劉 東，王周雷，李 帆，喻德忠*

(1.武漢工程大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430073;2.綠色化工過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430073)

葡萄糖是對人類生命活動(dòng)和健康具有重要作用的生物小分子，人體內(nèi)葡萄糖濃度異常，會(huì)導(dǎo)致糖尿病、腎衰竭和心臟病等并發(fā)癥[1-2]。因此，快速有效地檢測葡萄糖在臨床診斷中具有重要意義。具有高靈敏度和選擇性的酶生物傳感器在檢測葡萄糖時(shí)展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。但是，由于酶的天然特性，酶生物傳感器在相對惡劣的條件下容易失活，且成本較高，限制了其廣泛應(yīng)用。非酶傳感器因此受到了更多的關(guān)注。隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展，貴金屬納米復(fù)合材料、過渡金屬氧化物和碳基納米結(jié)構(gòu)等納米材料已被成功用于制備葡萄糖非酶傳感器[3-4]。

Cu2O由于具有高活性、低成本和較低過電勢等優(yōu)勢，受到特別關(guān)注[5]。將銅與碳材料結(jié)合是制備具有高催化活性納米復(fù)合材料的合理策略[6]。相比于其它碳材料(如石墨烯、單/多壁碳納米管和碳纖維等)，多孔碳可能更適用于傳感領(lǐng)域，它可以通過改變前驅(qū)物配比、活化方式、改性劑種類等方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)控，而其內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)則可有效提高活性位點(diǎn)并提供分析物的傳輸通道[7]。

作者將竹粉分散于硝酸銅溶液中，經(jīng)靜置、過濾、干燥后高溫碳化，制備氧化亞銅/銅/生物質(zhì)多孔碳復(fù)合材料(CuOx@BPC)，通過X-射線衍射儀(XRD)、掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)對其進(jìn)行表征；并將CuOx@BPC制成化學(xué)修飾電極(CuOx@BPC/GCE)，采用循環(huán)伏安(CV)法、安培時(shí)間(AP-it)法研究其對葡萄糖非酶檢測的電化學(xué)性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 電極材料的制備

將3 g竹粉和3 g Cu(NO3)2·3H2O溶解于150 mL去離子水中，均勻分散；混合液靜置24 h后，過濾，不溶物于80 ℃干燥后轉(zhuǎn)移至瓷舟，置于管式爐中，在N2氣流中于5 ℃·min-1加熱碳化，750 ℃保溫2 h；冷卻，將黑色固體用去離子水和乙醇洗滌3次，在80 ℃下干燥，即得銅納米顆粒修飾的生物質(zhì)多孔碳，標(biāo)記為CuOx@BPC-1[1表示Cu(NO3)2·3H2O與竹粉的質(zhì)量比]。分別添加1.5 g、6 g Cu(NO3)2·3H2O，同法制備CuOx@BPC-0.5和CuOx@BPC-2。

直接煅燒竹粉制備的生物質(zhì)多孔碳標(biāo)記為BPC。

1.2 化學(xué)修飾電極的制備

玻碳電極(GCE，d=3 mm)分別用1 μm、0.3 μm和0.05 μm的Al2O3粉末進(jìn)行拋光打磨，直至得到鏡面狀表面，再分別用丙酮和去離子水超聲處理5 min以除去表面吸附的雜質(zhì)。將5 mg CuOx@BPC-1加入到1 mL乙醇(含0.05% Nafion)中，超聲分散30 min，得均勻懸濁液。取3 μL懸濁液滴在預(yù)處理后的GCE表面上，室溫干燥，即得化學(xué)修飾電極CuOx@BPC-1/GCE。同法制備CuOx@BPC-0.5/GCE和CuOx@BPC-2/GCE。

1.3 結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性能表征

采用德國Bruker D8 Advance型X-射線衍射儀對電極材料進(jìn)行XRD測試，輻射源為Cuκα(λ=1.5406 ?)，衍射角范圍為10°～90°，掃描頻率為2°·min-1；采用GeminiSEM 300型電子顯微鏡和美國Fei Tecnai G220型透射電鏡觀察電極材料的微觀形貌。

采用典型的三電極體系進(jìn)行電化學(xué)測試，以GCE或修飾電極為工作電極、飽和甘汞電極(SCE)為參比電極、鉑絲電極為對電極；以0.1 mol·L-1NaOH溶液作為葡萄糖檢測的支持電解質(zhì)，在每次測試前通N2，將電解質(zhì)溶液脫氧15 min。采用CV法研究不同電極對葡萄糖的潛在檢測能力；采用AP-it法進(jìn)行電化學(xué)性能測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 電極材料的結(jié)構(gòu)表征

