關(guān)高明，柯汝丹，邱燕璇，黎秀鎮(zhèn)，謝思怡，劉江帆，蔣遼川

(廣東第二師范學院 化學系，廣東 廣州 510730)

隨著人們生活水平的日益提高，高血糖病患的比率也在逐年上升。血糖，作為人類生命進程的重要指標之一，其含量檢測對人類的健康及疾病的診斷、治療和控制均有著十分重要的意義[1]。因此，如何快速、便捷、準確地檢測血糖含量，成為當今亟需解決的課題。而隨著電化學分析技術(shù)的迅速發(fā)展，電化學傳感器作為一種基于電分析化學檢測基礎(chǔ)的裝置，能感受到被測量的電信號(電位、電流、電導(dǎo)，電容)的變化，并將其轉(zhuǎn)換成可識別的信號，從而可快速、準確、有選擇性地檢測待測物濃度或含量[2-4]。

葡萄糖電化學傳感器可分為有酶型傳感器和無酶型傳感器[5-6]。有酶型傳感器靈敏度高，對葡萄糖的檢測具有專一性，抗干擾能力強，但載酶條件苛刻，不僅需低溫保存，且容易失活，還受酸堿度和環(huán)境濕度的影響，因此實際應(yīng)用受到限制。相比而言，無酶型傳感器具有易于制備、靈敏度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，引起了研究者們的廣泛關(guān)注。常見的傳感器電極材料分為貴金屬和過渡金屬及其氧化物兩類。其中，貴金屬包含Pt、Au、Pd及其合金等納米材料[7-10]，雖然靈敏度高，但成本昂貴，不利于廣泛應(yīng)用；過渡金屬及其氧化物包括Cu/CuO、Ni/NiO、MnO2、Co3O4等納米材料[11-16]，通過控制形貌，可制得較大比表面積的電極材料，對葡萄糖也具有較好的電催化作用。

銅(Cu)和氧化亞銅(Cu2O)是常見的賤金屬及其氧化物，因其成本低、不易中毒，在堿性條件下對葡萄糖具有優(yōu)異的電催化性能，因而被用于無酶型葡萄糖傳感器的制備[17-18]。Cu2O是一種典型的p型半導(dǎo)體，構(gòu)建傳感器電極后，其d軌道中的電子將與葡萄糖分子結(jié)合，并發(fā)生吸附。在施加偏壓的條件下，目標分子將與Cu2O發(fā)生電催化氧化，即：葡萄糖失去電子轉(zhuǎn)移至Cu2O表面，但Cu2O作為半導(dǎo)體，其傳荷阻抗大導(dǎo)致電子傳輸速率緩慢，不利于對葡萄糖的快速響應(yīng)。此外，傳統(tǒng)的Cu2O納米粉體材料易發(fā)生團聚現(xiàn)象，阻礙電子快速轉(zhuǎn)移至外電路。因此，將Cu2O負載到導(dǎo)電性好，又具有大比表面積的基底材料上，可有效降低阻抗并增加催化活性位點，實現(xiàn)對葡萄糖電催化性能的增強作用。

TiO2陣列納米管(TiO2NTAs)除了具有優(yōu)良的穩(wěn)定性和生物兼容性，還具備大比表面積的三維空間結(jié)構(gòu)[19-20]，在傳感器領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，是一種潛在的電化學傳感器基底材料[21]。雖然將TiO2NTAs單獨作為電極時對葡萄糖無電催化作用，但以其作為基底與Cu2O復(fù)合，可形成既具有高比表面積的三維陣列結(jié)構(gòu)又兼具催化活性的電極材料[22]，使更多的Cu2O可在其管口、內(nèi)壁和外壁均勻分布，形成異質(zhì)結(jié)相界面。由于TiO2陣列納米管也屬于半導(dǎo)體，導(dǎo)電性較差，同樣不利于電子的快速傳導(dǎo)。如何提高電子轉(zhuǎn)移速率，成為這類電化學傳感器目前亟需解決的關(guān)鍵問題之一。受到“夾心餅干”的啟發(fā)，本文嘗試在兩種半導(dǎo)體相界面的中間構(gòu)建導(dǎo)電層，為電子轉(zhuǎn)移提供連續(xù)的導(dǎo)電路徑，以提高電子導(dǎo)向性傳遞，起到異質(zhì)協(xié)同作用，從而大大提高無酶型電化學傳感器對葡萄糖的電催化性能。

