基于無酶葡萄糖傳感器的修飾電極及電化學(xué)性能

崔英磊, 錢 鋒,張 彰

含酶葡萄糖電化學(xué)傳感器有著很長的研究歷史,并取得了不少成果.但在實(shí)際應(yīng)用中,酶修飾電極的“短板”逐漸凸顯,如電極穩(wěn)定性較差、成本高、葡萄糖氧化酶固定過程復(fù)雜等.這些因素使得酶電極葡萄糖生物傳感器的靈敏度、穩(wěn)定性及重現(xiàn)性受到了一定的影響,應(yīng)用受限.目前尚無一種可靠的方法,能夠使葡萄糖電極中的酶既穩(wěn)定又高效,且不易脫落、失活.基于此,科研人員著手于無酶葡萄糖傳感器的研究.無酶葡萄糖傳感器以其耐用、工藝簡單、成本低、穩(wěn)定性及重現(xiàn)性好的特點(diǎn)[1],深受青睞.

目前研制的無酶葡萄糖傳感器在使用中仍舊存在缺陷,例如:選擇性較含酶傳感器差;當(dāng)使用鎳電極檢測時(shí),樣品中有抗壞血酸或尿酸大量存在,響應(yīng)電流就會(huì)受到干擾[2];容易出現(xiàn)氯離子中毒等現(xiàn)象[3].因此,研究制備一種低成本、高選擇性、能迅速精準(zhǔn)檢測葡萄糖的無酶葡萄糖傳感器,具有良好的學(xué)術(shù)與應(yīng)用價(jià)值.由于葡萄糖在某些材料表面通過電催化氧化能夠轉(zhuǎn)化為葡萄糖酸內(nèi)酯,因此無酶葡萄糖傳感器的研究熱點(diǎn)聚焦在電極材料方面.納米材料具有較高的比表面積及特殊的物理性質(zhì),以其修飾的電極在檢測葡萄糖時(shí)表現(xiàn)出了線性范圍廣、檢測限低、靈敏度高、電催化活性良好等諸多優(yōu)點(diǎn)[4].Wang等[5]制備的納米多孔和中孔Pt電極在葡萄糖的測定中得到了較好的結(jié)果.Rong等[6]用Al模板方法制備了Pt納米管陣列修飾電極.郭合帥等[7]以超薄氧化鋁(ultra-thin alumina mask,UTAM)為模板,采用真空鍍膜制備了大面積高度有序的銀納米點(diǎn)陣活性基底,并經(jīng)過表面預(yù)處理后用于檢測葡萄糖靈敏度,效果良好.Yeo等[8]探索了過渡金屬Ni,Mn,Cu,Fe合金電極在0.1 mol·L?1NaOH介質(zhì)中葡萄糖含量的測定,結(jié)果表明這些電極具有較好的靈敏度.過渡金屬氧化物具有空穴的陰離子和混合價(jià)態(tài)的陽離子,通過改變陰離子和陽離子,可以調(diào)節(jié)過渡金屬氧化物的電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)以及催化等物理化學(xué)性質(zhì).另外,它們具有較低的氧化還原電勢,可以充當(dāng)氧化還原電子媒介,且造價(jià)低廉、不易中毒.Zhang等[9]發(fā)現(xiàn)將CuO用于電化學(xué)傳感器構(gòu)置對葡萄糖表現(xiàn)出了較高的電催化活性.

本工作將納米級過渡金屬氧化物Co3O4,NiO,CuO,Rh2O用于修飾碳糊電極來構(gòu)造葡萄糖傳感器,通過對葡萄糖進(jìn)行檢測篩選出合適的納米材料,再進(jìn)一步采用高電位法處理電極,提高無酶電化學(xué)葡萄糖傳感器的檢測性能.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

納米級過渡金屬氧化物Co3O4,NiO,CuO和Rh2O,由東莞市鴻博納米材料有限公司提供;石蠟;石墨粉;葡萄糖,由南京古田化工有限公司提供.實(shí)驗(yàn)用水為二次超純水,由美國Milli-pore公司Milli-Q超純水制備系統(tǒng)生產(chǎn),其他試劑均為光譜純.標(biāo)準(zhǔn)熔點(diǎn)毛細(xì)管(直徑1 mm),由蘇州市東吳玻璃儀器有限公司提供.RST5200電化學(xué)工作站,由北京恒奧德儀器儀表有限公司提供.

