立方氧化亞銅的制備及在無酶葡萄糖傳感器中的應(yīng)用

鐘小輝，胡萬平，陳 婷，張 進，2

(1.重慶文理學(xué)院材料與化工學(xué)院，重慶 永川 402160;2.重慶文理學(xué)院新材料技術(shù)研究院，重慶 永川 402160)

近年來，由于葡萄糖傳感器具有高的靈敏度、選擇性、重現(xiàn)性及裝置簡易等特點而引起眾多科研工作者的關(guān)注［1］.葡萄糖檢測廣泛應(yīng)用于臨床診斷、醫(yī)療和食品工業(yè)中［2］，基于葡萄糖氧化酶的葡萄糖酶傳感器已被廣泛應(yīng)用［3-4］.由于酶電極穩(wěn)定性低，反應(yīng)條件苛刻且酶固定過程繁瑣，容易脫落使其穩(wěn)定性不好［5-7］.所以，高靈敏度和高穩(wěn)定性的無酶葡萄糖傳感器是重要的研究方向之一.Cu2O是一種新型的P 型半導(dǎo)體材料，具有活性的電子-空穴對系統(tǒng)，表現(xiàn)出良好的催化活性［8］，在電極材料、太陽能電池、傳感器和光催化等方面有潛在的應(yīng)用價值［9］.近年來已研究制備出多種形貌的Cu2O 廣泛應(yīng)用于光催化技術(shù)中［10-11］，而對其電化學(xué)性質(zhì)有少量研究［12-13］.本實驗通過液相還原法控制合成立方結(jié)構(gòu)的Cu2O 晶體，利用Nafion 將Cu2O固定于玻碳電極表面構(gòu)建無酶葡萄糖傳感器，研究合成產(chǎn)物Cu2O 的電催化性能，探討Nafion/Cu2O/GCE 電極對葡萄糖的電催化活性.

1 實驗部分

1.1 儀器與藥品

SEM (美國FEI Quanta 250);X 射線衍射分析儀(通達TD-3500X);μAUTOLAB Ⅲ電化學(xué)工作站(瑞士萬通);電子天平(賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司);DZF -6020 型真空干燥箱(上海齊欣科學(xué)儀器有限公司);TGL -16C 型離心機(上海安亭科學(xué)儀器有限公司);KQ3200DB 型數(shù)控超聲波清洗儀器(昆山市超聲儀器有限公司);SZCL-2 型數(shù)顯智能控溫磁力攪拌器(鞏義市予華儀器有限責任公司).

本實驗所用藥品有:CuCl2·2H2O，NaOH，抗壞血酸(AA)，葡萄糖(Glu)，果糖(Fru)，蔗糖(Suc)(均為分析純，成都科龍化工試劑)，多巴胺(DA)，尿酸(UA)，Nafion(美國Sigma).實驗用水為二次蒸餾水.

1.2 實驗步驟

1.2.1 立方Cu2O 的合成

按照文獻［14］的方法，在55 ℃不斷攪拌下，向100 mL 0.01 mol/L CuCl2·2H2O 淺綠色水溶液中加入10 mL 的2 mol/L NaOH 溶液，將得到的深棕綠色懸浮液繼續(xù)攪拌0.5 h，然后緩慢地逐滴加入10 mL 0.6 mol/L 的AA 溶液，將所得混合物在55 ℃恒溫攪拌3 h 后離心，分別用蒸餾水和乙醇清洗沉淀物，最后在40 ℃真空干燥12 h 得到立方結(jié)構(gòu)的Cu2O.