基于上述思路，本研究首先采用陽極氧化法制備TiO2NTAs；在此基礎(chǔ)上，巧妙地利用方波脈沖伏安法可控制備Cu單質(zhì)層，形成Cu/TiO2NTAs；最后通過控制煅燒條件，使僅在表面發(fā)生氧化，制得Cu2O@Cu/TiO2NTAs夾心結(jié)構(gòu)的同軸三維陣列。以X-射線衍射、掃描電鏡及透射電鏡技術(shù)對其物相、形貌、粒徑進行表征，并將其作為無酶型葡萄糖傳感器，通過差分脈沖伏安法、計時電流法等研究該納米復(fù)合材料對葡萄糖的電催化性能。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

MIRA3 LUM場發(fā)射掃描電鏡(SEM，Tescan公司)；D8 ADVANCE ECO粉末X射線衍射儀(XRD，Bruker公司)；Tecnai F20高倍透射電鏡(TEM,美國FEI公司)；CS350電化學工作站(武漢科思特儀器有限公司)；WYJ-GA高壓數(shù)顯示穩(wěn)壓電源( 南京桑力設(shè)備廠)。

氟化銨、乳酸、乙二醇、聚乙二醇、十二烷基硫酸鈉、氫氧化鈉(分析純，天津市大茂化學試劑廠)；硫酸銅(分析純，廣東光華化學廠有限公司)；碳酸鈉(分析純，廣州化學試劑廠)。

1.2 Cu2O@Cu/TiO2 NTAs納米復(fù)合材料的制備

1.2.1 TiO2陣列納米管(TiO2NTAs)的制備將處理好的鈦片(1 cm×4 cm)作為陽極，Pt片為陰極，兩電極平行間距為1 cm，電解液組成為：2.0 g 氟化銨、25 mL 水、60 mL乳酸、50 mL聚乙二醇，以乙二醇定容至500 mL。恒壓180 V，電解時間為600 s，即可得TiO2陣列納米管，外觀呈金黃色。

1.2.2 Cu2O@Cu/TiO2NTAs納米復(fù)合材料的制備采用三電極體系，以方波脈沖法進行電沉積，工作電極為TiO2NTAs，輔助電極為Cu片，參比電極為Ag/AgCl(飽和KCl)參比電極，電解液為0.01 mol/L CuSO4，陽極和陰極的脈沖電流密度相同，均為160 mA/cm2，但脈沖時間不同，分別為2 ms和8 ms，關(guān)斷時間為1 000 ms，沉積時間為25～45 min，制得Cu/TiO2NTAs，再將其放入馬弗爐中350 ℃煅燒1.5 h，即得到黑色的Cu2O@Cu/TiO2NTAs納米復(fù)合材料。

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD物相分析

圖1為Cu2O@Cu/TiO2NTAs納米復(fù)合材料的XRD分析，與Cu和Cu2O的PDF標準卡片對比，復(fù)合電極材料的2θ在43.407°，對應(yīng)Cu(111)晶面，而在29.632°、36.502°、42.401°、61.518°和73.697°分別對應(yīng)Cu2O的(110)、(111)、(200)、(220)和(311)晶面，由此可判斷Cu和Cu2O已成功負載于TiO2NTAs；與此同時，并未發(fā)現(xiàn)TiO2NTAs的衍射峰，這是由于利用方波脈沖法在其表面生成了致密的Cu層所致。通過控制煅燒時間和溫度，僅將外層Cu單質(zhì)氧化為Cu2O，內(nèi)層Cu單質(zhì)并未完全轉(zhuǎn)化，因此Cu和Cu2O共存。

圖1 Cu2O@Cu/TiO2 NTAs納米復(fù)合材料的XRD譜Fig.1 XRD spectrum of Cu2O@Cu/TiO2 NTAs nanocomposite material

2.2 SEM形貌分析

分別考察了TiO2NTAs(圖2A)及Cu2O@Cu/TiO2NTAs納米復(fù)合材料(圖2B)的SEM圖。從圖2A可以看出，在電壓為180 V，電解時間為600 s時，可得到排布整齊，管孔徑分布均勻，具有三維結(jié)構(gòu)的TiO2NTAs。其外徑為260 nm，內(nèi)徑為100 nm，管壁厚為80 nm。這種三維結(jié)構(gòu)陣列納米管作為“支撐骨架”擁有較大的比表面積，可提供更多的活性位點。將Cu2O@Cu/TiO2NTAs的SEM圖(圖2B)與圖2A進行對比，可觀察到TiO2NTAs管口以及內(nèi)外壁均已負載納米Cu2O顆粒。

