王悅項東馬紹群趙麗萍李秀澤

(山東建筑大學 材料科學與工程學院，山東 濟南 250101)

0 引言

近年來，糖尿病已成為一種全球范圍內常見的代謝性疾病。根據(jù)世界衛(wèi)生組織發(fā)布的報告，自2016年起，每年估計有160萬人死于與該類疾病相關或直接相關的病癥。因此，利用電化學傳感器快速、準確地檢測葡萄糖濃度，在糖尿病治療、環(huán)境監(jiān)測等方面受到普遍的關注[1]。其中，電化學傳感器是發(fā)展最快、應用最廣泛的一類葡萄糖檢測器件。在構建電極過程中，當利用葡萄糖氧化酶進行檢測時，稱為有酶葡萄糖電化學傳感器，反之則稱為無酶葡萄糖電化學傳感器，二者均是依靠電流信號檢測葡萄糖濃度的電流型傳感器[2]。然而，基于葡萄糖氧化酶的電化學傳感器存在著許多不足，如酶容易受到溫度、pH值等因素影響而失活，而且固定酶的制備工藝復雜且成本高昂等，因此在實際應用中受到一定程度的限制[3]。無酶葡萄糖電化學傳感器無須在電極上固定葡萄糖酶，而是利用電極表面的活性成分直接電催化氧化葡萄糖分子，通過電流等電化學信號的變化測定葡萄糖濃度，其具有檢測速度快、重現(xiàn)性好、特異性強、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，是有著廣闊發(fā)展前景的電化學傳感器[4]。

碳材料本身具有化學性能穩(wěn)定、毒性低、導電率高等特性，常用作電極修飾材料。常見的碳材料有石墨烯[5]、碳納米管[6]、碳納米纖維[7]、碳量子點[8]等。但在檢測葡萄糖時，純碳材料修飾的電極所表現(xiàn)出的電化學性能并不令人滿意，需要尋找更好的解決方案。隨著納米材料的發(fā)展，各種納米結構金屬材料(Au[9]、Pt[10]、Ni[11]、Pd[12])及其化合物(MoS2[13]、Ni(OH)2[14]、Pt-Ni[15]、Co3O4[16]、CuS[17]、CuCo2S4[18])因具有適宜的結構、優(yōu)異的電催化活性和良好的穩(wěn)定性等特點，常常用作修飾無酶葡萄糖電化學傳感器的電極材料。作為良好的電子介體，銅基納米材料具有Cu2+/Cu3+氧化還原對，能為電催化氧化葡萄糖的過程提供活性位點，這些都有利于無酶電化學傳感器的制作[19]。硫化銅(CuS)作為穩(wěn)定無毒的半導體材料，除具有生物相容性和類似金屬的導電性外，還表現(xiàn)出良好的靈敏度和抗干擾能力。RADHAKRISHNAN等[20]利用簡單的溶劑熱法在無模板和表面活性劑的條件下制備出微米花狀結構的CuS，在人體血清的葡萄糖檢測中展現(xiàn)出較寬檢測范圍和較快的響應時間。VENKADESH等[21]通過改變溶劑介質制備出不同微觀形貌的CuS，其中基于CuS納米顆?；ミB形成網(wǎng)絡狀結構的電極材料表現(xiàn)出1 085μA/((mmol/L)·cm2)的高靈敏度和優(yōu)秀的穩(wěn)定性。上述材料雖然在電化學傳感器的性能改善上起到了非常重要的作用，但單一材料應用時存在很大的局限性，人們將注意力更多地放在了碳材料與納米材料所形成的復合材料上面。YAN等[22]通過一步水熱法成功合成了硫化銅納米薄片、還原氧化石墨烯(rGO/CuSNFs)納米復合材料，其制備的無酶傳感器對葡萄糖氧化表現(xiàn)出顯著的催化活性，并顯示出良好的重現(xiàn)性和抗干擾能力。KEERTHI等[23]在黃原膠衍生的碳納米纖維上生長出類似海膽狀的CuS，其獨特的納米結構提供了大的比表面積、更多的電催化活性位點和高電導率，對果糖等潛在的干擾物質具有高選擇性、出色的穩(wěn)定性、耐用性和良好的可重復性。

