枝晶納米銀的電化學(xué)葡萄糖檢測(cè)

劉 玲，禚 凱

(太原理工大學(xué) a.信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院，b.微納系統(tǒng)研究中心，c.教育部新型傳感器與智能控制系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 晉中 030600)

糖尿病作為一種常見的疾病，對(duì)人類健康造成了巨大的影響，定期檢測(cè)和控制血糖水平是預(yù)防糖尿病的關(guān)鍵措施，因此，快速準(zhǔn)確地檢測(cè)血糖對(duì)人類生活具有著重要的意義[1-2]。目前，對(duì)于葡萄糖的檢測(cè)方法有熒光色譜法﹑液相色譜法﹑紅外光譜法﹑電化學(xué)法等[3-4]。在這些方法中，電化學(xué)方法由于其分析時(shí)間短﹑操作簡(jiǎn)便﹑成本較低引起了越來越多的關(guān)注[5]。

葡萄糖電化學(xué)傳感器基本分為兩種，基于酶的電化學(xué)傳感器和無酶電化學(xué)傳感器[6]。含酶電化學(xué)傳感器憑借其專一性強(qiáng)﹑靈敏度高﹑反應(yīng)迅速等特點(diǎn)，在葡萄糖檢測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用；但因在檢測(cè)過程中易受環(huán)境影響，其發(fā)展受到了一定的限制[7-9]。相比之下，無酶電化學(xué)葡萄糖傳感器主要依賴于電極表面直接氧化葡萄糖的電流響應(yīng)，可以避免酶電極易氧化的缺點(diǎn)，表現(xiàn)出了更高的穩(wěn)定性。

根據(jù)修飾電極材料類型，無酶電化學(xué)傳感器可以分為納米材料和非納米材料兩大類。近年來，納米材料由于自身獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的表面性質(zhì)而備受關(guān)注，被越來越多地用于制備高靈敏度和低檢測(cè)限的電化學(xué)傳感器。特別是金屬納米粒子，它們具有大比表面積﹑快速電子轉(zhuǎn)移能力和高密度的活性位點(diǎn)，表現(xiàn)出了顯著的電化學(xué)敏感性[9-11]。值得注意的是，納米銀作為其中的一種，與其他的納米金屬相比較，具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定﹑成本相對(duì)較低﹑結(jié)構(gòu)性能多變的特點(diǎn)[12]。本研究采用電沉積方法制備枝晶結(jié)構(gòu)的銀納米材料用以修飾玻碳電極，以制備高靈敏度的無酶葡萄糖電化學(xué)傳感器。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器

CS2350H電化學(xué)工作站(中國，武漢科思特公司)；掃描顯微鏡(FESEM，日本，Hitachi公司)；ULUP優(yōu)普系列超純水器(中國，西安優(yōu)普儀器設(shè)備有限公司)；FX550超聲波破碎儀(美國，BRANSON公司)；SFA2204B電子天平(中國，上海精科天美科學(xué)儀器有限公司)；KQ-300DE數(shù)控超聲波清洗機(jī)(中國，超聲儀器有限公司)。

銅網(wǎng)﹑硝酸銀(AgNO3)﹑葡萄糖(C6H12O6)﹑硝酸﹑乙醇﹑NaOH﹑KCl﹑K4[Fe(CN)6]·3H2O﹑K3[Fe(CN)6]﹑拋光粉粉末(0.3 μm和0.05 μm Al2O3粉末)，所有試劑均為分析級(jí)以上。使用去離子水、KCl、K4[Fe(CN)6]·3H2O和K3[Fe(CN)6]配制[Fe(CN)6]3-/4-(0.05 mol/L)溶液。配制0.1 mol/L的NaOH溶液和0.01 mol/L的AgNO3溶液。

1.2 制備枝晶結(jié)構(gòu)的納米銀

用去離子水和硝酸銀配制0.1 mol/L的AgNO3溶液，通過電沉積合成枝晶結(jié)構(gòu)的納米銀。利用電化學(xué)工作站，采用三電極體系，銅網(wǎng)作為工作電極(WE)、Ag/AgCl為參比電極(RE)、鉑絲為對(duì)電極(CE)，通過恒電位沉積方式，選擇合適的沉積條件(沉積電壓為-0.7 V，-0.8 V，沉積時(shí)間360 s)制備枝晶結(jié)構(gòu)的銀。將沉積了枝晶納米銀的銅網(wǎng)加入盛有10 mL去離子水的25 mL燒杯中，將燒杯放置在FX550超聲波破碎儀中超聲15 min(超聲頻率40 Hz)，得到超聲震落的納米銀枝晶懸濁溶液。

1.3 葡萄糖的檢測(cè)

