鎳納米粒子自支撐電極材料的制備及其用于葡萄糖傳感性能研究

劉 珊，齊凱麗，陳榮生

(武漢科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，湖北武漢 430081)

糖尿病是一種由血液中葡萄糖含量過高而引起的疾病[1]。據(jù)世界衛(wèi)生組織最近的報(bào)告，全世界有4.22億人患有糖尿病，所以血糖監(jiān)測(cè)對(duì)于降低患糖尿病的風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要[2]。各種檢測(cè)方法，如熒光法、紫外-可見光譜法、質(zhì)譜法和電化學(xué)傳感器等已被應(yīng)用于葡萄糖的測(cè)定。在這些技術(shù)中，電化學(xué)法具有靈敏度高、選擇性好、響應(yīng)速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，是目前準(zhǔn)確測(cè)定葡萄糖的最有效途徑。其中葡萄糖氧化酶?jìng)鞲衅骶哂徐`敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[3]。由于酶對(duì)pH、溫度、反應(yīng)電解質(zhì)等因素要求嚴(yán)格[4]，因此基于葡萄糖氧化酶的傳感器的保存條件也較為苛刻。

目前納米鎳材料類無酶?jìng)鞲衅饔捎谄鋬?yōu)異的檢測(cè)性能已引起人們的廣泛興趣[5-8]。這類無酶?jìng)鞲衅髂軌蚩朔咸烟茄趸傅娜秉c(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中具有很大的潛力。鎳基無酶?jìng)鞲衅魍ǔ；谘趸嚰{米材料，導(dǎo)電性能較差，對(duì)于傳感器的性能產(chǎn)生不利影響，并且氧化物納米材料中電極上易發(fā)生聚集，也會(huì)嚴(yán)重影響其傳感性能。本文先采用陽極氧化法制備TiO2納米管陣列(CTiO2NTAs)，再以其為基底制備鎳納米粒子負(fù)載的碳包TiO2NATs(Ni NPs/TiO2@C NTAs)自支撐電極，該電極具有很高的比表面積，負(fù)載到納米管中的Ni NPs不會(huì)發(fā)生聚集，納米碳材料的負(fù)載很好的提升了材料的導(dǎo)電性能，還具有良好的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性。Ni NPs/TiO2@C NTAs自支撐材料對(duì)葡萄糖表現(xiàn)出很高的靈敏度和選擇性，并且測(cè)定結(jié)果還具有良好的重現(xiàn)性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器及試劑

CHI660E電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)；IT6154高壓可編程電源(武漢新奧德斯科技有限公司)；KQ3200B數(shù)控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)；DHG9240A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、DZF-6020真空干燥箱(上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)；FEI Nova 400 Nano場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(美國(guó)，F(xiàn)EI有限公司)；IE350 PentaFET X-3 X射線能譜儀(英國(guó)，牛津公司)；BSA124S電子天平(北京賽多利斯儀器有限公司)；98-2磁力攪拌器(上海司樂儀器有限公司)；KK3-3-130管式爐(英山縣建力電爐制造有限公司)。

NH4F、乙二醇、無水乙醇、葡萄糖、NaOH、抗壞血酸(AA)、NaH2PO4、Na2HPO4、K3[Fe(CN)6]及HNO3均購于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；丙酮購于天津天大化學(xué)試劑廠；HF購于開封東大化學(xué)試劑廠；尿酸(UA)購于Alfa Aesar公司；N2購于武漢市明輝氣體科技有限公司；NiSO4·6H2O購于上海凌峰化學(xué)試劑有限公司；乙二胺(EDA)購于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司(上海)；純鈦片(99.6%)購于寶雞中普有色金屬有限公司。實(shí)驗(yàn)用水由SZ-93自動(dòng)雙重純水蒸餾裝置(上海亞榮生化儀器廠)制備。

1.2 TiO2@C NTAs的制備

鈦片的預(yù)處理：將鈦片(10 mm×10 mm×1 mm)依次經(jīng)過600#、1 000#、1 500#、2 000#的砂紙打磨去除表面的氧化層，然后依次在丙酮、無水乙醇、蒸餾水中各超聲清洗5 min以去除鈦片表面油污，將鈦片吹干。在由HF、HNO3、蒸餾水制備的化學(xué)拋光液中將鈦片進(jìn)行化學(xué)拋光后，將鈦片放入蒸餾水中超聲清洗兩次，每次5 min，處理后的鈦片吹干備用。

