李 寧，曾德福，徐偉航，丁飄飄，舒 婷

(湖北科技學院藥學院，湖北 咸寧 437100)

葡萄糖是生命體中重要的供能物質(zhì)，但是體內(nèi)葡萄糖的濃度過高會引起糖尿病以及一系列并發(fā)癥，例如心臟病、高血壓、糖尿病腎病、糖尿病足等，病情嚴重時可引起急性代謝紊亂，對機體造成不可逆損害甚至死亡[1]。實時檢測患者血糖水平在糖尿病的臨床治療中具有重要作用，而且在生物監(jiān)測、飲料工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測等方面都需要用到實時檢測葡萄糖的技術(shù)，因此，關(guān)于電化學葡萄糖傳感器的研究受到重視。根據(jù)反應中是否有葡萄糖氧化酶的參與可以分為：酶葡萄糖傳感器和非酶葡萄糖傳感器[2]。酶葡萄糖傳感器主要依賴于葡萄糖氧化酶與葡萄糖脫氫酶實現(xiàn)對葡萄糖的電催化，而非酶葡萄糖傳感器主要是由工作電極本身或修飾材料的價態(tài)變化對葡萄糖進行催化。雖然現(xiàn)在酶葡萄糖傳感器已經(jīng)逐漸成熟并且實現(xiàn)商業(yè)化，但是由于固酶步驟復雜、制作成本較高、酶的性質(zhì)不穩(wěn)定易受溫度和pH的影響等缺陷限制了其發(fā)展。非酶葡萄糖傳感器可克服酶葡萄糖傳感器的局限性，在不需要酶的情況下直接催化葡萄糖，且因制作成本較低、操作簡易、受環(huán)境因素較小等原因倍受研究者的青睞[3]。

由于葡萄糖在傳感器表面易受到電氧化作用被催化，因此，選用優(yōu)異催化性能的葡萄糖氧化催化劑是制備非酶葡萄糖傳感器的重要決定因素。近年來，各種材料在非酶葡萄糖傳感器的制備中也得到了廣泛的探索，例如貴金屬(Au、Ag，Pt)、過渡金屬(Cu、Ni、Co)、碳材料(MWCNT、SWCNT、GO)等。但是貴金屬的加入提高了傳感器的制作成本，且貴金屬電極在葡萄糖電催化過程中易受生理液體主要成分Cl-、氧化中間體的干擾，降低電極的靈敏度與選擇性，所以研究者們更傾向于探索低成本、抗毒性好且靈敏度高的過渡金屬氧化物(Cu、Co、Ni為主)作為葡萄糖電催化劑。

相比而言，銅的氧化物(CuO和Cu2O)是一類具有天然豐度、制作成本低、具杰出催化性能的P型半導體金屬氧化物，也是電學、光學和光伏器件、多相催化、磁存儲介質(zhì)、氣體傳感器、鋰離子電池等眾多領(lǐng)域的最佳材料之一[4]。由于其優(yōu)異的催化性能且對常見的生理物質(zhì)(例：尿酸、抗壞血酸、多巴胺)具有良好的抗干擾性，廣大研究學者將其作為非酶葡萄糖傳感器的催化材料且做了諸多研究。根據(jù)目前的研究進展，將其用于非酶葡萄糖傳感器的做法有3種：①利用納米技術(shù)合成納米管、納米花和納米團簇等小尺寸多孔銅氧化物材料，增加其與待測物的接觸面積；②與其他材料結(jié)合，如貴金屬、過渡金屬、無機碳材料、金屬有機框架材料等，利用金屬間協(xié)同作用提高催化活性；③對電極或納米材料的表面進行修飾，增加粗糙度，從而增加電化學活性位點，提高催化葡萄糖的性能[5]。銅氧化物通常在堿性環(huán)境下作為電催化劑催化葡萄糖，可提供高活性的氧化還原電子對，利于催化反應的進行，是葡萄糖的理想催化劑之一。在催化過程中主要涉及陽離子的價態(tài)變化，反應機理如下：

M(Ⅰ)→M(Ⅱ)

M(Ⅱ)+OH-→M(Ⅲ)

