RGO-MWNTs/鐵氰化鎳復(fù)合材料構(gòu)筑無(wú)酶葡萄糖傳感器

莫 韜，黃富英，陳國(guó)良，李艷彩

（閩南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，福建　漳州　363000）

RGO-MWNTs/鐵氰化鎳復(fù)合材料構(gòu)筑無(wú)酶葡萄糖傳感器

莫 韜，黃富英，陳國(guó)良，李艷彩*

（閩南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，福建漳州363000）

將制備的鐵氰化鎳納米顆粒（NiHCF）與石墨烯-碳納米管（RGO-MWNTs）混合，分散于殼聚糖（Chit）溶液中，形成新的納米復(fù)合材料（RGO-MWNTs/NiHCF/Chit），將其修飾在玻碳電極表面.由于RGO-MWNTs具有良好的電子傳遞性能和NiHCF與RGO-MWNTs之間的協(xié)同作用，促使NiHCF電催化氧化能力有了很大的提高.與NiHCF/ Chit膜相比，RGO-MWNTs/NiHCF/Chit復(fù)合膜的氧化還原峰電流增大了5倍，且在較低電位下對(duì)葡萄糖具有很好的電催化性能.該復(fù)合膜電極對(duì)葡萄糖的線性響應(yīng)范圍為0.03～0.096 mM，檢測(cè)限為0.016 mM，可用于葡萄糖的電化學(xué)傳感檢測(cè).

鐵氰化鎳納米顆粒；石墨烯/碳納米管復(fù)合材料；殼聚糖；葡萄糖傳感器

傳統(tǒng)的葡萄糖傳感器通過(guò)葡萄糖氧化酶在電極上的固載從而實(shí)現(xiàn)對(duì)葡萄糖高選擇性、高靈敏度的檢測(cè).然而酶自身很容易受外界溫度、pH值等因素的影響而喪失活性，因此電極穩(wěn)定性不高.各種金屬電極，例如Pt、Au等對(duì)葡萄糖具有較好的電催化氧化作用，因此近年來(lái)人們探討了這些材料對(duì)葡萄糖的直接電催化氧化，發(fā)展了無(wú)酶葡萄糖電化學(xué)傳感器.但是貴金屬價(jià)格比較昂貴，且這些電極在使用過(guò)程中其表面也容易受到污染及毒害等.近年來(lái)很多研究發(fā)現(xiàn)Ni［1-2］、Cu［3］、金屬氧化物（MnO2，Co3O4）［4-5］、金屬鐵氰化物［6］等材料具有良好的電子傳遞速率，且對(duì)葡萄糖的氧化具有較好的電催化作用.其中金屬鐵氰化物制備方法簡(jiǎn)單、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、電催化效果好且價(jià)格低廉，因而成為電化學(xué)傳感器的研究熱點(diǎn)［7-8］.

由碳元素構(gòu)成的低維碳納米材料，具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性能，因此引起了研究者的廣泛關(guān)注，在納米領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［9-12］.為了得到性能更好的新材料，人們嘗試將這些低維碳納米材料進(jìn)行復(fù)合.目前已獲得一些新型的碳納米復(fù)合材料，例如富勒烯/碳納米管［13-14］、富勒烯/石墨烯［15-16］等，而制備碳納米管/石墨烯復(fù)合材料的報(bào)道還較為少見.

將制備的鐵氰化鎳納米顆粒分散在殼聚糖溶液中，并加入RGO-MWNTs，得到新型納米復(fù)合材料RGOMWNTs/NiHCF/Chit，將其固定在玻碳電極表面，從而得到RGO-MWNTs/NiHCF/Chit復(fù)合膜修飾電極.通過(guò)電化學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，加入RGO-MWNTs后，所得到的RGO-MWNTs/NiHCF/Chit復(fù)合膜的電化學(xué)活性大大提高，對(duì)葡萄糖具有很好的電催化氧化效果，可用于葡萄糖的無(wú)酶電化學(xué)傳感檢測(cè).

1　材料與方法

1.1試劑

硫酸鎳、葡萄糖購(gòu)于北京化工有限公司；醋酸、鐵氰化鉀、氯化鉀均購(gòu)于西隴化工（廣東省汕頭市）；殼聚糖在廈門星隆達(dá)化學(xué)試劑有限公司購(gòu)買；MWNTs（純度超過(guò)95%）購(gòu)自深圳納米港；其他化學(xué)藥品均為分析純，實(shí)驗(yàn)前無(wú)須純化.支持電解質(zhì)采用0.1M NaOH溶液.采用超純水配制實(shí)驗(yàn)中所用到的溶液.

