NiCo2O4/CC納米復(fù)合材料的制備及其作為無酶型葡萄糖傳感器的研究*

羅家俊，羅潤桐，關(guān)高明，柳曉俊，蔣遼川

（廣東第二師范學(xué)院，廣東廣州 510730）

近年來，全球糖尿病的發(fā)病率在逐年上升。糖尿病是一種嚴(yán)重?fù)p害人體主要器官和神經(jīng)的代謝性疾?。?］，在臨床醫(yī)學(xué)上，能準(zhǔn)確監(jiān)測和嚴(yán)格控制血糖水平使提前預(yù)防和治療糖尿病必不可少的。因此，開發(fā)一種高效、靈敏、便捷的血糖傳感器對精確檢測血糖水平及降低疾病并發(fā)癥具有重要意義。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在檢測葡萄糖濃度的方法主要分為三大類，第一類是色譜法［2-3］；第二類是光譜法［4-6］；第三類是電化學(xué)方法［7-8］。而電化學(xué)方法具有操作簡便、成本低、便捷等優(yōu)點，因而成為當(dāng)前葡萄糖檢測方法的熱點。

酶基葡萄糖傳感器也存在較為明顯的缺陷［9-10］，例如具有成本高、固載復(fù)雜、氧化酶需要過高的電壓、酶分子活性的不穩(wěn)定等缺點，大部分科學(xué)家繼而轉(zhuǎn)向?qū)o酶型葡萄糖傳感器的廣泛研究［11］。無酶型葡萄糖生物傳感器的活性材料也存在一定缺陷，比如材料本身為半導(dǎo)體導(dǎo)電性差和作用于催化氧化的活性位點少等。解決的方法之一就是選擇比表面積大和導(dǎo)電性優(yōu)異的基底材料。盡管碳納米管和石墨烯等被用作葡萄糖電活性材料的載體，研究者為提高基于CuO納米結(jié)構(gòu)的無酶葡萄糖生物傳感器的靈敏度，對 CuO/CNT［12］、CuO/OMC［13］、CuO/rGO［14］、CuO/CNT/rGO［15］、矩形片狀介孔NiCo2O4［16］催化劑復(fù)合材料開展了廣泛細(xì)致的研究。但是這些粉體材料具有堆積效應(yīng)或者沒有有效的多孔通道結(jié)構(gòu)，無法提高提供足夠多的活性位點與葡萄糖充分接觸。此外，制備這種基于粉末電極不僅制備時間長，而且過程十分繁瑣，不利于電解液與電極表面的電子傳輸和離子擴散，形成一種類似保護膜的結(jié)構(gòu)，不利于活性位點的暴露和催化氧化的進(jìn)行。

因此，探索一種新的高導(dǎo)電性的、具備利于電荷傳輸?shù)亩嗫淄ǖ佬偷幕撞牧鲜茄芯恐攸c內(nèi)容，通過有效合成方式能在基底上直接生長電活性材料，從而獲得不同結(jié)構(gòu)的材料形成更多的表面活性位點。碳纖維布是由圓柱狀結(jié)構(gòu)的碳纖維以一定的排列方式相互編制而成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，碳基材料本身的獨特物理性質(zhì)使得其具有有利于離子擴散的多孔通道，從而增加活性材料的接觸和生長面積。這使其可以作為柔性葡萄糖傳感器的電極，由于其是電子的良導(dǎo)體，可加快電催化反應(yīng)速率。綜合來看，柔性碳布作為基底負(fù)載納米材料，在電催化葡萄糖領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑及儀器

六水合硝酸鈷、六水合硝酸鎳來自于廣東翁江化學(xué)試劑有限公司；鹽酸多巴胺、抗壞血酸、葡萄糖、果糖、蔗糖來自于阿拉丁試劑（上海）有限公司；其它所有試劑均為分析純。

粉末X射線衍射儀(XRD，D8 ADVANCES)，Bruker公司；場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM，MIRA 3 LMU)，TESCAN公司；CS350電化學(xué)工作站(武漢科斯特儀器有限公司)。

