液態金屬還原氧化石墨烯在生物傳感中的應用

Exploring Interfacial Graphene OxideReduction by Liquid Metals: Application inSelective Biosensing

布魯克納米表面儀器部 李勇君 博士

自室溫和近室溫液態金屬（LMs）出現以來，此類材料因其軟流體性質、高電子和熱導率特性而受到研究者們越來越多的關注。其中，鎵及其共晶合金因其低毒性和低蒸汽壓等特性成為了LMs家族的典型代表之一，其可用于驅動表面化學反應，設計納米結構等應用。到目前為止，眾多研究者已經在 LMs 表面探索了多種反應，以生成基于層狀材料和納米粒子等不同涂層，但其表面在暴露于氧的情況下易形成天然氧化層而快速鈍化，形成損害LMs導電性的絕緣表面，從而限制了在電化學和電子系統中的應用。因此，在LMs表面建立導電層，以實現高導電界面是對于需要電子、電荷轉移這類應用的一種有前景和十分重要的策略。

2021年11月，澳大利亞新南威爾士大學和中國香港大學的研究人員通過共晶鎵（Ga）-銦（In）液態金屬（EGaIn）與氧化石墨烯（GO）的界面相互作用成功實現了襯底上、單獨GO的還原（rGO），合成了基于rGO與LM的核-殼復合材料(LM-rGO)。進一步，研究者通過布魯克公司的原子力顯微鏡（AFM）、 峰值力掃描電化學顯微鏡（PF-SECM）、納米紅外光譜（nanoIR）、X射線能譜（EDS）等技術系統、詳細地表征和討論了LM對GO的還原能力，LM-rGO界面的相互作用，LM的界面傳遞，以及LM-rGO的電化學性能等，證實了LM?rGO是一種有效的功能材料和電極改性劑。最后，研究者基于LM-rGO開發出來的紙基電極實現了抗生物干擾的多巴胺選擇性傳感，展示了該低成本技術的商業應用前景。

該項研究工作最終以“Exploring Interfacial Graphene Oxide Reduction by Liquid Metals: Application in Selective Biosensing”為題發表在2021年11月的《ACS NANO》雜志上。

原文導讀：

研究背景：

在過去十年中，自室溫和近室溫液態金屬（LMs）出現以來，其在治療學、微流體學、材料合成和催化等多個研究學科中得到了廣泛的應用。作為LM家族的代表，鎵及其共晶合金因其低毒性和低蒸汽壓而倍受關注。具體而言，Ga基LMs的可調表面特性以及柔軟、動態的界面使其成為合成多種材料的理想反應介質?；贕a的LMs的另一個獨特特性與Ga的不同氧化狀態有關，這使得能夠在電解或電流調節中調整氧化還原介導的合成路線。在界面上，LMs通常用于兩種設想的合成路線：①作為柔軟的超光滑模板，然后從表面剝離目標材料，②作為反應點和穩定載體，用于生成顆粒。將所有這些優點結合在一起，基于Ga的LMs可被視為有效的功能載體，為功能化合物的保留和生成提供了多功能界面。

還原氧化石墨烯 (rGO) 是常用、流行的平面材料之一，其具有高導電性和跨平面的機械強度等特點。盡管研究者們已經提出了許多用于rGO 生產的方法，但開發一種高度可控的在室溫下可行，并且對試劑的需求最少的還原方法仍然具有很大的前景。憑借其超反應性界面，可提供兩種自由電子和離子，LMs 可能可以提供這樣的反應介質，使 GO 薄膜和各種厚度的GO膜能夠在室溫下實現還原。一方面，LMs的動態可再生界面可用作重復使用的還原GO試劑，從而在無需任何外部輸入（特別是施加電壓）的情況下將成本和廢物產生降至最低。 另一方面，LMs 的非極化表面可以輕松地從其表面捕獲產生的 rGO，無需額外的化學步驟及可形成LM-rGO核-殼復合結構。

