非酶金基電化學(xué)傳感器在葡萄糖檢測中的研究①

謝文杰, 王玉松, 王紹臻

(皖南醫(yī)學(xué)院藥學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

0 引 言

糖尿病是一種機體血糖濃度不正常升高的代謝疾病，發(fā)生時機體的胰島素分泌減少，引起體內(nèi)基本供能物質(zhì)代謝不正常[1]。一些生物分子如乙酰膽堿、組胺、神經(jīng)遞質(zhì)、神經(jīng)肽、GABA及去甲腎上腺素等，在正常生理和病理生理分析都占有重要的地位[2-4]。葡萄糖傳感器不僅在監(jiān)測生理血糖濃度的變化，并且廣泛應(yīng)用于食品含量、及可持續(xù)燃料電池等方面[4-5]。貴金屬催化劑因具有特殊的納米結(jié)構(gòu)和較高的催化活性的性能，隨著各行業(yè)需求的增加和糖尿患病率的增加，金納米的特殊類似酶的性質(zhì)，使其在葡萄糖電化學(xué)傳感器中發(fā)揮重要作用[6]。

1 實驗部分

1.1 試劑及材料

氯金酸(Alfa Aesar)，氫氧化鈉NaOH(Sigma)，Nafion(Sigma)，無水乙醇(無錫市展望化工)，N，N-二甲基甲酰胺(DMF,Aladdin)，脲 (西隴化工)，抗壞血酸(上海國藥集團)，葡萄糖(上海邁瑞爾化學(xué)) ，羥乙基呱嗪乙硫磺酸溶液(Hepes,Solarbio)，尿酸(上海國藥集團)。

1.2 Au/NPs、金納米粒子的合成和 Au/GCE傳感器的制備

取內(nèi)含磁子的20mL 圓底燒瓶加入13.85 mL 9.96mM Hepes,1.00 mL/10 mM 脲,1.89mL 5.89 M 氯金酸和2.00 mL 去離子水，400 r 磁力攪拌器均勻攪拌10min后轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜內(nèi)，在烘箱中168℃加熱3 h。，乙醇清洗干凈，離心干燥得到Au/NPs 。

金納米粒子的合成1.89 mL 5.89 M氯金酸加入10.00 mL的裝去離子水的燒瓶中，加入1.00mL 0.01M的硼氫化鈉溶液，攪拌18 min，靜置用去離子水，乙醇洗樣，離心干燥得到金納米粒子粉末。

稱1 mg 制備的Au/NPs 和金納米粒子粉末溶于1.00 mL混合溶液(0.336mL H2O，0.644 mL DMF，0.020 mL 5 wt%Nation)中制備催化劑墨水，在超聲波清洗器中分散15 min。用0.05 μm 的α-Al2O3粉末打磨，活化電極，進行電極性能測試，當(dāng)峰電位差值ΔEp<80 mV 時，吸6.0 μL 制備好的兩種催化劑墨水分別滴涂到磨好的GCE 表面，等晾干，即得到Au/GCE 和金納米電極。

1.3 分析儀器

電化學(xué)工作站CHI660E(上海辰華)，磁力攪拌器(SCILOGEX)，電子天平(HZ&HUAZHI)，透射電子顯微鏡TEM(FEI&Tecnai G2F20)，掃描電子顯微鏡SEM(S-4800))，X射線衍XRD(荷蘭帕納科)，X射線光電子能譜XPS(Kratos Analytical Ltd.)。

1.4 Au/GCE的電化學(xué)行為

用循環(huán)伏安曲線(CV)來評價Au/GCE 電催化葡萄糖氧化的能力實驗以三電極體系為測試系統(tǒng)，參比電極，對電極為Hg/HgO電極，Pt絲,論文中所有電勢均相對于Hg/HgO電極。所有電化學(xué)測試的掃速均控制在50mv/s，電催化葡萄糖的電位范圍為-1.0 V至1.0 V。在整個實驗過程中，通氮氣12min，比較Au/GCE 和金納米電極的電催化及其對葡萄糖催化氧化的能力，并且對催化過程做出評價。

1.5 Au/GCE葡萄糖傳感器的性能分析

探究葡萄糖在Au/GCE 上的電催化行為，運用循環(huán)伏安法(CV)，判段傳感器電催化葡萄糖的氧化電流與掃速之間的關(guān)系，峰電位差的增大或者減小，來表明電極上的電催化行為是否受表面控制。

傳感器定量檢測分析，使用差脈沖伏安法(DPV)，檢測含有不同濃度的葡萄糖的氫氧化鈉溶液，判斷濃度與峰電流值之間是否存在線性關(guān)系，并且與其他葡萄糖電化學(xué)傳感器比較性能。

使用線性伏安曲線(LSV)對傳感器的選擇性做出評價，依次加入1 mmol/L的葡萄糖、1 mmol/L的葡萄糖+10 mmol/L的抗壞血酸(AA)、1 mmol/L的葡萄糖+10mmol/L的尿酸(UA) 和 1 mmol/L的葡萄糖+10 mmol/L的氯化鈉(Nacl)，比較其 LSV 響應(yīng)電流值的大小。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)表征

