納米銅/石墨烯-殼聚糖復(fù)合膜修飾電極及其對葡萄糖的直接測定

潘芊秀，程遠征，王江云，張鳳蓮，鄧樹娥

(濰坊醫(yī)學(xué)院 化學(xué)教研室，山東 濰坊 261053)

納米銅/石墨烯-殼聚糖復(fù)合膜修飾電極及其對葡萄糖的直接測定

潘芊秀*，程遠征，王江云，張鳳蓮，鄧樹娥

(濰坊醫(yī)學(xué)院 化學(xué)教研室，山東 濰坊 261053)

以石墨烯-殼聚糖復(fù)合膜修飾玻碳電極，并在此復(fù)合膜上電沉積納米銅，用于葡萄糖的無酶檢測。以掃描電鏡、傅立葉紅外光譜及電化學(xué)交流阻抗譜對該復(fù)合膜微觀形態(tài)進行表征，以循環(huán)伏安法、計時電流法對該電極的電化學(xué)行為進行研究。實驗結(jié)果表明，在0.1 mol/L NaOH溶液中修飾電極對葡萄糖具有良好的催化氧化作用，該電極對葡萄糖的檢測線性范圍為5.6×10-5～1.2×10-3mol/L，檢出限(S/N=3)為2.3×10-5mol/L。該修飾電極對樣品的檢測具有良好的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性。

納米銅；石墨烯-殼聚糖復(fù)合膜；修飾電極；葡萄糖

葡萄糖的檢測在臨床診斷及工業(yè)生產(chǎn)等方面具有重要意義，酶基葡萄糖傳感器的制備在數(shù)十年間獲得了長足發(fā)展[1-3]。酶傳感器一般需在固體電極表面固定葡萄糖氧化酶，由于固定化酶易失活，因此需要較苛刻的制備條件，且傳感器的有效使用壽命往往很短。納米材料因具有較高表面活性，獨特的催化性質(zhì)和光電化學(xué)性質(zhì)而被廣泛用于修飾電極的制備，尤其是近年來各種貴金屬納米材料如銀[4]、金[5]、鉑[6]等被廣泛使用，無酶傳感器的研制已引起人們越來越廣泛的興趣，現(xiàn)已實現(xiàn)了無酶葡萄糖傳感器的制備及檢測[7-10]。

石墨烯是一種具有二維結(jié)構(gòu)的新型碳納米材料，具有較大的比表面積、良好的導(dǎo)電性、無毒以及優(yōu)良的生物相容性，被廣泛用于電極的修飾及生物傳感器的制備[11-16]。相比于其它貴金屬材料，納米銅具備低電阻、高催化性、價格低及制備簡單等優(yōu)異特性而被嘗試用于電極修飾[17]。本文將石墨烯分散于殼聚糖中，在玻碳電極表面形成導(dǎo)電性良好的復(fù)合膜，再以殼聚糖-石墨烯復(fù)合膜為載體電沉積納米銅，充分發(fā)揮納米銅的納米尺寸和電催化效應(yīng)增強對葡萄糖的催化氧化，從而實現(xiàn)對葡萄糖的直接測定。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

高純石墨烯(GH，純度>98%)和殼聚糖(CS，脫乙酰度>95%)購自上海阿拉丁試劑有限公司；鐵氰化鉀(K3[Fe(CN)6])和亞鐵氰化鉀(K4[Fe(CN)6])購自西隴化工有限公司；氯化鈉(NaCl)、氯化銅(CuCl2·2H2O)、磷酸二氫鉀(KH2PO4)、磷酸氫二鉀(K2HPO4·3H2O)、氯化鉀(KCl)、葡萄糖(C6H12O6·H2O)和氫氧化鈉(NaOH)等均為分析純，購于國藥集團；實驗用水為去離子水。

傅立葉變換紅外光譜儀(Nicolet iS10，美國)，電化學(xué)分析儀(VersaSTAT3，美國)，掃描電子顯微鏡(Hitachi S-4800，日本)，超聲波清洗機(SB25-120,寧波新芝)，CHI660E電化學(xué)工作站(上海辰華)，三電極體系：玻碳電極(GCE,5.0 mm)及其修飾電極作為工作電極，鉑絲電極為對電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極。