1.2 電極的制備

首先以質(zhì)量比1∶4混合石蠟和石墨粉,研磨形成碳糊,再將其裝填在毛細(xì)管中,插入銅絲并固定,制得碳糊電極;然后分別把納米級過渡金屬氧化物Co3O4,NiO,CuO,Rh2O與碳糊按質(zhì)量比1∶8混合研磨,再與石蠟按質(zhì)量比1∶4混合,加熱溶化后攪拌均勻,之后取約2 mL涂敷于碳糊電極頂端,冷卻,以備葡萄糖檢測使用.

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

選用三電極體系進(jìn)行葡萄糖的檢測,其中工作電極為碳糊電極,參比電極為甘汞電極,對電極使用鉑絲.首先配制0.20 mol·L?1的NaCl溶液,再加入適量的固體KOH,使溶液中KOH濃度為0.60 mol·L?1,并將其用作電解液.全部實(shí)驗(yàn)都在20°C下完成.

本工作采用循環(huán)伏安法對不同修飾電極進(jìn)行測試表征,葡萄糖的加入量為2.00 mmol·L?1.在考查OH?濃度對納米NiO的碳糊電極檢測葡萄糖的影響實(shí)驗(yàn)中,KOH的濃度分別選擇為0.06,0.20和0.60 mol·L?1.考查修飾電極中NiO的含量對檢測葡萄糖的影響實(shí)驗(yàn)中,碳糊和NiO的質(zhì)量比分別為4∶1和8∶1.高電位處理時(shí),使用循環(huán)伏安法將NiO修飾的碳糊電極在0.60 mol·L?1KOH電解液中以0～1.1 V掃描.

圖1 三電極體系示意圖Fig.1 Schematic diagram of three-electrode system

2 結(jié)果與討論

2.1 修飾電極

圖2是不同納米級過渡金屬氧化物修飾碳糊電極的情況下電解液的循環(huán)伏安曲線.葡萄糖加入量為 2.00 mmol·L?1,掃描設(shè)定:含有 NaCl的KOH 溶液,其中 NaCl為 0.20 mol·L?1,KOH為0.60 mol·L?1,掃描速度0.1 V/s.

圖2 不同納米級過渡金屬氧化物修飾碳糊電極的循環(huán)伏安曲線Fig.2 Cyclic voltammogram of electrolyte solutions based on diあerent transition metal oxides of nanomaterial modif i ed carbon paste electrodes

由圖2可以明顯看出,在這4種過渡金屬氧化物中,只有納米NiO修飾的碳糊電極在加入葡萄糖時(shí)電流改變顯著,即響應(yīng)電流明顯,而其他3種過渡金屬納米氧化物的修飾電極對葡萄糖的加入響應(yīng)較弱.因此,后續(xù)實(shí)驗(yàn)主要圍繞納米NiO修飾的碳糊電極進(jìn)行研究.

2.2 電化學(xué)反應(yīng)原理

按照理論推測,使用NiO修飾的碳糊電極檢測葡萄糖時(shí)涉及的反應(yīng)過程可分為兩個(gè)階段.

(1)第一階段.NiO與水發(fā)生物理吸附,形成的水合氧化鎳(NiO·H2O)牢固吸附在電極表層,而暴露在空氣中的NiO·H2O與空氣中的氧發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成Ni(OH)2,其中Ni(OH)2與NiOOH可以相互轉(zhuǎn)化[10-11].

NiO+物理吸附的水→NiO·H2O(牢固吸附在電極表層)+O2→Ni(OH)2,

(2)第二階段.葡萄糖在電極表面被NiOOH催化氧化為葡萄糖酸內(nèi)酯,同時(shí)電極表面的NiOOH被還原為Ni(OH)2,且電位發(fā)生變化,所產(chǎn)生的電信號通過循環(huán)伏安法的響應(yīng)電流而得以表征[12].

