電沉積Ni納米顆粒在堿性條件下對葡萄糖的直接電催化氧化

邢 亮,劉曉穎,曾憲冬,買楠楠,魏萬之*

（1.湖南大學(xué)化學(xué)生物傳感與計(jì)量學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，化學(xué)化工學(xué)院，湖南長沙410082）

（2.湖南師范大學(xué)樹達(dá)學(xué)院，湖南長沙410012）

0 引言

人體血液中的各種化學(xué)成分一直是評價(jià)人體健康狀況的重要信息。而血糖水平則是衡量新陳代謝能力和糖尿病臨床診斷的重要指標(biāo)。目前臨床上最常用的葡萄糖檢測方法是葡萄糖氧化酶(GOD)分析法，具有專一性高、反應(yīng)速度快的特點(diǎn)。利用葡萄糖氧化酶測定葡萄糖的酶催化分析法而研制的酶傳感器是開展得最早也是最成功的生物化學(xué)傳感器之一。但由于酶本身固有屬性，如酶的活性隨時(shí)間降低，溫度對活性的影響和酶的使用費(fèi)用高等弱點(diǎn)[1]。同時(shí)，構(gòu)建酶傳感器時(shí)難以把酶固定在電極表面[2]，這些都限制了酶傳感器的應(yīng)用。

利用固體催化電極傳感器來測定葡萄糖[3]，電極可反復(fù)多次使用，檢測時(shí)間短，費(fèi)用低，穩(wěn)定性好，保存容易等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為研究的熱點(diǎn)。對葡萄糖具有電催化活性并可用于葡萄糖測定的金屬(或其金屬氧化物)電極材料有鉑、金、銥、鈦、銠、釕、銅、鈷和鎳[4]。同時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)納米材料擁有特殊的結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和隧道效應(yīng)等，從而優(yōu)化了材料的電學(xué)性能。合成金屬Ni納米顆粒的方法有很多，例如近年來許多科學(xué)家通過化學(xué)氣相沉積、濕化學(xué)等方法已成功地將鎳納米粒子分散在碳納米管表面,但用電沉積法制備Ni納米粒子的方法與其它制備方法相比,電沉積法制備Ni納米粒子的方法具有設(shè)備簡單、成本低,易大量制備,工藝參數(shù)容易控制，沉積溫度低，沉積的納米粒子不容易脫落等優(yōu)點(diǎn)[5],因而越來越受到學(xué)者關(guān)注。

該實(shí)驗(yàn)利用電化學(xué)沉積的方法在金電極上修飾Ni納米顆粒，探討了電極的制備條件，研究了它在堿性條件下對β-D葡萄糖的檢測限和響應(yīng)線性范圍；最后，還考察了該傳感器的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

氯化鎳（分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠）；β-D葡萄糖購自ICN生物試劑公司（英國），葡萄糖貯備液使用前在室溫下變旋過夜；濃度為0.1 mol/L的NaOH溶液作支持電解質(zhì)；其它試劑如未特別說明均為分析純；實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水，實(shí)驗(yàn)都在室溫（25℃）下進(jìn)行。

CHI 660A電化學(xué)工作站 （上海辰華儀器公司），電化學(xué)實(shí)驗(yàn)采用經(jīng)典的三電極體系：以該文制備的納米Ni顆粒修飾電極為工作電極，鉑片電極為對電極，參比電極為Ag|AgCl|KCl（3 mol/L），所有的電位均是相對于參比電極而言的，電流測量在攪拌條件下進(jìn)行，攪拌速率約為300 r/min；超聲清洗機(jī)（寧波新芝生物科技公司）；電子天平（德國梅特勒-托利多公司）；Sirion 200型場發(fā)射掃描電子顯微鏡（美國）。

