胡耀娟, 黃夢丹, 陳昌云, 張長麗

(南京曉莊學院環(huán)境科學學院, 南京 211171)

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微波輔助法制備氫氧化鎳-石墨烯納米復合結構及在葡萄糖檢測中的應用

胡耀娟, 黃夢丹, 陳昌云, 張長麗

(南京曉莊學院環(huán)境科學學院, 南京 211171)

采用微波輔助合成法制備了氫氧化鎳-石墨烯[Ni(OH)2-graphene]納米復合結構, 利用掃描電子顯微鏡(SEM)、 X射線光電子能譜(XPS)、 電子能譜(EDS)、 X射線衍射(XRD)及電化學阻抗譜(EIS)對其結構和性質進行了表征. 電化學實驗結果表明, 與單獨的Ni(OH)2相比, Ni(OH)2-graphene納米復合結構對葡萄糖氧化反應表現出更高的電催化活性; 同時, 據此構建的無酶葡萄糖傳感器具有良好的性能, 檢測線性范圍為10 μmol/L～7.5 mmol/L, 靈敏度為174.7 μA·cm-2·mmol·L-1, 檢出限為2.0 μmol/L(S/N=3), 且該傳感器具有良好的穩(wěn)定性和選擇性, 可用于實際樣品檢測.

氫氧化鎳-石墨烯復合結構; 微波輔助法; 無酶葡萄糖傳感器

葡萄糖是生命體新陳代謝過程中的重要化合物, 血糖的分析與傳感對人類的健康及疾病的診斷和治療具有重要意義, 因此, 制備高效的葡萄糖傳感器具有重要的科學研究意義和實際應用價值[1,2]. 目前, 應用最廣泛的是酶類葡萄糖電化學傳感器, 它具有選擇性好、 響應速率快和靈敏度高等優(yōu)點; 然而, 酶容易失活, 且受溫度和外界條件的影響較大, 從而導致酶類葡萄糖傳感器制作過程復雜、 成本高且使用壽命短, 限制了此類傳感器的應用[3,4]. 無酶葡萄糖電化學傳感器是利用葡萄糖在電極表面的直接氧化電流進行檢測的, 它克服了酶傳感器對酶活性的依賴, 具有高的穩(wěn)定性、 良好的重現性及低廉的價格等優(yōu)點[5～7]. 隨著納米材料制備技術的發(fā)展, 已有多種納米材料被引入葡萄糖電化學傳感器的研制, 該方法除了可將納米材料本身的物化特性引入電極界面, 還可擁有納米材料的大比表面積, 粒子表面具有較多的功能基團等特性, 從而可對葡萄糖及其糖類化合物的電化學行為產生催化效應[8,9]. 最先用于葡萄糖檢測的為貴金屬納米材料, 如Pt, Au和Pd等[10,11], 以及其合金Pt-Au和Pt-Pd等[12,13]; 此外, 過渡族金屬, 如銅系、 鎳系的納米材料也被用于葡萄糖的無酶檢測, 改善了貴金屬價格昂貴的不足[14,15]. 石墨烯作為一種碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結構的碳質新型材料, 具有比表面積大、 導電率高等物理化學性質, 將銅系、 鎳系等材料負載到石墨烯表面, 不僅可克服這些半導體材料導電性較差的缺點, 還可改善納米材料的結構及其分散性, 有利于進一步提高其電催化性能[16～18]. 鎳的氫氧化物中含有二價陽離子(Ni2+), 可有效吸附酶、 氨基酸和生物小分子等; 另外, 氫氧化鎳在堿性環(huán)境中會生成Ni(OH)2/NiOOH氧化還原電對, 其中較高價態(tài)的羥基氧化物(NiOOH)對葡萄糖具有良好的電催化氧化作用[19～21].