在本研究中，研究者探索了共晶鎵-銦 (EGaIn)和 GO 薄片之間的界面相互作用，考慮了不同的方法：包括利用 LMs 塊體作為反應模板來還原GO 和利用LMs微顆粒作為的小型反應位點來合成復合材料。對于這兩種情況，研究者都對 LMs表面的 rGO 進行了廣泛的表征，以全面了解還原 rGO的特征和組成。 最后，研究者將合成的LM-rGO 微顆粒復合物用于標準電化學電池和電化學紙基分析裝置 (ePAD) 中的傳導表面改性修飾劑，用于在存在其他生物干擾的情況下對多巴胺 (DA) 進行選擇性生物傳感和檢測。

結果及討論：

為了研究LM對GO的界面影響，研究者考慮了不同的實驗條件，包括使用LM塊體作為軟介質來還原不同厚度的GO膜、單獨的膜，以及利用LM微液滴作為還原劑核心來生成LM-rGO核?殼復合結構。

1. 襯底上GO膜的LM還原研究

圖1 a, 顯示了襯底（Si/SiO₂）上GO放入LM中還原的方法。通AFM表征還原前后的GO單層膜發現：LM處理后，單層膜膜厚從1.2 nm減小到了0.6 nm，膜厚的減小可歸因于GO還原后變形的sp3碳結構和各種含氧官能團的去除。另外，通過對另外兩個GO和rGO樣品的AFM圖像進行厚度統計分析，研究者進一步證實了暴露于LM后GO單層的厚度減少（圖2，原文補充信息Figure S2）。在石墨結構的拉曼光譜中，D帶（I_D）和G帶（I_G）的強度之比被認為是石墨烯層內缺陷的指標，拉曼光譜顯示LM還原前后的ID/IG從0.89變化到1.2，同時結合I_D/I_G拉曼成像（圖1. d、e）可以進一步確認LM相對均勻地還原了GO單層。

在這種方法中，LM大部分在設計的原電池中既是導體又是電解液。換句話說，導體本身可以提供一個充滿離子和反應性金屬位置的環境，而不是使用外部介質來移動負責電偶反應的電荷載體。LMs的柔軟性還提供了液體塊體和目標基板之間的有效界面接觸，使所需的金屬物種易于在表面上接觸。

圖1. （a）基于襯底的GO的LM還原方法示意圖;AFM圖像：（b）暴露于LM前的GO樣品和（c）LM反應后獲得的rGO樣品;（d）襯底上的GO和（e）浸入LM后獲得rGO的拉曼光譜測量，D帶和G帶的表面拉曼成像及相應的I_D/I_G成像。

圖2.Si/SiO₂襯底上不同樣品的AFM成像和厚度分析：（a-b）LM還原前的GO樣品和（c-d）LM還原后的rGO樣品。

2. 單獨GO膜的LM還原研究

為了進一步探索開發的基于LM的工藝能力，研究者探索了其獨立薄膜GO的LM還原潛力。圖3 a，顯示了制備獨立GO膜的LM還原方法。拉曼光譜證實了還原的有效性（圖3c）。為了研究暴露于EGaIn前后表面官能團的分布，轉移的厚rGO樣品（~1.6 μm, 原文Figure S3-nanoIR表征的測量膜厚度）被進一步通過納米紅外光譜（nanoIR）進行了表征。如圖3d所示，納米紅外成像是一種基于AFM的高空間分辨率化學成像和光譜研究技術，其中脈沖紅外激光用于產生光熱誘導共振和熱膨脹。光吸收引起的膨脹激發了AFM懸臂梁的共振振蕩，懸臂振蕩的振幅正比于相應波長的紅外光譜吸收。該技術被用于在高空間分辨率下評估GO和rGO樣品中表面官能團的分布。從GO的納米紅外光譜（圖3f）中可以看出，羰基峰1730 cm^?1（C=O）具有很高的納米紅外振幅, 納米紅外成像也顯示了GO表面上相對均勻的羰基分布。另外，GO樣品的納米紅外光譜在1615 cm^?1處也顯示出明顯的峰值，對應于GO中的C=C。同樣，納米紅外光譜成像也顯示了C=C分布的均勻性。GO和rGO之間的主要區別在于：rGO樣品納米紅外光譜中羰基峰的消失（圖3e），證實了厚GO樣品的成功還原。納米紅外光譜中剩余的C=C振動（1593 cm^?1），源自石墨烯環，在rGO納米紅外成像中也顯示出高振幅和適當的分布（圖2e）。最后，表征研究結果證實基于LM還原工藝也可以用于生成獨立的rGO膜。

