王藝蘭, 包曉玉, 楊 妍, 鮑克燕, 劉夢菲
(南陽師范學院化學與制藥工程學院,河南南陽 473061)
葡萄糖在生物科技、醫(yī)療診斷和食品工業(yè)等領域具有十分重要的意義,近年來引起了人們廣泛關注[1]。葡萄糖傳感器分為酶型和非酶型:酶型葡萄糖傳感器[2,3]具有良好的選擇性和較高的靈敏度,但非常容易失活使其應用受限。而非酶型葡萄糖傳感器具有穩(wěn)定性好、成本低、儲存容易和使用壽命長等優(yōu)點[4]。
納米材料具有比表面積大、表面活性位點多以及催化效率高等優(yōu)點,因此,將納米材料用于非酶型葡萄糖電化學傳感器是當前研究的一個新的熱點。Cu2O已被應用在太陽能電池[5]、傳感器[6,7]、磁性材料[8]和催化[9,10]等多個領域。近年來研究發(fā)現(xiàn)不同方法制備的Cu2O形貌不同,如Cu/Cu2O中空微球[11]、紡錘形納米Cu2O/MWCNT復合材料[12]、Cu2O/聚乙烯醇吡咯烷酮石墨烯納米片復合材料[13]等等。Cu2O的制備方法有多種,如水溶膠法[5]、水熱法[9]、電化學沉積法[14]、固液相電弧放電法[15]和微波照射法[16]等。其中,電沉積法因靈活性高、工藝過程簡單、沉積反應速率快和材料形貌可控等優(yōu)點而受到廣泛關注[10]。Li等人[14]用Cu2O-Nafion復合物修飾玻碳電極,研究了該電極對葡萄糖的電催化性能。Zhang等人[17]通過濕化法制備Cu納米線,發(fā)現(xiàn)對葡萄糖的催化性能良好,靈敏度高。Jin[18]等人利用電沉積法制備泡沫銅材料,并將其應用于檢測葡萄糖,發(fā)現(xiàn)其靈敏度高。本文用電沉積法在玻碳電極上沉積納米Cu2O,一步完成無酶葡萄糖傳感器的制備,通過調控緩沖溶液pH、沉積時間和應用電位,改善電極對葡萄糖的電催化氧化活性,從而提高了構建的無酶葡萄糖傳感器的性能,并成功用于人血清中葡萄糖含量的測定。
CHI660A型電化學工作站(美國,CHI公司),三電極體系:玻碳電極(GCE)或修飾電極為工作電極,飽和甘汞電極(SCE)為參比電極,鉑絲為對電極。FEI-Quanta-200環(huán)境掃描電子顯微鏡(SEM)(荷蘭,F(xiàn)EI公司);BrukerApexⅡ型X射線粉末衍射儀(德國,布魯克公司);KQ-50B超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)。
CuSO4(天津市永大化學試劑有限公司),HAc-NaAc緩沖溶液(成都市聯(lián)合化工試劑研究所),葡萄糖、尿酸、抗壞血酸、果糖(國藥集團化學試劑有限公司)。葡萄糖用pH=7.0的磷酸鹽緩沖液(PBS)配制成1.5 mol/L的儲備液,放置陳化24 h。所用試劑均為分析純,實驗用水為超純水。
將GCE(Φ=3 mm)先用0.05 μm Al2O3在麂皮上拋光,然后分別用水和無水乙醇超聲清洗干凈,晾干后,采用三電極體系,以10 mmol/L CuSO4+0.1 mol/L HAc-NaAc(pH=5.7)溶液為電解液,沉積時間3 min,控制沉積電位-0.1 V進行電化學沉積。沉積完成之后,用水沖洗,然后在室溫下涼干,備用。修飾電極表示為Cu2O/GCE。
圖1是電沉積Cu2O的SEM圖。由圖可見,Cu2O比較均均地分散在GCE表面,這種電沉積形成的Cu2O能穩(wěn)定地固定在電極表面,具有更大的表面積,形成了更多的電催化活性中心,大大提高了催化性能,從而能更好地催化氧化葡萄糖。
圖2是電沉積Cu2O的X射線衍射(XRD)圖(CuKa輻射線,管電壓40 kV,管電流40 mA)??梢钥闯?,衍射峰出現(xiàn)在2θ為30.10°、36.60°、42.61°、61.62°和73.47°的位置,與標準Cu2O(JCPDS No.05-0667)符合的很好,分別對應于Cu2O的(110)、(111)、(200)、(220)和(311)晶面。說明在CuSO4、HAc-NaAc體系中,電沉積得到的Cu2O是純相的。值得注意的是(111)峰強而尖銳,與其它峰強度的比例明顯高于標準卡片中的數據,說明所得Cu2O沿(111)方向擇優(yōu)生長。
圖1 GCE上沉積Cu2O的掃描電鏡(SEM)圖Fig.1 SEM image of the deposited Cu2O at GCE 3 000(a),40 000(b).