文章利用水熱法添加不同溶劑制備出不同微觀形貌的硫化銅/活性炭(CuS/AC)復合納米材料，通過X射線衍射(X-ray Diffraction，XRD)、掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)、透射電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope，TEM)、氮吸、脫附分析和X射線光電子能譜(X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS)等觀察了CuS/AC復合材料的微觀形貌、物相組成、比表面積和孔徑尺寸等結構特性，利用電化學工作站檢測CuS/AC復合電極材料相關的電化學性能。所制備的復合電極材料具有高的靈敏度、寬的檢測范圍、低的檢測限和良好的電化學性能和穩(wěn)定性。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

實驗中使用的乙酸銅(Cu(CH3COO)2·H2O)購自天津恒興化學試劑制造有限公司；硫脲(CH4N2S)、抗壞血酸(Ascorbic Acid，AA)購買自西隴科學股份有限公司；無水乙醇、氫氧化鈉(NaOH)、葡萄糖(Glucose，Glu)由天津富宇精細化工有限公司提供；果糖(Fructose，F(xiàn)ru)、蔗糖(Sucrose，Suc)、活性炭粉末(Actived Carbon，AC)、尿酸(Uric Acid，UA)、聚乙烯吡咯烷酮K-30(Polyvinyl Pyrrolidone，PVP)、殼聚糖(Chitosan，CTS)則分別購買于上海麥克林生化科技有限公司、國藥集團化學試劑有限公司和上海藍季藥業(yè)。以上藥品皆為分析級試劑(AR)，實驗過程中所使用的皆為去離子水。

1.2 納米復合材料的制備

活性炭(AC)粉末通過3次水洗過濾，確定pH值不再變化后，放入恒溫干燥箱，在105℃溫度下加熱烘干1.5 h，獲得實驗用活性炭粉末。

取3份0.139 g的Cu(CH3COO)2·H2O和0.160 g的CH4N2S分別溶于20 mL的去離子水、無水乙醇、體積比為1∶1的水和乙醇混合溶液，稱取3份各0.460 g的AC分別放入前述配置好的Cu(CH3COO)2·H2O+CH4N2S的混合溶液中，并加入7 mg的PVP，在磁力攪拌器上充分攪拌1 h，并將均勻溶液轉移到高溫高壓反應釜，在電熱恒溫箱中160℃溫度下保持16 h，將得到的沉淀物過濾、洗滌、干燥，即可得到所需的CuS/AC復合納米材料，分別命名為CuS/AC-1、CuS/AC-2、CuS/AC-3，具體制備流程如圖1所示。

圖1 CuS/AC復合納米材料的制備過程圖

1.3 修飾電極的制備

玻碳電極(GCE，直徑為3 mm)用0.05 mm的氧化鎂粉末拋光至鏡面，去離子水沖洗電極，并在室溫下干燥。2 mg的CuS/AC電極材料溶于0.5 mL的無水乙醇和0.5 mL的殼聚糖的混合溶液，再將3μL混合溶液滴加在預處理的玻碳電極(GCE)上并在室溫下干燥。獲得實驗用修飾電極分別為CuS/AC-1+CTS+GCE、CuS/AC-2+CTS+GCE、CuS/AC-3+CTS+GCE。

1.4 性能測試

利用Rigaku D/max-2500 X射線衍射儀XRD分析復合材料的物相組成及結晶度；SU8010場發(fā)射掃描電子顯微鏡SEM和FEI TALOS F200X透射電子顯微鏡TEM觀察復合材料的表面形貌、微觀結構；通過吸附孔徑率計Micromeritics ASAP 2020系統(tǒng)測定氮吸、脫附曲線，并根據(jù)Brunauer-Emmett-Teller(BET)測量復合材料的比表面積；X射線光電子能譜XPS(Thermo K-alpha instrument)分析CuS/AC復合材料的元素組成和化學態(tài)。

