電沉積Cu2O在無(wú)酶葡萄糖傳感器中的應(yīng)用

王藝蘭, 包曉玉, 楊 妍, 鮑克燕, 劉夢(mèng)菲

(南陽(yáng)師范學(xué)院化學(xué)與制藥工程學(xué)院,河南南陽(yáng) 473061)

葡萄糖在生物科技、醫(yī)療診斷和食品工業(yè)等領(lǐng)域具有十分重要的意義，近年來(lái)引起了人們廣泛關(guān)注[1]。葡萄糖傳感器分為酶型和非酶型：酶型葡萄糖傳感器[2,3]具有良好的選擇性和較高的靈敏度，但非常容易失活使其應(yīng)用受限。而非酶型葡萄糖傳感器具有穩(wěn)定性好、成本低、儲(chǔ)存容易和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[4]。

納米材料具有比表面積大、表面活性位點(diǎn)多以及催化效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此,將納米材料用于非酶型葡萄糖電化學(xué)傳感器是當(dāng)前研究的一個(gè)新的熱點(diǎn)。Cu2O已被應(yīng)用在太陽(yáng)能電池[5]、傳感器[6,7]、磁性材料[8]和催化[9,10]等多個(gè)領(lǐng)域。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)不同方法制備的Cu2O形貌不同，如Cu/Cu2O中空微球[11]、紡錘形納米Cu2O/MWCNT復(fù)合材料[12]、Cu2O/聚乙烯醇吡咯烷酮石墨烯納米片復(fù)合材料[13]等等。Cu2O的制備方法有多種，如水溶膠法[5]、水熱法[9]、電化學(xué)沉積法[14]、固液相電弧放電法[15]和微波照射法[16]等。其中，電沉積法因靈活性高、工藝過(guò)程簡(jiǎn)單、沉積反應(yīng)速率快和材料形貌可控等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注[10]。Li等人[14]用Cu2O-Nafion復(fù)合物修飾玻碳電極，研究了該電極對(duì)葡萄糖的電催化性能。Zhang等人[17]通過(guò)濕化法制備Cu納米線，發(fā)現(xiàn)對(duì)葡萄糖的催化性能良好，靈敏度高。Jin[18]等人利用電沉積法制備泡沫銅材料，并將其應(yīng)用于檢測(cè)葡萄糖，發(fā)現(xiàn)其靈敏度高。本文用電沉積法在玻碳電極上沉積納米Cu2O，一步完成無(wú)酶葡萄糖傳感器的制備，通過(guò)調(diào)控緩沖溶液pH、沉積時(shí)間和應(yīng)用電位，改善電極對(duì)葡萄糖的電催化氧化活性，從而提高了構(gòu)建的無(wú)酶葡萄糖傳感器的性能,并成功用于人血清中葡萄糖含量的測(cè)定。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

CHI660A型電化學(xué)工作站(美國(guó)，CHI公司)，三電極體系：玻碳電極(GCE)或修飾電極為工作電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，鉑絲為對(duì)電極。FEI-Quanta-200環(huán)境掃描電子顯微鏡(SEM)(荷蘭，F(xiàn)EI公司)；BrukerApexⅡ型X射線粉末衍射儀(德國(guó)，布魯克公司)；KQ-50B超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)。

CuSO4(天津市永大化學(xué)試劑有限公司)，HAc-NaAc緩沖溶液(成都市聯(lián)合化工試劑研究所)，葡萄糖、尿酸、抗壞血酸、果糖(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)。葡萄糖用pH=7.0的磷酸鹽緩沖液(PBS)配制成1.5 mol/L的儲(chǔ)備液,放置陳化24 h。所用試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

1.2 Cu2O修飾玻碳電極的制備

將GCE(Φ=3 mm)先用0.05 μm Al2O3在麂皮上拋光,然后分別用水和無(wú)水乙醇超聲清洗干凈，晾干后，采用三電極體系，以10 mmol/L CuSO4+0.1 mol/L HAc-NaAc(pH=5.7)溶液為電解液，沉積時(shí)間3 min，控制沉積電位-0.1 V進(jìn)行電化學(xué)沉積。沉積完成之后，用水沖洗，然后在室溫下涼干，備用。修飾電極表示為Cu2O/GCE。

2 結(jié)果與討論

2.1 電沉積Cu2O的SEM表征

圖1是電沉積Cu2O的SEM圖。由圖可見(jiàn)，Cu2O比較均均地分散在GCE表面，這種電沉積形成的Cu2O能穩(wěn)定地固定在電極表面，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。