M(Ⅲ) +C6H12O6→M(Ⅱ)+C6H12O7

1 基于銅氧化物納米材料構(gòu)建的非酶葡萄糖傳感器

銅氧化物由于自身優(yōu)異的電催化性能成為非酶葡萄糖傳感器材料的首選，但存在導電性差的缺點，所以眾多研究者通過控制其粒徑和形貌策略，制備出了納米粒、納米棒、納米管、納米球、納米立方體等納米級材料擴大材料的孔徑，得到更大的表面積，暴露更多催化位點，便于材料能與更多的待測物接觸，提高電極的工作效率和催化性能。

Adijat等[6]利用電沉積技術(shù)在FTO導電玻璃上制備了納米級CuO薄膜電極，該電極對葡萄糖氧化呈現(xiàn)出良好的響應，靈敏度達1207μA/(mmol/L/cm2)，線性范圍達到2.2mmol/L，檢測限低至1.19μmol/L，在0.55V的條件下反應時間少于4s。但該電極對葡萄糖的催化反應時間較長，還有待改善。

Espro等[7]利用濕沉淀法在絲網(wǎng)印刷電極上制備出Cu2O納米立方體，在25℃下制備的Cu2O-NC-SPCE對葡萄糖有最佳的催化性能，靈敏度達到1040μA/(mmol/L/cm2)，線性范圍是0.007～4.5mmol/L，最低檢測限為3.1μmol/L。且使用一次性CuO/SPCE可測定人血清、唾液和尿液中的葡萄糖。該方法研制的葡萄糖傳感器在實際樣品分析中回收率高，具有良好的商業(yè)應用價值。

Kim等[8]制備了一種新型的Cu3(BTC)2衍生CuO納米管非酶葡萄糖傳感器，所制備的CuO納米管比表面積大，對葡萄糖有較高的電催化活性，靈敏度可達1523.5μA/(mmol/L/cm2)，線性響應達到1.25mmol/L，檢測限低至1μmol/L，且具有良好的抗干擾性。

Zahra等[9]研究了一種基于納米銅氧化物微空心球的非酶葡萄糖傳感器。以Pluronic F-127為表面活性劑，采用水熱法合成了納米銅氧化物微空心球。利用傳統(tǒng)的三電極系統(tǒng)進行電化學實驗，結(jié)果顯示在0.1mol/L NaOH電解質(zhì)溶液中，得到雙線性范圍0.001～3mmol/L和3～11.5mmol/L，靈敏度分別為25.46μA/(mmol/L/cm2)和12.73μA/(mmol/L/cm2)，檢測限低至1μmol/L；在1mol/LNaOH電解質(zhì)溶液中，得到單一寬線性范圍0.001～16mmol/L，靈敏度為35.51μA/(mmol/L/cm2)。

2 基于銅氧化物與貴金屬納米復合材料構(gòu)建的非酶葡萄糖傳感器

銅氧化物雖然具有良好的電催化性能，較大的比表面積，但是這種半導體金屬氧化物的導電性能較劣，增加了電子傳遞勢壘，造成電極捕獲電信號的難度較高，極大影響了電極的催化性能，而貴金屬的摻雜可產(chǎn)生協(xié)同效應，增強電極的電催化性能，拓寬電極的響應區(qū)間和線性范圍，提高傳感器的生物穩(wěn)定性。

Yang等[10]利用溶液等離子體法在水中直接合成大小為20～40nm的Au/CuO納米顆粒，并將其應用于葡萄糖的非酶檢測，反應時間快(<3s)，檢測限低(0.22μmol/L)，得到兩個特定的線性范圍0.22～1mmol/L和3～18mmol/L，靈敏度分別為172.45μA/(mmol/L/cm2)和63.66μA/(mmol/L/cm2)。該傳感器重現(xiàn)性良好，可長期穩(wěn)定，抗干擾能力較強。

Sathiyanathan等[11]通過共沉淀法制備出Au-CuO納米復合材料，用其修飾玻碳電極，得到的葡萄糖傳感器靈敏度為3126.76μA/(mmol/L/cm2)，線性范圍5～650μmol/L，響應時間為3s，檢測限低至1.4μmol/L(S/N=3)。并將其用于人真實尿液葡萄糖含量的檢測，與其他檢測方法的結(jié)果一致，證明了該電極制備方法的可利用度。

Viswanathan等[12]通過在CuO納米結(jié)構(gòu)中加入Ag納米粒子，制備出多核殼層的Ag-CuO納米復合材料，明顯提高CuO對葡萄糖的電催化能力，同時顯著降低了電荷轉(zhuǎn)移電阻。且當Ag與Cu原子比為1∶2.5時，Ag-CuO(1∶2.5)催化葡萄糖的性能最好，檢測限為5μmol/L，靈敏度為150.17μA/(mmol/L/cm2)，檢測范圍為5～30 mmol/L。

