張潤可， 呂汪洋， 陳文興

(浙江理工大學(xué) 紡織纖維材料與加工技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室， 浙江 杭州 310018)

目前，糖尿病已成為嚴(yán)重威脅人類健康的疾病之一。糖尿病患者的診斷和治療需要對體內(nèi)葡萄糖水平進行準(zhǔn)確的監(jiān)測和控制，因此，葡萄糖傳感器在糖尿病管理、臨床診斷和環(huán)境監(jiān)測中起著至關(guān)重要的作用，引起了研究人員的廣泛關(guān)注[1]。葡萄糖氧化酶(GOx)具有良好的催化效率、較高的選擇性和較低的檢測限，被廣泛應(yīng)用于制備葡萄糖傳感器[2]。然而，GOx通常需要在pH值為6～7、低于37 ℃的溫度下儲存，穩(wěn)定性較差且制備成本高，純化過程復(fù)雜[3-4]，而非酶葡萄糖傳感器具有穩(wěn)定性好、重復(fù)性高、成本低的優(yōu)點，是目前研究的熱點[5]。

金屬酞菁(MPc，如鈷酞菁(CoPc)、銅酞菁(CuPc)和鐵酞菁(FePc))的中心金屬離子可與反應(yīng)物可逆結(jié)合，對許多常見的化學(xué)物質(zhì)如過氧化氫[6]、亞硝酸鹽[7]、葡萄糖[8]等的氧化具有良好的電催化活性。然而，MPc的導(dǎo)電性和電化學(xué)活性較差，必須使用導(dǎo)電材料作為載體[9]。碳納米管(CNT)具有獨特的一維納米結(jié)構(gòu)，優(yōu)異的導(dǎo)電性，良好的化學(xué)和熱穩(wěn)定性，較好的吸附性能，已被應(yīng)用于催化劑載體[10-11]。另外，碳納米材料與酞菁間強烈的π-π作用力可形成更穩(wěn)定的復(fù)合材料[12]，因此，碳納米管是一種能與金屬酞菁形成非酶葡萄糖傳感器的重要催化劑載體。

碳纖維織物(CFT)是由2個方向的碳纖維束編織成的柔性碳材料，可在彎曲變形過程中提供精確的生化信息，還具有比表面積高、導(dǎo)電性能好、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)電基底[13]。為此，本文以碳纖維織物為工作電極，負(fù)載鈷酞菁和碳納米管復(fù)合物制備CoPc/CNT/CFT修飾電極，并探究其用于電化學(xué)檢測葡萄糖的效果，為制備可穿戴葡萄糖傳感器提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

材料：碳納米管(CNT)，東京化成業(yè)株式會所；全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物(nafion)，杜邦(中國)集團有限公司；氫氧化鈉(NaOH)、葡萄糖(C6H12O6)，分析純，杭州精細(xì)化工有限公司；鈷酞菁(CoPc)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、蔗糖(C12H22O11)、果糖(C6H12O6)、乳糖(C12H22O11)、半乳糖(C6H12O6)、多巴胺(C8H12O2N)、抗壞血酸(C6H8O6)、尿酸(C5H4N4O3)、亞鐵氰化鉀(K4Fe(CN)6·3H2O)，分析純，阿拉丁試劑(上海)有限公司；碳纖維織物(CFT)，臺灣碳能科技有限公司。

儀器：DHG-9241A型電熱恒溫干燥箱，上海精宏實驗設(shè)備有限公司；CHI760E型電化學(xué)工作站，上海辰華儀器有限公司；ULTRA-55型場發(fā)射掃描電子顯微鏡，卡爾·蔡司股份公司。

1.2 電極的制備

1.2.1 CoPc/CNT和CoPc修飾材料的制備

將1.0 mg CNT加入至1.0 mL DMF溶液中，在封閉玻璃瓶中超聲3 h；然后將3.0 mg CoPc和10 μL nafion溶液添加至CNT分散液中繼續(xù)超聲1 h，混合均勻得到CoPc/CNT修飾材料。同時，將3.0 mg CoPc和10 μL nafion加入至1.0 mL DMF溶液中超聲1 h，混合均勻得到CoPc修飾材料。

1.2.2 CoPc/CNT/CFT修飾電極的制備

首先，對碳纖維織物進行預(yù)處理。將碳纖維織物裁成長方形(1 cm×2 cm)放入丙酮中,浸泡2 h后用乙醇沖洗，然后用去離子水浸泡5 h清洗，直至濾液呈中性，置于60 ℃恒溫干燥箱中干燥12 h后得到CFT電極。