所有電化學檢測均在CHI-660E電化學工作站上進行，三電極裝置是由作為輔助電極的鉑電極、作為參比電極的Ag/AgCl(內置溶液為0.3 mol/L KCl)電極以及作為工作電極的CuS/AC+CTS+GCE組成。在10 kHz～100 mHz的頻率范圍內檢測CuS/AC+CTS+GCE的電化學阻抗譜(Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS)，通過ZSimpWin 3.0軟件(Echem Software)擬合計算了其阻抗數(shù)據(jù)，并在-0.6～0.6 V的電位范圍內記錄CuS/AC+CTS+GCE以及不同掃描速率下修飾電極的循環(huán)伏安(Cyclic Voltammetry，CV)曲線，以及在攪拌條件下的電流(i)-時間(t)檢測，測定CuS/AC+CTS+GCE對滴加不同濃度葡萄糖溶液所顯示出的安培響應電流變化。

2 結果與討論

2.1 結構表征

3種CuS/AC復合材料的物相組成如圖2所示。由于活性炭為非晶態(tài)材料，因此并沒有出現(xiàn)明顯的衍射峰。在衍射角2θ=27.6°、29.2°、31.7°、32.8°、47.9°、52.7°和59.3°處出現(xiàn)的衍射峰，分別對應著CuS的(101)(102)(103)(006)(110)(108)和(116)晶面，與CuS標準PDF卡片(＃06-0464)相符。CuS的衍射峰較為尖銳，證明所得電極材料的結晶度較好[24]。

圖2 CuS/AC復合材料的XRD圖

在不同溶劑條件下，制備出的CuS/AC納米復合材料的微觀形貌不同，通過SEM觀察研究其表面形貌，如圖3所示。圖3(a)為CuS/AC-1的SEM形貌圖，可以較為清晰地看到尺寸約為350 nm的花球狀CuS納米顆粒成功附著在活性炭上。圖3(b)則是CuS/AC-3的微觀形貌，由于團聚現(xiàn)象的存在，其上的CuS聚集成不同形狀的納米顆粒，且大小不一、分布較為零散。PVP作為納米分散劑包裹于納米粒子表面，形成一種類似保護層的結構，從而使其彼此相斥，不易團聚；而CuS/AC-3則因溶劑的關系，導致PVP超過該樣品制備溶液中的臨界膠束濃度，其分子鏈之間相互纏連而出現(xiàn)團聚現(xiàn)象[25-26]。由圖3(c)可以明顯看出CuS/AC-2的微觀形貌，平均尺寸約為250 nm的CuS納米花均勻附著在活性炭基底材料上。圖3(d)為CuS/AC-2的放大圖像，能更加清晰地看出由納米片聚集成的CuS納米花狀結構。與CuS/AC-1、CuS/AC-3相比，CuS/AC-2具有更小尺寸和更為規(guī)則的CuS納米花狀結構，且其更均勻密集地附著在活性炭上，能夠有效地增加與葡萄糖分子反應的活性位點，提高電化學傳感器的電化學性能。

圖3 復合電極材料的SEM圖

TEM表征了CuS/AC-2的微觀結構，如圖4所示。由圖4(a)可以看到，在活性炭上附著的CuS納米花，其均勻的分布可以有效地增加參與反應的活性位點，有利于對葡萄糖的電催化氧化行為。由TEM高分辨率圖像(圖4(b))可知，CuS納米花是由較為平滑、邊緣分明的納米片聚集形成的規(guī)則結構，有利于增大復合材料的比表面積，增加與葡萄糖分子的接觸面積。由圖4(c)則可以看出CuS/AC-2的晶格條紋，其晶面間距d為0.281 nm，與CuS的(103)晶面的晶面間距相符。CuS/AC-2的TEM衍射花樣如圖4(d)所示，屬于典型多晶衍射花樣，通過計算對比，得到的衍射環(huán)符合CuS的(101)(006)(105)晶面，與前述XRD結果一致，進一步證明了復合電極材料中CuS的存在。