1.2.2 Nafion/ Cu2O/GCE 修飾電極的制備

將玻碳電極依次用1.0 μm、0.3 μm 的氧化鋁粉在拋光布上拋光至鏡面，依次用1∶1 乙醇、1∶1 HNO3和蒸餾水超聲清洗.徹底清洗后，電極在0.5 ～1 mol/L H2SO4溶液中，-1.0 ～1.0 V掃描范圍內(nèi)循環(huán)伏安法活化至穩(wěn)定為止.最后在0.2 mol/L KNO3中記錄1 mol/L K3Fe(CN)6溶液的循環(huán)伏安曲線，掃描范圍0.1 ～0.6 V，所得的氧化還原峰電位差在80 mV 以下，電極方可使用.將制備的Cu2O 配成5 mg/mL 溶液，用移液槍量取5 μL 的Cu2O 懸浮液滴涂于預(yù)處理后的玻碳電極表面，干燥后滴加3 μL 1﹪ Nafion 溶液，自然晾干后在4 ℃條件下保存?zhèn)溆?

1.2.3 電化學(xué)檢測

在μAUTOLAB Ⅲ電化學(xué)工作站中以Nafion/Cu2O/GCE 修飾電極或裸GCE 作為工作電極、飽和甘汞電極(SCE)為參比電極、鉑電極為對電極的三電極體系中進行電化學(xué)檢測，支持電解質(zhì)溶液為0.1 mol/L NaOH 溶液.在0 ～0.8 V 下進行循環(huán)伏安掃描，掃速為100 mV/s ，得到循環(huán)伏安曲線.采用計時電流法向0.1 mol/L 的NaOH 溶液間隔90 s 連續(xù)加入一定濃度的葡萄糖，得到優(yōu)化工作電位.在選擇的工作電位下采用計時電流法研究該修飾電極對葡萄糖的電催化活性.

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化亞銅的表征

圖1(a)和圖1(b)分別是Cu2O 的SEM 圖和XRD 衍射圖譜.由圖1(a)可以看出，利用此方法制得的Cu2O 為立方結(jié)構(gòu)，粒長約為500 nm.從圖1(b)中可以看出，該Cu2O 樣品XRD衍射圖譜的2θ 值依次為29.6°、36.5°、42.4°、52.6°、61.5°、73.6°和77.5°，與標準卡片(JCPDS 99-0041)相比較確定為單相赤銅礦Cu2O 晶體.

圖1 Cu2O 樣品的SEM 圖(a)和XRD 衍射圖譜(b)

2.2 葡萄糖在Nafion/ Cu2O/GCE 電極上的電化學(xué)行為

利用循環(huán)伏安法考察了葡萄糖在Nafion/Cu2O/GCE 電極上的電化學(xué)行為，如圖2所示.圖2a 是裸玻碳電極在含1 ×10-3mol/L 葡萄糖的NaOH 溶液中的CV 曲線，圖2b 是Nafion/Cu2O/GCE 電極在空白NaOH 底液中的CV 曲線，圖2c 是Nafion/Cu2O/GCE 電極在含1 ×10-3mol/L 葡萄糖的NaOH 溶液的CV 曲線.由圖2a和圖2c 可以看出:相對于裸玻碳電極，Nafion/Cu2O/GCE 電極對葡萄糖有明顯的電化學(xué)響應(yīng).由圖2b 和圖2c 對比看出:葡萄糖加入，修飾電極的氧化電流明顯增大，說明此修飾電極對葡萄糖產(chǎn)生了電催化氧化.可能是由于Cu(Ⅲ)作為葡萄糖氧化的電子轉(zhuǎn)移介體［15］，有效地促進葡萄糖與電極之間的電子轉(zhuǎn)移而提高了Cu2O 電催化葡萄糖的性能，同時由于立方狀Cu2O 大的比表面積，也有利于電化學(xué)反應(yīng)的進行.