陽極氧化過程：稱取NH4F固體1.6374 g，加入15 mL蒸餾水溶解，再加入15 mL甲醇和270 mL乙二醇，隨后置于磁力攪拌器上攪拌3 h，得到陽極氧化所需電解液。以處理后的鈦片作為陽極、石墨片作為陰極，保持二者平行且間距約10 mm。在攪拌狀態(tài)下，保持恒定溫度25 ℃，以升壓速率為0.1 V/s將電壓由0 V升至5 V，并保持3 min，然后以相同的升壓速率將電壓由5 V升至60 V，并維持電壓，陽極氧化30 min，鈦片表面的顏色由銀白色逐漸變?yōu)橥咙S色，得到均一的TiO2NTAs。

空氣退火：將經(jīng)陽極氧化反應(yīng)后的鈦片用蒸餾水沖洗吹干，置于實(shí)驗(yàn)電爐中退火，其目的是將無定型的TiO2NTAs轉(zhuǎn)化為銳鈦礦相的TiO2NTAs，同時(shí)也可除去殘留在TiO2NTAs表面殘留的乙二醇電解液。設(shè)置升溫速率為5 ℃/min，在450 ℃下保溫180 min，冷卻至室溫后取出，此時(shí)，TiO2NTAs由無定型態(tài)轉(zhuǎn)化為定型態(tài)。將退完火的鈦片在1∶1的無水乙醇與蒸餾水的混合溶液中超聲清洗 5 min，然后再在蒸餾水中超聲清洗5 min，用洗耳球吹干備用。

1.3 Ni NPs/TiO2@C NTAs的制備

首先配制0.05 mol/L的NiSO4溶液備用。稱取4 g NaOH固體于燒杯中，用10 mL蒸餾水溶解，此時(shí)溶液為無色透明溶液，用1 mL注射器吸取1 mL的0.05 mol/L NiSO4溶液逐滴加入NaOH溶液中，生成綠色沉淀，用移液槍移取350 mL EDA于此溶液中并超聲1 h，綠色沉淀逐漸溶解，溶液變?yōu)樽霞t色，接著用移液槍移取250 mL 水合肼(85%)于此紫色溶液中，超聲30 min。稱取0.3468 g 葡萄糖于另一個(gè)燒杯，用35 mL蒸餾水溶解后，倒入上述溶液中，超聲30 min使其混合均勻，此時(shí)溶液顏色為紫色。用鑷子將陽極氧化并空氣退火處理后的鈦片夾入100 mL的水熱釜中，倒入上述混合液置于干燥箱中，水熱溫度為180 ℃，反應(yīng)4 h，冷卻至室溫后取出，用蒸餾水沖洗表面殘留液，用洗耳球吹干。

將處理后的鈦片放入管式爐加熱區(qū)，并通入含5%H2的Ar氣氛，以5 ℃/min的速率升溫至500 ℃保溫3 h，冷卻至室溫后取出，清洗并吹干，得到Ni NPs/TiO2@C NTAs。

2 結(jié)果與討論

2.1 Ni NPs/TiO2@C NTAs復(fù)合材料的表征

圖1(a)為TiO2@C NTAs的掃描電鏡(SEM)圖像。從圖中可以看出，生長(zhǎng)出的納米管陣列大小均勻、形貌規(guī)整，納米管長(zhǎng)度約4.5 μm，外徑約120 nm；圖1(b)為Ni NPs/TiO2@C NTAs的SEM圖像，與TiO2@C NTAs相比，管長(zhǎng)和外徑無明顯變化，納米管內(nèi)徑顯著變小、表面變得粗糙。圖1(c)和1(d)為TiO2@C NTAs、Ni NPs/TiO2@C NTAs的能譜(EDS)圖，圖(c)出現(xiàn)明顯C的峰，表明成功制備出了TiO2@C NTAs復(fù)合材料，圖(d)出現(xiàn)C、Ni的特征峰，表明成功的將Ni、C修飾在了TiO2NTAs上。

