楊亦宸， 錢 媛， 肖 瑤， 戴高鵬， 羅天雄， 劉素芹

(湖北文理學(xué)院化學(xué)工程與食品科學(xué)學(xué)院，低維光電材料與器件湖北省重點實驗室，湖北襄陽 441053)

葡萄糖的分析與檢測對于人類的健康以及疾病的診斷、控制和治療有著重要意義。測定葡萄糖的方法很多，其中電化學(xué)分析方法以其靈敏度高、選擇性好和分析費用低等特點在臨床分析中得到了廣泛的應(yīng)用。近年無酶葡萄糖傳感器的研制成為葡萄糖電化學(xué)傳感的研究熱點[1 - 4]。而利用過渡金屬、過渡金屬氧化物、硫化物、氫氧化物及其混合金屬氧化物、硫化物對葡萄糖優(yōu)異的電催化氧化性能，制備非酶葡萄糖電化學(xué)傳感器引起了人們的廣泛關(guān)注[5 - 11]。Co、Ni是無酶葡萄糖傳感器應(yīng)用較多的過渡金屬修飾電極材料，其金屬及金屬氧化物和混合金屬氧化物、硫化物納米結(jié)構(gòu)顯示了較高的電催化活性。

本文采用水熱法制備NiCo2O4、NiCo2O4/還原石墨烯(rGO)復(fù)合材料。采用滴涂法制備了NiCo2O4/rGO復(fù)合修飾電極。實驗結(jié)果表明，該修飾電極在強堿性條件下對葡萄糖具有良好的電催化氧化作用，其氧化峰電流隨葡萄糖濃度增大而增大。該無酶葡萄糖傳感器制備過程簡單、線性范圍寬、靈敏度高、選擇性高，將其應(yīng)用于葡萄糖注射液中葡萄糖的檢測，獲得結(jié)果較好。

1 實驗部分

1.1 儀器及試劑

RST5000電化學(xué)工作站(蘇州瑞思特儀器有限公司)；三電極體系：修飾玻碳電極(GCE,Φ=2 mm)作為工作電極，飽和甘汞電極作為參比電極，鉑電極作為輔助電極；S-4800掃描電子顯微鏡(日本，日立公司)；D/MAX-RB X-射線衍射儀(Cu旋轉(zhuǎn)陽極靶，日本，Rigaku)。

Ni(NO3)2，NiCl2，Co(NO3)2，CoCl2，無水乙醇，天然石墨粉，H2SO4，KMnO4，K3[Fe(CN)6]，KNO3，葡萄糖，瓊脂糖，氨水。實驗中所用的試劑均為分析純，實驗用水為二次去離子水。

1.2 氧化石墨烯的制備

氧化石墨烯按照Hummer方法制備。將盛有46 mL濃H2SO4的500 mL錐形瓶置于冰浴中，邊攪拌邊加入2 g天然石墨，將6 g KMnO4緩慢加入到錐形瓶內(nèi)的混合溶液中，30 min后去除冰浴，得到深綠色溶液，再緩慢加入92 mL水?dāng)嚢? h；然后將錐形瓶移至沸水浴中，保持30 min后加20 mL 30%H2O2和280 mL水到溶液中，高溫反應(yīng)1 h，趁熱過濾，高速離心，用15%HCl，乙醇洗滌數(shù)次。60 ℃真空干燥24 h后，備用。

1.3 NiCo2O4/rGO復(fù)合材料的制備

稱取10 mg氧化石墨烯于100 mL無水乙醇中，超聲分散后，加入7 mL 0.2 mol/L Co(NO3)2和3 mL 0.2 mol/L Ni(NO3)2，2 mL水，2.5 mL濃氨水。轉(zhuǎn)入200 mL圓底燒瓶中。在80 ℃回流10 h后轉(zhuǎn)入水熱釜中。在220 ℃下反應(yīng)72 h。冷卻、離心分離、洗滌，干燥得到NiCo2O4/rGO復(fù)合材料。NiCo2O4粉末的制備不添加氧化石墨烯，其余方法相同。

1.4 NiCo2O4/rGO修飾電極的制備

用粒徑為0.3和0.05 μm的Al2O3乳液將裸玻碳電極(GCE)拋光至鏡面，再用水和乙醇超聲清洗。取10 mg所制備的NiCo2O4加入到3 mL無水乙醇中，加入5 μL瓊脂糖。超聲分散。待NiCo2O4/rGO分散完全后，用滴涂法滴到處理好的GCE上。