Zhang等[20]采用水熱法合成了片狀結構的氫氧化鎳-石墨烯納米復合材料. 本文利用微波輔助法制備了氫氧化鎳-石墨烯[Ni(OH)2-graphene]納米結構, 該方法快速、 高效且低耗能, 且負載到石墨烯表面的Ni(OH)2形成了獨特的二維花瓣狀網絡結構, 具有較大的比表面積, 更有利于對葡萄糖的電催化氧化; 據此構建了無酶葡萄糖傳感器, 并對血清樣品中的葡萄糖含量進行了檢測.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

六水合硝酸鎳[Ni(NO3)2·6H2O]、 尿素、 十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)和抗壞血酸(AA)等均為分析純, 購自上海化學試劑公司; 石墨烯(Graphene)購自南京先鋒科技股份有限公司; 葡萄糖和多巴胺(DA)購自Alfa Aesar公司; 配制的葡萄糖溶液需放置24 h后再使用; 其它試劑均為分析純; 實驗用水為二次蒸餾水.

CEM-Discover型微波合成儀(美國CEM公司); CHI660D型電化學工作站( 上海辰華儀器公司); Su8010型掃描電子顯微鏡(日本電子公司).

1.2 實驗過程

1.2.1 Ni(OH)2-graphene納米復合結構的制備 將2.0 mg 石墨烯、 1.0 g CTAB和100 mL 去離子水置于250 mL 燒杯中, 攪拌30 min; 然后向燒杯中加入一定量的Ni(NO3)2·6H2O和沉淀劑尿素[尿素與Ni(NO3)2·6H2O的摩爾比為2∶1], 繼續(xù)攪拌30 min. 將混合物轉入微波玻璃管中, 裝填度不超過50%, 放入微波儀中, 于120 ℃及483 kPa壓強下反應20 min, 冷卻至室溫得到灰色沉淀; 依次用去離子水和無水乙醇離心洗滌3～4次, 即得Ni(OH)2-graphene納米復合結構[22]. 為了便于比較, 采用相同方法在不加石墨烯的情況下, 制備了單獨的Ni(OH)2納米材料.

1.2.2 修飾電極的制備 先將玻碳電極(GCE, d=3 mm)依次用6號砂紙、 0.3和0.05 μm的Al2O3粉拋光至鏡面, 然后用無水乙醇和二次蒸餾水各超聲清洗1 min, 最后用二次蒸餾水將電極沖洗干凈, 室溫下晾干備用. 將制得的納米材料分散到蒸餾水中, 分別取6 μL Ni(OH)2-graphene和Ni(OH)2分散液滴涂到預處理過的玻碳電極表面, 室溫下自然晾干備用, 即制得Ni(OH)2-graphene/GCE和Ni(OH)2/GCE.

1.2.3 電化學測試 循環(huán)伏安和安培響應實驗在電化學工作站上進行, 采用三電極系統(tǒng), 以螺旋狀鉑絲和飽和甘汞電極(SCE)分別作為對電極和參比電極(文中給出的電位均相對于SCE). 制備的電極對葡萄糖的氧化反應在0.1 mol/L NaOH溶液中進行, 實驗前需對緩沖溶液通高純氮至少30 min, 且在實驗過程中要一直保持通氮除氧.

電化學阻抗譜(EIS)的測定在Autolab電化學分析儀上進行, 測定的頻率范圍為10-2～105Hz, 電化學探針為含5.0 mmol/L K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6的0.1 mmol/L KCl溶液. 所有的電化學實驗均在室溫 [(23±2) ℃] 下進行.

2 結果與討論

2.1 Ni(OH)2和Ni(OH)2-graphene納米材料的表征

圖1分別為Ni(OH)2納米顆粒和Ni(OH)2-graphene納米復合結構的SEM照片. 從圖1(A)可以看出, 制備的Ni(OH)2為球狀結構, 且有團聚現象; 由放大的SEM照片[圖1(B)]可知其顆粒直徑約為300 nm, 且形成了致密的表面結構; 然而加入石墨烯后, 原本表面致密的Ni(OH)2球狀結構變成了表面疏松的二維花瓣狀網絡結構, 且均勻地負載到了石墨烯表面[圖1(C)和(D)]. 利用XPS能譜對石墨烯進行了表征, 通過對C1s峰進行擬合分析(圖S1, 見本文支持信息), 發(fā)現石墨烯表面含有不同的含氧官能團, 這些含氧官能團不僅改善了Ni(OH)2納米結構的分散性, 還改變了其表面形貌, 而該表面疏松的二維花瓣狀網絡結構具有較大的比表面積, 有利于提高其催化活性.

