彭 程， 周 同， 魯 青

(華中科技大學(xué)同濟醫(yī)學(xué)院公共衛(wèi)生學(xué)院環(huán)境醫(yī)學(xué)研究所，湖北武漢 430030)

糖尿病是一種胰島素分泌不足，或靶器官胰島素抵抗導(dǎo)致血糖水平升高的慢性疾病。持續(xù)的高血糖狀態(tài)會導(dǎo)致各種并發(fā)癥的出現(xiàn)，如心臟病、失明、腎衰竭等[1]。糖尿病患者通常使用酶型電化學(xué)血糖試紙檢測血糖水平，但酶的活性易受環(huán)境影響、穩(wěn)定性相對較差，其應(yīng)用和發(fā)展受限[2,3]。相比之下，無酶型葡萄糖電化學(xué)傳感器具有操作簡單、生產(chǎn)成本低、受氧氣干擾小等優(yōu)勢。目前，應(yīng)用于無酶型葡萄糖電化學(xué)傳感器的材料，主要包括貴金屬及其合金(如Au、Pt-Au和Pt-Pd)、過渡金屬及氧化物(如Cu/CuO、MnO2和Co3O4)和納米碳材料(如石墨烯和碳納米管)等[4 - 6]。與貴金屬和納米碳材料相比，過渡金屬及氧化物不僅具有良好的催化性能和穩(wěn)定性，應(yīng)用成本亦更為低廉。在堿性介質(zhì)中，金屬鎳對葡萄糖的氧化具有良好的催化活性，因此鎳基材料如鎳合金、NiO和Ni(OH)2等均被用于構(gòu)建無酶型葡萄糖電化學(xué)傳感器[7,8]。

雙金屬氧化物是一種重要的功能材料，被廣泛用于氣敏傳感器和電化學(xué)儲能裝置等領(lǐng)域[9,10]。雙金屬氧化物不僅具有良好的導(dǎo)電性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，還能產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。Tang等[11]制備了NiCoO2@CNTs改性電極，將雙金屬氧化物NiCoO2成功用于無酶型葡萄糖電化學(xué)傳感器的構(gòu)建，該傳感器表現(xiàn)出良好的催化性能。本研究通過水熱反應(yīng)和退火處理制備NiMoO4納米棒(NiMoO4NRs)，通過掃描電鏡和X射線衍射技術(shù)對該材料的形貌、成分和結(jié)構(gòu)進行了表征。在此基礎(chǔ)上，使用所制備的NiMoO4NRs構(gòu)建了無酶型葡萄糖電化學(xué)傳感器，并采用循環(huán)伏安法和計時電流法研究了傳感器對葡萄糖的傳感性能。

1 實驗部分

1.1 儀器及試劑

掃描電子顯微鏡(SEM，Sirion 200，荷蘭FEI公司)；X射線衍射儀(XRD，x’pert3 powder，荷蘭帕納科公司)；電化學(xué)工作站(CHI660C，上海辰華儀器公司)。

Nafion(5%)、多巴胺(分析純，購自Sigma公司)；尿酸(分析純，購自上海麥克林生化科技有限公司)；對乙酰氨基酚(分析純，購自阿拉丁試劑有限公司)；NaOH、Ni(NO3)2·6H2O、NaMoO4·2H2O、葡萄糖、KCl、抗壞血酸(分析純，購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司)。實驗用水為去離子水。

1.2 實驗步驟

1.2.1 NiMoO4NRs的制備在室溫條件下，稱取4 g葡萄糖溶于40 mL去離子水，然后轉(zhuǎn)移至內(nèi)襯為聚四氟乙烯的不銹鋼水熱反應(yīng)釜(容積為70 mL)中，于180 ℃下連續(xù)反應(yīng)6 h；待反應(yīng)結(jié)束冷卻至室溫后，收集黑色的反應(yīng)產(chǎn)物，并用去離子水和乙醇洗滌、離心數(shù)次；最后在真空干燥箱中在60 ℃干燥12 h，得到納米碳球。

稱取0.8724 g Ni(NO3)2·6H2O和0.7259 g NaMoO4·2H2O，分散于50 mL去離子水中并攪拌30 min；隨后加入0.164 g納米碳球，超聲10 min后再繼續(xù)攪拌30 min；然后將混合液轉(zhuǎn)移至水熱反應(yīng)釜(容積為100 mL)中，于120 ℃下連續(xù)反應(yīng)10 h。收集反應(yīng)產(chǎn)物，用去離子水和乙醇各沖洗3次，離心收集沉淀物，置于真空干燥箱中在60 ℃下干燥12 h。最后將馬弗爐升溫至400 ℃后，放入干燥后的產(chǎn)物，退火1 h，得到黃綠色的最終產(chǎn)物，即NiMoO4NRs。