2 結(jié)果與討論

2.1 掃描電鏡測試分析

圖1為水熱法合成的NiCo2O4、rGO及NiCo2O4/rGO復(fù)合物的掃描電鏡(SEM)圖像。如圖1(a)和1(b)，所合成的NiCo2O4為球型花狀，由晶型很好的納米片組成，納米片長3～4 μm，厚100 nm，一個花狀結(jié)構(gòu)的尺寸為10～12 μm。圖1(c)為rGO的SEM照片，我們可以看到石墨烯的部分片層重疊在一起，大量褶皺起伏如波浪，呈紗狀半透明薄片。圖1(d)為NiCo2O4/rGO復(fù)合物的SEM圖片，從圖中可以看到NiCo2O4和rGO復(fù)合在一起，還原石墨烯充當(dāng)了花托的角色。

圖1 NiCo2O4高倍(a)和低倍(b)、rGO(c)和NiCo2O4/rGO復(fù)合物(d)的掃描電鏡(SEM)圖Fig.1 SEM images of NiCo2O4 for high magnification(a) and low magnification(b),rGO (c) and NiCo2O4/rGO composite(d)

2.2 X-射線衍射測試分析

圖2 合成鈷酸鎳的X-射線衍射(XRD)圖Fig.2 XRD pattern of as-prepared NiCo2O4

合成的NiCo2O4的X-射線衍射(XRD)圖見圖2，制備所得樣品的特征峰均與JCPDS No.20-0781相一致，在31.1°、36.7°、38.4°、44.6°、59°處出現(xiàn)NiCo2O4的(220)、(311)、(222)、(400)、(511)和(440)的平面衍射角，沒有任何原始氧化物和其它雜質(zhì)相，表明所制備的樣品為純相NiCo2O4。

2.3 不同電極的電化學(xué)行為

考察了裸GCE、NiCo2O4修飾電極、NiCo2O4/rGO復(fù)合修飾電極的電化學(xué)行為，見圖3。從圖中曲線a可以看出，在裸GCE上沒有明顯的氧化還原峰出現(xiàn)。而從曲線b可看出，NiCo2O4修飾GCE上出現(xiàn)了一對明顯的氧化峰和還原峰，峰電位分別為0.24 V和0.42 V。在NiCo2O4/rGO復(fù)合修飾電極上，也出現(xiàn)了一對明顯的氧化還原峰，峰電位分別為0.21 V和0.44 V，而且氧化峰和還原峰的峰形尖銳，且峰電流較NiCo2O4修飾電極大很多。這可能是因為rGO具有良好的導(dǎo)電性，同時NiCo2O4是一種良好的催化劑，二者協(xié)同作用使峰電流進一步增大。

2.4 支持電解質(zhì)的選擇

研究了NiCo2O4/rGO復(fù)合修飾電極在不同支持電解質(zhì)中的電化學(xué)行為，其中掃速為100 mV/s，電位范圍為0～0.6 V。如圖4所示，可以看到在KOH支持電解質(zhì)中無明顯現(xiàn)象。而在不同濃度的NaOH溶液中均可以出一對明顯的氧化還原峰，且隨著NaOH溶液濃度的降低氧化峰電流不斷增大，說明該修飾電極在0.1 mol/L NaOH溶液中電化學(xué)行為最好。

圖3 不同電極的循環(huán)伏安圖Fig.3 Cyclic voltammograms of different electrodes a.bare GCE；b.NiCo2O4 modified electrode;c.NiCo2O4/rGO composite modified electrode.

圖4 不同支持電解質(zhì)的影響Fig.4 Effects of different support electrolytes

圖5 NiCo2O4/rGO復(fù)合修飾電極在不同掃速下的循環(huán)伏安圖;內(nèi)插圖為峰電流與掃速關(guān)系圖Fig.5 Cyclic voltammograms of NiCo2O4/rGO composite modified electrode in 0.1 mol/L NaOH solution at various scan rates;Inset the phots of peak current and scan rate a-i:20,40,60,80,110,150,210,250 and 300 mV/s,respectively.

2.5 掃速的影響

在20～300 mV/s的掃速范圍內(nèi)研究了掃速的影響,如圖5所示。隨著掃速的增大，該修飾電極的氧化還原峰電流不斷增大，峰電位差變大。峰電流與掃速呈良好的線性關(guān)系(內(nèi)插圖)，說明該修飾電極的氧化還原過程受表面控制。

圖6 NiCo2O4(A)、NiCo2O4/rGO(B)修飾電極加入葡萄糖前(a)后(b)的循環(huán)伏安圖Fig.6 Cyclic voltammograms of NiCo2O4(A),NiCo2O4/rGO(B) modified electrodes in the absence(a) and presence(b) of 960 μmol/L glucose in 0.1 mol/L NaOH solution scan rate:100 mV/s.