1.2儀器與設(shè)備

在電化學(xué)工作站（CHI650C，上海辰華）上進(jìn)行電化學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，采用三電極系統(tǒng)：用修飾或未修飾的玻碳電極（GCE，CHI104，直徑3mm）做工作電極，用鉑絲電極做輔助電極，用Ag/AgCl（3.0mol/L KCl）電極做參比電極.納米材料的形貌利用透射電子顯微鏡（TEM，Tecnai G220 ST，美國(guó)FEI公司）來(lái)表征.

1.3方法

1.3.1RGO-MWNTs的制備 將53.7 mg氧化石墨烯（GO）和53.7 mg MWNTs加入到10 mL二次蒸餾水中連續(xù)超聲至溶液呈黑色均勻的懸濁液.然后加入0.1 mL 3%的聚乙烯亞胺（PEI）到混合溶液（pH=1），在135℃下回流3h.黑色溶液通過(guò)用二次蒸餾水洗滌幾次，最后在常溫干燥，得到RGO-MWNTs.

1.3.2鐵氰化鎳納米材料的制備 在攪拌下，取10.0 mL、0.01 mol/L NiSO4水溶液逐滴加入10 mL、0.025 mol/L K3［Fe（SCN）6］（含有0.05mol KCl）的水溶液中.NiSO4滴完后，繼續(xù)攪拌5min，將溶液進(jìn)行離心分離，所得沉積物用水洗再離心，然后干燥，得到鐵氰化鎳納米顆粒.

1.3.3RGO-MWNTs/NiHCF/Chit/GCE的制備 依次用1.0、0.3和0.05 μm的α-Al2O3粉末對(duì)玻碳電極的表面進(jìn)行拋光，然后分別置于蒸餾水、乙醇、蒸餾水中超聲清洗三次，并利用鐵氰化鉀溶液檢測(cè)電極的可逆性，最后用氮?dú)獯蹈呻姌O的表面.RGO-MWNTs納米復(fù)合材料（2 mg/mL）與1 mL的鐵氰化鎳納米材料溶液混合，分散于Chit溶液中，超聲攪拌數(shù)分鐘，得到黑色均勻分散的RGO-MWNTs/NiHCF/Chit溶液.然后，取10μL RGO-MWNTs/NiHCF/Chit溶液滴加在新處理的玻碳電極上并于4℃下晾干，即得到RGO-MWNTs/Ni-HCF/Chit/GCE.而取10 μL NiHCF/Chit溶液滴加在新處理的玻碳電極上并于4℃下晾干，可得到NiHCF/ Chit/GCE.

圖1　NiHCF（A），RGO-MWNTs/NiHCF（B）的透射電鏡圖Fig.1 TEM images of NiHCF（A）and RGO-MWNTs/NiHCF（B）

2　結(jié)果與討論

2.1納米材料的TEM表征

圖1A為NiHCF納米材料的TEM圖，從圖中可以看到NiHCF顆粒的粒徑為20～30 nm左右；圖1B為RGO-MWNTs/NiHCF納米材料的TEM圖，可以觀察到MWNTs和片層狀的RGO，同時(shí)還有顆粒狀的NiHCF分散在RGO-MWNTs復(fù)合材料中.

2.2電化學(xué)表征

本文研究了NiHCF/Chit/GCE和RGOMWNTs/NiHCF/Chit/GCE的電化學(xué)行為，如圖2所示.由圖2a可知，NiHCF/Chit/GCE的循環(huán)伏安曲線呈現(xiàn)一對(duì)可逆的氧化還原峰，這是由于納米顆粒中Fe3+和Fe2+之間的電子轉(zhuǎn)移引起的.而RGO-MWNTs/NiHCF/Chit/GCE的循環(huán)伏安曲線上（圖2b），氧化峰和還原峰電位向兩側(cè)移動(dòng)，且背景電流和峰電流都有所增大，背景電流增大主要是RGO-MWNTs增大了電極的有效比表面積；而峰電流與NiHCF/Chit電極相比增大了近5倍，主要是由于RGO-MWNTs和NiHCF之間的協(xié)同作用，使NiHCF的氧化還原活性得到了很大的提高［17-18］，因此RGOMWNTs/NiHCF/Chit/GCE具有更高的電催化活性.兩電極循環(huán)伏安曲線的峰形狀和峰電位都沒發(fā)生明顯變化，表明石墨烯和碳納米管的加入并沒有改變納米顆粒和電極之間電子傳遞的途徑［19］.