圖4 CuS/AC-2的TEM圖、晶格及衍射花樣圖

圖5為CuS/AC-2的TEM暗場像及TEM的元素分布面掃描圖。圖5(a)為CuS/AC-2的暗場像，進一步驗證附著在活性炭上的納米花狀結構的CuS。圖5(b)～(d)分別顯示了CuS/AC-2中含有的C、S、Cu元素分布，可以看出納米花主體是由Cu和S元素構成的，其均勻地分布于活性炭上。

圖5 CuS/AC-2的TEM暗場像及TEM的元素分布面掃圖

在溫度為77 K時，氮吸附檢測了純AC和CuS/AC-2，其吸脫附曲線如圖6(a)所示，孔徑分布如圖6(b)所示。由此可知，氮吸、脫附曲線基本符合國際純粹與應用化學聯(lián)合會(International Union of Pure and Applied Chemistry，IUPAC)分類中的Ⅳ型吸附等溫線[27]，在中、高壓段，樣品吸附量增加，出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象，即H4型滯后環(huán)，這是由于層狀結構產(chǎn)生的介孔的存在所造成的影響[28]?；钚蕴亢蛷秃喜牧系谋缺砻娣e和孔徑尺寸的測試數(shù)據(jù)見表1。AC的比表面積、平均孔徑分別為1 303.06 m2/g和2.38 nm，而CuS/AC-2的比表面積、平均孔徑則分別為1 141.87 m2/g和2.22 nm。這是由于CuS納米花附著在活性炭表面，堵塞了其孔道，因此與活性炭相比，其比表面積和微孔體積都出現(xiàn)相對減少的現(xiàn)象。但CuS/AC-2納米復合材料仍具有較大的比表面積和較好的孔結構，能夠提供足夠多的活性位點，有利于電催化過程的進行，提高了傳感器的電化學性能。

表1 AC與CuS/AC-2復合材料的比表面積、平均微孔體積和平均孔徑表

圖6 AC及CuS/AC-2復合材料的氮吸、脫附曲線和孔徑分布圖

利用XPS分析了CuS/AC-2組成元素和化學價態(tài)，如圖7所示。圖7(a)為CuS/AC-2的XPS全譜圖像，可以觀察到Cu、C和S等3種元素峰，而全譜圖中出現(xiàn)的O、N元素峰則是由于其檢測時暴露在空氣中，吸附了空氣中的污染物所致。C元素的高分辨率譜圖(圖7(b))在284.6和286.8 eV處出現(xiàn)兩個峰，分別對應C—C和C—S鍵。圖7(c)顯示了S元素的高分辨率譜圖，兩個峰位于162.3和168.3 eV處，分別對應Cu—S和S—C鍵。圖7(d)為Cu元素的高分辨率譜圖，931.9和933.8 eV處出現(xiàn)的峰對應CuS中Cu 2p3/2軌道的Cu2+，而951.3和954.3 eV處的峰則對應Cu 2p1/2軌道的Cu2+，且在941.6、943.5和962.3 eV處出現(xiàn)的衛(wèi)星峰更進一步驗證了Cu2+的存在[29-30]。

圖7 CuS/AC-2的XPS譜圖

2.2 電化學性能

電化學阻抗譜圖(EIS)是檢測電化學性能的一種重要表征手段，通常由高頻區(qū)半圓部分的電子轉移電阻和低頻區(qū)域線性部分的電子擴散過程兩個部分組成。為了更深入地討論修飾電極與溶液之間的電化學行為，使用ZSimpWin 3.0軟件(Echem Software)擬合了EIS的等效電路圖，如圖8中插圖所示。通過計算可以得到不同CuS/AC修飾的電極在0.1 mol/L的NaOH溶液中阻抗值Rct不同，CuS/AC-1、CuS/AC-2、CuS/AC-3的Rct分別為8.22、4.72、7.91Ω·cm2。其值越小，電子移動的阻力越小，表示電子轉移速率越快，因此電化學性能越好。CuS/AC-2復合材料所修飾的玻碳電極Rct最小，這是因為CuS納米花狀結構與葡萄糖分子相接觸的活性位點增多，電子轉移速度加快，有利于電子的傳輸。