2.2 沉積Cu2O的X射線衍射分析

圖2是電沉積Cu2O的X射線衍射(XRD)圖(CuKa輻射線,管電壓40 kV,管電流40 mA)?？梢钥闯觯苌浞宄霈F(xiàn)在2θ為30.10°、36.60°、42.61°、61.62°和73.47°的位置，與標(biāo)準(zhǔn)Cu2O(JCPDS No.05-0667)符合的很好，分別對(duì)應(yīng)于Cu2O的(110)、(111)、(200)、(220)和(311)晶面。說(shuō)明在CuSO4、HAc-NaAc體系中，電沉積得到的Cu2O是純相的。值得注意的是(111)峰強(qiáng)而尖銳，與其它峰強(qiáng)度的比例明顯高于標(biāo)準(zhǔn)卡片中的數(shù)據(jù)，說(shuō)明所得Cu2O沿(111)方向擇優(yōu)生長(zhǎng)。

圖1 GCE上沉積Cu2O的掃描電鏡(SEM)圖Fig.1 SEM image of the deposited Cu2O at GCE 3 000(a),40 000(b).

圖2 電沉積Cu2O的X射線衍射(XRD)圖Fig.2 XRD pattern of the Cu2O electrodeposited

2.3 Cu2O/GCE對(duì)葡萄糖的電催化性能

圖3 GCE(a和b)和Cu2O/GCE(c和d)在不含(a和c)和含(b和d)50 μmol/L葡萄糖的0.1 mol/L KOH溶液中的循環(huán)伏安圖Fig.3 Cyclic voltammograms of GCE(a and b),Cu2O/GCE (c and d) in absence(a and c) and presence(b and d) 50 μmol/L glucose solution in 0.1 mol/L KOH solution

裸GCE和Cu2O/GCE在0.1 mol/L KOH溶液中對(duì)葡萄糖的電催化性能如圖3所示。由圖可以看出，裸GCE上沒(méi)有出現(xiàn)氧化還原峰(曲線a)。在攪拌下，向0.1 mol/L KOH溶液中不斷加入50 μmol/L的葡萄糖溶液，裸GCE上沒(méi)有變化(曲線b與曲線a重合)，而Cu2O/GCE上氧化峰電流增大(曲線c和d)，氧化峰電位負(fù)移，說(shuō)明Cu2O對(duì)葡萄糖具有較好的電催化氧化活性。

2.4 Cu2O無(wú)酶葡萄糖傳感器的性能

2.4.1傳感器響應(yīng)條件的優(yōu)化改變HAc-NaAc緩沖溶液的pH，按照實(shí)驗(yàn)方法制備Cu2O/GCE，研究緩沖溶液pH對(duì)Cu2O/GCE電催化性能的影響。結(jié)果表明：在pH=3.5～5.7范圍內(nèi)，隨著溶液pH的增加，響應(yīng)電流也隨之增大。所以選擇pH=5.7為制備Cu2O/GCE的最佳pH值。

用不同沉積時(shí)間制備的Cu2O/GCE在50 μmol/L葡萄糖的0.1 mol/L KOH溶液中測(cè)定響應(yīng)電流。結(jié)果表明：在30～180 s內(nèi)，響應(yīng)電流隨沉積時(shí)間的增大而增大，180 s后反而減小。因此，本實(shí)驗(yàn)確定沉積時(shí)間為180 s。同時(shí)考察葡萄糖于不同工作電位下在Cu2O/GCE上的響應(yīng)電流。結(jié)果表明：在0.4～0.65 V內(nèi)，響應(yīng)電流隨工作電位的增大而增大，0.65 V后反而下降，故選擇0.65 V為測(cè)定的最佳工作電位。