RGO-MWNTs/NiHCF/Chit/GCE在0.1M NaOH溶液中掃速為10到500mV/s時(shí)的循環(huán)伏安曲線，如圖3所示.從圖中可見，隨著掃描速度增加，氧化還原峰電流相應(yīng)地增加，與掃速呈線性關(guān)系（如圖4），說(shuō)明該電極反應(yīng)過(guò)程為表面控制過(guò)程.RGO-MWNTs/NiHCF/Chit/GCE的氧化還原峰電流與掃描速度的線性方程分別為Ipc=-508.4+207.8v（R=0.999）和Ipa=415.6-212.4v（R=0.998）.

圖2　NiHCF/Chit/GCE（a）和RGO-MWNTs/ NiHCF/Chit/GCE（b）在0.1M NaOH溶液中的循環(huán)伏安曲線，掃速100mV/sFig.2 Cyclic voltammograms of NiHCF/Chit/GCE（a）and RGO-MWNTs/NiHCF/Chit/GCE（b）in 0.1M NaOH，respectively at 100mV·s-1

圖3　RGO-MWNTs/NiHCF/Chit/GCE在0.1M NaOH中在不同掃速時(shí)測(cè)得的循環(huán)伏安曲線（從內(nèi)到外掃速分別為：10，25，50，75，100，150，200，250，300，350，400，450和500mV/s）Fig.3 The cyclic voltammograms of the RGOMWNTs/NiHCF/Chit/GCE in 0.1M NaOH from 10 to 500mV/s（from inner to outer）

2.3RGO-MWNTs/NiHCF/Chit/GCE對(duì)葡萄糖的電催化氧化

圖5為RGO-MWNTs/NiHCF/Chit/GCE在氫氧化鈉溶液中及加入不同濃度葡萄糖后的循環(huán)伏安曲線.如圖5所示，當(dāng)在NaOH溶液中加入1.0mM葡萄糖后，修飾電極的氧化峰電流明顯增加，說(shuō)明了該電極對(duì)葡萄糖具有電催化氧化作用，可歸于電極表面所修飾的RGO-MWNTs/NiHCF/Chit復(fù)合材料；而且隨著葡萄糖濃度的增加，氧化峰電流也逐漸增加，同時(shí)氧化峰電位則不斷地向正電位方向移動(dòng)，這屬于典型的媒質(zhì)介導(dǎo)氧化行為.根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)［7］，該修飾電極對(duì)葡萄糖的電催化氧化機(jī)理可描述如下：

圖4　RGO-MWNTs/NiHCF/Chit/GCE在0.1M NaOH溶液中陰極峰電流、陽(yáng)極峰電流與掃速的關(guān)系曲線Fig.4 The relationship between cathodic peak current，anodic peak current and scan rate of RGO-MWNTs/NiHCF/Chit/GCE

圖5　RGO-MWNTs/NiHCF/Chit/GCE對(duì)0.0，1.0， 2.0，3.0，4.0，5.0mM葡萄糖的循環(huán)伏安曲線Fig.5 Cyclic voltammograms of the RGO-MWNTs/ NiHCF/Chit/GCEin 0.0，1.0，2.0，3.0，4.0，5.0mM　　glucose，respectively at 50mV·s-1

2.4RGO-MWNTs/NiHCF/Chit/GCE對(duì)葡萄糖的安培響應(yīng)

利用恒電位法研究了RGO-MWNTs/NiHCF/Chit/GCE對(duì)葡萄糖的電催化氧化性能.圖6給出工作電位為0.4V，復(fù)合膜電極在連續(xù)加入15μL 10mM的葡萄糖到5mL 0.1M NaOH溶液中的電流-時(shí)間曲線.從圖6可以看出，隨著葡萄糖濃度的不斷增加，催化電流呈現(xiàn)階梯性增大，穩(wěn)態(tài)電流響應(yīng)在5 s內(nèi)可達(dá)到95%.圖6的插圖是穩(wěn)態(tài)電流和葡萄糖濃度的關(guān)系曲線，在葡萄糖的濃度為0.030～0.096 mM的范圍內(nèi)，它們呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，檢測(cè)限為0.016mM（信噪比為3）.