圖1 TiO2@C NTAs(a)和Ni NPs/TiO2@C NTAs(b)的SEM圖；TiO2@C NTAs(c)和Ni/TiO2@C NTAs(d)的EDS圖Fig.1 SEM images of TiO2@ NTAs(a) and Ni NPs/TiO2@C NTAs(b);EDS of TiO2@C NTAs (c) and Ni/TiO2@C NTAs(d)

2.2 Ni NPs/TiO2@C NTAs葡萄糖電催化氧化性能研究

從圖2可以看出，TiO2@C NTAs的循環(huán)伏安(CV)圖中沒有出現(xiàn)氧化還原峰，并且加入2 mmol/L葡萄糖，CV曲線并沒有太大變化。該結(jié)果說明TiO2@C NTAs電極沒有電催化氧化葡萄糖的性能。而Ni NPs/TiO2@C NTAs電極在0.2 mol/L NaOH溶液的CV圖中，出現(xiàn)了一對(duì)明顯的氧化還原峰，其原因是Ni NPs/TiO2@C NTAs電極表面的Ni NPs在NaOH溶液中發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，對(duì)該過程的研究已有很多報(bào)道，其機(jī)理為：Ni在外加電位的作用下失去電子，形成Ni2+，接著Ni2+在堿性環(huán)境中會(huì)轉(zhuǎn)換成Ni(OH)2，然后進(jìn)一步氧化成NiOOH，此過程可逆，NiOOH與葡萄糖結(jié)合生成葡萄糖酸內(nèi)脂。

圖2 TiO2@C NTAs和Ni NPs/TiO2@C NTAs電極在含有和不含有2 mmol/L葡萄糖的0.2 mol/L NaOH溶液中的循環(huán)伏安(CV)圖(掃速為50 mV/s)Fig.2 CVs of the TiO2@C NTAs and Ni NPs/TiO2@C NTAs electrode in the absence and presence of 2 mmol/L glucose in 0.2 mol/L NaOH(scan rate:50 mV/s)

在加入2 mmol/L葡萄糖后，電流有了明顯的增加，是因?yàn)槠咸烟窃诠ぷ麟姌O表面發(fā)生氧化，產(chǎn)生氧化電流，所以電流增加。這表明，Ni NPs/TiO2@C NTAs電極對(duì)葡萄糖具有催化氧化能力，并且電極催化氧化葡萄糖的關(guān)鍵因素為Ni NPs。

從圖3(a)內(nèi)插圖可見，掃速與氧化峰電流、還原峰電流間均成良好的線性關(guān)系，故Ni NPs/TiO2@C NTAs電極在0.2 mol/L NaOH溶液中的動(dòng)力學(xué)機(jī)制為表面吸附過程。從圖3(b)中可見隨著NaOH溶液中葡萄糖濃度的增加，葡萄糖氧化峰電流也隨之增加，氧化峰電位逐漸向右偏移，并且溶液中葡萄糖的濃度和氧化電流之間呈現(xiàn)出很好的電化學(xué)線性關(guān)系，說明Ni NPs/TiO2@C NTAs電極對(duì)葡萄糖具有明顯的電化學(xué)響應(yīng)。

圖3 (a)Ni NPs/TiO2 @C NTAs電極在0.2 mol/L NaOH溶液中不同掃速下(20，50，100，200，300，500 mV/s)的CVs圖(插圖為不同掃速與氧化峰電流、還原峰電流之間的線性關(guān)系)；(b)Ni NPs/TiO2 @C NTAs電極在0.2 mol/L含有不同濃度葡萄糖(0，1，2，3，4，5，6，7，8 mmol/L)0.2 mol/L NaOH溶液中的CV圖(掃速為50 mV/s)Fig.3 (a)CVs of Ni NPs/TiO2 @C NTAs electrode at different scan speeds (20,50,100,200,300,500 mV/s)(The illustration shows the linear relationship between different sweep speeds and peak oxidation current and peak reduction current);(b)CVs of Ni NPs//TiO2 @C NTAs electrode in 0.2 mol/L NaOH solution with different concentrations glucose (0,1,2,3,4,5,6,7,8 mmol/L)(scan speed is 50 mV/s) in 0.2 mol/L NaOH solution