首先依次采用不同規(guī)格(0.3 μm和0.05 μm)的氧化鋁(Al2O3)對(duì)玻碳電極表面進(jìn)行拋光，然后分別采用體積分?jǐn)?shù)約為30%的硝酸、乙醇、去離子水在超聲波作用下洗滌電極10 min，自然環(huán)境中干燥。用移液槍吸取10 μL的超聲震落的枝晶納米銀水溶液 (1 mg/mL)，滴到純凈的玻碳電極表面并在空氣中干燥，得到枝晶納米銀修飾的玻碳電極。采用三電極體系(修飾枝晶納米銀的玻碳電極(GCE)作為工作電極、Ag/AgCl為參比電極(RE)、鉑絲為對(duì)電極(CE))，通過計(jì)時(shí)電流測(cè)試方法在0.1 mol/L NaOH中進(jìn)行葡萄糖的檢測(cè)設(shè)置(電壓參數(shù)為+0.35 V，測(cè)試時(shí)間600 s).

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 枝晶納米銀的形貌表征

圖1(a)和(b)分別為沉積電壓為-0.7 V和-0.8 V時(shí)在銅網(wǎng)上沉積的枝晶納米銀的SEM圖，(c)和(d)分別為沉積電壓為-0.7 V和-0.8 V的超聲震落后的枝晶納米銀的SEM圖。通過電鏡圖可以觀察到沉積的銀具有多層分枝的結(jié)構(gòu)，在每個(gè)主干上形成一級(jí)枝晶，在一級(jí)枝晶的基礎(chǔ)上又形成多級(jí)枝晶納米銀。與銀納米粒子相較，該結(jié)構(gòu)在一定程度上增加了比表面積，實(shí)驗(yàn)過程中有利于加快電子在電極表面的轉(zhuǎn)移。

2.2 枝晶納米銀的電化學(xué)性能表征

圖2(a)為不同的電極表面在5 mmol/L的[Fe(CN)6]3-/4-溶液中的循環(huán)伏安掃描結(jié)果，裸玻碳電極、修飾枝晶納米銀(沉積電壓為-0.7 V制備的枝晶納米銀記為S1，沉積電壓為-0.8 V制備的枝晶納米銀記為S2)的電極在檢測(cè)過程中均出現(xiàn)了良好的氧化還原峰。修飾枝晶納米銀后，氧化還原電流的峰值增大了，表明枝晶納米銀加快了電極表面的電子轉(zhuǎn)移速率，且修飾沉積電壓為-0.8 V的枝晶納米銀的電子轉(zhuǎn)移速率更快。圖2(b)為電化學(xué)阻抗測(cè)試(EIS)結(jié)果。在典型的奈奎斯特圖中，半圓部分表示高頻范圍內(nèi)的電子轉(zhuǎn)移電阻，而線性部分對(duì)應(yīng)于發(fā)生擴(kuò)散限制過程的低頻范圍。由圖2(b)可知，裸GCE的電子轉(zhuǎn)移電阻為75 Ω，修飾沉積電壓為-0.8 V的枝晶級(jí)納米銀和修飾沉積電壓為-0.7 V的枝晶納米銀的電子轉(zhuǎn)移電阻分別是100 Ω和125 Ω.修飾后的電極與裸GCE相比，阻抗都有一定的增大，但修飾了沉積電壓為-0.8 V的枝晶納米銀的電極的電化學(xué)阻抗更小，表明其上的電子轉(zhuǎn)移速率較快。

(a)(b)為沉積在銅網(wǎng)上的樣品，(a)沉積電壓-0.7 V，(b)沉積電壓-0.8 V，(c)(d)為超聲震落后的樣品，(c)沉積電壓-0.7 V，(d)沉積電壓-0.8 V圖1 枝晶納米銀的SEM圖像Fig.1 SEM images of dendritic nano-silver

圖2 樣品的電化學(xué)表征Fig.2 Electro-chemical characterization of samples

2.3 修飾電極對(duì)葡萄糖的電化學(xué)響應(yīng)

為了考察修飾電極對(duì)葡萄糖的電催化特性，將裸電極和修飾后的電極置于含有5 mmol/L葡萄糖的0.1 mol/L的NaOH溶液中以50 mV/s的掃描速率進(jìn)行循環(huán)伏安掃描，掃描范圍為-0.2 V～0.6 V，結(jié)果如圖3所示。從圖中可以觀察到裸玻碳電極的循環(huán)伏安圖沒有氧化還原峰，證明裸玻碳電極對(duì)葡萄糖基本上沒有電催化性質(zhì)。而修飾枝晶納米銀的玻碳電極有明顯的氧化還原峰出現(xiàn)，并且沉積電壓為-0.8 V的枝晶銀比沉積電壓為-0.7 V的枝晶銀的氧化還原電流峰值明顯增大。該結(jié)果表明修飾枝晶納米銀的電極對(duì)葡萄糖有電催化活性，且沉積電壓為-0.8 V的枝晶納米銀對(duì)葡萄糖的電催化活性更好。這可能由于在-0.8 V的沉積電壓下生長的枝晶納米銀有更長的枝晶長度和更多的枝晶數(shù)量，從而對(duì)葡萄糖有更好的電催化活性，故而采用-0.8 V沉積的枝晶納米銀修飾玻碳電極對(duì)葡萄糖進(jìn)行檢測(cè)。