圖6　RGO-MWNTs/NiHCF/Chit/GCE在連續(xù)加入15μL 10mM的葡萄糖到5mL 0.1M NaOH溶液中的電流-時(shí)間曲線，工作電位為0.4V，插圖為穩(wěn)態(tài)電流與葡萄糖濃度的關(guān)系曲線Fig.6 Amperometric I-t curves of RGO-MWNTs/ NiHCF/Chit/GCE with successive additions of 15μL 10mM glucose to 5mL 0.1M NaOH at 0.4V.Inset：the calibration curve of oxidation currents vs.glucose concentrations

2.5RGO-MWNTs/NiHCF/Chit/GCE的選擇性、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性

實(shí)際樣品中總是共存一些能同時(shí)被氧化的物質(zhì)從而干擾葡萄糖的測(cè)定，比如：抗壞血酸、尿酸、多巴胺.因此，本文進(jìn)行了干擾實(shí)驗(yàn)，即在0.1M NaOH中加入可能產(chǎn)生干擾的三種電活性物質(zhì)進(jìn)行干擾測(cè)定（圖沒給出來(lái)）.干擾實(shí)驗(yàn)表明加入相同濃度的葡萄糖、抗壞血酸、尿酸及多巴胺所產(chǎn)生的電流響應(yīng)不同，其中加入葡萄糖時(shí)產(chǎn)生的電流信號(hào)是最大的，而抗壞血酸、多巴胺只有非常弱的電流響應(yīng)，加入尿酸時(shí)則沒產(chǎn)生明顯的電流信號(hào).而且，在實(shí)際樣品中葡萄糖的濃度最大，其濃度大概是抗壞血酸，多巴胺和尿酸濃度的十倍.所以和葡萄糖產(chǎn)生的電流信號(hào)相比，干擾物質(zhì)產(chǎn)生的電流信號(hào)肯定會(huì)更小，因此對(duì)實(shí)際樣品中葡萄糖的測(cè)定不產(chǎn)生干擾.

將RGO-MWNTs/NiHCF/Chit/GCE放在pH 7.0的緩沖溶液中置于冰箱中4℃下保存4周后，復(fù)合膜電極仍具有其最初電流響應(yīng)的92%，說(shuō)明該修飾電極具有較好的穩(wěn)定性.對(duì)濃度為1 mM的葡萄糖連續(xù)測(cè)定10次，得到的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差是5.8%.該修飾電極在連續(xù)使用20 d之后，對(duì)葡萄糖的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)電流仍可保持在98%左右.說(shuō)明RGO-MWNTs/NiHCF/Chit/GCE具有良好穩(wěn)定性和重現(xiàn)性.

3　結(jié)論

本文將制備的鐵氰化鎳納米顆粒與石墨烯-碳納米管進(jìn)行混合，分散于Chit溶液中，形成RGOMWNTs/NiHCF/Chit納米復(fù)合材料，將其修飾于玻碳電極表面，得到的修飾電極對(duì)葡萄糖具有良好的電催化作用，可用作無(wú)酶葡萄糖電化學(xué)傳感器.該葡萄糖傳感器制備方法可操作性強(qiáng)，線性范圍寬、檢測(cè)限低，而且具有較好的選擇性和穩(wěn)定性.

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責(zé)任編輯：高 山

A Non-enzymatic Glucose Sensor Based on RGO-MWNTs/NiHCF Nanocomposites

MO Tao，HUANG Fuying，CHEN Guoliang，LI Yancai*
（College of Chemistry and Environment，Minnan Normal University，Zhangzhou 363000，China）

Nickel hexacyanoferrate nanoparticles（NiHCF）can be easily prepared by mixing hexacyanoferrate and nickel sulfate solution at room temperature.The nanoparicles were solubilized in a biopolymer chitosan（Chit）aqueous solution.With the introduction of RGO-MWNTs，the formed RGO-MWNTs/Ni-HCF/Chit film shows synergy between RGO-MWNTs and NiHCF with the significant improvement of redox activity of NiHCF due to the excellent electron-transfer ability of RGO-MWNTs.The RGO-MWNTs/ NiHCF/Chit/GCE amplified the redox peak currents by 5 times compared with the NiHCF/Chit/GCE. The RGO-MWNTs/NiHCF/Chit/GCE allows low potential detection of glucose with high sensitivity and fast response time.The glucose sensor showed a linear dependence from 0.03 to 0.096 mM with a low detection limit of 0.016 μM（S/N=3）.

nickel hexacyanoferrate nanomaterials；RGO-MWNTs nanocomposites；chitosan；glucose sensor

TS210.1

A

1008-8423（2015）04-0453-04DOI：10.13501/j.cnki.42-1569/n.2015.12.024

2015-10-24.

閩南師范大學(xué)新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃（MX14003）.

莫韜（1979-），男，碩士生，主要從事電分析化學(xué)的研究；*

李艷彩（1980-），博士，副教授，主要從事新型納米材料的合成及電化學(xué)生物傳感等的研究.