圖2分別為Ni(OH)2和Ni(OH)2-graphene的XRD譜圖. 由譜線a可見, 在2θ=12.2°, 24.6°, 33.3°, 37.1°和59.5°處出現衍射峰, 分別對應于α-Ni(OH)2的(003), (006), (100), (101)和(110)晶面(JCPDS No.22-752), 未檢測出其它衍射峰, 表明制備的納米結構為α-Ni(OH)2; 譜線b中除了出現α-Ni(OH)2的特征衍射峰外, 在2θ=43.1°處出現了C(100)特征峰, 說明已制得α-Ni(OH)2-graphene復合納米結構[23]. 進一步利用EDS對合成的納米復合結構進行了元素組分分析(圖S2, 見本文支持信息), 結果表明存在C, O和Ni 3種元素, 其中Ni的含量為18.31%(原子分數).

Fig.1 SEM images of Ni(OH)2(A, B) and Ni(OH)2-graphene nanostructures(C, D)

為了研究對Ni(OH)2及Ni(OH)2-graphene復合結構修飾電極的表面性質, 利用電化學阻抗譜(EIS)對這2種電極進行了表征. 在電化學阻抗譜圖中, 高頻部分的半圓對應于電子傳輸過程, 其直徑大小相當于電子傳輸阻力Ret, 反映了電化學探針與電極之間進行電子傳輸的動力學性質. 由圖3可見, Ni(OH)2-graphene修飾電極的半徑比Ni(OH)2修飾電極的半徑要小得多, 說明Ni(OH)2-graphene更有利于電化學探針的電子遷移, 這是由于石墨烯的加入增大了材料的導電性, 更有利于電化學探針在電極表面的電子傳遞.

Fig.2 Typical XRD patterns of Ni(OH)2(a) and Ni(OH)2-graphene nanostructures(b)

Fig.3 EIS of Ni(OH)2/GCE(a) and Ni(OH)2-graphene/GCE(b) in 0.1 mol/L KCl electrolyte solution containing 5.0 mmol/L K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6

2.2 不同修飾電極的電化學特征

Fig.4 CVs of the bare GCE(a), Ni(OH)2/GCE(b) and Ni(OH)2-graphene/GCE(c) in 0.1 mol/L NaOH solution at scan rate of 50 mV/s(A) and CVs of Ni(OH)2-graphene/GCE in 0.1 mol/L NaOH solution at different scan rates(B)(B) Scan rate/(mV·s-1), a—h: 25, 50, 75, 100, 125, 150, 175, 200. Inset of (B) is plot of the peak current vs. the square root of scan rate.

圖4(B)示出了Ni(OH)2-graphene修飾電極在不同掃描速率下的循環(huán)伏安曲線. 可見, 隨著掃速的增加, 氧化峰電流和還原峰電流都隨之增大, 且氧化峰電位逐漸正移, 還原峰電位逐漸負移; 且氧化還原峰電流值與掃速的平方根呈線性關系, 表明Ni(OH)2/NiOOH在電極表面發(fā)生的氧化還原反應是受OH-在電解質溶液與電極之間擴散控制的電化學過程[19].

2.3 葡萄糖在不同修飾電極表面的電催化氧化

圖5(A)和(B)分別為Ni(OH)2/GCE和Ni(OH)2-graphene/GCE在空白0.1 mol/L NaOH溶液(曲線a)和含有10 mmol/L葡萄糖的NaOH溶液中(曲線b)的循環(huán)伏安曲線. 可見, 加入葡萄糖后, 氧化峰電流明顯增大, 而還原峰電流減小, 表明修飾電極對葡萄糖氧化反應具有明顯的電催化作用, 電催化機理如下[20]:

Fig.5 CVs of Ni(OH)2/GCE(A) and Ni(OH)2-graphene/GCE(B) in 0.1 mol/L NaOH without(a) and with(b) 10 mmol/L glucose The scan rate is 50 mV/s.

