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2、結(jié)果與討論
2.1、樣品的物理表征
圖1給出了Cu2O/Cu‐VG微電極的光學(xué)照片、表面和截面SEM、TEM圖以及XRD圖。該微電極的直徑僅為200μm，具有半柔性特征，長(zhǎng)度可控(圖1a)。由低倍的表面SEM圖觀察到大量的石墨烯納米片密堆積覆蓋了整個(gè)Ta微絲表面(圖1b和1c)。空白Ta微絲表面相對(duì)光滑，但能觀察到預(yù)處理打磨留下的痕跡(圖1d)，而附著Cu前驅(qū)體的微絲的表面SEM圖上觀察到了主要依附于縫隙及裂痕上的異相顆粒(圖1e)。然而，在Cu2O/Cu‐VG微電極的高倍SEM圖則呈現(xiàn)納米片相互交錯(cuò)包裹形成了開放的多孔、多縫隙形態(tài)(圖1f)，這顯然有利于電解質(zhì)的快速擴(kuò)散。此外，從SEM截面形貌分析，石墨烯納米片們直立于基底生長(zhǎng)，該薄膜的高度達(dá)到了6μm左右，且高度相對(duì)均勻(圖1g)。
圖1 Cu2O/Cu‐VG微電極的(a)光學(xué)照片及(b、c)表面SEM圖;(d)Ta微絲、(e)Cu前驅(qū)體/Ta微絲及(f)Cu2O/Cu‐VG微電極的高倍表面SEM圖;Cu2O/Cu‐VG微電極的(g)截面SEM及(h、i)TEM圖;(j)3個(gè)微電極的XRD圖
為進(jìn)一步探索微結(jié)構(gòu)，對(duì)該樣品進(jìn)行了TEM表征。如圖1h所示，該樣品的納米片是一種半透明、可卷曲的二維片狀晶體，但是表面鑲嵌了大量的不同尺寸納米顆粒。在制備TEM測(cè)試樣的過程中對(duì)該樣品進(jìn)行了8 h的超聲分散，但是這些納米顆粒仍然牢固地鑲嵌在二維納米片上。一個(gè)納米粒子的高分辨TEM分析表明，納米粒子的表面被條紋間距為0.35 nm的石墨烯(002)晶面所覆蓋(圖1i)，這與石墨烯的生長(zhǎng)過程中同步還原Cu2O/Cu顆粒有關(guān)。為了進(jìn)一步確認(rèn)納米顆粒的成分，對(duì)空白Ta微絲、Cu前驅(qū)體/Ta微絲及Cu2O/Cu‐VG微電極進(jìn)行了XRD分析，結(jié)果如圖1j所示。
與空白Ta微絲相比，從Cu前驅(qū)體/Ta微絲的XRD圖中觀察到了CuSO4的(120)、(111)、(311)晶面衍射峰，分別位于25.5°、27.0°、57.0°附近。這表明先浸泡再紅外干燥的工藝把CuSO4晶體成功附著到了Ta微絲上。此外，Cu2O/Cu‐VG微電極的XRD圖顯示了TaC、Cu、Cu2O以及石墨相關(guān)的衍射峰，其中TaC特征峰(PDF No.35‐0801)來自Ta微絲表面的碳化過渡層。在26.0°附近出現(xiàn)了石墨烯的(002)晶面衍射峰(PDF No.41‐1487)，而49.9°附近的是Cu(200)晶面特征峰(PDFNo.89‐2838)。此外，還觀察到了相對(duì)弱的Cu2O相的(110)、(111)、(200)、(211)和(220)晶面衍射峰(PDFNo.78‐2076)。這些結(jié)果證實(shí)成功制備了Cu2O/Cu‐VG微電極，而Cu2O/Cu‐VG薄膜則利用TaC過渡層牢固結(jié)合在Ta微絲表面。
2.2、微電極的阻抗及電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)行為
為了研究Cu2O/Cu‐VG微電極的電化學(xué)和生理電雙模性能，先分析了Ta、Cu2O/Cu、VG及Cu2O/Cu‐VG微電極在電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究中常用的5.0mmol·L-1 K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]混合溶液中的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性，并進(jìn)一步探討了這些微電極在手背皮膚以及受腦電影響的頭皮區(qū)域的阻抗特征(圖2)。對(duì)于Nyquist圖，高頻區(qū)與實(shí)軸的交點(diǎn)為半電池體系的總內(nèi)阻(Rs)，高頻區(qū)的半圓直徑與電極、電解質(zhì)之間的界面電荷轉(zhuǎn)移電阻(Rct)有關(guān)，半圓直徑越大，表明Rct值越大，而低頻區(qū)的直線段反映了離子的擴(kuò)散效應(yīng)。在[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-探針溶液里，Rs為8.26~9.36Ω。此外，Ta微絲表現(xiàn)了金屬電阻特性，Cu2O/Cu微電極則呈現(xiàn)金屬局部腐蝕電極特性(圖2a)；而在VG和Cu2O/Cu‐VG微電極的阻抗譜上觀察到了半無限擴(kuò)散特征(圖2b)。如圖2c和2d所示，Cu2O/Cu‐VG微電極的Rct最低，該值為23.74Ω，表示在液-固界面可以快速傳輸電子，這與擴(kuò)散傳質(zhì)有關(guān)。4種微電極在手背上均表現(xiàn)了擴(kuò)散傳質(zhì)特性，但阻抗大幅增加了(圖2e和2f)。