1.2 實驗過程

將直徑5 mm的玻碳電極在0.05 μm Al2O3粉上打磨光滑，用水沖洗干凈，高純N2吹干備用。將殼聚糖溶于稀醋酸(0.8%，體積分數(shù))，攪拌2 h得10 mg/L的殼聚糖溶液。再將石墨烯超聲分散于殼聚糖溶液中，得到石墨烯-殼聚糖溶液(CS-GH，1 mg/mL)。

取5 μL制備好的CS-GH溶液滴涂到玻碳電極表面，室溫過夜晾干，得GCE/CS-GH電極。將GCE/CS-GH電極置于由0.01 mol/L NaCl和0.01 mol/L CuCl2組成的沉積液中，以飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，沉積電位-1.0 V，沉積700 s后以水沖洗電極，得GCE/CS-GH/Cu電極。所有電化學(xué)實驗均通N2除氧，且實驗過程中保持N2氣氛圍。

2 結(jié)果與討論

2.1 殼聚糖膜(CS)與殼聚糖-石墨烯膜(CS-GH)的紅外光譜

實驗以傅立葉紅外光譜法考察了殼聚糖膜與殼聚糖-石墨烯復(fù)合膜的區(qū)別(圖1)。相比于純殼聚糖膜(圖1a)，殼聚糖-石墨烯復(fù)合膜的紅外光譜圖(圖1b)中，殼聚糖的羥基(—OH)、氨基(—NH2)特征峰分別向長波長方向發(fā)生偏移且強度減小，說明石墨烯顆粒已分散結(jié)合于殼聚糖溶液中，形成均勻的殼聚糖-石墨烯復(fù)合膜。

圖1 殼聚糖膜(a)與殼聚糖-石墨烯復(fù)合膜(b)的紅外光譜圖Fig.1 Infrared spectra of chitosan film(a) and chitosan-graphene film(b)

2.2 電極表面形態(tài)的表征

實驗中通過掃描電鏡圖(SEM)對電沉積納米Cu的形貌進行了直觀表征(圖2)。其中圖2A為殼聚糖-石墨烯復(fù)合膜在玻碳電極表面的SEM圖，由圖可知殼聚糖-石墨烯復(fù)合膜提供了一個巨大、較粗糙的表面，更有利于Cu顆粒的沉積。圖2B為在殼聚糖-石墨烯復(fù)合膜表面電沉積納米Cu顆粒后的SEM圖。由圖可清晰看到Cu顆粒已成功在電極表面沉積，且在電極表面呈樹枝狀結(jié)構(gòu)，使得修飾電極具有更大的表面積，沉積的納米Cu顆粒也將極大改善復(fù)合膜的導(dǎo)電能力。

2.3 電極表面的交流阻抗

在0.1 mol/L 磷酸鹽緩沖溶液(PBS)中，以5 mmol/L K3[Fe(CN)6]和5 mmol/L K4[Fe(CN)6]組成的氧化還原電對為探針分子，以電化學(xué)交流阻抗法考察了修飾電極的表面性質(zhì)(圖3)。其中曲線a是裸玻碳電極的阻抗圖，曲線b和c分別代表GCE/CS-GH和GCE/CS-GH/Cu修飾電極的阻抗行為。如圖所示，GCE/CS-GH電極在高頻區(qū)的半圓直徑比裸玻碳電極大幅增加，由此可見修飾殼聚糖-石墨烯膜后電極的導(dǎo)電性變差，這可能是因為雖然石墨烯具有良好的導(dǎo)電性，但殼聚糖的存在使導(dǎo)電性變差。而在GCE/CS-GH電極表面沉積納米Cu之后，所得電極的阻抗譜圖中半圓直徑大幅減小，說明納米Cu極大改善了復(fù)合膜的導(dǎo)電性。

圖3 裸GCE(a)、GCE/CS-GH(b)與GCE/CS-GH/Cu(c)的交流阻抗圖 Fig.3 Electrochemical impedance spectroscopy of bare GCE(a),CS-GH(b) and CS-GH/Cu(c) modified electrodes 0.1 mol/L PBS(pH 7.0) with 5 mmol/L K3 [Fe(CN)6]+ 5 mmol/L K4 [Fe(CN)6]

圖4 不同修飾電極的循環(huán)伏安圖Fig.4 Cyclic voltammograms of different electrodes by sweeping potential from -0.2 V to 0.6 Va.GCE/CS, b.GCE/CS-GH, c.GCE/CS/Cu, d.GCE, e.GCE/CS-GH/Cu;scan rate：100 mV/s，solution：0.1 mol/L KCl with 1 mmol/L K3 [Fe(CN)6]