NiOOH+葡萄糖?=?Ni(OH)2+葡萄糖酸內(nèi)酯.

2.3 KOH濃度

根據(jù)上述反應(yīng)機(jī)理,NiO與碳水化合物發(fā)生的電催化氧化反應(yīng)需要在堿性溶液中進(jìn)行.為此實(shí)驗(yàn)考察納米級NiO材料修飾電極時(shí)不同濃度的KOH溶液中葡萄糖電化學(xué)反應(yīng)響應(yīng)電流的情況.KOH濃度不同時(shí)NiO修飾碳糊電極的循環(huán)伏安曲線如圖3所示.由圖可見,在KOH溶液濃度較高時(shí),有兩個(gè)顯著的氧化還原峰出現(xiàn).這可解釋為,OH?的含量較高,促進(jìn)了可逆反應(yīng)的平衡右移,所對應(yīng)的氧化還原峰亦趨于顯著.由此可知,NiO檢測葡萄糖的響應(yīng)信號與溶液中的OH?濃度有關(guān),且隨著OH?濃度的增大而增強(qiáng).因此,后續(xù)實(shí)驗(yàn)選擇KOH溶液的濃度為0.60 mol·L?1.

圖3 KOH濃度不同時(shí)NiO修飾碳糊電極的循環(huán)伏安曲線Fig.3 Cyclic voltammogram of KOH solutions with diあerent concentrations based on NiO modif i ed carbon paste electrodes

2.4 NiO含量

為考察NiO含量對電化學(xué)反應(yīng)的影響,實(shí)驗(yàn)自制了2種不同的NiO修飾碳糊電極并進(jìn)行了測試比較,其結(jié)果如圖4所示.從圖中可以看出,當(dāng)使用NiO含量較高的修飾電極時(shí),氧化還原的兩個(gè)峰值較顯著;而當(dāng)使用NiO含量較低的修飾電極時(shí),雖有響應(yīng)電流出現(xiàn),但并無明顯的氧化還原峰出現(xiàn).分析原因可知:一方面,這是由于納米材料的比表面積大,NiO的表面極易產(chǎn)生物理吸附,從而把水分子由空氣中吸附到電極表面,導(dǎo)致電極表面羥基化,使表層NiO變成Ni(OH)2,從而進(jìn)行檢測時(shí)電信號不明顯;另一方面,由于羥基化層的厚度較小,隨著NiO含量的增大,電極表面的Ni(OH)2及NiOOH的濃度也逐步增大,致使Ni(OH)2/NiOOH可逆轉(zhuǎn)化反應(yīng)所產(chǎn)生的氧化還原峰逐步趨于顯著.上述結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了NiO催化氧化葡萄糖的機(jī)理.表面羥基化經(jīng)常發(fā)生在諸多其他金屬或其氧化物的表層,如Pt,Ni,MnO2等,而且堿性環(huán)境下會(huì)使羥基化加速[10,13].

圖4 NiO含量不同的修飾碳糊電極的循環(huán)伏安曲線Fig.4 Cyclic voltammogram of electrolyte solutions based on NiO modif i ed carbon paste electrodes with diあerent contens

2.5 高電位處理

基于上述實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,對納米NiO修飾電極進(jìn)行高電位處理,推斷高電位的處理會(huì)使NiO轉(zhuǎn)化量大大增加,使NiOOH/Ni(OH)2氧化還原電對數(shù)量激增,從而有效提高葡萄糖電化學(xué)反應(yīng)的響應(yīng)信號.于是,在0～1.2 V的范圍內(nèi),對NiO修飾的碳糊電極進(jìn)行循環(huán)伏安高電位處理后檢測對不同濃度葡萄糖溶液的響應(yīng)電流,并與處理前的電極作比較.