圖2微電極的阻抗分析:(a~c)在5.0 mmol·L-1 K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]溶液里記錄的Nyquist圖、(d)液-固界面Rct、(e、f)手部Nyquist圖、(g)手部的頻譜-阻抗譜(插圖:4種微電極的等效電路圖)和(h)Rct、Rscalp、Rskin,1和Rskin,2
Rct值從大到小的順序?yàn)門a>Cu2O/Cu>VG>Cu2O/Cu‐VG，其中Cu2O/Cu‐VG微電極的Rct值達(dá)到1.36 kΩ，這與皮膚角質(zhì)層的阻抗顯著高于[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-電解液有關(guān)。圖2g顯示了手背上記錄的頻率-阻抗譜。如圖2h所示，在4種微電極中，Cu2O/Cu‐VG微電極具有最低的皮膚接觸阻抗，其中包括α節(jié)律范圍(8~13 Hz)的皮膚阻抗值(Rskin,1)為3.65 kΩ，生理電范圍(1~1 000Hz)的皮膚阻抗值(Rskin,2)為4.67 kΩ。我們繼續(xù)監(jiān)測(cè)了頭皮接觸電阻(Rscalp)，Cu2O/Cu‐VG微電極仍然具有最低值，該實(shí)時(shí)值約為7.05 kΩ，遠(yuǎn)低于表皮可用電阻50 kΩ。
這些結(jié)果表明，Cu2O/Cu‐VG微電極作為電化學(xué)傳感電極具有低的Rct值，可以提高電解質(zhì)和電極之間的電子轉(zhuǎn)移過程，又可作為表皮電極直接從頭皮記錄生理電信號(hào)。此外，使用Ta、Cu2O/Cu、VG及Cu2O/Cu‐VG微電極記錄了10μmol·L-1尿酸溶液的DPV曲線。如圖3a所示，Ta微絲不響應(yīng)尿酸，Cu2O/Cu微電極上觀察到了微弱的氧化峰；而在VG微電極上出現(xiàn)了明顯的尿酸氧化峰，峰電位在0.232 V。當(dāng)使用Cu2O/Cu‐VG微電極時(shí)，尿酸的氧化峰電位輕微移動(dòng)到0.244V，但其峰電流達(dá)到了VG微電極上的6倍。這表明Cu2O/Cu納米顆粒和石墨烯協(xié)同提高了尿酸的響應(yīng)信號(hào)。接著，使用Cu2O/Cu‐VG微電極，把0.1 mol·L-1KCl、5.0 mmol·L-1 K3[Fe(CN)6]和5.0 mmol·L-1K4[Fe(CN)6]的混合溶液作為電解液，以10~1000 mV·s-1的電位掃描速率記錄一組CV曲線，分析了電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)行為的相關(guān)參數(shù)。圖3b呈現(xiàn)的CV曲線中出現(xiàn)了2對(duì)氧化還原峰，在0.13~0.25 V處的一對(duì)峰對(duì)應(yīng)于[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-氧化還原探針，在0.6~0.7 V處的一對(duì)峰對(duì)應(yīng)于KCu[Fe(CN)6]/K2Cu[Fe(CN)6]的氧化還原反應(yīng)過程。
圖3(a)四種微電極對(duì)10μmol·L-1尿酸的DPV曲線(插圖:Ta和Cu2O/Cu微電極響應(yīng)曲線局部放大圖);Cu2O/Cu‐VG微電極的(b)以10~1 000 mV·s-1的掃描速率記錄的CV曲線、(c)峰電位和掃描速率對(duì)數(shù)的關(guān)系、(d)峰電流與掃描速率平方根的線性關(guān)系