2.1.1 XRD分析(圖 1)

a.BPC b.CuOx@BPC-0.5 c.CuOx@BPC-1 d.CuOx@BPC-2

從圖1可知，BPC在2θ為23°和43°處顯示出較寬的衍射峰，分別對應(yīng)于碳的(002)和(100)晶面，這與其它生物質(zhì)衍生得到的碳材料的XRD圖譜相一致[8]。加入銅元素后，CuOx@BPC-0.5、CuOx@BPC-1和CuOx@BPC-2具有相似的衍射峰，除了碳的(002)和(100)晶面外，在2θ為29.5°、36.7°、42.3°和61.8°處的衍射峰分別對應(yīng)于Cu2O的(110)、(111)、(200)和(220)晶面；在2θ為43.5°、50.9°、74.2°處的衍射峰則分別對應(yīng)于Cu的(111)、(200)、(311)晶面[9]。

2.1.2 SEM分析(圖 2)

圖2 BPC(a)、CuOx@BPC-0.5(b)、CuOx@BPC-1(c、d、e)和CuOx@BPC-2(f)的SEM照片

從圖 2a可知，竹粉經(jīng)高溫煅燒生成了具有大量缺陷和褶皺的碳材料。從圖 2b～f可知，BPC可以較好地分散CuOx納米顆粒，CuOx均勻地錨定在碳基體上；隨著銅鹽質(zhì)量占比的增大，CuOx納米顆粒粒徑增大且分散均勻。從不同倍率和角度的SEM照片(圖 2c、d、e)可知，CuOx@BPC-1中納米顆粒分布最為均勻，且沒有直徑大于1 μm的顆粒出現(xiàn)。

2.1.3 TEM分析(圖3)

從圖3可知，BPC具有大量微孔的無定形層狀結(jié)構(gòu)(圖3a～c)；CuOx納米顆粒均勻分布在碳材料上(圖3d～f)，具有明顯的晶格條紋(圖3g、h)，晶格間距為0.245 nm和0.209 nm，分別對應(yīng)于Cu2O的(111)晶面和Cu的(111)晶面[10]。表明，具有高結(jié)晶度低價(jià)銅(Cu2O/Cu)的多孔碳復(fù)合納米材料已成功制備。

圖3 BPC(a～c)、CuOx @BPC-1(d～h)的TEM照片

2.2 電極材料和電勢的選擇

采用CV法研究不同電極對葡萄糖的潛在檢測能力，結(jié)果如圖4a所示。為了進(jìn)一步研究不同電極的電化學(xué)性能，在0.1 mol·L-1NaOH溶液中連續(xù)加入50 μmol·L-1葡萄糖進(jìn)行AP-it測試，電勢為0.55 V，結(jié)果如圖4b所示。

從圖4a可知，GCE和BPC電極對葡萄糖的氧化表現(xiàn)出很微弱的電流；銅元素的引入顯著增大了氧化電流，在電勢為0.45～0.65 V范圍存在氧化峰，且在CuOx@BPC-1/GCE修飾電極上有最大的氧化電流響應(yīng)。從圖4b可知，CuOx@BPC-1/GCE修飾電極對葡萄糖的檢測效果最佳，這可能是由于其具有適中的孔結(jié)構(gòu)、大量暴露的活性位點(diǎn)、相對較大的比表面積、合適的銅物種尺寸以及Cu、Cu2O和多孔碳的協(xié)同效應(yīng)，從而提高了物質(zhì)擴(kuò)散效率。因此，采用CuOx@BPC-1/GCE修飾電極進(jìn)行后續(xù)研究。

圖4 不同電極在含有1 mmol·L-1葡萄糖的0.1 mol·L-1 NaOH溶液中100 mV·s-1掃速下的CV曲線(a)及不同電極在0.55 V電勢下的AP-it曲線(b)

采用AP-it法對電勢(0.45 V、0.50 V、0.55 V、0.60 V、0.65 V)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果如圖5a所示。同時(shí)對氧化電流與葡萄糖濃度進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖5b所示。

圖5 CuOx@BPC-1/GCE修飾電極于不同電勢下在0.1 mol·L-1 NaOH溶液中連續(xù)加入葡萄糖的AP-it曲線(a)及對應(yīng)的氧化電流與葡萄糖濃度的擬合曲線(b)

從圖5可知，在0.45～0.65 V范圍內(nèi)，隨著電勢的增大，氧化電流先增大后減小，當(dāng)電勢為0.55 V時(shí)，CuOx@BPC-1/GCE修飾電極對葡萄糖的檢測效果最佳。

2.3 CuOx@BPC-1/GCE修飾電極對葡萄糖的非酶檢測

在0.1 mol·L-1NaOH溶液中加入不同濃度的葡萄糖，CuOx@BPC-1/GCE修飾電極的CV曲線如圖6a所示。電勢為0.55 V時(shí)，對應(yīng)的氧化電流與葡萄糖濃度的擬合曲線如圖6b所示。