采用滴涂法對預(yù)處理后的CFT電極進行修飾處理。用20 μL微量注射器取20.0 μL CoPc/CNT修飾材料均勻滴涂在CFT電極表面，在60 ℃的烘箱中干燥24 h，溶劑揮發(fā)后得到CoPc/CNT/CFT修飾電極。同時制備了CoPc/CFT修飾電極作為對比，用20 μL微量注射器取20.0 μL CoPc修飾材料均勻滴涂在CFT電極表面，制備方法同上。

1.3 測試與表征

1.3.1 形貌觀察

將CoPc/CNT/CFT修飾電極剪成合適大小，用導(dǎo)電膠貼在載物臺上，在10 kV加速電壓下于場發(fā)射掃描電子顯微鏡上觀察試樣的表面形貌；同時，在1 000倍放大倍數(shù)下檢測CoPc/CNT/CFT修飾電極的表面元素，得到X射線能譜(EDS)圖。

1.3.2 電化學(xué)性能測試

電化學(xué)性能測試均在電化學(xué)工作站上進行。利用電化學(xué)工作站的Ag/AgCl參比電極和鉑片對電極，與CoPc/CNT/CFT修飾電極共同組成三電極體系葡萄糖傳感器。進行電化學(xué)測試之前，對CoPc/CNT/CFT修飾電極進行預(yù)處理，在0.1 mol/L NaOH中以50 mV/s的掃描速率，將電極在-1.0～1.0 V之間進行10個循環(huán)極化，去除可能的表面污染。

電化學(xué)阻抗圖譜(EIS)測試：葡萄糖傳感器應(yīng)具有良好的導(dǎo)電性，本文用電化學(xué)阻抗法評估CFT電極、CoPc/CFT和CoPc/CNT/CFT修飾電極的導(dǎo)電性和電子傳輸速率。在1～1×105Hz頻率范圍，0.1 mol/L NaOH中，使用電化學(xué)工作站對電極進行EIS測試。

循環(huán)伏安(CV)測試：通過循環(huán)伏安測試法可評估不同修飾電極的導(dǎo)電性及電子傳輸速率，且通過氧化還原峰的高度變化驗證修飾電極可對葡萄糖產(chǎn)生電流響應(yīng)。使用電化學(xué)工作站獲得不同修飾電極的循環(huán)伏安曲線，測試電解液為5 mmol/L K4Fe(CN)6·3H2O溶液。實驗在0.1 mol/L NaOH中進行，掃描速度為50 mV/s，電位范圍為-0.8～1.0 V。

葡萄糖電化學(xué)檢測：采用電化學(xué)工作站測試葡萄糖傳感器的時間-電流曲線，得到葡萄糖檢測的檢測限、靈敏度和線性范圍。測試時電解液為0.1 mol/L NaOH溶液，背景電壓為0.7 V。

葡萄糖電化學(xué)檢測可重復(fù)性測試：采用時間-電流實驗法用同1個CoPc/CNT/CFT修飾電極，檢測0.1 mol/L NaOH溶液中對0.1 mmol/L葡萄糖的響應(yīng)電流，每天測試一次，重復(fù)測試10 d，以表征葡萄糖傳感器檢測的可重復(fù)性和穩(wěn)定性。

抗干擾性測試：人的體液中除葡萄糖外，還存在果糖、蔗糖、乳糖、半乳糖、抗壞血酸、多巴胺、尿酸等物質(zhì)，可能會在葡萄糖的檢測中產(chǎn)生干擾電流。本文采用時間-電流測試法在0.7 V的電壓下，在電化學(xué)工作站中，將1.0 mmol/L葡萄糖和0.1 mmol/L干擾物連續(xù)加入0.1 mol/L NaOH中進行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 形貌分析

圖1示出不同修飾電極的掃描電子顯微鏡照片。由圖1(a)可以看出，未被修飾的碳纖維織物表面光滑，碳纖維直徑尺寸均勻，每根纖維直徑約為10 μm，碳纖維之間排列松散且相互接觸。從圖1(b)可以看出，碳纖維上形成了少量的CoPc微晶。由圖1(c)可知，碳纖維織物負(fù)載了CoPc與CNT，CNT的引入能有效分散CoPc，從而提高CoPc的活性位點，其中也包含一些CoPc微晶。