圖3.（a）單獨GO的LM還原方法示意圖;（b）單獨GO膜的照片；（c）在暴露于LM之前和之后的GO薄膜拉曼光譜;（d）納米紅外光譜原理示意圖;（e）浸入LM后獲得rGO的納米紅外光譜、AFM表面形貌、偏轉信號和C=C分布納米紅外成像;（f）浸入LM前GO的納米紅外光譜、AFM表面形貌、偏轉信號和C=O、C=C分布納米紅外成像。

3. LM-rGO復合材料的制備及表征

為了探究GO還原過程的適用性，并在實際功能應用中了解LM微顆粒的還原能力，研究者進一步研究了在酸性GO懸浮液中通過超聲波處理制備的LM-rGO復合材料。其合成過程的示意圖如圖4a所示。研究者通過透射電鏡（TEM）證實并研究了LM-rGO核-殼結構，如圖4b所示，球形LM顆粒被穩定的石墨片殼包裹，這表明粒子和LM顆粒表面的有效相互作用。另外，研究者也通過X射線能譜（EDS）完成了Ga，In，C，O元素的分析，EDS結果進一步證實了LM顆粒表面存在碳層和rGO片層的全覆蓋。

圖4.（a）LM-rGO復合材料合成過程示意圖;（b）LM-rGO核?殼結構的TEM圖像;（c）SAED分析和HR-TEM圖像;（d）LM-rGO不同放大倍數和角度下的SEM圖;（e）LM-rGO表面的鎵、銦、碳和氧元素的EDS成像。

另外，為了收集更多關于合成復合材料元素組成的信息，研究者通過X射線光電子能譜（XPS）也對GO和LM-rGO復合材料進行了詳細的研究。研究者也通過傳統宏觀傅里葉紅外光譜（FT-IR）對LM-rGO表面官能團進行了研究，表明GO含氧官能團被廣泛去除。

4. LM-rGO復合材料的電化學行為

由于LM-rGO復合材料具有高表面積、高活性界面和導電性等特點，可將合成的材料作為電活性改性修飾劑。因此，研究者在玻璃碳電極（GCE）和絲網印刷紙電極（PEs）上進行了大量的電化學性能評價，以探索LM基改性劑與紙張技術的相容性，以及開發低成本生物傳感器的可能性。在這兩種情況下，研究者采用電化學行為已知的亞鐵氰化鉀作氧化還原探針，并從電化學阻抗譜（EIS）響應、電活性表面積的變化等方面評估了改性劑對電化學性能的影響，并利用循環伏安法、微分脈沖伏安法、方波伏安法等多種電化學技術進行了表征。結果顯示：LM-rGO改性修飾后的電極優于GCE和PE裸電極，證實了改性劑LM-rGO的優良電化學特性。