Mishra等[13]用化學刻蝕法在銅箔上合成Cu(OH)2納米線，然后利用熱處理方法將Cu(OH)2納米線轉(zhuǎn)變?yōu)镃uO納米線。在CuO納米線上沉積金納米粒子，通過金屬粒子之間的協(xié)同效應提高了催化活性。其線性范圍最高可達31.06mmol/L，在0.5～1mol/L NaOH的電解質(zhì)溶液中線性范圍高達44.36mmol/L。該電極可檢測出濃度低至0.3μmol/L的葡萄糖，靈敏度為1591.44μA/(mmol/L/cm2)。該電極穩(wěn)定性較好，在形狀發(fā)生改變后依然具有催化葡萄糖的能力。

Liu等[14]通過Cu與HAuCl4之間的置換反應，合成了生長在Cu箔上的雜化Cu2O-Au納米立方體薄膜，可將其直接作為工作電極使用。這種獨立的電極可在堿性介質(zhì)中對葡萄糖進行氧化催化，在1～20mmol/L的濃度范圍內(nèi)獲得線性響應。該電極也具有良好的抗干擾能力，消除例如抗壞血酸、多巴胺和果糖等成分的干擾。本研究為立方Cu2O納米復合材料的合成提供了一種新的策略，是一種很有前途的用于構(gòu)筑非酶葡萄糖傳感器的候選材料。

3 基于銅氧化物與過渡金屬及其氧化物復合材料構(gòu)建的非酶葡萄糖傳感器

過渡金屬及其氧化物由于金屬陽離子的d電子層不穩(wěn)定，容易失去或奪取電荷，展現(xiàn)出優(yōu)異的催化能力，且不易被Cl-污染，是理想的電催化劑?？梢蕾囉谘趸€原在恒定的低電位下直接氧化葡萄糖，與同樣具有優(yōu)異電催化性能的銅氧化物結(jié)合，由于協(xié)同效應可明顯提高待測物的催化能力及電荷的轉(zhuǎn)移速率，降低電荷轉(zhuǎn)移電阻。

Zhou等[15]利用電化學沉積法將CuO-Cu納米球沉積在TiO2納米管陣列表面，成功制備了CuO-Cu/TiO2電極，將其作為工作電極，利用傳統(tǒng)三電極系統(tǒng)研究了該工作電極在0.1mol/L的NaOH溶液中對葡萄糖的電催化性能。該傳感器在0.2～90mmol/L具有線性響應，靈敏度為234μA/(mmol/L/cm2)，檢出限低至19nmol/L，突破了許多傳感器的極限。

Yuan等[16]采用在N2中煅燒前驅(qū)體CuC2O4·2H2O的方法合成了一種Cu/Cu2O的三維多孔結(jié)構(gòu)，作為葡萄糖氧化反應的電催化劑，與玻碳電極構(gòu)建傳感器，檢測其對葡萄糖的催化行為。結(jié)果顯示由于Cu2O和Cu的協(xié)同作用，該傳感器大大提高了其在0.1mol/L NaOH中的電化學性能，具有高靈敏度305.4mA/(mmol/L/cm2)、超寬線性范圍(0.5～8065.5mmol/L)和低檢測限(0.35μmol/L)。

Gao等[17]合成出三維多孔Cu@Cu2O氣凝膠，直接作為工作電極構(gòu)建傳感器。在0.1 mol/L NaOH溶液中，Cu@Cu2O氣凝膠在相對較低的起始電位(+0.25V)下可對葡萄糖進行催化，得到的檢測限低至0.6μmol/L(S/N=3)，靈敏度為195mA/(mmol/L/cm2)；在最佳工作電位(+0.6V)下，得到雙線性范圍(0.001～5.2mmol/L，5.2～17.1mmol/L)。而在電解質(zhì)溶液pH=7時，該傳感器的線性響應為0.1～10mmol/L，檢出限為54μmol/L(S/N=3)，靈敏度為12mA/(mmol/L/cm2)。該傳感器具有選擇性高、重現(xiàn)性好、長時間穩(wěn)定性等特點。