2.4.2傳感器的線性范圍和檢測(cè)限利用計(jì)時(shí)電流法考察Cu2O無(wú)酶葡萄糖傳感器對(duì)葡萄糖的線性響應(yīng)范圍和檢測(cè)限。圖4A是Cu2O/GCE對(duì)葡萄糖的計(jì)時(shí)電流響應(yīng)，可見(jiàn)該電極對(duì)葡萄糖濃度的變化響應(yīng)靈敏，且響應(yīng)迅速。在0.1 mol/L KOH溶液中于0.65 V工作電位條件下，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)葡萄糖從5.0 μmol/L～6.23 mmol/L濃度范圍內(nèi)的檢測(cè)。將圖4A中的響應(yīng)電流值與葡萄糖濃度進(jìn)行線性擬合得到圖4B。由圖4B可以看出，葡萄糖在該電極上的響應(yīng)電流與葡萄糖濃度呈良好的線性關(guān)系，線性范圍分別是5.0 μmol/L～0.73 mmol/L、0.73～2.23 mmol/L和2.23～6.23 mmol/L(相關(guān)系數(shù)分別為0.9909、0.9931和0.9941)，檢測(cè)限(S/N=3)為0.4 μmol/L。表1為不同葡萄糖傳感器的性能比較。由表1可見(jiàn)，本文制備的Cu2O無(wú)酶葡萄糖傳感器性能較好。

圖4 Cu2O/GCE電極的計(jì)時(shí)電流響應(yīng)曲線(A)和擬合曲線(B)Fig.4 Amperometric responses of Cu2O/GCE to glucose with increasing concentrations (A) and corresponding calibration curve(B)

Electrode materialLinear range(mmol/L)Sensitivity (μA·mmol/L)Detection limit(μmol/L)ReferenceCu nanobelts0.01-1.1379.810[7]Cu@PPya nanowires0.1-0.8180.651[8]Cu2O-Nafion/GCE0.05-1.153.6947.2[14]Cu2O nanocubes0.001-1.752.50.87[15]Cu nanowires4-7118.780.035[17]Cu2O/GCE0.005-6.2365.740.4This work

2.4.3傳感器的抗干擾實(shí)驗(yàn)用構(gòu)建的Cu2O/GCE無(wú)酶葡萄糖傳感器檢測(cè)50 μmol/L葡萄糖時(shí)，依次加入10 μmol/L的抗壞血酸、果糖、尿酸、谷氨酸、賴氨酸、多巴胺，結(jié)果顯示響應(yīng)電流變化不大于5%，因此可以較準(zhǔn)確地檢測(cè)人血清中葡萄糖含量。

2.4.4傳感器的穩(wěn)定性與重現(xiàn)性將修飾電極放在室溫下一周后，檢測(cè)對(duì)葡萄糖的催化氧化電流，實(shí)驗(yàn)測(cè)出其催化氧化電流沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明修飾電極具有較好的穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)比同一時(shí)間制備的10支電極對(duì)于50 μmol/L葡萄糖的響應(yīng)電流考察傳感器的重現(xiàn)性，10次試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.8%，說(shuō)明修飾電極具有良好的重現(xiàn)性。

2.5 實(shí)際樣品的測(cè)定

將制備的Cu2O/GCE用于人血清樣品中血糖含量的測(cè)定(樣品由南陽(yáng)市人民醫(yī)院提供,其血糖含量已由醫(yī)院的自動(dòng)生化分析儀測(cè)量)。參考文獻(xiàn)報(bào)道[7，8，14，15]，均在堿性溶液中測(cè)定人血清樣品中的葡萄糖含量。本實(shí)驗(yàn)在10.0 mL 0.1 mol/L KOH溶液中,加入10.0 μL血清樣本,用標(biāo)準(zhǔn)加入法測(cè)量血清樣品中葡萄糖的含量,測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。從表2中可以看出,制備的葡萄糖傳感器的測(cè)量結(jié)果與生化分析儀的測(cè)量結(jié)果非常接近,最大相對(duì)誤差為6.5%，說(shuō)明基于Cu2O/GCE的傳感器可以用于臨床血清樣品中血糖的檢測(cè)。從表2還可以看出,本文制備的葡萄糖傳感器對(duì)血糖的測(cè)量結(jié)果總是大于生化分析儀測(cè)得的結(jié)果,原因可能是在血清樣品中除了葡萄糖以外,還有能在電極上氧化的尿酸、抗壞血酸等物質(zhì)，或者是血清中含有的某些物質(zhì)將葡萄糖降解,從而對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定的干擾。

表2 血清樣品中葡萄糖含量的測(cè)定結(jié)果

3 結(jié)論

利用電沉積法實(shí)現(xiàn)了無(wú)酶葡萄糖傳感器的一步法制備，且構(gòu)建的傳感器性能穩(wěn)定，重現(xiàn)性好，用于人血清中血糖的檢測(cè)與生化分析儀的測(cè)定結(jié)果一致，有望用于臨床檢驗(yàn)。