圖5為NiO修飾電極高電位處理前后葡萄糖溶液與響應(yīng)電流的關(guān)系.通過比較擬合曲線的斜率可以看出:高電位處理后的擬合曲線斜率明顯大于處理前,表明響應(yīng)電流明顯增大,電極靈敏度提高;線性相關(guān)系數(shù)與處理前相比更大,意味著經(jīng)高電位處理過的電極能夠更準(zhǔn)確地檢測出葡萄糖的含量.

圖5 NiO修飾電極高電位處理前后葡萄糖溶液濃度與響應(yīng)電流的關(guān)系Fig.5 Relations between glucose concentrations and currents based on NiO modif i ed carbon paste electrode before and after high electric potential

3 結(jié)束語

本工作探索了4種納米級過渡金屬氧化物修飾的碳糊電極在葡萄糖檢測中的應(yīng)用.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,采用NiO材料修飾的碳糊電極對葡萄糖有良好的催化氧化性能.同時(shí)實(shí)驗(yàn)還研究了電解液中KOH濃度、碳糊電極中NiO含量的影響,并由此得到了適宜的電化學(xué)反應(yīng)條件:KOH的濃度為0.60 mol·L?1,電極中碳糊和NiO的質(zhì)量比為4∶1.另外,高電位處理后的電極的靈敏度顯著提升,與處理前相比,檢測限更低,反應(yīng)更為迅速.

[1]DI RESTA E,PRUDDEN J,SALEMME J,et al.Continuous glucose monitoring on-body sensor:U.S.2014/022637[P].2014-10-02.

[2]劉忠銀,史天錄,張雪,等.利用納米材料制備葡萄糖傳感器的研究進(jìn)展[J].功能材料與器件學(xué)報(bào),2015,21(4):24-30.

[3]姚偉.葡萄糖傳感電極的制備與性能研究[D].濟(jì)南:山東師范大學(xué),2015.

[4]KANYONG P,RAWLINSON S,DAVIS J.A non-enzymatic sensor based on the redox of ferrocene carboxylic acid on ionic liquid f i lm-modif i ed screen-printed graphite electrode for the analysis of hydrogen peroxide residues in milk[J].Journal of Electroanalytical Chemistry,2016,766:147-151.

[5]WANG J,THOMAS D F,CHEN A.Nonenzymatic electrochemical glucose sensor based on nanoporous Pt-Pb networks[J].Analytical Chemistry,2012,80(4):997-1004.

[6]RONG L Q,YANG C,QIAN Q Y,et al.Study of the nonenzymatic glucose sensor based on highly dispersed Pt nanoparticles supported on carbon nanotubes[J].Talanta,2013,72(2):819-824.

[7]郭合帥,付群,林偉,等.模板法制備銀納米點(diǎn)陣活性基底及其用于葡萄糖的高靈敏檢測[J].上海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,21(1):54-63.

[8]YEO I H,JOHNSON D C.Anodic response of glucose at copper-based alloy electrodes[J].Journal of Electroanalytical Chemistry,2012,484(2):157-163.

[9]ZHANG X J,WANG G F,LIU X W,et al.Diあerent CuO nanostructures:synthesis,characterization,and applications for glucose sensors[J].The Journal of Physical Chemistry C,2011,112(43):16845-16849.

[10]KURODA Y,HAMANO H,MORI T,et al.Specif i c adsorption behavior of water on a Y2O3surface[J].Langmuir,2000,16(17):6937-6947.

[11]MEDWAY S L,LUCAS C A,KOWAL A,et al.In situ studies of the oxidation of nickel electrodes in alkaline solution[J].Journal of Electroanalytical Chemistry,2006,587(1):172-181.

[12]LU L M,ZHANG L,QU F L,et al.A nano-Ni based ultrasensitive nonenzymatic electrochemical sensor for glucose:enhancing sensitivity through a nanowire array strategy[J].Biosensors and Bioelectronics,2009,25(1):218-223.

[13]張昱,豆小敏,楊敏,等.砷在金屬氧化物/水界面上的吸附機(jī)制Ⅰ.金屬表面羥基的表征和作用[J].2006,26(10):1586-1591.