圖1 不同修飾電極的掃描電鏡照片

CoPc/CNT/CFT修飾電極的X射線能譜圖如圖2所示。可以得出：修飾電極表面存在C、N、O、Co元素。其中，C元素主要來自于碳纖維織物和碳納米管，N、C和Co主要來自鈷酞菁。結(jié)合圖1可以說明，本文成功制備了CoPc/CNT/CFT修飾電極。

圖2 CoPc/CNT/CFT修飾電極的EDS圖譜

2.2 電化學(xué)性能分析

未添加葡萄糖時，不同修飾電極的循環(huán)伏安曲線如圖3(a)所示。在CFT電極的CV曲線上可看到1對峰間距為0.35 V的弱氧化還原峰，表明鐵氰化鉀在CFT電極表面的電子轉(zhuǎn)移速率緩慢。

圖3 不同修飾電極的循環(huán)伏安曲線和電化學(xué)阻抗譜圖

在CFT電極表面引入CoPc后，曲線的陽極和陰極峰間距縮小為0.25 V，說明CoPc的引入使CoPc/CNT/CFT修飾電極對[Fe(CN)6]3-/4-的氧化還原峰明顯增強。這是由于CNT的引入不僅提高了電極界面的導(dǎo)電性，還為[Fe(CN)6]3-/4-的氧化還原位點提供了更大的比表面積。綜合以上分析可以得出，CoPc和CNT的結(jié)合協(xié)同使電極的電化學(xué)信號顯著增強。

為進一步探索修飾電極的電化學(xué)性能，對其進行電化學(xué)阻抗譜(EIS)測試，結(jié)果如圖3(b)所示。EIS用于研究電極以獲得電解液和電極表面之間的電子轉(zhuǎn)移信息，其通常包括半圓形部分和線性部分：高頻的半圓部分是由EIS的電子轉(zhuǎn)移電阻(Rct)決定的，半圓的直徑相當(dāng)于電子轉(zhuǎn)移電阻；線性部分通常反映導(dǎo)電性和電子轉(zhuǎn)移過程。由圖3(b)可知：CFT電極的電阻很小，電子轉(zhuǎn)移速度最快，其EIS曲線近似是一條直線；CoPc/CFT和CoPc/CNT/CFT修飾電極的EIS曲線的半圓直徑都相對較大，說明其電極表面電子轉(zhuǎn)移能力較CFT電極變差。相對于CoPc/CFT修飾電極，CoPc/CNT/CFT修飾電極的電阻較小，這說明CNT的修飾使電極表面的電子轉(zhuǎn)移能力增強了。

2.3 葡萄糖電化學(xué)檢測分析

圖4(a)示出不同濃度葡萄糖下，CFT電極的循環(huán)伏安曲線?？梢钥闯?，無論是否添加葡萄糖，CFT電極均沒有出現(xiàn)葡萄糖的氧化峰，說明未修飾電極對葡萄糖無直接電化學(xué)活性。

圖4 不同修飾電極的循環(huán)伏安曲線

圖4(b)示出1.0 mmol/L葡萄糖存在時，CoPc/CFT和CoPc/CNT/CFT修飾電極的CV曲線。未添加葡萄糖時，CoPc/CNT/CFT修飾電極顯示出1對氧化還原峰，電位分別為-0.35和0.16 V，對應(yīng)于CoPc中的Co(Ⅲ)/Co(Ⅱ)和Co(Ⅱ)/Co(Ⅲ)。由圖4(b)可知，當(dāng)加入1.0 mmol/L葡萄糖時，CoPc/CFT修飾電極在0.54 V電位處增加了1個新的氧化峰，這表明其對葡萄糖的氧化具有很強的電催化活性。葡萄糖直接氧化的機制為：首先葡萄糖與Co(Ⅱ)Pc形成絡(luò)合物，在約0.16 V時Co(Ⅱ)被氧化成Co(Ⅲ)；然后在0.6 V左右時，葡萄糖的絡(luò)合物在游離的Co(Ⅲ)輔助下被催化氧化，在此電位葡萄糖被檢測。CoPc/CNT/CFT修飾電極對應(yīng)的氧化電流更高，對應(yīng)電位約為0.52 V。這是由于CNT的加入提高了電極表面的導(dǎo)電性，并為葡萄糖的催化氧化提供了更大的比表面積。