從圖6a可知，隨著葡萄糖濃度的增加，氧化電流明顯增大，在電勢為0.45～0.65 V范圍存在氧化峰。氧化電流與葡萄糖濃度呈良好的線性關(guān)系，其線性回歸方程為I=7.397+13.761c(R2=0.999)(圖6b)，曲線斜率和相關(guān)指數(shù)R2較大，表明CuOx@BPC-1/GCE修飾電極對葡萄糖有較好的檢測性能。

圖6 CuOx@BPC-1/GCE修飾電極在含有不同濃度葡萄糖的0.1 mol·L-1 NaOH溶液中100 mV·s-1掃速下的CV曲線(a)及0.55 V電勢下對應(yīng)的氧化電流與葡萄糖濃度的擬合曲線(b)

在最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下，CuOx@BPC-1/GCE修飾電極的AP-it曲線如圖7a所示。同時(shí)對氧化電流與葡萄糖濃度進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖7b所示。

從圖7a可知，加入葡萄糖后，CuOx@BPC-1/GCE修飾電極快速產(chǎn)生響應(yīng)，在5 s內(nèi)即達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，說明葡萄糖可以快速擴(kuò)散到電極表面發(fā)生反應(yīng)。葡萄糖濃度在0.5～1 082 μmol·L-1和1 082～4 832 μmol·L-1范圍內(nèi)，與氧化電流呈良好的線性關(guān)系，其線性回歸方程分別為I=0.817+14.471c(R2=0.995)和I=7.775+7.959c(R2=0.991)，檢出限(S/N=3)為0.15 μmol·L-1。

圖7 CuOx@BPC-1/GCE修飾電極在0.1 mol·L-1 NaOH溶液中連續(xù)加入葡萄糖的AP-it曲線(a)及對應(yīng)的氧化電流與葡萄糖濃度的擬合曲線(b)

CuOx@BPC-1/GCE修飾電極與其它電極材料對葡萄糖檢測性能的比較見表1。

表1 CuOx@BPC-1/GCE修飾電極與其它電極材料對葡萄糖檢測性能的比較

從表1可知，CuOx@BPC-1/GCE修飾電極具有檢測范圍寬、檢出限低的優(yōu)點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

2.4 CuOx@BPC-1/GCE修飾電極的選擇性、重復(fù)性和穩(wěn)定性

在外加電化學(xué)活性物質(zhì)包括抗壞血酸(20 μmol·L-1)、多巴胺(20 μmol·L-1)、尿酸(20 μmol·L-1)、氯化鉀(500 μmol·L-1)、氯化鈉(500 μmol·L-1)等的干擾下，CuOx@BPC-1/GCE修飾電極的AP-it曲線如圖8a所示。

從圖8a可知，各種干擾物對CuOx@BPC-1/GCE修飾電極檢測葡萄糖的影響低于3%。表明CuOx@BPC-1/GCE修飾電極具有較好的抗干擾能力。

對5支制備的CuOx@BPC-1/GCE修飾電極連續(xù)加入50 μmol·L-1葡萄糖的氧化電流響應(yīng)進(jìn)行比較，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.6%，表明CuOx@BPC-1/GCE修飾電極具有較好的重復(fù)性。在低溫儲(chǔ)存30 d后，將CuOx@BPC-1/GCE修飾電極連續(xù)加入50 μmol·L-1葡萄糖檢測，氧化電流響應(yīng)依然保持初始值的94.6%(圖8b)，表明CuOx@BPC-1/GCE修飾電極具有較好的穩(wěn)定性。

a.抗壞血酸 b.多巴胺 c.尿酸 d.氯化鉀 e.氯化鈉 G.100 μmol·L-1葡萄糖

3 結(jié)論

將竹粉分散于硝酸銅溶液中，經(jīng)靜置、過濾、干燥后高溫碳化，制備了氧化亞銅/銅/生物質(zhì)多孔碳復(fù)合材料(CuOx@BPC)，XRD、SEM、TEM分析顯示，氧化亞銅/銅均勻分布在碳基體表面的狹縫和褶皺處。當(dāng)硝酸銅和竹粉的質(zhì)量比為1∶1時(shí)，制備的CuOx@BPC/GCE修飾電極具有最佳電化學(xué)性能，所構(gòu)建的傳感器對葡萄糖具有很好的選擇性、重復(fù)性和穩(wěn)定性，展現(xiàn)出良好的檢測性能，檢測范圍寬(0.5～4 832 μmol·L-1)，檢出限低(0.15 μmol·L-1)，可用于葡萄糖的非酶檢測。