1.2 電沉積Ni納米修飾電極的制備

在制備修飾電極之前，金電極（直徑2 mm)首先進(jìn)行打磨預(yù)處理。預(yù)處理程序如下：首先將金電極在麂皮上分別用 0.3 和 0.05 μm 的 Al2O3粉末拋光最終至光滑鏡面，每次拋光后均在超聲清洗儀中超聲清洗2 min。打磨好的金電極放在0.5 mol/L的硫酸溶液中以50 mV/s進(jìn)行掃描，掃描范圍在0～1.5 V 內(nèi)，如果電極在1.3 V左右出現(xiàn)氧化峰，在0.85 V左右出現(xiàn)一尖銳的還原峰，說明裸金電極的表面已經(jīng)打磨完好，電極的導(dǎo)電能力達(dá)到最好。這道程序可以保障在下一步修飾時(shí)的電極界面是光滑的，提高修飾電極的準(zhǔn)確性與可靠性，并且對電極進(jìn)行了活化預(yù)處理。

將預(yù)處理好的金電極依次在二次蒸餾水和丙酮溶液中清洗5 min，然后將清洗好的金電極表面用N2吹干，就可以進(jìn)行電極修飾了，修飾方法如下：將電極置于濃度為 1.0 mmol/L氯化鎳（NiCl2）、pH=4.0 的 HAc-NaAc 緩沖溶液中，在-0.8 V的恒電位條件下沉積20 min，所得修飾電極用二次蒸餾水清洗，晾干待用。

2 結(jié)果與討論

2.1 電沉積Ni納米顆粒修飾電極的掃描電鏡圖

采用掃描電子顯微鏡對文中的修飾Ni納米顆粒進(jìn)行了表征。圖1所示為電沉積Ni納米顆粒材料在金電極表面的掃描電鏡圖。

由圖可見，Ni納米顆粒均一地分散在金電極表面，Ni納米顆粒的直徑約為30～60 nm。這種電沉積形成的Ni納米顆粒能非常穩(wěn)定地固定在電極表面，不容易脫落；均一分散的Ni納米顆粒比單一的以金屬Ni板制成的電極具有更大的表面積，形成了更多的電催化活性中心，大大提高了催化性能，從而能更好地催化氧化葡萄糖。Afsaneh等[6]研究表明，這種顆粒狀的Ni納米材料比針狀Ni納米材料更有利于催化氧化葡萄糖。

2.2 電沉積Ni納米顆粒修飾電極的電化學(xué)性質(zhì)

首先將裸金電極和電沉積Ni納米顆粒修飾電極在0～0.8 V 的電位范圍內(nèi)，在 0.1 mol/L 濃度的NaOH溶液中用循環(huán)伏安法掃描，掃描速率為50 mV/s，主要考察Ni納米顆粒修飾電極的電化學(xué)性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)中觀察到Ni納米顆粒修飾電極在0.52 V和0.6 V兩個(gè)電位出現(xiàn)了一對定義很好的氧化還原峰（圖2中實(shí)線所示）。在相同實(shí)驗(yàn)條件下，裸金電極上觀察不到相應(yīng)的峰電流響應(yīng)（圖2中虛線所示）。參考以往文獻(xiàn)[7]報(bào)道，推斷這對氧化還原峰對應(yīng)為二價(jià)/三價(jià)金屬鎳離子在電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)方程式為：

葡萄糖是一種碳水化合物，在堿性條件下容易被催化氧化。在含有葡萄糖的0.1 mol/L NaOH溶液中，在一定的電位條件下，電沉積的Ni納米顆粒修飾電極上發(fā)生的反應(yīng)為：

圖1 金電極上沉積Ni納米顆粒的SEM圖Fig.1 SEM image of the deposited Ni nanoparticles at Au electrode

圖2 Ni納米顆粒修飾電極（實(shí)線）和裸金電極（虛線）在0.1 mol/L NaOH溶液中的循環(huán)伏安圖Fig.2 Cyclic voltammograms at Ni nanoparticles modified golden electrode(solid line),bare golden electrode(dotted line)in 0.1 mol/L NaOH

從上述兩式表明，葡萄糖的電催化氧化過程是借助于Ni(Ш)在此過程中扮演的氧化劑角色，使葡萄糖在Ni納米顆粒上被氧化。同時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[8～9]，改變電位掃描速度，陽極峰電位稍微正移，峰電流隨電位掃描速度的增加而增大，峰電流與電位掃描速度的平方根成正比，說明葡萄糖在Ni電極上的電化學(xué)氧化受葡萄糖的擴(kuò)散控制。