2.6 修飾電極對葡萄糖的電催化氧化

圖6(A)為NiCo2O4修飾電極在0.1 mol/L NaOH溶液中加入960 μmol/L葡萄糖前后的循環(huán)伏安圖。由圖可見，加入葡萄糖后，修飾電極的還原峰電流減小，而氧化峰電流明顯增加，說明NiCo2O4修飾電極對葡萄糖有顯著的電催化氧化作用。圖6(B)為NiCo2O4/rGO復(fù)合修飾電極在0.1 mol/L NaOH溶液中加入960 μmol/L葡萄糖前后的循環(huán)伏安圖。其催化活性比NiCo2O4修飾電極要高得多，說明rGO的摻入提高了NiCo2O4對葡萄糖的電催化活性。其原因可能為:還原石墨烯具有良好的納米模板作用，分散性好，使得電極表面具有更好的通透性和更大的表面積，從而提高了催化活性。另外，從圖中可以看到，電催化氧化葡萄糖后的峰電位都有正移的趨勢，可能與氧化過程發(fā)生后溶液的pH改變有關(guān)。其催化機理可能為：NiCo2O4在堿性介質(zhì)中分別被氧化生成CoO2和NiOOH，由于Co(Ⅳ)/Co(Ⅲ)和Ni(Ⅲ)/Ni(Ⅱ)的氧化還原峰電位很接近，因此在圖中表現(xiàn)為一對寬峰。當(dāng)加入葡萄糖時，發(fā)生NiOOH+葡萄糖→Ni(OH)2+葡糖酮醛和CoO2+葡萄糖→CoOOH+葡糖酮醛兩個反應(yīng)，葡萄糖被電催化氧化，因此氧化峰電流增加。

圖7為NiCo2O4/rGO修飾電極在0.1 mol/L NaOH溶液中加入不同濃度葡萄糖后的循環(huán)伏安圖。由圖可以看出，隨著葡萄糖濃度的加大，氧化峰電流逐漸增加(內(nèi)插圖為放大圖)。說明復(fù)合修飾電極對葡萄糖的電催化受葡萄糖濃度的影響，濃度越大，其電催化氧化峰電流增大，催化效果明顯。

2.7 安培法檢測葡萄糖

圖8為NiCo2O4/rGO復(fù)合修飾電極在加入不同量葡萄糖時的動力學(xué)計時安培圖，測定電位控制為0.44 V。由圖可見，隨著葡萄糖的加入，電流以臺階狀逐漸增加，符合穩(wěn)態(tài)電流的特征，響應(yīng)時間小于5 s。在優(yōu)化條件下，電流與葡萄糖的濃度在1～1 500 μmol/L范圍內(nèi)時，其氧化峰電流與濃度具有良好的線性關(guān)系(內(nèi)插圖)，其線性方程為：Ipa(μA)=-0.0758+0.0191c(μmol/L)，相關(guān)系數(shù)R=0.9995。檢出限(S/N=3)低至0.1 μmol/L。

圖7 NiCo2O4/rGO復(fù)合修飾電極加入不同濃度葡萄糖后的循環(huán)伏安圖Fig.7 Cyclic voltammogram of NiCo2O4/rGO modified electrode with addition of different concentration of glucose in 0.1 mol/L NaOH solution a-e:180,240,300,540,960 mmol/L,respectively.

圖8 NiCo2O4/rGO復(fù)合修飾電極連續(xù)加入不同濃度葡萄糖時的動力學(xué)計時安培圖;內(nèi)插圖為校正曲線Fig.8 Dynamic amperometric response of different concentration of glucose at the NiCo2O4/rGO composite modified electrode in 0.1 mol/L NaOH solution;Inset was the relationship between oxidation peak current and glucose concentration

2.8 選擇性、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性試驗

在優(yōu)化條件下，用NiCo2O4/rGO修飾電極對960 μmol/L葡萄糖溶液連續(xù)掃描20圈，峰電流的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為3.2%；平行測定11次，RSD為2.5%，說明該修飾電極具有較好的穩(wěn)定性。用同樣的方法分別制備NiCo2O4/rGO修飾電極5支，測定960 μmol/L葡萄糖溶液，RSD為4.7%。將其中1支電極于室溫下放置30 d后重新進行測試，其對葡萄糖的電流響應(yīng)幾乎不變。

2.9 實際樣品的測定

取新鮮血樣1份，經(jīng)離心分離得血清，準(zhǔn)確移取1.00 mL血清，用0.1 mol/L NaOH溶液稀釋100倍后，以NiCo2O4/rGO修飾電極為工作電極，采用標(biāo)準(zhǔn)加入法測定，同時進行加標(biāo)回收實驗，測定結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明該修飾電極可以用于實際樣品的準(zhǔn)確檢測。

表1 樣品分析結(jié)果(n=5)

3 結(jié)論

本文采用水熱法成功制備了NiCo2O4及NiCo2O4/rGO復(fù)合材料。采用滴涂法制備了NiCo2O4/rGO修飾電極，并用該電極研究了其對葡萄糖的電化學(xué)行為。該傳感器的選擇性、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性良好。可用于實際樣品的準(zhǔn)確檢測。