比較圖5(A)和(B)可以看出, 由于石墨烯的加入, 葡萄糖的氧化峰電流明顯增大, 這可能是由于石墨烯具有優(yōu)異的導電性, 能夠提高Ni(OH)2與電極表面之間的電子轉移所致; 而且將Ni(OH)2負載到石墨烯表面后, Ni(OH)2納米材料的形貌發(fā)生了很大改變, 與石墨烯形成了二維花瓣狀的網絡復合結構, 增加了催化劑的比表面積, 有利于提高催化劑的催化活性.

2.4 電極的葡萄糖檢測性能

Fig.6 Dependence of the response of electrocatalytic oxidation of 1 mmol/L glucose at Ni(OH)2-graphene/GCE on the detection potential

將Ni(OH)2-graphene修飾電極用于無酶葡萄糖檢測, 首先考察了不同檢測電位下1 mmol/L葡萄糖的響應電流. 如圖6所示, 隨著檢測電位的正移, 葡萄糖氧化電流先增大后減小, 在0.50 V處達到最大值, 因此實驗選擇0.50 V為最佳檢測電位.

圖7示出了Ni(OH)2-graphene修飾電極在0.1 mol/L的NaOH溶液中對葡萄糖的安培響應. 由圖7(A)可見, 葡萄糖在Ni(OH)2-graphene修飾電極表面響應迅速, 達到95%響應值的時間為2～3 s; 由圖7(B)可見, Ni(OH)2-graphene修飾電極對葡萄糖響應的線性范圍為0.01～7.5 mmol/L, 響應靈敏度為174.7 μA·cm-2·mmol·L-1, 相關系數為0.9992, 檢出限為2.0 μmol/L(S/N=3).

Fig.7 Amperometric response of Ni(OH)2-graphene/GCE to successive addition of glucose in NaOH at the applied potential of 0.50 V(A) and calibration curve for glucose obtained at the electrode(B)

為了評價該傳感器的性能, 比較了單獨的Ni(OH)2納米材料以及近期報道的無酶葡萄糖傳感器的檢測性能. 由表1可見, 此傳感器具有較高的靈敏度、 較寬的線性范圍和較低的檢出限. 此結果表明, Ni(OH)2-graphene修飾電極對葡萄糖具有良好的催化作用, 其主要原因是將Ni(OH)2納米結構負載到石墨烯表面, 不僅加快了底物的電子傳遞速率, 而且形成的獨特二維花瓣狀網絡結構增大了Ni(OH)2電極的電催化活性面積, 從而提高了該納米復合結構對葡萄糖的檢測性能.

Table 1 Analytical parameters obtained at different glucose sensors

2.5 電極的穩(wěn)定性和選擇性

Fig.8 Amperometric responses of the Ni(OH)2-graphene/GCE to 1 mmol/L glucose, 0.1 mmol/L AA and 0.1 mmol/L DA at an applied potential of 0.50 V

為考察電極的重現性和穩(wěn)定性, 用同一根Ni(OH)2-graphene/GCE對10 mmol/L的葡萄糖溶液平行測定5次, 相對標準偏差(RSD)為3.20%; 用相同方法制備5根Ni(OH)2-graphene/GCE并分別對同一葡萄糖溶液進行檢測, 其RSD為3.62%, 表明該電極具有良好的重現性. 將該電極于4 ℃下放置1個月后, 該電極的電化學響應信號仍為初始信號的96%, 說明該電極具有良好的穩(wěn)定性.

在實際樣品中有許多電化學活性物質, 如抗壞血酸(AA)、 多巴胺(DA)等會干擾葡萄糖的檢測, 為了考察該傳感器的選擇性, 在最佳檢測電位(0.50 V)下, 對AA和DA進行了干擾測定. 圖8結果表明, 在葡萄糖濃度為1 mmol/L時, 0.1 mmol/L的AA和0.1 mmol/L的DA所產生的干擾電流可以忽略不計; 當繼續(xù)加入1 mmol/L葡萄糖時, 其響應電流幾乎無變化, 說明基于Ni(OH)2-graphene修飾電極制備的葡萄糖傳感器對葡萄糖具有良好的選擇性.