圖2 裸玻碳電極(a)，Nafion/Cu2O/GCE 電極在含1 ×10 -3 mol/L 葡萄糖的NaOH 溶液(c)及Nafion/Cu2O/GCE 電極在空白NaOH 溶液(b)的CV 曲線

2.3 工作電位的選擇

實驗中采用計時電流法考察了Nafion/Cu2O/GCE 電極對葡萄糖電催化氧化時工作電位的影響，在0.2 ～0.7 V 電位范圍內(nèi)研究了0.2 V、0.3 V、0.4 V、0.5 V、0.6 V、0.7 V 電位下響應(yīng)電流的大小.結(jié)果表明，隨著電位的升高，修飾電極對葡萄糖的響應(yīng)電流逐漸增大，但在0.7 V 的工作電位下，基線電流穩(wěn)定性明顯下降.因此，實驗中采用0.6 V 作為Nafion/Cu2O/GCE 電極電催化葡萄糖的工作電位.

2.4 掃速對葡萄糖伏安行為的影響

在含1 ×10-3mol/L 葡萄糖的NaOH 溶液中，考察了掃速對葡萄糖電化學(xué)行為的影響.由圖3可知，當掃速由25 mV/s 增至169 mV/s 時，在0.6 V 工作電位下，葡萄糖的氧化電流值隨著掃速的增加而增大，電流值與掃速成線性關(guān)系:I = 0．131 5 ν +10．371，單位I(μA)，ν(mV/s)，相關(guān)系數(shù)R = 0．999 7 ，說明葡萄糖在Nafion/Cu2O/GCE 電極上的電催化氧化過程是受吸附控制的.

圖3 不同掃速下1 ×10 -3 mol/L 葡萄糖在Nafion/Cu2O/GCE 電極上的循環(huán)伏安曲線(a)、掃速與電流的線性關(guān)系圖(b)

2.5 傳感器對葡萄糖的電流響應(yīng)及標準曲線的建立

圖4(a)為Nafion/Cu2O/GCE 電極在0.6 V工作電位下，向0.1 mol/L NaOH 溶液間隔90 s連續(xù)加入不同濃度葡萄糖的計時電流曲線，圖4(b)為對應(yīng)葡萄糖濃度下繪制的響應(yīng)電流—濃度的線性關(guān)系圖.為了使傳感器達到較高的穩(wěn)定性，在加入葡萄糖溶液前響應(yīng)足夠時間，結(jié)果表明，響應(yīng)電流隨著葡萄糖濃度的增大而線性增大，且具有良好的線性關(guān)系:I = 22．297 C + 11．13，單位I(μA)，C (mmol/L)，相關(guān)系數(shù)R =0.999 4，線性范圍為7.5 ×10-5～2.0 ×10-2mol/L，檢出限為0.375 ×10-6mol/L (S/N=3).

圖4 Nafion/Cu2O/GCE 電極在0.1 mol/L 的NaOH溶液中連續(xù)加入不同濃度葡萄糖后的電流—時間曲線(a)、葡萄糖濃度與氧化電流的線性關(guān)系圖(b)

2.6 抗干擾和穩(wěn)定性實驗

抗干擾能力也是影響傳感器性能的重要因素，本實驗研究的無酶葡萄糖傳感器主要應(yīng)用于血糖含量的檢測.人體血液中與葡萄糖共存的易氧化的物質(zhì)主要有尿酸、抗壞血酸、多巴胺和碳水化合物.實驗采用計時電流法向0.1 mol/L NaOH 溶液中連續(xù)間隔加入Glu、Fru、Suc、DA、AA、UA、Glu，葡萄糖與干擾物質(zhì)的摩爾比為10∶1，響應(yīng)曲線如圖5所示.可以看出，底液中加入葡萄糖后響應(yīng)電流迅速增加，而加入上述干擾物以后最大干擾電流變化很小，僅為葡萄糖響應(yīng)電流的7.9﹪左右，說明此傳感器具有很好的抗干擾能力.測定了Nafion/Cu2O/GCE 電極對1 ×10-3mol/L 的葡萄糖的響應(yīng)電流，其相對標準偏差為3.8﹪ (n=10)，說明此修飾電極具有良好的重現(xiàn)性.將使用后的修飾電極用蒸餾水沖洗后，置于冰箱中4 ℃保存，1 周后對葡萄糖的響應(yīng)電流為原來的92.3﹪，表明此電極的穩(wěn)定性較好.