2.3 修飾電極響應(yīng)條件的優(yōu)化

電沉積Ni納米顆粒的表面狀況和尺寸大小直接影響著傳感器對葡萄糖的響應(yīng)。而實(shí)驗(yàn)中影響上述因素的主要實(shí)驗(yàn)條件是沉積納米鎳的pH值選擇，Ni2+濃度的大小，應(yīng)用沉積電位的大小，沉積時(shí)間的長短等。為了得到顆粒直徑為納米級、分布均一的Ni粒子，根據(jù)參考文獻(xiàn)[10～11]報(bào)道：沉積Ni納米材料一般選擇在弱酸性溶液中，pH 值多為 3.0～4.0 之間， 實(shí)驗(yàn)中選擇在 pH=4.0的醋酸和醋酸鈉的緩沖溶液中進(jìn)行，Ni2+濃度選擇為 1.0 mmol/L；沉積恒電位選擇在 -0.8 V。 電沉積納米晶和粗晶的溶液相比，pH值和電流密度不同。納米晶沉積時(shí)pH值很低,電流密度很大，而常規(guī)晶體電沉積時(shí)pH值較高,但是電流密度較低，pH值低、電流密度高增強(qiáng)了陰極極化程度，降低了金屬的電沉積速度，增大了晶核的生成速度，有利于晶粒細(xì)化。而且pH值低和電流密度高使得大量氫離子放電，氫離子吸附以及還原，為金屬離子還原提供了新的晶核，也使結(jié)晶更加細(xì)致。鎳電極僅在堿性條件下對葡萄糖有電催化氧化作用，俞建國等[12]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)pH＞10.0時(shí)，電極對葡萄糖的響應(yīng)非常小，隨著NaOH溶液濃度的不斷升高，Ni電極對葡萄糖的響應(yīng)峰電位逐步降低，氧化峰電流同時(shí)增大；pH＞12.0增加更快；但是，大多數(shù)碳水化合物在較高的pH條件下都容易被氧化[13]；在強(qiáng)堿性條件下，葡萄糖容易被其它的氧化介質(zhì)氧化或解離，對測定結(jié)果產(chǎn)生負(fù)誤差。因此，測定葡萄糖時(shí)也應(yīng)盡可能避免底液堿性過強(qiáng)。一般情況下，文獻(xiàn)中使用Ni材料電極測定葡萄糖時(shí)選用堿性介質(zhì)的pH值為13或稍高[3,14～15]，因此，文中選擇0.1 mol/L NaOH(pH=13.0)溶液作為測定葡萄糖的支持電解液。

確定了上述條件后，首先考察了不同沉積時(shí)間的試驗(yàn)條件下，電沉積Ni納米顆粒修飾電極在0.65 V電位條件下，0.1 mol/L的NaOH底液中對加入0.25 mmol/L葡萄糖溶液的響應(yīng)。如圖3所示，不同沉積時(shí)間的Ni納米顆粒修飾電極對0.25 mmol/L葡萄糖溶液的響應(yīng)值是先增大后減小，沉積時(shí)間是20 min時(shí)出現(xiàn)最大值。當(dāng)沉積時(shí)間小于20 min時(shí)，金電極表面沉積的Ni納米顆粒還沒有達(dá)到飽和，電催化反應(yīng)的活性中心還可以繼續(xù)增多。所以，隨著沉積時(shí)間的延長對加入0.25 mmol/L葡萄糖溶液的電流響應(yīng)不斷增加；但是，當(dāng)沉積時(shí)間超過20 min后，Ni納米粒子可能發(fā)生了團(tuán)聚，從而使電極的表面積減小，顆粒的直徑也增大，反應(yīng)活性中心數(shù)目減少，所以，對加入0.25 mmol/L葡萄糖溶液的響應(yīng)反而逐步減小。

圖3 沉積時(shí)間對在0.1 mol/L的NaOH底液中測定0.25 mmol/L 葡萄糖的影響Fig.3 Effect of electrodeposition time on the golden electrode to addition of 0.25 mmol/L glucose in 0.1 mol/L NaOH