另一方面，研究者也通過峰值力掃描電化學顯微鏡（PF-SECM）在納米尺度對LM- rGO復合材料與電解溶液的界面電導率進行了評估，并研究了其表面的局部電化學活性。在PF-SECM方法中，利用AFM探針的納米尖端和利用樣品表面與針尖之間發生的可逆氧化還原反應，可以研究電荷轉移的動力學。AFM探針納米尖端可以實現表面高空間分辨率的電化學成像。PF-SECM操作示意圖如圖5a (原文Figure S9)，PF-SECM工作在布魯克專利的峰值力輕敲（PFT）模式下，該模式下納米探針在一定振幅和頻率下振蕩，以收集樣品的形貌和導電性等信息。PF-SECM模式使用“interleave mode”，在每個振蕩實例中，探針被提升到樣品上方250 nm的距離。當探針從樣品表面提升時記錄探針尖端電流，而該探針在樣品表面一定距離的電流，可用來表征樣品表面電化學活性。本研究中，六胺釕氧化還原反應被用于PF-SECM成像。圖5b顯示了LM-rGO復合材料的形貌。圖5c顯示了與樣品表面接觸時的針尖電流，該電流既反映了樣品在電解溶液中的界面局部電導率，又反映了樣品表面的電化學活性。純電化學活性數據（圖5d）為AFM探針從樣品表面250 nm提升高度處的探針測量電流，這證實了電荷轉移可能發生在整個表面。LM-rGO微顆粒邊界具有較大電化學活性，并與附近顆粒的殼相互連接。邊界處電流的輕微增加是由于這些邊界代表樣品中的低洼區域（如山谷形狀），具有高有效表面積，可再生還原劑六胺釕。PF-SECM測量結果顯示LM-rGO在納米尺度具有良好的整體電化學活性，電流可達1.7 nA。

圖5. PF-SECM原理和LM-rGO粒子PF-SECM分析結果：（a）PF-SECM工作原理示意圖（RE、CE和WE分別對應于參比電極、對電極和工作電極）；（b） LM-rGO微粒的AFM圖像；當針尖位于樣品表面（c）（此處的電流代表界面電導率和電化學活性）和距離樣品表面250 nm高度（d）（代表樣品和電解質之間界面的電化學活性）時，針尖電流成像。

5. 多巴胺的選擇性傳感

在完成了前述的詳細研究后，在抗壞血酸（AA）和尿酸（UA）存在的情況下，研究者采用了多巴胺（DA，重要的神經調節劑之一）進行了LM-rGO修飾電極用于DA檢測的適用性和選擇性評估。

LM-rGO修飾，rGO修飾(ErGO)和裸GCE電極的電化學EIS光譜被用來顯示LM-rGO復合物中每個組件的作用。如圖6a所示，ErGO顯示表面DA反應的Rct值仍然較高（50.7Ω）。然而，在LM-rGO中，Rct值為20.3 Ω。這一觀察結果證實了LM在系統電化學性能中的作用，與ErGO相比，LM產生的混合物對電荷轉移的阻力更小。

為了探索LM-rGO的作用，研究者將修飾劑、裸電極和修飾電極暴露于含有DA、AA和UA混合物的溶液中，然后記錄了電化學信號（DPV和CV）。圖6b、c、h顯示了從裸電極，LM-rGO 修飾GCE和PE的信號。結果可以看出：對于裸電極，DA、AA和UA的氧化還原峰顯示出重疊和接近。然而，在修飾后，在不同的電位窗口中可觀察到每種化合物相應的分離峰，因而證實在存在其他干擾化合物的情況下，直接測定DA成為可能。

另外研究者也通過FT-IR測量了DA、AA和UA與LM-rGO的特定相互作用（圖5f）。LM-rGO的FT-IR光譜顯示，LM-rGO在低波數區（低于900 cm^-1）尤其是在667 cm^-1(代表Ga?OH基團)表現出劇烈變化。LM-rGO表面的Ga?OH還原僅在存在AA中觀察到，這為選擇性峰移機制提供了證據。UA向高電位的選擇性轉移來源于LM-rGO表面剩余負電荷基團和帶負電荷的UA分子之間的電荷排斥作用。因此，這種表面相互作用因為AA和UA的峰移，從而增強了DA的選擇性。