圖5示出CoPc/CNT/CFT修飾電極在不同掃描速度下的CV曲線?？梢钥闯?，隨著掃描速度的增加，葡萄糖的陽極峰正移，陰極峰負(fù)移，氧化峰電流的增加與掃描速度成正比，得到氧化峰電流與掃描速度的線性回歸方程為y=0.103 4x+0.004 9(式中：x為掃描速度，mV/s；y為氧化峰電流，mA)，相關(guān)系數(shù)R2=0.997。實驗結(jié)果進一步證實，葡萄糖在電極表面的氧化是一個表面反應(yīng)控制的過程，攪拌不會影響其反應(yīng)速率。

圖5 在不同掃描速度下CoPc/CNT/CFT修飾電極的循環(huán)伏安曲線

圖6示出CoPc/CNT/CFT修飾電極在0.7 V電壓下連續(xù)添加葡萄糖(時間間隔為50 s)時的電流響應(yīng)圖?？梢钥闯?，隨著葡萄糖的加入，CoPc/CNT/CFT修飾電極的響應(yīng)電流迅速增加，這是因為單位時間內(nèi)葡萄糖的濃度增大，使參與氧化反應(yīng)失去電子的葡萄糖數(shù)量增多，從而使電流密度增大，表明CoPc/CNT/CFT修飾電極對葡萄糖檢測具有優(yōu)異的電催化性能。

圖6 CoPc/CNT/CFT修飾電極的電流響應(yīng)曲線

采用Origin軟件對圖6進行線性擬合，得到響應(yīng)電流與葡萄糖濃度的校準(zhǔn)曲線如圖7所示。可以看出，CoPc/CNT/CFT修飾電極對葡萄糖的線性響應(yīng)范圍為4×10-3～2.6 mmol/L。線性回歸方程為y=0.231x+0.064 (式中：x為葡萄糖濃度，mmol/L；y為電流密度，mA/cm2)，相關(guān)系數(shù)R2=0.999。計算得出CoPc/CNT/CFT修飾電極檢測葡萄糖的靈敏度為231 μA·L/mmol。根據(jù)信噪比為3，計算得出CoPc/CNT/CFT修飾電極對葡萄糖的檢測限為1.4 μmol/L。

圖7 CoPc/CNT/CFT修飾電極的葡萄糖濃度與響應(yīng)電流之間的相關(guān)性曲線

2.4 電極的重復(fù)性和抗干擾性分析

圖8示出CoPc/CNT/CFT修飾電極對葡萄糖的可重復(fù)性檢測結(jié)果?？梢钥闯?，重復(fù)檢測10次后，CoPc/CNT/CFT修飾電極的響應(yīng)電流仍可達(dá)到初始值的94.6%，這表明所制備的CoPc/CNT/CFT修飾電極在檢測葡萄糖時具有良好的可重復(fù)性。

圖8 CoPc/CNT/CFT修飾電極對葡萄糖的可重復(fù)性檢測結(jié)果

圖9 CoPc/CNT/CFT修飾電極對葡萄糖和干擾物質(zhì)的響應(yīng)電流

圖9示出檢測葡萄糖時CoPc/CNT/CFT修飾電極對干擾物質(zhì)的響應(yīng)電流。可以看出，當(dāng)加入蔗糖、果糖、乳糖、半乳糖、尿酸、抗壞血酸、多巴胺時，CoPc/CNT/CFT修飾電極對其響應(yīng)電流不到葡萄糖響應(yīng)電流的十分之一，說明該修飾電極對葡萄糖檢測具有良好的選擇性。

3 結(jié) 論

本文制備了一種鈷酞菁/碳納米管/碳纖維織物(CoPc/CNT/CFT)修飾電極，探究了其電化學(xué)檢測葡萄糖的能力。結(jié)果表明，CoPc/CNT/CFT修飾電極具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，CoPc和CNT的結(jié)合使電極的電化學(xué)信號顯著增強，其對葡萄糖有高的電催化活性，檢測葡萄糖的線性范圍為4×10-3～2.6 mmol/L，檢測限為1.4 μmol/L(信噪比為3)，靈敏度為231 μA·L/mmol。CoPc/CNT/CFT修飾電極在檢測葡萄糖時具有較好的重復(fù)性，且對果糖、蔗糖、乳糖、半乳糖、抗壞血酸、多巴胺、尿酸等物質(zhì)有較強的抗干擾性能，可為葡萄糖檢測領(lǐng)域提供一定參考。