制備過程中不加入納米碳球，其余條件相同，可得到NiMoO4。

1.2.2 NiMoO4NRs/GCE傳感器的構(gòu)建在絨布上用0.05 μm Al2O3拋光粉將玻碳電極(GCE，直徑3 mm)拋光打磨至鏡面，然后將電極置于1∶1的HNO3、去離子水和乙醇中分別超聲清洗，晾干后備用。稱取5 mg NiMoO4NRs，超聲分散于0.5%的Nafion水溶液中，得到分散均勻的NiMoO4NRs懸濁液(5 mg/mL)。用微量進樣器移取5 μL懸濁液均勻滴涂于打磨好的GCE表面，然后將電極置于60 ℃烘箱中干燥20 min，得到NiMoO4NRs/GCE。

NiMoO4/GCE的制備過程與NiMoO4NRs/GCE相同。

2 結(jié)果與討論

2.1 形貌與結(jié)構(gòu)分析

我們采用掃描電鏡(SEM)對合成產(chǎn)物進行了形貌表征。圖1(A)和1(B)為NiMoO4NRs的SEM圖。結(jié)果顯示，NiMoO4NRs是由納米帶成束組裝形成的納米棒簇，長度從數(shù)百納米至3～4 μm，平均直徑約為100～200 nm。此結(jié)構(gòu)有利于增加敏感材料的活性位點，增強電催化時敏感材料對葡萄糖分子的吸附。圖1(C)為NiMoO4的SEM圖。雖然制備得到的NiMoO4也呈納米棒狀，但納米棒大部分聚集成塊，分散較差?？梢娭苽溥^程中納米碳球的加入較好地避免了納米棒團聚。圖1(D)為NiMoO4NRs的能譜(EDS)圖，顯示NiMoO4NRs樣品中Ni、Mo、O的元素比約為1∶1∶4，與NiMoO4的化學(xué)計量比一致，表明我們成功合成了雙金屬氧化物。

圖1 (A)NiMoO4NRs的掃描電鏡(SEM)圖；(B)NiMoO4NRs的SEM放大圖；(C)NiMoO4的SEM圖;(D)NiMoO4NRs的能譜(EDS)圖Fig.1 (A) SEM image of NiMoO4NRs;(B) Enlarged SEM image of NiMoO4NRs;(C) SEM image of NiMoO4;(D) EDS image of NiMoO4NRs

圖2為NiMoO4NRs的X射線衍射(XRD)圖。在該圖中，衍射峰出現(xiàn)在2θ分別為13.5°、22.7°、25.7°、29.4°、32.8°、34.2°、36.9°、45.5°、48.3°、61.8°處，分別對應(yīng)于NiMoO4的(110)、(021)、(-112)、(220)、(022)、(222)、(-132)、(330)、(204)和(530)晶面，與標準卡片(JCPDS 86-0361)一致，且無其它雜峰。表明制備的NiMoO4NRs為α相的單斜晶體結(jié)構(gòu)，且純度較高。

圖2 NiMoO4NRs的X射線衍射(XRD)譜圖Fig.2 XRD patterns of NiMoO4 NRs

2.2 NiMnO4NRs/GCE電化學(xué)表征

采用循環(huán)伏安法表征了NiMoO4NRs/GCE的電催化性能。圖3為GCE、NiMoO4/GCE和NiMoO4NRs/GCE在無葡萄糖，或含1 mmol/L葡萄糖的0.1 mol/L NaOH電解質(zhì)溶液中的循環(huán)伏安曲線。GCE在兩種電解質(zhì)溶液中均無電化學(xué)響應(yīng)。NiMoO4/GCE和NiMoO4NRs/GCE在無葡萄糖的電解質(zhì)溶液中均表現(xiàn)出一對氧化還原峰，其中NiMoO4/GCE的氧化還原峰在0.41 V和0.51 V處，而NiMoO4NRs/GCE的氧化還原峰在0.37 V和0.47 V處。

圖3 GCE、NiMoO4/GCE和NiMoO4NRs/GCE在無葡萄糖和含有1 mmol/L葡萄糖的0.1 mol/L NaOH電解質(zhì)溶液中的循環(huán)伏安(CV)曲線(掃速50 mV/s)Fig.3 CV curves of GCE,NiMoO4/GCE and NiMoO4NRs/GCE in 0.1 mol/L NaOH solution in the absence and presence of 1 mmol/L glucose(Scan rate 50 mV/s)

據(jù)推測，這一對氧化還原峰對應(yīng)的反應(yīng)過程可能為：

與NiMoO4/GCE相比，NiMoO4NRs/GCE的氧化峰和還原峰電位均負移，表明NiMoO4NRs的結(jié)構(gòu)更有利于電子傳遞。加入1 mmol/L葡萄糖后，NiMoO4/GCE和NiMoO4NRs/GCE的氧化峰電流均顯著增加，還原峰電流減小，說明GCE表面修飾的NiMoO4對葡萄糖的氧化具有催化作用。該過程可表示為：

與NiMoO4/GCE相比，NiMoO4NRs/GCE修飾電極上氧化還原峰電流的變化更為明顯。其原因是：NiMoO4NRs的納米結(jié)構(gòu)具有更大的比表面積，可以為葡萄糖的氧化提供更多的活性位點。