Haghparas等[18]以pluronic F-127為表面活性劑，通過水熱法制備了啞鈴形雙殼中空納米多孔CuO/ZnO微結(jié)構(gòu)。將所制備的CuO/ZnO-DSDSHNM置于玻碳電極(GCE)上作為葡萄糖檢測電極，然后用Nafion包覆，得到所提出的Nafion/CuO/ZnO-DSDSHNM/GCE傳感器。該傳感器線性范圍格外寬，從5×10-4～100mmol/L，靈敏度為1536.80μA/(mmol/L/cm2)，檢測限低至357.5nmol/L，響應時間短為1.60s。該傳感器具有長期穩(wěn)定、重現(xiàn)性良好、選擇性優(yōu)異等特點，且適用于人血清樣品的葡萄糖檢測。

4 基于銅氧化物與碳納米復合材料構(gòu)建的非酶葡萄糖傳感器

碳納米材料由于具有杰出的導電特性和電催化性、比表面積大，受到眾多科研學者的重視，也被稱為21世紀最重要的納米材料之一，在電化學傳感器方面具有廣闊的前景。碳納米材料與銅氧化物結(jié)合，大幅提高了傳感器與葡萄糖分子結(jié)合的幾率及電極靈敏度和電荷轉(zhuǎn)移率。

Yazid等[19]利用以碳酸鈉為還原劑，在堿性水溶液中通過直接的化學還原過程合成了Cu2O/石墨烯納米復合材料，以其修飾的玻碳電極(Cu2O/石墨烯/GCE)具有高靈敏度和選擇性。靈敏度達到1330.05μA/(mmol/L/cm2)，線性范圍為0.01～3mmol/L，檢測限為0.36μmol/L。這是由于Cu2O納米顆粒的大比表面積和石墨烯良好的電導率為Cu2O/石墨烯納米復合材料的電化學行為提供了更多的電催化位點，促進了電子傳遞。

Karami等[20]用聚多巴胺(PDA)作為粘合劑，將Cu2O沉積在還原氧化石墨烯(RGO)上，制備納米復合材料，將其修飾在玻碳電極上作為工作電極，檢測其對葡萄糖的電催化性能。該傳感器線性范圍為10～150μmol/L，檢測限低至0.05μmol/L。

Zhila等[21]研制了一種基于鉛筆石墨電極(PGE)、聚3，4-乙烯二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT:PSS)和納米CuO構(gòu)建的非酶葡萄糖傳感器，同時考察了加入多壁碳納米管(MWCNTs)對葡萄糖傳感器活性的影響。與單獨基于CuO傳感器的實驗結(jié)果比較，PEDOT∶PSS和多壁碳納米管(MWCNTs)均提高了傳感器的電流響應。

Yang等[22]采用三維石墨烯壁(GWs)和納米Cu2O修飾碳纖維紙(CFP)電極研制了一種一次性、靈敏的非酶葡萄糖傳感器。CFP/GWs/Cu2O具有較大的比表面積和豐富的溶液擴散通道，可以在沒有Nafion固定膜的情況下暴露出更多的催化活性位點，從而提高了該傳感器與葡萄糖的反應位點，且檢測到該傳感器具有較寬的線性范圍(0.5 ～5166μmol/L)，檢測限低至0.21μmol/L，響應時間為4s，為碳納米材料在傳感器方面的應用提供了新的思路。

5 展 望

本文論述分析了近幾年來銅的氧化物、銅的氧化物與貴金屬、過渡金屬及其氧化物，以及與碳納米材料制備的電極構(gòu)筑的非酶葡萄糖傳感器，逐步改善以往非酶葡萄糖傳感器的缺陷(例如：線性范圍較窄、靈敏度低)，且部分傳感器對較低濃度葡萄糖有良好的響應。盡管非酶葡萄糖傳感器相比酶傳感器來說具有一定的優(yōu)勢且在逐步改善中，但是目前仍處于基礎(chǔ)研究階段，僅可以在堿性溶液中有較好的催化性能，與實際測試環(huán)境(如血液)有較大差異，發(fā)展不夠成熟，在實際應用方面仍具有巨大挑戰(zhàn)。因此，探索具有更全面更低成本、更有實用性的非酶葡萄糖傳感器仍具有重要意義，期待非酶葡萄糖電化學傳感器可以早日實現(xiàn)商業(yè)化，為醫(yī)療事業(yè)和食品工業(yè)等領(lǐng)域提供更多便利。