進一步考察含不同濃度Cu2+(0.01、0.02、0.03、0.04、0.05 mol/L)的電鍍液中，納米復(fù)合材料的形貌變化情況(圖2B～F)。可以看出，脈沖沉積時間均為40 min時，隨著Cu2+濃度的逐步增加，脈沖電沉積的Cu單質(zhì)層逐漸變厚，最終使得煅燒后的Cu2O納米顆粒呈現(xiàn)在管口覆蓋并聚攏封口的趨勢，這將阻礙葡萄糖分子進入TiO2NTAs內(nèi)，較難與管內(nèi)的Cu2O發(fā)生反應(yīng)。因此，實驗選擇0.01 mol/L CuSO4作為電鍍液的最佳實驗條件。

圖2 TiO2 NTAs的SEM圖(A)及不同Cu2+濃度脈沖電沉積制備Cu2O@Cu/TiO2 NTAs納米復(fù)合材料的SEM圖(B～F)Fig.2 SEM images of TiO2 NTAs(A) and Cu2O@Cu/TiO2 NTAs nanocomposite prepared by pulse electrodeposition with different Cu2+ concentrations(B-F)Cu2+ concentration(B-F)：0.01，0.02,0.03，0.04,0.05 mol/L

2.3 TEM表征

由圖3A的透射電鏡(TEM)圖可以看出，TiO2納米管的管口頂端有納米顆粒生長，結(jié)合XRD和SEM實驗結(jié)果，推斷TiO2納米管上的物質(zhì)為Cu2O@Cu。此外，還可看到管的外表面被Cu2O薄層所包覆。圖3B為放大的高倍透射電鏡(HR-TEM)圖，表面呈現(xiàn)出不同的晶面間距：0.247 8 nm和0.261 nm，分別對應(yīng)單質(zhì)Cu的(111)晶面和Cu2O的(220)晶面，進一步證實材料表面為Cu2O@Cu。圖3C為選區(qū)電子衍射(SAED)圖，通過衍射環(huán)可判斷出具有多個晶面，說明納米復(fù)合材料是一種混晶結(jié)構(gòu)。

圖3 Cu2O@Cu/TiO2 NTAs納米復(fù)合材料的透射電鏡圖(A),高倍透射電鏡圖(B)及選區(qū)電子衍射圖(C)Fig.3 TEM(A),HR-TEM(B) and SAED(C) images of Cu2O@Cu/TiO2 NTAs nanocomposite material

2.4 Cu2O@Cu/TiO2 NTAs對葡萄糖的電化學分析

2.4.1 差分脈沖伏安測試差分脈沖伏安法由于背景電流充分衰減，而法拉第電流充分放大，因此靈敏度很高，常用于電化學傳感器方面的檢測。以50 mL 0.1 mol/L NaOH溶液作為空白電解液，加入2.5 mL 0.1 mol/L葡萄糖溶液進行差分脈沖伏安(DPV)測試，對TiO2NTAs和Cu2O@Cu/TiO2NTAs納米復(fù)合材料的電催化性能進行對比，結(jié)果如圖4所示。從圖中可觀察到，在NaOH溶液中，TiO2NTAs幾乎呈一條水平直線，而Cu2O@Cu/TiO2NTAs從+0.2 V開始，隨著電壓增加，其電流強度持續(xù)增大，這可能是由于Cu2O發(fā)生氧化以及在高電位下發(fā)生水解，兩者綜合作用從而造成法拉第電流增加。加入葡萄糖后，TiO2NTAs無響應(yīng)，說明對葡萄糖無電催化作用，但Cu2O@Cu/TiO2NTAs則從+0.1 V處開始發(fā)生氧化，并在+0.56 V處觀察到明顯的氧化峰，說明該納米復(fù)合材料對葡萄糖具有很強的電催化作用。

圖4 TiO2 NTAs和Cu2O@Cu/TiO2 NTAs的DPV圖Fig.4 DPV curves of TiO2 NTAs and Cu2O@Cu/TiO2 NTAs