進(jìn)一步利用[Fe(CN)6]3-/[Fe(CN)6]4-氧化還原探針峰，建立了峰電位(Ep)和掃描速率對(duì)數(shù)(lg v)、峰電流(Ip)和掃描速率平方根(v1/2)之間的線性關(guān)系(圖3c和3d)。Ip與v1/2之間的線性關(guān)系證實(shí)了該電極表面擴(kuò)散控制的電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)行為。根據(jù)Randles‐Sevcik方程(Ip=2.69×105An3/2D01/2v1/2c0)，利用已知擴(kuò)散系數(shù)D0=7.6×10-6 cm2·s-1、氧化還原電對(duì)的初始濃度c0=5 mmol·L-1、電子轉(zhuǎn)換數(shù)n=1、以及v1/2和峰電流Ip之間的斜率值，得到電極的有效活性面積(A，0.20 cm2)是幾何面積(0.06 cm2)的3.3倍。利用Laviron理論方程求得的反應(yīng)速率常數(shù)(ks)為0.82 s-1。這些結(jié)果表明了該微電極具有優(yōu)異的電催化能力。
2.3、微電極的生理電響應(yīng)性能
圖4使用Cu2O/Cu‐VG微電極(紅)和商用Ag/AgCl電極(藍(lán))同步記錄的肌電、眼電及腦電信號(hào)的時(shí)域譜和頻域譜:(a~d)咬牙范式下記錄的肌電信號(hào)、(e~h)眨眼范式下記錄的眼電信號(hào)、(i~l)閉眼/睜眼范式記錄的腦電信號(hào)
圖4為使用Cu2O/Cu‐VG微電極和商用Ag/AgCl電極同步記錄的肌電、眼電、腦電信號(hào)(隨附視頻見Supporting information)。紅色譜線表示使用Cu2O/Cu‐VG微電極采集的信號(hào)，藍(lán)色譜線表示使用Ag/AgCl電極采集的信號(hào)。對(duì)比咬牙范式的肌電(圖4a~4d)、眨眼范式的眼電(圖4e~4h)以及閉眼/睜眼范式的腦電信號(hào)(圖4i~4l)，從時(shí)域譜和頻域譜可觀察到，Cu2O/Cu‐VG微電極與商用Ag/AgCl電極具有接近的幅值、生理電頻率特征、以及腦電α節(jié)律特征范圍，且與正常人的生理電表現(xiàn)形式吻合。圖5a和5b選取了隨附視頻中眨眼、咬牙范式記錄腦電的實(shí)際場(chǎng)景，而圖5c和5d給出了進(jìn)一步計(jì)算的Cu2O/Cu‐VG微電極和商用Ag/AgCl電極的生理電信號(hào)之間的相關(guān)度以及2種電極的信噪比(SNR)值。結(jié)果表明，2種電極的信號(hào)相關(guān)度在99%以上，Cu2O/Cu‐VG微電極的平均SNR值高于商用濕電極，這證實(shí)了Cu2O/Cu‐VG的高效腦電采集能力。
圖5(a、b)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景;Cu2O/Cu‐VG微電極和商用Ag/AgCl電極的(c)生理電信號(hào)的相關(guān)度和(d)信噪比
2.4、微電極的尿酸檢測(cè)性能
使用Cu2O/Cu‐VG微電極以DPV法定量檢測(cè)了尿酸?？紤]到生物液體的pH值對(duì)峰電流的影響，最先評(píng)估了pH 6.0~8.0范圍的尿酸響應(yīng)能力。如圖6a~6e所示，隨著尿酸濃度的提高，氧化峰電流隨之提高，表明Cu2O/Cu‐VG微電極在該pH范圍內(nèi)均能定量響應(yīng)尿酸。此外，尿酸的峰電位隨pH的增加而負(fù)向偏移，而且pH與氧化峰電位之間存在線性關(guān)系，對(duì)應(yīng)的線性回歸方程為Ep=0.764-0.070pH。該斜率0.070 V近似于理論值0.059 V，表明在電極反應(yīng)轉(zhuǎn)移的質(zhì)子和電子的數(shù)目相同(圖6f)。在該Cu2O/Cu‐VG微電極上尿酸的可能電化學(xué)
圖6 Cu2O/Cu‐VG微電極的尿酸響應(yīng)能力:(a~e)在不同pH值尿酸溶液里記錄的DPV曲線和(f)pH值與氧化峰電位的線性關(guān)系
反應(yīng)見式1：
(1)圖7給出了在不同pH值環(huán)境中Cu2O/Cu‐VG微電極對(duì)尿酸響應(yīng)的工作曲線及靈敏度。對(duì)于10~90μmol·L-1的尿酸，峰電流與尿酸濃度均呈線性關(guān)系。此外，在pH 6.0~8.0范圍內(nèi)，隨著pH值的升高，尿酸的靈敏度先升高后降低，靈敏度變化范圍為0.428~0.797μA·L·μmol-1。這些結(jié)果證實(shí)了該Cu2O/Cu‐VG微電極適用于腦脊液、血液、尿液、腸液等不同pH值的體液環(huán)境。進(jìn)一步模擬pH 7.4的體液環(huán)境，詳細(xì)考察了Cu2O/Cu‐VG微電極對(duì)尿酸的定量檢測(cè)能力。圖8a展示了使用該微電極在0.5~500μmol·L-1的濃度范圍內(nèi)記錄的DPV曲線，而圖8b給出了工作曲線。