2.3 分析性能

采用安培法對所構(gòu)建傳感器的制備及測試條件進行了優(yōu)化。研究結(jié)果表明，當(dāng)NiMoO4NRs的負載量為6 μg，檢測電位為0.6 V時，該傳感器對葡萄糖具有最靈敏的電化學(xué)響應(yīng)。如圖4(A)所示，在測試溶液中每次加入葡萄糖后，修飾電極上的響應(yīng)電流快速增加并達到穩(wěn)態(tài)。并且與NiMoO4/GCE相比，NiMoO4NRs/GCE修飾電極上響應(yīng)電流的增加幅度更為明顯。表明NiMoO4NRs的納米結(jié)構(gòu)更有利于葡萄糖的催化氧化。圖4(B)顯示了葡萄糖在修飾電極上的安培響應(yīng)電流與其濃度之間的線性關(guān)系。NiMoO4NRs/GCE對葡萄糖的線性檢測范圍為0.2 μmol/L～2.633 mmol/L和2.633～10.133 mmol/L，其線性方程分別為：y=21.12x+0.295(R2=0.9980)和y=12.49x+23.660(R2=0.9960)，其靈敏度分別為469.3 μA/(mmol/L·cm2)和277.6 μA/(mmol/L·cm2)。在3倍信噪比(S/N=3)條件下，NiMoO4NRs/GCE的檢出限為0.02 μmol/L。與已報道的各種無酶型葡萄糖電化學(xué)傳感器相比(表1)，NiMoO4NRs/GCE具有更高的靈敏度和更低的檢出限，且線性檢測范圍較寬[11 - 16]。

圖4 (A)葡萄糖在NiMoO4NRs/GCE和NiMoO4/GCE上的安培響應(yīng)；(B)葡萄糖在修飾電極上的安培響應(yīng)電流與其濃度的線性擬合曲線Fig.4 (A) Amperometric response of glucose at NiMoO4NRs/GCE and NiMoO4/GCE;(B) Calibration plots of current vs concentration of glucose at NiMoO4 NRs/GCE and NiMoO4/GCE

選擇性、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性是評價傳感器分析性能的重要指標。圖5是不同物質(zhì)在NiMoO4NRs/GCE上的安培響應(yīng)。測試時，向測試溶液中依次加入1 mmol/L的葡萄糖、0.1 mmol/L的抗壞血酸(AA)、0.1 mmol/L的尿酸(UA)、0.1 mmol/L的對乙酰氨基酚(AP)和0.1 mmol/L的多巴胺(DA)。研究表明，加入葡萄糖時，修飾電極上的響應(yīng)電流明顯增加；而加入AA、AP、DA和UA后，修飾電極上的響應(yīng)電流分別為葡萄糖響應(yīng)電流的5.65%、6.52%、3.04%和1.73%。因此，NiMoO4NRs/GCE對葡萄糖有良好的選擇性，對血液中常見干擾物質(zhì)具有較好的抗干擾能力。此外，該傳感器還具有良好的重現(xiàn)性。在0.1 mol/L NaOH溶液中，測試0.5 mmol/L葡萄糖在修飾電極上的安培響應(yīng)，平行測定4次，其相對標準偏差(RSD)為3.27%。與此同時，將NiMoO4NRs/GCE置于4 ℃冰箱10 d后，測試0.5 mmol/L葡萄糖在修飾電極上的安培響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)響應(yīng)電流值仍可達到初始值的94.9%；20 d后，響應(yīng)電流為初始電流的84.7%。說明NiMoO4NRs/GCE具有較好的穩(wěn)定性。

圖5 NiMoO4NRs/GCE對葡萄糖和干擾物的安培響應(yīng)Fig.5 Amperometric response of glucose and various interferences on NiMoO4NRs/GCE

2.4 血糖含量測定

采集了血糖水平高于、低于和處于正常范圍內(nèi)的三份新鮮血樣，以2 500 r/min的速度進行離心處理，得到血清。采用標準加入進行測定：將同一個血清樣本分成兩份(各為100 μL)，其中一份加入50 μL一定濃度的葡萄糖標準溶液，作為加標試樣。以10 mL 0.1 mol/L NaOH溶液為支持電解質(zhì)，工作電位0.6 V，利用安培法進行測定。每個試樣進行3次平行測定，計算血糖含量、RSD和加標回收率。三個血樣的血糖濃度分別為7.68、4.19、3.45 mmol/L，與醫(yī)院生化分析儀的結(jié)果(8.02、4.21、3.31 mmol/L)無顯著性差異。加標回收率在97.4%～99.0%之間，RSD為1.32%～3.48%。說明NiMoO4NRs/GCE能用于人體血清樣品中葡萄糖的檢測。

3 結(jié)論

綜上所述，利用水熱反應(yīng)和退火處理，成功制備了NiMoO4NRs。掃描電鏡、X射線衍射和電化學(xué)研究結(jié)果顯示，NiMoO4NRs的納米結(jié)構(gòu)能有效催化葡萄糖的氧化，實現(xiàn)葡萄糖的快速測定。與其它無酶型鎳基葡萄糖電化學(xué)傳感器相比，NiMoO4NRs/GCE具有靈敏度高、檢出限低、線性范圍寬等優(yōu)點，同時選擇性、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性良好，可用于人體血糖檢測。