2.4 電沉積時間的影響

在5 mL 0.01 mol/L NaCl和0.01 mol/L CuCl2的沉積液中，沉積電位-1.0 V，考察了沉積時間分別為500、600、660、700、760、800 s時所制備的GCE/CS-GH/Cu對葡萄糖催化電流的影響。結(jié)果表明當沉積時間由500 s延長至700 s時，響應(yīng)電流逐漸增大。沉積時間大于700 s時，所制備電極對葡萄糖的催化能力反而降低，這可能是因為過長的沉積時間導(dǎo)致沉積Cu顆粒過大，使修飾電極的電活性面積減小，因而實驗中沉積時間選擇700 s。

2.5 修飾電極的電化學(xué)活性

采用循環(huán)伏安法對不同材料修飾電極的電化學(xué)活性進行考察(圖4)，檢驗了不同修飾電極在含有1 mmol/L K3[Fe(CN)6]的0.1 mol/L KCl溶液中的循環(huán)伏安行為。由圖可知Fe3+在GCE/CS(圖4a)和GCE/CS/Cu(圖4c)電極上幾乎沒有氧化還原響應(yīng)，說明純殼聚糖膜的導(dǎo)電性較差。GCE/CS-GH(圖4b)電極的電流信號相比于前兩者有所改善，這得益于石墨烯的高導(dǎo)電性，但電流信號仍比裸GCE電極(圖4d)弱。而在殼聚糖-石墨烯膜上沉積納米Cu后，氧化電流急劇增大，形成明顯的氧化峰。說明在石墨烯與納米Cu協(xié)同作用下，CS-GH/Cu(圖4e)復(fù)合膜修飾電極顯示出較強的電化學(xué)活性。

2.6 GCE/CS-GH/Cu電極的電化學(xué)性質(zhì)

圖5 CS-GH/Cu(a)、CS-GH(b)、CS/Cu(c)修飾電極對葡萄糖響應(yīng)的循環(huán)伏安圖Fig.5 Cyclic voltammograms of CS-GH/Cu(a), CS-GH(b) and CS/Cu(c) modified electrodes sweeping potential：from 0.0 V to 0.8 V(vs.SCE)；scan rate：100 mV/s；solution：0.1 mol/L NaOH with 6.0×10-4 mol/L glucose

圖6 GCE/CS-GH/Cu對葡萄糖的循環(huán)伏安響應(yīng)Fig.6 Cyclic voltammograms of GCE/CS-GH/Cusweeping potential：0.0 V to 0.8 V(vs.SCE)；scan rate：100 mV/s；solution：0.1 mol/L NaOH with 4.2×10-4 mol/L glucose (b) and without glucose(a)

在含有6.0×10-4mol/L葡萄糖的0.1 mol/L NaOH溶液中，采用循環(huán)伏安法分別對不同修飾電極的電化學(xué)行為進行了考察(圖5)。由圖可知，GCE/CS-GH(圖5b)和GCE/CS/Cu(圖5c)對葡萄糖無電化學(xué)響應(yīng)，而GCE/CS-GH/Cu電極在0.45 V左右對葡萄糖有明顯的催化作用(圖5a)，氧化電流急劇增大。說明沉積Cu對葡萄糖分子在電極表面的催化氧化具有關(guān)鍵作用，替代了傳統(tǒng)酶電極中的生物酶。由此可推測，沉積Cu在堿性條件下對葡萄糖的催化氧化機理如下[7]：

Cu+2OH-→Cu(OH)2+2e

Cu(OH)2+OH-→CuOOH+H2O+e

CuOOH+Glucose→Gluconolactone+Cu(OH)2

Gluconolactone→Gluconic acid

圖6為GCE/CS-GH/Cu電極在空白0.1 mol/L NaOH溶液中及葡萄糖濃度為 4.2×10-4mol/L時的循環(huán)伏安圖。當NaOH溶液中不含葡萄糖時，修飾電極沒有發(fā)生明顯的氧化還原反應(yīng)(圖6a)。而在溶液中加入葡萄糖后，產(chǎn)生明顯可測的氧化電流(圖6b)，由此可知GCE/CS-GH/Cu電極對葡萄糖具有較靈敏的催化氧化作用。