圖8 不同修飾電極的電化學阻抗譜圖

圖9為裸電極以及不同材料修飾電極的循環(huán)伏安特性曲線。圖9(a)顯示50 mV/s的掃描速率下，裸電極在含有2.0 mmol/L葡萄糖的0.1 mol/L NaOH溶液中沒有出現(xiàn)明顯的峰形變化。由于碳材料對葡萄糖也具有一定的催化行為，因此活性炭修飾的玻碳電極在葡萄糖溶液中出現(xiàn)了氧化還原峰。而CuS/AC-2+CTS+GCE的氧化還原峰更為明顯，峰值電流更高和峰面積更大，證明其對葡萄糖具有顯著的電催化氧化能力。圖9(b)是不同的CuS/AC修飾玻碳電極在50 mV/s的掃描速率下的循環(huán)伏安特性曲線。CuS/AC-2+CTS+GCE氧化還原的峰值電流均高于CuS/AC-1+CTS+GCE、CuS/AC-3+CTS+GCE，說明CuS/AC-2+CTS+GCE對葡萄糖的電化學催化響應更高，表明作為活性點的納米花狀CuS能夠更多地與溶液中的葡萄糖分子接觸，從而對葡萄糖有著更強的催化活性和更優(yōu)越的電化學性能。圖9(c)是納米花狀的CuS/AC-2修飾的電極在含有2.0 mmol/L葡萄糖的0.1 mol/L NaOH溶液中不同掃描速率下的循環(huán)伏安曲線。隨著掃描速率的提高，氧化峰的電流值也隨之升高。由于循環(huán)伏安電位是動態(tài)，電化學極化會使峰的位置隨著掃描速率的改變而變化，即掃描速率越快，氧化峰朝正電位方向偏移，而還原峰則向負電位偏移。圖9(d)是掃描速率和氧化電流值的擬合曲線，可以看出氧化電流峰與掃描速率呈線性關系，其線性方程表示為ip=0.008 49υ+0.04161(R2=0.996)，其中ip為氧化峰值電流，mA；υ為掃描速率，mV/s。證明葡萄糖在CuS/AC-2修飾的電極表面的電催化氧化過程由吸附控制[31]。

圖9 不同修飾電極的CV曲線對比和不同掃速下CuS/AC-2+CTS+GCE的CV曲線及其線性擬合圖

圖10(a)展示了CuS/AC-1+CTS+GCE、CuS/AC-2+CTS+GCE和CuS/AC-3+CTS+GCE在+0.5 V工作電位下，向0.1 mol/L的NaOH溶液中，每隔50 s滴加不同濃度的葡萄糖溶液所得到的安培響應曲線(i-t曲線)。在滴加葡萄糖溶液的過程中，3種電極都呈現(xiàn)出階梯狀增長，并在加入葡萄糖約5 s后，電流的增長趨于穩(wěn)定，表明葡萄糖的氧化過程中電子的轉移傳遞轉化為響應電流。與CuS/AC-1+CTS+GCE、CuS/AC-3+CTS+GCE相比，CuS/AC-2+CTS+GCE顯示出更加優(yōu)異的靈敏度和更短的響應時間。圖10(b)是與之相對應的線性擬合曲線，在30～2 400μmol/L的區(qū)間范圍內，CuS/AC-2+CTS+GCE的靈敏度為1 703μA/((mmol/L)·cm2)(R2=0.999)、檢測限為20μmo/L，其對葡萄糖的電催化氧化性質高于CuS/AC-1+CTS+GCE(靈敏度為1 578μA/((mmol/L)·cm2))和CuS/AC-3+CTS+GCE(靈敏度為1 096μA/((mmol/L)·cm2))。其原因主要是CuS/AC-2中納米花狀結構的CuS所提供的數(shù)量較多的活性位點，進而提高了傳感器的電化學性能，證明了不同微觀形貌的CuS/AC復合材料對葡萄糖的催化氧化行為具有一定的影響。不同微觀形貌及性能的銅基納米材料葡萄糖無酶傳感器的比較見表2。