圖5 干擾物質(zhì)對葡萄糖測定的影響

3 結(jié)論

本文采用液相還原法成功制備了立方狀的Cu2O，采用滴涂法制得Nafion/Cu2O/GCE 電極，構(gòu)建了基于Cu2O 立方體的無酶葡萄糖傳感器，用于對葡萄糖的電化學(xué)檢測.此方法的無酶葡萄糖傳感器具有寬的線性范圍，檢測限低，靈敏度高，穩(wěn)定性好.這有助于研究Cu2O 在傳感器領(lǐng)域的潛在應(yīng)用.

［1］Newman J D，Turner A P F.Home blood glucose biosensors:a commercial perspective［J］.Biosens.Bioelectron.，2005，20 (12):2435 -2453.

［2］白紅艷，王秀華，戴志暉.無酶葡萄糖檢測的研究進展［J］.應(yīng)用化學(xué)，2012，29 (6):611 -616.

［3］Deng C Y，Chen J H，Chen X L，et al.Direct electrochemistry of glucose oxidase and biosensing for glucose based on boron-doped carbon nanotubes modified electrode［J］.Biosens.Bioelectron.，2008，23 (8):1272 -1277.

［4］吳立劍，何鳳云，邵秀丹，等.基于納米MnO2-MWCNTs 復(fù)合材料修飾的葡萄糖傳感器［J］.分析試驗室，2012，31 (3):62 -65.

［5］Wilson R，Turner A P F.Glucose oxidase:an ideal enzyme［J］.Biosens Bioelectron，1992，7(3):165-168.

［6］Park S，Boo H，Chung T D.Electrochemical non -enzymatic glucose sensors［J］.Anal.Chim.Acta，2006，556(1):46 -57.

［7］楊紹明，孫青，李紅，等.基于鈷鋁水滑石/鐵氰化鈷的無酶葡萄糖傳感器的研究［J］.分析試驗室，2014，33(2):148 -150.

［8］Zahmaklran M，?zkar S，Kodaira T，et al.A novel，simple，organic free preparation and characterization of water dispersible photoluminescent Cu(2)O nanocubes［J］.Mater.Lett.，2009，63(1):400 -402.

［9］Liu Y L，Liu Y C，Mu R，et al.The structural and optical properties of Cu2O films electrodeposited on different substrates semicon［J］.Sci.Tech.，2005，20(1):30-44.

［10］Ho J Y，Huang M H.Temperature-dependent oxidation of Pt nanoclusters on a thin film of Al2O3on NiAl(100)［J］.J.Phys.Chem.C.，2009，113(32):14159 -14164.

［11］Ma L L，Li J L，Sun H Z，et al.Self - assembled Cu2O flowerlike architecture:Polyol synthesis，photocatalytic activity and stability under simulated solar light［J］.Mater.Res.Bull，2010，45(8):961-968.

［12］劉傳銀，胡軍福，李學(xué)強.納米氧化亞銅的制備及其電化學(xué)性質(zhì)［J］.化學(xué)研究，2005，16(4):55 -57.

［13］胡軍福，朱圣平，杜飛鵬，等.納米氧化亞銅固載亞甲藍復(fù)合膜修飾玻碳電極的電化學(xué)性質(zhì)及其對多巴胺的電催化［J］.2006，25(7):5 -8.

［14］Zhang D F，Zhang H，Guo L，et al.Delicate control of crystallographic facet-oriented Cu2O nanocrystals and the correlated adsorption ability［J］.J.Mater.Chem.，2009，19:5220 -5225.

［15］Tian L L，Liu B T.Fabrication of CuO nanosheets modified Cu electrode and its excellent electrocatalytic performance towards glucose［J］.Appl Surf.Sci.，2013，283:947 -953.