1.2 實驗

1.2.1 碳布的預(yù)處理

將碳布（臺灣碳能）依次浸入無水乙醇、丙酮、蒸餾水中，分別超聲震蕩20min；移取30mL濃硝酸，將碳布完全浸入濃硝酸中，超聲震蕩30min后，靜置2h。完成浸漬后，用蒸餾水沖洗3次，并放置在60℃的鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行干燥處理。此操作的目的是為了除去碳布表面的雜質(zhì)，通過強氧化劑氧化碳布表面的羥基官能團，提高其親水性能，有助于納米材料的生長。

1.2.2 NiCo2O4/CC納米復(fù)合材料的制備

準(zhǔn)確稱量2mmol六水合硝酸鎳、4mmol六水合硝酸鈷和6mmol尿素于燒杯中，然后準(zhǔn)確移取30mL 的蒸餾水，在磁力攪拌器下攪拌30min，得到均勻澄清的粉紅色混合溶液。再將混合后的溶液轉(zhuǎn)移到水熱反應(yīng)釜中，并將已經(jīng)預(yù)處理后的碳布放入反應(yīng)釜中，再將反應(yīng)釜放入烘箱中120℃反應(yīng)8h。等反應(yīng)完成后，待反應(yīng)釜冷卻至室溫，取出碳布，并用蒸餾水和無水乙醇沖洗3次，置于60℃真空干燥箱進(jìn)行干燥處理。最后將碳布置于馬弗爐中，以2℃/min的升溫速率升至350℃，恒溫反應(yīng)2 h。得到NiCo2O4/CC納米復(fù)合材料。

2 結(jié)果與分析

2.1 XRD分析

圖1(a)為空白碳布、NiCo2(CO3)1.5(OH)3/CC和NiCo2O4/CC納米復(fù)合材料的XRD對比圖。由空白碳布的X射線衍射圖可以看出，在28°處有出現(xiàn)一個大包峰，歸屬于石墨碳的衍射峰；水熱反應(yīng)之后，出現(xiàn)了NiCo2(CO3)1.5(OH)3的特征衍射峰；再經(jīng)煅燒，最后變?yōu)镹iCo2O4/CC復(fù)合材料。圖1(b)為NiCo2O4/CC納米復(fù)合材料不同反應(yīng)時間的XRD圖?？梢钥闯?，所制備材料在2θ為18.906°、31.148°、36.696°、38.404°、44.622°、55.439°、59.094°、64.98°、68.309°處出峰，分別與標(biāo)準(zhǔn)卡NiCo2O4(PDF#20-0781)中(111)、(220)、(311)、(222)、(400)、(422)、(511)、(440)和(531)的晶面一一對應(yīng)。由此可知，所制備的復(fù)合材料有NiCo2O4的衍射峰，即成功制備NiCo2O4/CC納米復(fù)合材料。

圖1 空白CC、NiCo2(CO3)1.5(OH)3、NiCo2O4/CC納米復(fù)合材料的XRD圖(a)和不同溫度下合成的NiCo2O4/CC納米復(fù)合材料的XRD衍射圖(b)Fig. 1 (a)XRD pattern of blank CC, NiCo2(CO3)1.5(OH)3, NiCo2O4/CC nanocomposite;(b)XRD pattern of NiCo2O4/CC nanocomposite synthesized at different temperatures

2.2 SEM表征

由圖2可知，水熱法制備的NiCo2O4已經(jīng)均勻致密地負(fù)載于碳布表面，介觀形貌為納米針狀，長度約為6μm，直徑約為2nm。該材料整體呈現(xiàn)三維陣列結(jié)構(gòu)，具有較大的比表面積，可提供更多的催化活性位點。

圖2 NiCo2O4/CC 納米復(fù)合材料的SEM形貌Fig. 2 The SEM morphology of NiCo2O4/CC nanocomposite

2.3 循環(huán)伏安曲線測試（CVs）

對電極材料進(jìn)行循環(huán)伏安曲線的測試，可以判斷體系氧化還原過程的動力學(xué)相關(guān)信息。以NiCo2O4/CC納米復(fù)合材料作為工作電極，以Pt片為對電極，Ag/AgCl作為參比電極，電勢窗范圍為-0.20 ~ +0.80 V，掃速為100mV/s。