圖3 樣品在0.5 mmol/L葡萄糖、0.1 mol/L NaOH溶液中的循環(huán)伏安圖Fig.3 CV curves of samples in 0.5 mmol/L glucose, 0.1 mol/L NaOH solution

2.4 計(jì)時(shí)電流法檢測(cè)葡萄糖

在+0.35 V的電壓下、濃度為0.1 mol/L的NaOH溶液(20 mL)中對(duì)修飾沉積電壓為-0.8 V的枝晶納米銀的玻碳電極采用計(jì)時(shí)電流法進(jìn)行葡萄糖檢測(cè)，繪制了電流-時(shí)間曲線如圖4.如圖4(a)所示，隨著葡萄糖的不斷加入，響應(yīng)電流也隨之增加。圖4(b)為電流與濃度的線性擬合圖，其相關(guān)系數(shù)為0.995.該檢測(cè)方法的靈敏度為823.5 μA/(mmol·L)，檢出限為3.0×10-7mol/L(3倍信噪比條件下).結(jié)果表明，枝晶納米銀修飾的玻碳電極對(duì)葡萄糖具有高靈敏度、低檢測(cè)限的優(yōu)點(diǎn)，這可能是因?yàn)槠洫?dú)特的結(jié)構(gòu)不僅加快了電子轉(zhuǎn)移速度而且還增加了電極表面的電催化活性面積，因此對(duì)葡萄糖具有較高的電化學(xué)檢測(cè)性能。

圖4 沉積電壓為-0.8 V枝晶銀修飾的玻碳電極對(duì)葡萄糖的電流-時(shí)間響應(yīng)Fig.4 Amperometric response of dentritic nano silver deposited at -0.8 V voltage to glucose

2.5 干擾測(cè)試和樣品分析

采用與測(cè)葡萄糖相同的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行干擾測(cè)定，進(jìn)一步研究傳感器的選擇性。用抗壞血酸(AA)﹑尿酸(UA)﹑酒精(ethanol)和草酸(OA)作干擾物進(jìn)行測(cè)試，干擾物的濃度為葡萄糖的10倍。結(jié)果如圖5所示，干擾物在測(cè)試時(shí)所產(chǎn)生的干擾電流非常微弱，可以忽略不計(jì)，表明枝晶銀修飾的玻碳電極對(duì)于葡萄糖的檢測(cè)具有良好的選擇性。根據(jù)血液中的各主要物質(zhì)的濃度配比，配制了不同濃度的葡萄糖樣品，在上述實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行了樣品測(cè)定，檢測(cè)結(jié)果見表1.在線性范圍內(nèi)，5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品的回收率在99.80%～102.40%之間。在相同的條件下制備5支電極，測(cè)得葡萄糖的穩(wěn)態(tài)電流的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為4.96%，該結(jié)果表明電極具有良好的重現(xiàn)性。對(duì)0.5 mmol/L的葡萄糖進(jìn)行了5次平行測(cè)定的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.15%，表明檢測(cè)的重現(xiàn)性良好。將電極于室溫下放置 3 個(gè)月后，其響應(yīng)電流下降了2.92%，表明電極的穩(wěn)定性良好。

圖5 抗干擾測(cè)試結(jié)果Fig.5 The results of anti-interference experiment

標(biāo)準(zhǔn)摩爾濃度/(mmol·L-1)測(cè)試結(jié)果/(mmol·L-1)回收率/%0.20.199 699.800.50.512 0102.400.80.798 899.851.11.112 4101.131.41.405 0100.36

3 結(jié)論

本文首先采用電沉積的方法在銅網(wǎng)上制備了枝晶結(jié)構(gòu)的納米銀，超聲將枝晶納米銀震落并修飾于玻碳電極表面制備葡萄糖傳感器。通過CV﹑EIS進(jìn)行了電化學(xué)表征，結(jié)果表明改性的玻碳電極的電化學(xué)響應(yīng)明顯增強(qiáng)。將修飾后的玻碳電極用于電化學(xué)檢測(cè)葡萄糖，結(jié)果表明，枝晶結(jié)構(gòu)的銀具有良好的電催化特性，該葡萄糖傳感器穩(wěn)定性好﹑抗干擾能力強(qiáng)﹑檢測(cè)限度低，具有非常良好的應(yīng)用前景。