圖10 不同修飾電極的i-t響應曲線及其電流-葡萄糖濃度的線性擬合圖

表2 不同電極材料葡萄糖傳感器比較表

無酶葡萄糖傳感器電化學傳感性能的提高主要依靠比表面積和電子轉移速率兩個方面。CuS/AC-2中活性炭的介孔通道能夠提供更多的電子傳遞通道，有效增強了電子轉移的速率。而在活性炭上附著的CuS納米花能夠為傳感器帶來更多可參與反應的催化點，增加與葡萄糖分子的接觸，從而促進了對葡萄糖的電催化反應。

CuS/AC在無酶條件下催化氧化葡萄糖是依靠Cu(Ⅱ)和Cu(Ⅲ)氧化還原對實現(xiàn)的，Cu(Ⅱ)被氧化為Cu(Ⅲ)，從而釋放出電子；Cu(Ⅲ)則與葡萄糖發(fā)生催化反應生成葡萄糖酸內酯(Gluconolactone)，其可進一步水解成葡萄糖酸(Gluconic Acid)[35]。其反應過程由化學式(1)～(3)表示，機理過程如圖11所示。

圖11 CuS/AC對葡萄糖電催化氧化機理圖

抗干擾檢測是衡量電化學傳感器性能的一種典型表征手段。CuS/AC-2+CTS+GCE在0.1 mol/L的NaOH溶液中進行實驗，由于人體血清環(huán)境中葡萄糖濃度遠大于其他干擾物質，因此選擇滴加2.0 mmol/L的葡萄糖溶液和0.1 mmol/L的干擾物質溶液(Suc、AA、UA、Fru)對修飾電極進行安培響應曲線檢測，觀察電極材料對各種干擾物的響應電流變化，以此檢測電化學傳感器的抗干擾能力，如圖12所示?？梢钥闯?，CuS/AC-2+CTS+GCE對葡萄糖具有良好的選擇性。在安培響應曲線中，除葡萄糖外，其他干擾物質沒有出現(xiàn)明顯的電流階梯，證明CuS/AC-2+CTS+GCE具有較好的抗干擾能力。

為了研究CuS/AC-2+CTS+GCE的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，取5份等量CuS/AC-2分別修飾GCE，修飾后的電極在含有2.0 mmol/L葡萄糖的0.1 mol/L NaOH溶液中檢測循環(huán)伏安特性曲線掃描20圈，其掃描速率為50 mV/s，如圖13(a)所示。5次測量得到氧化電流值的相對標準偏差(Relative Standard Deviation，RSD)為6.27%，表明傳感器的制造過程是可靠且有良好的可重現(xiàn)性。將CuS/AC-2+CTS+GCE在室溫下密封保存15 d，每隔3 d在相同工作條件下檢測該電極的電流響應，如圖13(b)所示。1 5d后的檢測結果顯示氧化電流仍保持在初始值的93%，這就證明了該傳感器具有較好的長期穩(wěn)定性。

圖12 CuS/AC-2+CTS+GCE的抗干擾曲線圖

圖13 CuS/AC-2+CTS+GCE的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性檢測圖

3 結論

經(jīng)過上述研究，得到以下結論:

(1)以無水乙醇作為溶劑制備出的CuS/AC-2復合材料，其平均尺寸為250 nm的CuS納米花較為均勻地附著在活性炭上，具有較大的比表面積，能有效提供更多與葡萄糖分子反應的活性位點，提高了電化學傳感器的電化學性能。

(2)CuS/AC-2和殼聚糖(CTS)制備出的CuS/AC-2+CTS+GCE電極在無酶條件下對葡萄糖具有良好的電催化氧化能力，其靈敏度可達1 703μA/((mmol/L)·cm2)，且 顯 示 出 30～2 400μmol/L寬的線性范圍和20μmol/L的低檢測限，其響應時間約為5 s，并表現(xiàn)出對葡萄糖檢測的良好選擇性和抗干擾能力，是具有良好發(fā)展前景的無酶葡萄糖電化學傳感電極材料。