為了獲得最大的傳感響應，研究者對修飾材料的用量進行了優化。在最佳修飾膜厚度下，研究者獲取了LM-rGO修飾GCE和PE的DA定量測定校準曲線。根據圖6d，i中提供的結果，該傳感器可定量測量100 nM至1500μM（GCE）和400 nM至750μM（PE）范圍內的DA濃度水平，GCE和PE的靈敏度分別為30和100 nM。與GCE相比，盡管PE具有更高的電活性表面積，但觀察到的動態范圍更窄，靈敏度更低，這是由于PEs中已知的耗盡效應和有限的擴散。在不同濃度水平的DA和其他干擾化合物（包括AA、UA和葡萄糖（GLU），高濃度1.0 mM）共存的情況下，研究者也對界面選擇性也進行了評估。圖6e結果顯示，DA的原始信號不會受到其他干擾物的影響，目標分析物DA的測量具有良好的選擇性。

最后，研究者在人血清樣本中進一步研究了該傳感器用于DA生物傳感的適用性和選擇性，結果證明：研究者設計的傳感器在如此復雜的生物基質中的具有良好的準確度和精確度。

圖6.（a）裸GCE（i），LM-rGO修飾的GCE（ii）和ErGO修飾GCE（iii）的EIS光譜（DA用作電化學探針）；LM-rGO對GCE表面進行修飾前后，含有AA、DA和UA的混合物的CV（b）和DPV（c）信號；（d）LM-rGO修飾GCE的校準曲線，DA濃度從0到1500μM不等；（e）LM-rGO修飾GCE上進行的DA選擇性試驗，AA和UA濃度為1 mM；（f）LM-rGO，LM-rGO暴露于AA、UA和DA的FT-IR光譜；（g）ePAD的結構圖像和LM-rGO修飾前后PE表面的顯微圖像；（h）LM?rGO進行表面修飾前后，含有DA、UA和AA混合物的DPV測量信號；（i）LM-rGO修飾PE的校準曲線，DA濃度從0到750μM不等；分別使用Ag/AgCl和碳準參比電極測量從GCE和PE獲得的電化學信號。

研究結論：

在本研究中，研究者探索了室溫LMs和GO薄片之間的界面相互作用。證明了LM和GO之間存在很強的電偶相互作用，這可以用于生成rGO單層膜和rGO厚膜。研究者對所制備的rGO樣品進行了AFM，nanoIR， EDS和PF-SECM等詳細表征，實驗結果確認通過LM能均勻有效地還原GO薄片。研究者所提出的基于LM的rGO生產方法，有望實現rGO獨立膜和襯底支撐單層膜的簡易合成。此外，這種界面作用也被用于合成LM-rGO核?殼復合結構。研究者對LM-rGO修飾電極進行的電化學表征顯示在AA和UA存在下LM-rGO修飾電極對DA具有良好的選擇性，可用于生物傳感。總之，本研究顯示了LMs對GO薄片室溫的還原能力，以及展示了構建功能性應用的可能性。類似利用LMs的界面特性的工藝，可以在未來的研究和工業應用中具有大量潛在應用前景。

Bruker公司的AFM，nanoIR，PF-SECM，EDS等納米技術手段因其高空間分辨率的形貌，納米光譜和化學成像，納米電化學，納米元素分析的能力，將為各類復合材料納米結構的界面研究提供新的多樣化表征手段和研究方法。

原文鏈接：

Mahroo Baharfar, Mohannad Mayyas, Mohammad Rahbar, Francois-Marie Allioux, Jianbo Tang, Yifang Wang, Zhenbang Cao, Franco Centurion, Rouhollah Jalili, Guozhen Liu, and Kourosh Kalantar-Zadeh，Exploring Interfacial Graphene Oxide Reduction by Liquid Metals: Application in Selective Biosensing，ACS Nano,（2021）15 (12), 19661-19671

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c06973?ref=PDF

BrukerAFM/PF-SECM/nanoIR3/EDS介紹：

https://www.bruker.com/zh/products-and-solutions/microscopes/materials-afm.html

https://www.bruker.com/zh/products-and-solutions/infrared-and-raman/nanoscale-infrared-spectrometers/Anasys-nanoir3.html

https://www.bruker.com/zh/products-and-solutions/elemental-analyzers/eds-wds-ebsd-SEM-Micro-XRF.html

關鍵詞： 復合材料 紅外光譜 相互作用