從圖4(a)中可以看出，隨著NaOH溶液濃度的增加，氧化峰電流逐漸增加，與此同時(shí)氧化峰電位逐漸減小，其主要原因是隨著NaOH溶液濃度的增加，溶液中OH-濃度增大，使Ni(OH)2增多，促進(jìn)了氧化反應(yīng)，使催化氧化葡萄糖的NiOOH量增加，從而增大了氧化電流，同時(shí)，該過程降低了形成NiOOH所需的活性位點(diǎn)，從而使氧化峰電位向左偏移。從圖4(b)中可以看出，隨著NaOH溶液濃度的增加，氧化電流不斷增大，當(dāng)NaOH溶液濃度大于0.2 mol/L時(shí)趨于平緩，同時(shí)氧化點(diǎn)位隨NaOH溶液濃度的增大而減小，當(dāng)NaOH溶液濃度為0.2 mol/L時(shí)趨于平緩，因此選擇0.2 mol/L NaOH溶液作為分析介質(zhì)。

圖4 (a)Ni NPs/TiO2@C NTAs電極在不同濃度NaOH溶液(0.01、0.05、0.1、0.2、0.5 mol/L)中的CV圖(掃速為50 mV/s)；(b)NaOH溶液的濃度與對(duì)應(yīng)的CV曲線的氧化峰電流和峰電位間的關(guān)系Fig.4 (a)CVs curve of Ni NPs/TiO2@C NTAs electrode in NaOH solution of different concentration (0.01,0.05,0.1,0.2,0.5 mol/L)(scan speed is 50mV/s);(b)The relationship between the concentration of NaOH solution and the oxidation peak current and peak potential of the corresponding CV curve

為優(yōu)化Ni NPs/TiO2@C NTAs電極檢測(cè)葡萄糖的條件，本工作對(duì)外加電位的影響進(jìn)行了考察。從圖5(a)可以看出，在不同的外加電位下，呈現(xiàn)明顯的階梯形，且響應(yīng)電流隨外加電位的增加而增大，表明Ni NPs/TiO2@C NTAs電極對(duì)葡萄糖有較高的靈敏度和較快的響應(yīng)時(shí)間，但是當(dāng)外加電位增加到0.6 V時(shí)可以看到背景電流變的很高，電流的響應(yīng)值反而有所減小。圖5(b)為經(jīng)圖5(a)局處理后得到的不同外加電位與響應(yīng)電流及信噪比(S/N)間的關(guān)系圖，從該圖可以看出，在0.55 V下，擁有最大的信噪比。綜合考慮，本次實(shí)驗(yàn)選擇0.55 V作為最佳的外加電位，后續(xù)所有電化學(xué)實(shí)驗(yàn)均在此條件下進(jìn)行。

圖5 (a)Ni NPs/TiO2@C NTAs電極在0.2 mol/L NaOH中不同外加電位(0.35、0.45、0.5、0.55、0.6 V)下連續(xù)添加1 mmol/L葡萄糖的時(shí)間-電流曲線；(b)不同外加電位與響應(yīng)電流及信噪比(S/N)間的關(guān)系Fig.5 (a)Amperometric responses of Ni NPs/TiO2@C NTAs electrode at different applied potentials (0.35,0.45,0.5,0.55,0.6 V) with continuous addition of 1 mmol/L glucose in 0.2 mol/L NaOH solution；(b)The relationship between different applied potentials to amperometric responses and S/N