2.3.1 對NiCo2O4/CC水熱反應(yīng)溫度和時間的探究

測試的條件是在40mL 0.10mol/L 的NaOH溶液與外加10mmol/L葡萄糖混合溶液進(jìn)行測試，測試的樣品為水熱反應(yīng)8h，不同反應(yīng)溫度(80、100、120、140、160 ℃)，并進(jìn)行退火處理的NiCo2O4/CC材料，實驗結(jié)果如圖3所示。由圖3(a)可以看出，120℃下制備的NiCo2O4/CC材料電極在相同條件下對葡萄糖的響應(yīng)最高，因此選擇120℃為最佳反應(yīng)溫度。由圖3(b)可知，當(dāng)反應(yīng)溫度為120℃時，8h下制備的NiCo2O4/CC材料電極在相同條件下對葡萄糖的響應(yīng)最高。因此，選擇反應(yīng)溫度為120℃，反應(yīng)時間為8h作為最佳實驗條件。

圖3 不同反應(yīng)溫度(a)和不同反應(yīng)時間(b)制備NiCo2O4/CC電極材料的循環(huán)伏安線曲線Fig. 3 CVs of NiCo2O4/CC material with different hydrothermal temperatures(a) and times(b)

2.3.2 不同濃度氫氧化鈉的探究

測試采用的樣品為水熱反應(yīng)8h、120℃，并在馬弗爐中進(jìn)行退火處理的NiCo2O4/CC，在不同濃度的NaOH溶液(0.10、0.25、0.50、1.0 mol/L)中和進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 (a)不同濃度的NaOH循環(huán)伏安曲線和(b)不同濃度NaOH中加入2mM葡萄糖循環(huán)伏安曲線Fig. 4 (a) Cyclic voltammetry curve of different concentrations of NaOH;(b) Cyclic voltammetry curve of different concentrations of NaOH added with 2 mM glucose

由圖4可知，在不同濃度的NaOH溶液中氧化峰電位和峰電流表現(xiàn)出不同的變化趨勢。當(dāng)NaOH溶液的濃度越高，NiCo2O4材料本身的氧化還原峰就越明顯，氧化峰電位逐漸負(fù)移，氧化峰電流增大。當(dāng)加入2mmol/L葡萄糖溶液后，在0.25、0.50、1.0 mol/L的NaOH溶液中響應(yīng)電流變化不大，而在低濃度0.10mol/L的NaOH溶液中NiCo2O4/CC電極均對葡萄糖的響應(yīng)電流增幅較大。通過對比可知，在0.10mol/L的NaOH溶液中更有利于NiCo2O4/CC電極電催化氧化葡萄糖。因此，選擇0.10mol/L的NaOH溶液作為最佳電解液濃度。

2.3.3 對不同濃度的葡萄糖進(jìn)行催化反應(yīng)的探究

在40mL 0.10mol/L 的NaOH溶液進(jìn)行不同濃度葡萄糖的CV測試。在同一反應(yīng)體系中不斷添加葡萄糖溶液，測試其對葡萄糖的電催化氧化效果。從圖5可以看出NiCo2O4/CC對不同濃度的葡萄糖具有一定的催化效果，在+0.23V開始出現(xiàn)氧化峰，當(dāng)逐漸增加葡萄糖濃度時，響應(yīng)電流逐漸增大。說明該納米復(fù)合材料對葡萄糖具有電催化氧化能力。

圖5 滴加高濃度的葡萄糖的NiCo2O4/CC材料電極的循環(huán)伏安曲線Fig.5 Cyclic voltammetry curve of NiCo2O4/CC electrode with high concentration of glucose

2.3.4 不同電壓下的計時電流對比

圖6顯示了在不同恒電位下，連續(xù)向40mL 0.10 mol/L的NaOH溶液中注射0.1mmol/L葡萄糖?？梢钥闯觯S著電位的增加響應(yīng)電流增大，但當(dāng)增加到+0.45V時，響應(yīng)電流達(dá)到最大?？紤]到較大的工作電位會導(dǎo)致其它干擾物質(zhì)產(chǎn)生響應(yīng)電流。因此，選擇在+0.45V作為最佳工作電位。