進一步考察了脈沖電沉積時間對電催化性能的影響。結(jié)果顯示，在0.01 mol/L的CuSO4電鍍液中，隨著脈沖沉積時間的增長，相應(yīng)條件制備得到的Cu2O@Cu/TiO2NTAs對葡萄糖的響應(yīng)電流也逐漸增加。當脈沖沉積時間為40 min時，Cu2O@Cu/TiO2NTAs對葡萄糖的響應(yīng)電流最明顯，說明此時電催化活性最高。但沉積時間超過40 min時，葡萄糖的氧化峰電流值有所下降，這可能是由于過量沉積，Cu單質(zhì)在TiO2NTAs表面發(fā)生團聚，比表面積降低所致。因而，實驗選擇40 min為最佳脈沖沉積時間。

2.4.2 交流阻抗測試交流阻抗技術(shù)是研究電極過程的重要測試手段，通過頻率的變化可研究電極表面的動力學過程。在三電極體系中，將TiO2NTAs和Cu2O@Cu/TiO2NTAs作為測試電極分別置于含有5 mmol/L K3[Fe(CN)6]和K2[Fe(CN)6]的溶液中進行交流阻抗測試，頻率變化范圍為100 000～0.1 Hz，結(jié)果如圖5所示。由圖5A可知，TiO2NTAs電極在整個頻率范圍內(nèi)呈現(xiàn)一段圓弧，說明電極表面與溶液之間形成雙電層電容，主要受傳荷過程控制。經(jīng)過數(shù)據(jù)擬合，其傳荷阻抗非常大，Rct為52 665 Ω，這也說明電荷傳遞過程十分遲緩，可以推斷葡萄糖分子在電極表面不易失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)；而由圖5A的插圖(高頻區(qū)放大圖)可以看出，Cu2O@Cu/TiO2NTAs電極在高頻區(qū)出現(xiàn)半圓弧，低頻區(qū)為一條斜向上45°的直線，說明該電極受到傳荷控制和擴散控制，即為混合控制過程。此外，在350 ℃下對Cu/TiO2NTAs復(fù)合材料熱處理150 min，制得完全氧化后的Cu2O/TiO2NTAs電極，并對其進行阻抗研究。由圖5B可知，該電極和Cu2O@Cu/TiO2NTAs電極的阻抗譜圖較為相似，說明也受混合控制。

由圖5A在高頻區(qū)的放大圖可知，Cu2O@Cu/TiO2NTAs電極的溶液阻抗Rs較小，為8.6 Ω，傳荷阻抗Rct僅為1.8 Ω，遠遠小于TiO2NTAs的傳荷阻抗值；而完全氧化后的Cu2O/TiO2NTAs電極的Rs為9.9 Ω，Rct為526.2 Ω(圖5B)，其傳荷阻抗值是Cu2O@Cu/TiO2NTAs電極的292倍，這說明電荷傳遞過程較為遲緩，阻礙電子傳導(dǎo)。阻抗實驗結(jié)果的對比表明Cu2O@Cu/TiO2NTAs具有優(yōu)良的電子傳導(dǎo)性能，這是由于作為中間過渡層的Cu單質(zhì)有利于在相界面處的葡萄糖發(fā)生氧化后進行電子的快速轉(zhuǎn)移，使電流響應(yīng)更為迅速。

圖5 TiO2 NTAs、Cu2O@Cu/TiO2 NTAs(A)及Cu2O/TiO2 NTAs(B)的Nyquist圖Fig.5 Nyquist plots of TiO2 NTAs,Cu2O@Cu/TiO2 NTAs(A) and Cu2O/TiO2 NTAs(B)insert:the enlarged view in high frequency region

2.4.3 葡萄糖的檢測范圍與靈敏度在 50 mL 0.1 mol/L NaOH溶液中，采用計時電流法對Cu2O@Cu/TiO2NTAs納米復(fù)合材料電極進行計時電流測試，選擇的極化電位為該材料對葡萄糖的電催化氧化電位+0.56 V(如圖6A所示)。在測試過程中，每間隔100 s向NaOH溶液中加入50 μL 1 mol/L葡萄糖溶液，直到極化曲線出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點，最后得到該納米復(fù)合電極材料對葡萄糖響應(yīng)的I～t曲線。為減小實驗誤差，重復(fù)3次計時電流實驗，求出電流平均值，對其進行線性擬合，結(jié)果見圖6B。