接下來討論了在不同的電位條件下，電沉積納米Ni電極對葡萄糖的響應(yīng)情況。選擇了不同電位條件 (0.575，0.6，0.625，0.65，0.675，0.7 V)進(jìn)行試驗(yàn)。由圖4可知，隨著電位的不斷升高，對0.25 mmol/L葡萄糖的電流響應(yīng)值也逐步增加，當(dāng)電位達(dá)到0.65 V后，增幅變小。綜合考慮到其它干擾因素會(huì)因?yàn)殡娢坏纳叨龃螅?，選擇在0.65 V的電位條件下測量葡萄糖的濃度。

圖4 不同應(yīng)用電位對在0.1 mol/L的NaOH底液中測定0.25 mmol/L葡萄糖的影響Fig.4 Influence of different applied potentials toward 0.25 mmol/L glucose by amperometric responses in 0.1 mol/L NaOH solution

2.4 修飾電極實(shí)時(shí)電流檢測葡萄糖

電沉積Ni納米顆粒葡萄糖傳感器在上述討論確定的最佳實(shí)驗(yàn)條件下，用沉積了20 min Ni納米顆粒修飾金電極，在0.1 mol/L NaOH (pH=13.0)底液中，應(yīng)用0.65 V的電位來測定葡萄糖。

圖5所示為該傳感器連續(xù)加入0.25 mmol/L濃度葡萄糖時(shí)的電流-時(shí)間響應(yīng)曲線，電流響應(yīng)在3 s達(dá)到穩(wěn)定。圖6所示為該無酶生物傳感器測定葡萄糖的校正曲線，葡萄糖濃度在10.0 μmol/L～2.5 mmol/L范圍內(nèi)與響應(yīng)電流成線性關(guān)系(相關(guān)系數(shù)為 0.996 9)，檢測限為 5.0 μmol/L。 其響應(yīng)時(shí)間、檢測限和響應(yīng)線性范圍都要優(yōu)于常規(guī)Ni材料傳感器。

圖5 Ni納米修飾電極在0.1 mol/L的NaOH底液中對連續(xù)加入0.25 mmol/L葡萄糖的電流-時(shí)間圖(應(yīng)用電位：0.65 V)Fig.5 The current-time responses of the Ni nanoparticles electrode to the successive addition of 0.25 mmol/L glucose solutions in 0.1 mol/L NaOH at 0.65 V

圖6 在0.1 mol/L的NaOH底液中Ni納米顆粒修飾電極對葡萄糖濃度響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線(應(yīng)用電位：0.65 V)Fig.6 Calibration curve of the response of the Ni nanoparticles electrode to glucose concentration in 0.1 mol/L NaOH at 0.65 V

2.5 修飾電極的重現(xiàn)性與穩(wěn)定性

表1所示，用同一電沉積Ni納米顆粒修飾電極對0.25 mmol/L葡萄糖連續(xù)進(jìn)行7次平行測定，其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.6%。該結(jié)果表明該修飾電極有較好的準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性。該無酶傳感器不使用時(shí)，也不需要特殊保存。15天后，用該電極測量一個(gè)0.25 mmol/L葡萄糖樣本得出的結(jié)果是2.38 μA，其測量值仍保持最初電流響應(yīng)值的95%；30天后，再次用該電極測量一個(gè) 0.25 mmol/L葡萄糖樣本得出的結(jié)果是2.31 μA，其測量值仍保持最初電流響應(yīng)值的92%。表明該電極具有良好的穩(wěn)定性。

表1 7次平行測定0.25 mmol/L葡萄糖的電流響應(yīng)值Tab.1 Responses to seven times parallel determination of addition 0.25 mmol/L glucose

3 結(jié)論

該文提出了一種簡易的恒電位沉積Ni納米顆粒的方法，將Ni納米顆粒固定到金電極表面。相對于常規(guī)Ni材料構(gòu)建的電極，這種Ni納米顆粒修飾的電極具有對葡萄糖響應(yīng)靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間快，線性范圍寬，制備方法簡單易行等優(yōu)點(diǎn)。因此，該修飾電極可以作為一種具備一定應(yīng)用前景的無酶葡萄糖傳感器。另外，根據(jù)Ni納米粒子對葡萄糖的電催化氧化機(jī)理，該電極還可能應(yīng)用于甲醇或其它醛糖類物質(zhì)的檢測。

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