圖2 電沉積Cu2O的X射線衍射(XRD)圖Fig.2 XRD pattern of the Cu2O electrodeposited
圖3 GCE(a和b)和Cu2O/GCE(c和d)在不含(a和c)和含(b和d)50 μmol/L葡萄糖的0.1 mol/L KOH溶液中的循環(huán)伏安圖Fig.3 Cyclic voltammograms of GCE(a and b),Cu2O/GCE (c and d) in absence(a and c) and presence(b and d) 50 μmol/L glucose solution in 0.1 mol/L KOH solution
裸GCE和Cu2O/GCE在0.1 mol/L KOH溶液中對葡萄糖的電催化性能如圖3所示。由圖可以看出,裸GCE上沒有出現(xiàn)氧化還原峰(曲線a)。在攪拌下,向0.1 mol/L KOH溶液中不斷加入50 μmol/L的葡萄糖溶液,裸GCE上沒有變化(曲線b與曲線a重合),而Cu2O/GCE上氧化峰電流增大(曲線c和d),氧化峰電位負移,說明Cu2O對葡萄糖具有較好的電催化氧化活性。
2.4.1傳感器響應條件的優(yōu)化改變HAc-NaAc緩沖溶液的pH,按照實驗方法制備Cu2O/GCE,研究緩沖溶液pH對Cu2O/GCE電催化性能的影響。結果表明:在pH=3.5~5.7范圍內,隨著溶液pH的增加,響應電流也隨之增大。所以選擇pH=5.7為制備Cu2O/GCE的最佳pH值。
用不同沉積時間制備的Cu2O/GCE在50 μmol/L葡萄糖的0.1 mol/L KOH溶液中測定響應電流。結果表明:在30~180 s內,響應電流隨沉積時間的增大而增大,180 s后反而減小。因此,本實驗確定沉積時間為180 s。同時考察葡萄糖于不同工作電位下在Cu2O/GCE上的響應電流。結果表明:在0.4~0.65 V內,響應電流隨工作電位的增大而增大,0.65 V后反而下降,故選擇0.65 V為測定的最佳工作電位。
2.4.2傳感器的線性范圍和檢測限利用計時電流法考察Cu2O無酶葡萄糖傳感器對葡萄糖的線性響應范圍和檢測限。圖4A是Cu2O/GCE對葡萄糖的計時電流響應,可見該電極對葡萄糖濃度的變化響應靈敏,且響應迅速。在0.1 mol/L KOH溶液中于0.65 V工作電位條件下,成功實現(xiàn)了對葡萄糖從5.0 μmol/L~6.23 mmol/L濃度范圍內的檢測。將圖4A中的響應電流值與葡萄糖濃度進行線性擬合得到圖4B。由圖4B可以看出,葡萄糖在該電極上的響應電流與葡萄糖濃度呈良好的線性關系,線性范圍分別是5.0 μmol/L~0.73 mmol/L、0.73~2.23 mmol/L和2.23~6.23 mmol/L(相關系數分別為0.9909、0.9931和0.9941),檢測限(S/N=3)為0.4 μmol/L。表1為不同葡萄糖傳感器的性能比較。由表1可見,本文制備的Cu2O無酶葡萄糖傳感器性能較好。
圖4 Cu2O/GCE電極的計時電流響應曲線(A)和擬合曲線(B)Fig.4 Amperometric responses of Cu2O/GCE to glucose with increasing concentrations (A) and corresponding calibration curve(B)
Electrode materialLinear range(mmol/L)Sensitivity (μA·mmol/L)Detection limit(μmol/L)ReferenceCu nanobelts0.01-1.1379.810[7]Cu@PPya nanowires0.1-0.8180.651[8]Cu2O-Nafion/GCE0.05-1.153.6947.2[14]Cu2O nanocubes0.001-1.752.50.87[15]Cu nanowires4-7118.780.035[17]Cu2O/GCE0.005-6.2365.740.4This work
2.4.3傳感器的抗干擾實驗用構建的Cu2O/GCE無酶葡萄糖傳感器檢測50 μmol/L葡萄糖時,依次加入10 μmol/L的抗壞血酸、果糖、尿酸、谷氨酸、賴氨酸、多巴胺,結果顯示響應電流變化不大于5%,因此可以較準確地檢測人血清中葡萄糖含量。
2.4.4傳感器的穩(wěn)定性與重現(xiàn)性將修飾電極放在室溫下一周后,檢測對葡萄糖的催化氧化電流,實驗測出其催化氧化電流沒有明顯變化,說明修飾電極具有較好的穩(wěn)定性。通過對比同一時間制備的10支電極對于50 μmol/L葡萄糖的響應電流考察傳感器的重現(xiàn)性,10次試驗結果的標準偏差為4.8%,說明修飾電極具有良好的重現(xiàn)性。
將制備的Cu2O/GCE用于人血清樣品中血糖含量的測定(樣品由南陽市人民醫(yī)院提供,其血糖含量已由醫(yī)院的自動生化分析儀測量)。參考文獻報道[7,8,14,15],均在堿性溶液中測定人血清樣品中的葡萄糖含量。本實驗在10.0 mL 0.1 mol/L KOH溶液中,加入10.0 μL血清樣本,用標準加入法測量血清樣品中葡萄糖的含量,測量結果見表2。從表2中可以看出,制備的葡萄糖傳感器的測量結果與生化分析儀的測量結果非常接近,最大相對誤差為6.5%,說明基于Cu2O/GCE的傳感器可以用于臨床血清樣品中血糖的檢測。從表2還可以看出,本文制備的葡萄糖傳感器對血糖的測量結果總是大于生化分析儀測得的結果,原因可能是在血清樣品中除了葡萄糖以外,還有能在電極上氧化的尿酸、抗壞血酸等物質,或者是血清中含有的某些物質將葡萄糖降解,從而對測量結果產生一定的干擾。
表2 血清樣品中葡萄糖含量的測定結果
利用電沉積法實現(xiàn)了無酶葡萄糖傳感器的一步法制備,且構建的傳感器性能穩(wěn)定,重現(xiàn)性好,用于人血清中血糖的檢測與生化分析儀的測定結果一致,有望用于臨床檢驗。