從圖6(a)可以看出隨著溶液中葡萄糖濃度的增加，響應(yīng)電流值隨之增加，且呈現(xiàn)出很好的階梯狀，在0.55 V外加電位下，在0.1 mol/L NaOH溶液中加入1 μmol/L葡萄糖，仍能看出電流變化(圖6(a)插圖)，證明Ni NPs/TiO2@C NTAs電極具有較高的靈敏度。圖6(b)為葡萄糖濃度和響應(yīng)電流值之間的線性關(guān)系，得到葡萄糖濃度(x,mmol/L)與響應(yīng)值電流值(y,μA)之間的線性關(guān)系為:y=148.23x+29.868，其線性相關(guān)系數(shù)為0.998。從該圖可以計(jì)算出，Ni NPs/TiO2@C NTAs電極對(duì)葡萄糖濃度的檢測(cè)線性范圍為11 ～4 986 μmol/L，Ni NPs/TiO2@C NTAs電極有效的工作面積為9 mm × 9 mm，得到電極的靈敏度為182.72 μA/(mmol/L·cm2)，在信噪比(S/N)為3時(shí)，檢測(cè)限為13.4 μmol/L。

圖6 (a)Ni NPs/TiO2@C NTAs電極在0.55 V于0.2 mol/L NaOH溶液中通過連續(xù)添加不同濃度的葡萄糖溶液(1，5，10，20，50，100，200，500，1 000 μmol/L)的時(shí)間-電流曲線(插圖為前三次滴加葡萄糖溶液的時(shí)間-電流曲線)；(b)響應(yīng)電流與葡萄糖濃度間的線性關(guān)系Fig.6 (a) Amperometric responses of Ni NPs/TiO2@C NTAs electrode in 0.2 mol/L NaOH solution at 0.55 V with successive injection of different concentrations of glucose (1,5,10,20,50,100,200,500,1 000 μmol/L)(The inset shows the injection of glucose for the first three times);(b)Linear relationship between amperometric responses and glucose concentration

圖7(a)為Ni NPs/TiO2@C NTAs 電極在0.55 V外加電位下，于0.2 mol/L NaOH溶液中，連續(xù)10次加入0.2 mmol/L葡萄糖的時(shí)間-電流曲線，從內(nèi)插圖可以看到，10次的電流響應(yīng)值并沒有太大的變化，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為6.83%，證明了Ni NPs/TiO2@C NTAs 電極具有較好的穩(wěn)定性。從圖7(b)中可以看到，Ni NPs/TiO2@C NTAs 電極對(duì)葡萄糖有著明顯的響應(yīng)，對(duì)UA基本沒有響應(yīng)，對(duì)AA有微弱的相響應(yīng)，相較于葡萄糖的響應(yīng)較小，且實(shí)際人體血清中AA的含量遠(yuǎn)小于干擾測(cè)試時(shí)的加入量，其影響可以忽略。說明Ni NPs/TiO2@C NTAs 電極對(duì)葡萄糖的檢測(cè)具有很好的選擇性。

圖7 (a)Ni NPs/TiO2@C NTAs 電極在0.55 V外加電位下于0.2 mol/L NaOH溶液中連續(xù)10次加入0.2 mmol/L葡萄糖(插圖為添加次數(shù)與響應(yīng)電流值的關(guān)系);(b)依次滴加0.1 mmol/L glucose、0.1 mmol/L AA(抗壞血酸)、0.1 mmol/L UA(尿酸)的時(shí)間-電流曲線Fig.7 Amperometric responses of (a)ten successive injections of 0.2 mmol/L glucose；(b)Successive injection of 0.1 mmol/L glucose,0.1 mmol/L UA,0.1 mmol/L AA in 0.2 mol/L NaOH with continuous stirring at an applied potential of 0.55 V

不同電極對(duì)葡萄糖傳感性能的比較列于表1。

表1 不同電極葡萄糖傳感性能比較Table 1 Comparison of glucose sensing performance of different electrodes

3 結(jié)論

本文以TiO2NTAs為模板，采用一步水熱法制備了Ni NPs/TiO2@C NTAs，發(fā)展了一種無酶葡萄糖傳感器。在優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下，葡萄糖濃度與電流響應(yīng)值之間呈線性關(guān)系，其線性相關(guān)系數(shù)為0.998，靈敏度為182.72 μA/(mmol/L·cm2)，此外該電極對(duì)葡萄糖的檢測(cè)具有很高的重現(xiàn)性(連續(xù)10次添加0.2 mmol/L的葡萄糖，響應(yīng)電流值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為6.83%)、良好的選擇性(加入抗壞血酸、尿酸時(shí)均不會(huì)對(duì)葡萄糖的檢測(cè)造成影響)。