圖6 葡萄糖響應(yīng)的I～t曲線(A)及其線性擬合曲線(B)Fig.6 I～t curve of glucose response(A) and its linear range fitting curve(B)

結(jié)果顯示，葡萄糖在0.19 ～3.5 mmol/L濃度范圍內(nèi)呈良好線性，其線性方程為I=0.372 1c-0.072 45，r2=0.996 4，經(jīng)換算得到其靈敏度為372.0 μA·L·mmol-1·cm-2。根據(jù)3倍信噪比，測得葡萄糖的檢出限為3 μmol/L。與文獻報道的各種葡萄糖傳感器相比(見表1)[10,14,23-28]，該傳感器的靈敏度明顯提高，說明所制備的納米復(fù)合材料對葡萄糖具有較強的電流響應(yīng)。

表1 不同電極材料對葡萄糖的電催化參數(shù)對比Table 1 Comparison of electrocatalytic parameters of different electrode materials for glucose

2.4.4 抗干擾測試人體血液中除葡萄糖之外，還有一些與其結(jié)構(gòu)相似的糖類物質(zhì)，這些干擾物質(zhì)也可能產(chǎn)生響應(yīng)。采用計時電流法對模擬人體血液中的各種糖類物質(zhì)和無機鹽濃度進行檢測，以考察其抗干擾能力。其中葡萄糖與干擾物質(zhì)的濃度之比為10∶1，測試的極化電位為+0.56 V，在50 mL 0.1 mol/L NaOH的溶液中滴加50 μL 1 mol/L葡萄糖溶液，每間隔100 s依次加入相同體積0.1 mol/L的果糖、蔗糖、乳糖、麥芽糖、抗壞血酸、尿素及次亞磷酸鈉，測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 抗干擾實驗Fig.7 Anti-interference experiment

由圖7可看出，加入葡萄糖后響應(yīng)電流變化十分明顯，電流上升速度快，達到穩(wěn)定平臺約為1 s，說明Cu2O@Cu/TiO2NTAs對葡萄糖響應(yīng)快速，且有很強的電催化作用。雖然電極對果糖和抗壞血酸有較微弱的響應(yīng)，但二者的響應(yīng)電流均小于葡萄糖響應(yīng)電流的6.5%，且對蔗糖、乳糖、麥芽糖、尿素、次亞磷酸鈉幾乎無響應(yīng)，說明該納米復(fù)合材料對葡萄糖具有較好的選擇性。

2.4.5 血糖含量的測定為了探索Cu2O@Cu/TiO2NTAs電極的實際應(yīng)用，將其用于人體血清中葡萄糖含量的測定。將采集到的3份健康人的新鮮血樣置于離心機中，以2 500 r/min進行離心，得到的上層淡黃色透明液體即為血清。用微量進樣器準確吸取50 μL血清，加至10 mL 0.10 mol/L的NaOH溶液中，通過計時電流曲線定量測定，對每份血樣進行3次平行測定，計算血糖含量。之后，再于NaOH溶液中加入50 μL 5.0 mmol/L的葡萄糖標準溶液，進行回收率測定。結(jié)果顯示，3份血樣的血糖濃度分別為4.9、4.6、5.5 mmol/L，與醫(yī)院的測定結(jié)果(5.1、4.7、5.8 mmol/L)無顯著差異。加標回收率實驗顯示，葡萄糖的回收率為96.0%～98.0%，相對標準偏差(RSD)不大于3.8%。方法具有較好的準確度與精密度。

3 結(jié) 論

本文采用陽極氧化法首先制備出TiO2陣列納米管，然后采用脈沖沉積法負載Cu層，最后經(jīng)煅燒成功制得Cu2O@Cu/TiO2NTAs納米復(fù)合材料。電化學測試結(jié)果表明，該納米復(fù)合材料對葡萄糖具有較強的電催化作用，氧化峰電位為+0.56 V，靈敏度可達372.0 μA·L·mmol-1·cm-2，響應(yīng)電流與葡萄糖濃度在0.19～3.5 mmol/L范圍內(nèi)呈良好線性，電流響應(yīng)時間約為1 s。該納米復(fù)合材料作為電極具有靈敏度及選擇性高，響應(yīng)快速等特點，是一種較為理想的無酶型葡萄糖電化學傳感器，可用于人體血糖含量的測定。