圖7 pH值對(duì)尿酸響應(yīng)的影響:(a~e)尿酸濃度和峰電流的線性關(guān)系、(f)尿酸靈敏度
圖8使用Cu2O/Cu‐VG微電極檢測(cè)尿酸的定量模型:(a)在pH 7.4的尿酸標(biāo)準(zhǔn)溶液里記錄的DPV曲線、(b)工作曲線及定量方程
在該濃度范圍內(nèi)存在2個(gè)線性區(qū)域，對(duì)于0.5~200μmol·L-1的尿酸，線性回歸方程為Ip=0.652c，其中Ip代表尿酸響應(yīng)的峰電流，c表示尿酸的濃度，R2=0.998；對(duì)于200~500μmol·L-1的尿酸，線性回歸方程為Ip=0.392c+47.559，R2=0.990。該Cu2O/Cu‐VG微電極檢測(cè)尿酸的線性濃度范圍達(dá)到0.5~500μmol·L-1，涵蓋了腦脊液、血液、尿液的正常人群檢測(cè)范圍，而LOD低至0.024μmol·L-1，還可用于其它低尿酸水平標(biāo)本的原位檢測(cè)。為了評(píng)價(jià)Cu2O/Cu‐VG微電極的尿酸選擇性，在10μmol·L-1尿酸溶液里加入了體液中可能共存的各種有機(jī)和無機(jī)化合物，分別記錄了存在干擾物和不存在干擾物時(shí)尿酸溶液的DPV曲線(圖9a)。
圖9以10μmol·L-1尿酸為模型的抗干擾能力:(a)尿酸與不同干擾物共存時(shí)的DPV曲線、(b)不同干擾物對(duì)尿酸峰電流的影響
作為干擾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、抗壞血酸(AA)、以及混合的干擾物。這些化合物的濃度均為10μmol·L-1，與尿酸濃度相同。這些干擾物對(duì)尿酸響應(yīng)電流的改變量范圍為1.82%~8.59%，其中Gly(8.59%)干擾相對(duì)大，總的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為8.59%，在可接受的范圍之內(nèi)，證實(shí)了Cu2O/Cu‐VG微電極對(duì)尿酸具有良好的選擇性。
為了更接近實(shí)際應(yīng)用，對(duì)于一個(gè)Cu2O/Cu‐VG微電極研究了長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。圖10a展示了不同日期記錄的DPV曲線，檢測(cè)對(duì)象是10μmol·L-1的尿酸。圖10b給出了峰電流的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。如圖所示，3個(gè)月內(nèi)尿酸的峰電流保持在7.23~8.29μA范圍內(nèi)，RSD為4.70%；而3個(gè)月后峰電流達(dá)到了初始值的97.26%。這些結(jié)果證實(shí)了Cu2O/Cu‐VG微電極具有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
圖10以10μmol·L-1尿酸為模型的長(zhǎng)期穩(wěn)定性:(a)不同日期記錄的DPV曲線、(b)氧化峰的峰電流
3、結(jié)論
通過一步直流電弧等離子體噴射CVD法同步還原銅催化劑并垂直生長(zhǎng)多層石墨烯，制備了一種Cu2O/Cu‐VG微電極，把Cu2O/Cu納米顆粒牢固鑲嵌到了多層石墨烯納米片上。首先，Cu2O/Cu的摻雜保持了石墨烯的生長(zhǎng)取向及二維納米晶體特性，增加了石墨烯的電催化活性位點(diǎn)，有效電活性面積達(dá)到了幾何面積的約3.3倍，液-固界面電荷轉(zhuǎn)移電阻僅為23.74Ω，具有高的電催化活性。其次，Cu2O/Cu‐VG微電極的頭皮接觸電阻低至7.05 kΩ，在頭皮和腦機(jī)接口之間建立了有效的非接觸電容式界面，肌電和腦電信號(hào)的SNR值分別達(dá)到23.2和7.9 dB，優(yōu)于商用Ag/AgCl電極。此外，Cu2O/Cu‐VG微電極可以快速、靈敏地電化學(xué)響應(yīng)尿酸，定量響應(yīng)的pH范圍達(dá)到6.0~8.0，在pH 7.4的環(huán)境中LOD低至0.024μmol·L-1，而且具有優(yōu)異的選擇性及長(zhǎng)期穩(wěn)定性。本工作提出的Cu2O/Cu‐VG微電極可以原位同步檢測(cè)尿酸濃度和腦電信號(hào)，為體內(nèi)尿酸水平、腦電及腦功能關(guān)聯(lián)機(jī)制研究提供了一種有潛力的可植入雙模微電極。