2.7 葡萄糖檢測

在0.1 mol/L NaOH溶液中，工作電位為0.45 V，不斷加入一定量的2.8×10-2mol/L葡萄糖溶液，采用計時電流法研究了GCE/CS-GH/Cu電極對葡萄糖的檢測。實驗可得，該電極對葡萄糖的響應(yīng)在5 s內(nèi)可達到穩(wěn)定值。葡萄糖濃度在5.6×10-5～1.2×10-3mol/L范圍內(nèi)與氧化電流呈線性關(guān)系，回歸方程為I(μA)=1.94+42.93c(mmol/L)，r=0.994，檢出限(S/N=3)為2.3×10-5mol/L。

2.8 電極的重現(xiàn)性、穩(wěn)定性及選擇性檢測

表1 修飾電極與ACA對于血樣中葡萄糖的檢測結(jié)果對比Table 1 Comparative analysis of glucose concentration detected by modified electrode and ACA

將制備好的GCE/CS-GH/Cu電極在含有1.6×10-4mol/L葡萄糖的0.1 mol/L NaOH溶液中，連續(xù)循環(huán)伏安掃描6次，得到基本重合的曲線。將制備好的電極在室溫放置1個月，同樣條件對葡萄糖進行檢測，峰電流仍能達到最初的90%。

在含有1.6×10-4mol/L葡萄糖的0.1 mol/L NaOH溶液中，以循環(huán)伏安法考察了實際樣品中可能存在的干擾物質(zhì)(硝酸鉀、氟化銨、尿酸、半胱氨酸及抗壞血酸)對修飾電極響應(yīng)信號的影響，且干擾物質(zhì)的濃度為葡萄糖濃度的10倍。實驗結(jié)果表明，這5種物質(zhì)對修飾電極的影響可以忽略不計。

2.9 樣品測定

實驗血樣及血糖值由濰坊醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院檢驗科提供，隨機抽取8份血樣進行一定比例的稀釋，使其濃度位于修飾電極的線性范圍內(nèi)，將檢測結(jié)果與全自動生化儀(ACA)所測數(shù)據(jù)進行比對，每次測定的相對誤差均低于10.5%(表1)，說明該修飾電極的檢測是可信的。

3 結(jié) 論

本實驗采用簡單的滴涂、電沉積等方式在玻碳電極表面修飾了殼聚糖-石墨烯/納米銅復(fù)合膜，該修飾電極在NaOH溶液中對葡萄糖有較靈敏的電化學(xué)響應(yīng)，可用于葡萄糖的定量檢測。該修飾電極制備過程簡單，且因未使用生物酶而使其重現(xiàn)性、穩(wěn)定性較好，可為葡萄糖電化學(xué)傳感器的制備提供一定的參考。

致謝：本論文的完成得益于山東大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院鄒桂征教授課題組的大力支持，在此表示誠摯的感謝。

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Preparation of Nano-copper/Graphene-Chitosan Composite Membrane Modified Electrode and Its Direct Determination of Glucose

PAN Qian-xiu*，CHENG Yuan-zheng，WANG Jiang-yun，ZHANG Feng-lian，DENG Shu-e

(Department of Chemistry,Weifang Medical University,Weifang 261053，China)

The enzyme-free detection of glucose was achieved by using the nano-copper/graphene-chitosan composite matrix modified glass carbon electrode.The microstructure of the composite matrix was characterized by scanning electron microscopy(SEM),FT-IR spectrum and electrochemical impedance spectroscopy(EIS).The electrochemistry behavior of the modified electrode was investigated by cyclic voltammetry and chronoamperometry.The results showed that the modified electrode exhibited a good catalytic oxidation of glucose in 0.1 mol/L NaOH and with a wide linear range of 5.6×10-5-1.2×10-3mol/L and a low detection limit of 2.3×10-5mol/L(at signal/noise ratioS/N= 3).The modified electrode could be used to detect the real samples with a good stability and repeatability.

nano-copper;graphene-chitosan composite membrane;modified electrode;glucose

O657.1；TS245.4

：A

：1004-4957(2017)09-1145-05

2017-04-25；

：2017-06-22

山東省自然科學(xué)基金項目(ZR2015BL003)；山東省高等學(xué)?？萍加媱濏椖?J14LC19)

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：潘芊秀，碩士，講師，研究方向：電分析化學(xué)，Tel: 0536-8462065，E-mail: pqx2005@wfmc.edu.cn

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.09.016