采用掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)對合成產(chǎn)物進行了形貌表征。圖1(a)和(b)為AuNPs 的SEM和TEM 圖。結(jié)果顯示，AuNPs 呈球形狀，平均直徑約50 nm～60 nm。此結(jié)構(gòu)有利于葡萄糖的電催化氧化。(c)為AuNPs 的X 射線衍射XRD，在該圖中，衍射峰出現(xiàn)在2θ 分別為 38.1°,44.3°,64.5°,78.1°。分別對應(yīng)于AuNPs面心立方晶系的(111),(200),( 220),(220),(311)晶面。 (d)圖中 83.94 eV，87.92eV 與 AuNPs 的 4f7/2和 AuNPs 的 4f5/2能譜峰對應(yīng)，與譜庫中的 Au0的結(jié)合能對應(yīng)。

2.2 Au/GCE的電化學(xué)行為

圖2(a)中在正描過程中，-0.5-0.25 V 處 CV 曲線上升表示 AuNPs 發(fā)生了初步氧化形成 AuOHads，0.5V處的峰表示 AuNPs 氧化物的生成，負掃過程中，-0.05 V 的還原峰表示 AuNPs 氧化物的還原過程。(b)葡萄糖的氧化始于-0.8 V且反應(yīng)速度較慢，較少的 OH-在 AuNPs 表面的吸附，在0.05V-0.25 V， OH-的大量吸附使電位迅速增加，AuNPs 氧化物在0.5V時開始形成并減緩葡萄糖的氧化，隨著電勢的增加由于 AuNPs 的氧化物需要消耗更多的 AuOHads，葡萄糖的氧化被停止，隨著 AuNPs 氧化物的還原，AuOHads重新吸附在電極表面上導(dǎo)致葡萄糖再次發(fā)生氧化，結(jié)果在電勢到達-0.15 V時出現(xiàn)第二個氧化峰。

AuOHads的形成可以用下面公式表示：

AuNPs 與 OH-結(jié)合形成 AuOHads，其中 ads 和 λ 分別表示 AuNPs 表面上吸附的化學(xué)物質(zhì)和電子轉(zhuǎn)移數(shù)，其取值在 0～1 之間。在氫氧化鈉溶液中，葡萄糖在 Au/GCE 表面的電催化氧化過程依賴于 AuNPs 形成的 AuOHads數(shù)量。

HEPES 法制備的 Au/GCE 活性面積比硼氫化鈉制備的金納米電極大的多。(c)中分別為金納米電極、Au/GCE 在沒有葡萄糖的 0.1M NaOH 溶液中的 CV 曲線。金納米電極沒有出現(xiàn)明顯的氧化還原特征峰，而 Au/GCE 在正掃和負掃過程出現(xiàn)了氧化峰和還原峰。(d)中顯示了金納米電極和 Au/GCE 在1 mM 葡萄糖的 0.1M NaOH 溶液中的CV曲線圖。兩種電極都顯示出對于葡萄糖電催化氧化的特征氧化峰，但是我們制備的 Au/GCE 催化葡萄糖的峰電流密度更大。HEPES 法制備的 Au/GCE 具有的活性面積大，更容易電催化氧化葡萄糖。

2.3 Au/GCE葡萄糖傳感器的性能分析結(jié)果

圖3(a)正掃過程中，0.25 V出現(xiàn)葡萄糖的第一個氧化峰，掃速由 50mv/s，60 mv/s,70 mv/s,80 mv/s,90 mv/s,100mv/s，其對應(yīng)峰電流依次增大，峰電流隨著掃速的增加呈現(xiàn)出遞增，說明制備的電極穩(wěn)定性良好，表明電極上的電催化行為是受電極表面控制。(b)實驗結(jié)果表明，峰電流與濃度間的線性好，峰電流值隨濃度的增大而增大 (c)所得的校正曲線方程為 Y(uA)=1.47X(mM)+4.35，線性相關(guān)系數(shù)R2為 0.996，檢測靈敏度為20.1 μA mM-1cm-2，檢測下限達到 50 μmol/L(S/N=3)線性關(guān)系良好。與已發(fā)布的各幾 種無酶型葡萄糖電化學(xué)傳感器相對比(表1)，Au/GCE 有較高的靈敏度和低的檢出限,人體正常血糖的濃度為 3.79mM -6.1mM(空腹)，我們制備的Au/GCE 可以達到檢測血糖的目的。(d)是不同物質(zhì)在上LSV曲線響應(yīng)。測試時，向測試溶液中依次加入1 mmol/L的葡萄糖、1 mmol/L的葡萄糖+10 mmol/L的抗壞血酸(AA)、1 mmol/L的葡萄糖+10mmol/L的尿酸(UA) 和1 mmol/L的葡萄糖+10 mmol/L的氯化鈉(Nacl)，比較其 LSV 響應(yīng)電流值，測試表明，只加入葡萄糖后，Au/GCE 的LSV響應(yīng)電流最大，而加入其他雜質(zhì)后,修飾電極上的 LSV 響應(yīng)電流分別下降，因此Au/GCE 能夠較好的選擇催化葡萄糖，具有較好的抵抗雜質(zhì)的干擾。

表1 基于不同材料的無酶型葡萄糖傳感器性能比較

3 結(jié) 語

利用HEPES反應(yīng),制備出AuNPs 并且構(gòu)建電化學(xué)傳感器，SEM,TEM,XRD和電化學(xué)一系列測試顯示, AuNPs結(jié)構(gòu)可以催化葡萄糖。并且和其他葡萄糖傳感器相比,Au/GCE對葡萄糖的靈敏度較好，檢測限低,同時選擇性良好,可用于葡萄糖檢測。