2.6 實際樣品測定

為了驗證所構建傳感器的實際應用性能, 將其用于人血清中葡萄糖的檢測; 為了進一步檢驗該傳感器的可靠性, 采用市售的血糖分析儀對同樣的血清樣品進行了檢測. 表2結果表明, 2種方法的測定結果接近, 說明所構建的無酶葡萄糖傳感器可用于實際樣品分析.

Table 2 Determination of glucose concentration in the blood sample by Ni(OH)2-graphene/GCE(n=5)

3 結 論

利用微波輔助合成法制備了具有獨特二維花瓣狀網絡結構的Ni(OH)2-graphene復合材料. 由于Ni(OH)2獨特的二維花瓣狀網絡結構與石墨烯大的比表面積和高電導率的協(xié)同作用, 該納米復合結構對葡萄糖氧化反應表現出了優(yōu)異的電催化活性, 據此構建的無酶葡萄糖傳感器具有線性范圍寬、 靈敏度高及檢出限低等優(yōu)點, 同時具有良好的穩(wěn)定性和選擇性, 可用于實際樣品的分析檢測.

支持信息見http://www.cjcu.jlu.edu.cn/CN/10.7503/cjcu20150593.

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(Ed.: N, K)

? Supported by the National Natural Science Foundation of China(No. 21401106), the Natural Science Foundation of Jiangsu Province, China(No. BK20140090), the Open Project of Jiangsu Key Laboratory of New Power Batteries, China(No. Power-2013-1), the Jiangsu Provincial Undergraduate Innovation Training Programs, China(No. 201411460046X) and the Key Research Project of Nanjing Xiaozhuang University, China(No. 2015NXY02).

Microwave-assisted Fabrication of Nickel Hydroxide-Graphene Nanostructures and Their Application in Electrochemical Detection of Glucose?

HU Yaojuan*, HUANG Mengdan, CHEN Changyun, ZHANG Changli

(School of Environmental Science, Nanjing Xiaozhuang University, Nanjing 211171, China)

The nickel hydroxide-graphene[Ni(OH)2-graphene] nanostructures were fabricated by facile microwave method, and the structure and electrocatalytic activities of the synthesized nanostructures were characterized via scanning electron microscopy(SEM), X-ray photoelectron spectroscopy(XPS), X-ray powder diffraction(XRD), energy-dispersive spectroscopy(EDS), electrochemical impedance spectroscopy(EIS) and cyclic voltammetry. The results indicated that the Ni(OH)2-graphene nanotructures exhibited a higher electrocatalytic activity than the Ni(OH)2nanoparticles. A glucose nonenzyme sensor was developed based on the Ni(OH)2-graphene nanotructures. The sensor exhibited a low detection limit of 2 μmol/L, a wide linear range from 0.01 to 7.5 mmol/L, and a high sensitivity of 174.7 μA·cm-2·mmol·L-1. In addition, the sensor exhibited excellent stability and selectivity for the glucose detection, and it could be used to analyze real samples.

Nickel hydroxide-graphene nanostructure; Microware-assisted method; Nonenzyme glucose sensor

10.7503/cjcu20150593

2015-07-29.

日期: 2015-12-26.

國家自然科學青年基金(批準號: 21401106)、 江蘇省自然科學青年基金(批準號: BK20140090)、 江蘇省新型動力電池重點實驗室開放課題(批準號: Power-2013-1)、 江蘇省大學生實踐創(chuàng)新訓練計劃項目(批準號: 201411460046X)和南京曉莊學院重點項目(批準號: 2015NXY02)資助.

O657

A

聯系人簡介: 胡耀娟, 女, 博士, 講師, 主要從事電分析方面的研究. E-mail: huyaojuan@njxzc.edu.cn