圖6 不同恒定電位下NiCo2O4/CC的計時電流對比(a)和 線性檢測范圍(b)Fig. 6 The i-t curves response of NiCo2O4/CC under different constant (a)(a)potentials and (b) linear detection limit

2.3.5 電化學(xué)阻抗譜（EIS）

圖7為不同電極的交流阻抗對比圖。由Nyquist圖可知， NiCo2O4/CC電極的溶液電阻Rs小于CC的溶液電阻，這有利于電子的快速傳導(dǎo)。兩種電極材料在高頻區(qū)都呈現(xiàn)圓弧，說明主要受到傳荷過程控制。在低頻區(qū)，NiCo2O4/CC依然為圓弧，這可能是由于存在吸附電阻（Rad）；而CC則為一條直線，說明受到擴散過程控制。

圖7 純CC、NiCo2O4/CC的電化學(xué)阻抗譜圖（EIS）Fig. 7 Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) of pure CC and NiCo2O4/CC

2.3.6 葡萄糖的抗中毒測試

在實際人體的血液中存在大量的有機、無機成分，除葡萄糖外，血樣內(nèi)的其他物質(zhì)也會干擾傳感器對葡萄糖的檢測，這是因為有機物本身就極易被氧化，產(chǎn)生干擾電流。采用計時電流法，研究該納米復(fù)合材料的對這些干擾物抗中毒性能。葡萄糖與抗干擾物質(zhì)的濃度比為10：1。向0.10mol/L的NaOH溶液中加入0.50mol/L葡萄糖，待響應(yīng)電流穩(wěn)定后，依次加入50μmol/L的有機物：多巴胺(DA)、尿酸(UA)、抗壞血酸(AA)、果糖(FA)、麥芽糖(maltose)、50μmol/L的檸檬酸(CA)、檸檬酸鈉(E331)，和50μmol/L的無機鹽：磷酸二氫鈉(MSP)、磷酸二氫鉀(MKP)、氯化鈉溶液(NS)，實驗結(jié)果如圖8 所示。由圖可知，干擾物的電流響應(yīng)小于葡萄糖的響應(yīng)電流，這說明該材料較為良好的抗干擾性能。

圖8 NiCo2O4/CC電極對葡萄糖選擇性的i-t曲線圖Fig.8 The i-t curve of the selectivity of NiCo2O4/CC electrode to glucose

相比于傳統(tǒng)型的粉末材料，在碳布上負(fù)載NiCo2O4/CC的多維復(fù)合材料，能使更多有效的催化活性物質(zhì)與導(dǎo)電基底接觸，并且較穩(wěn)定的附著性，并且從根本上解決了工作電極不穩(wěn)定的缺陷，更符合實際生產(chǎn)應(yīng)用，因此本實驗還探究了NiCo2O4/CC電極作為工作電極的穩(wěn)定性。

2.3.7 穩(wěn)定性測試

在+0.45V的工作電壓下，向NaOH溶液滴加1mmol/L葡萄糖，得到該工作電極與葡萄糖的計時電流曲線，將響應(yīng)電流變化值標(biāo)記為I0。以兩天作為一個周期，將同一片NiCo2O4/CC電極重復(fù)該實驗，并記錄響應(yīng)電流的對應(yīng)電流值，如圖9所示。由圖中曲線可知，在20天的重復(fù)測試中，該納米復(fù)合電極具有較好的穩(wěn)定性，依然保持初始電流的80%以上，說明電極具有較高的穩(wěn)定性。

圖9 NiCo2O4/CC電極穩(wěn)定性測試Fig.9 NiCo2O4/CC electrode stability test

3 結(jié)論

通過控制水熱反應(yīng)溫度和時間，成功制備出三維納米針狀的NiCo2O4/CC復(fù)合材料。實驗結(jié)果表明該材料對葡萄糖具有較強的電催化作用，線性檢測范圍10~10.4 mmol/L，靈敏度為15.3μA/(mol/L)/cm2。 NiCo2O4/CC具有抗干擾性能，響應(yīng)速度快等特點，有望發(fā)展成為新型的柔性無酶型葡萄糖傳感器。