD图

    Figure 1  (a) Optical picture and (b, c) surface SEM images of Cu2O/Cu-VG microelectrode; High-magnifications surface SEM images of (d) Ta, (e) Cu precursor/Ta, and (f) Cu2O/Cu-VG microelectrodes; (g) Cross-sectional SEM and (h, i) TEM images of Cu2O/ Cu-VG microelectrode; (j) XRD patterns of three microelectrodes

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 2  微电极的阻抗分析: (a~c) 在5.0 mmol•L-1 K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]溶液里记录的Nyquist图、(d) 液-固界面Rct、(e、f) 手部Nyquist图、(g) 手部的频谱-阻抗谱(插图: 4种微电极的等效电路图)和(h) Rct、Rscalp、Rskin, 1和Rskin, 2

    Figure 2  Impedance analysis of microelectrodes: (a-c) Nyquist plot recorded in 5.0 mmol•L-1 K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6] solution, (d) liquid-solid interface Rct, (e, f) Nyquist plots on hand, (g) frequency-impedance spectra on hand(inset: equivalent circuit diagrams of four microelectrodes), and (h) Rct, Rscalp, Rskin, 1, and Rskin, 2

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 3  (a) 四种微电极对10 μmol•L-1尿酸的DPV曲线(插图: Ta和Cu2O/Cu微电极响应曲线局部放大图); Cu2O/Cu-VG微电极的(b) 以10~1 000 mV•s-1的扫描速率记录的CV曲线、(c) 峰电位和扫描速率对数的关系、(d) 峰电流与扫描速率平方根的线性关系

    Figure 3  (a) DPV curves of four microelectrodes recorded in the 10 μmol•L-1 uric acid solution (inset: locally enlarged response curves of Ta and Cu2O/Cu microelectrode); (b) CV curves of with scan rates of 10-1 000 mV•s-1, (c) relationship between peak voltage and logarithm of scan rate, (d) linear relationship between peak current and the square root of scan rate of Cu2O/Cu-VG microelectrode

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 4  使用Cu2O/Cu-VG微电极(红)和商用Ag/AgCl电极(蓝)同步记录的肌电、眼电及脑电信号的时域谱和频域谱: (a~d) 咬牙范式下记录的肌电信号、(e~h) 眨眼范式下记录的眼电信号、(i~l) 闭眼/睁眼范式记录的脑电信号

    Figure 4  Time-domain and frequency-domain spectra collected using the Cu2O/Cu-VG microelectrode (red) and commercial Ag/AgCl electrode (blue): (a-d) electromyographic signals recorded under the biting paradigm, (e-h) electromyographic signals recorded under the blinking paradigm, (i-l) electroencephalogram signals recorded under the closed/open eye paradigm

    (a, b, e, f, i, j) Time-domain (VEEG: electroencephalogram potential) and (c, d, g, h, k, l) frequency-domain spectra.

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 5  (a、b)实验场景; Cu2O/Cu-VG微电极和商用Ag/AgCl电极的(c) 生理电信号的相关度和(d) 信噪比

    Figure 5  (a, b) Experimental scenarios; (c) Correlation between physiological electrical signals and (d) signal-to-noise ratio of Cu2O/Cu-VG microelectrode and commercial Ag/AgCl electrode

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 6  Cu2O/Cu-VG微电极的尿酸响应能力: (a~e) 在不同pH值尿酸溶液里记录的DPV曲线和(f) pH值与氧化峰电位的线性关系

    Figure 6  Response of Cu2O/Cu microelectrode to uric acid: (a-e) DPV curves recorded at different pH values and (f) linear relationship between pH value and oxidation peak potential

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 7  pH值对尿酸响应的影响: (a~e) 尿酸浓度和峰电流的线性关系、(f) 尿酸灵敏度

    Figure 7  Influence of pH value on uric acid response: (a-e) linear relationship between uric acid concentration and peak current, (f) uric acid sensitivity

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 8  使用Cu2O/Cu-VG微电极检测尿酸的定量模型: (a) 在pH 7.4的尿酸标准溶液里记录的DPV曲线、(b) 工作曲线及定量方程

    Figure 8  Quantitative model for detecting uric acid using Cu2O/Cu-VG microelectrode: (a) DPV curves recorded in uric acid standard solution at pH 7.4, (b) working curve and quantitative equation

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 9  以10 μmol•L-1尿酸为模型的抗干扰能力: (a) 尿酸与不同干扰物共存时的DPV曲线、(b) 不同干扰物对尿酸峰电流的影响

    Figure 9  Anti interference ability for 10 μmol•L-1 uric acid: (a) DPV curves recorded in solutions containing uric acid and different interfering substances, (b) effects of different interfering substances on peak current of uric acid

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 10  以10 μmol•L-1尿酸为模型的长期稳定性: (a) 不同日期记录的DPV曲线、(b) 氧化峰的峰电流

    Figure 10  Long-term stability of 10 μmol•L-1 uric acid as a model: (a) DPV curves recorded on different dates, (b) peak current of oxidation peak

    下载: 全尺寸图片 幻灯片
  • 加载中
WeChat 扫一扫看文章
计量
  • PDF下载量:  0
  • 文章访问数:  304
  • HTML全文浏览量:  22
文章相关
  • 发布日期:  2024-07-10
  • 收稿日期:  2024-01-01
  • 修回日期:  2024-05-27
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章

All Rights Reserved by the Chinese Chemical Society   中国化学会 版权所有 京ICP备05002797号

本系统由北京仁和汇智信息技术有限公司开发    技术支持: info@rhhz.net