CuS/RGO纳米复合物的制备及对葡萄糖的无酶电化学传感

焦守峰

(淮北职业技术学院 医学系， 安徽 淮北235000)

摘要：以L-半胱氨酸作为硫的供应体、还原剂、联接剂采用一锅法合成了硫化铜修饰的还原石墨烯纳米复合材料，发现此纳米复合物修饰电极对葡萄糖有良好的电催化效果，并且表现出很高的抗干扰能力、优良的选择性，适用于人体中血清的检测有很好的准确性，有望应用于葡萄糖的无酶传感。

关键词：纳米复合物； 修饰电极； 电催化氧化； 无酶传感器

收稿日期：2015-07-05

基金项目：本文系国家自然科学基金项目“单一纳米电极的制备与应用”(编号：21375002)的研究成果。

作者简介：焦守峰( 1974-)，男，安徽濉溪人，淮北职业技术学院医学系讲师，分析化学博士，研究方向为生物化学、药理学。

中图分类号：O657.1

文献标识码：A

文章编号：1671-8275(2015)04-0137-03

Abstract:One-pot synthesis of CuS nanoparticle-decorated reduced graphene oxide (CuS/RGO) nanocomposites was prepared with the use of L-cysteine, an amino acid, as a reducing agent, sulfur source, and linker to anchor CuS nanoparticles onto the surface of RGO sheets. It was found that the CuS nanoparticles decorated reduced graphene exhibit a remarkable catalytic performance for glucose oxidation. The proposed sensor also showed high anti-interference ability, excellent selectivity and was successfully used for glucose detecting in human serum with good accuracy and satisfactory recovery. It is believed that CuS/RGO composites show good promise for further application on non-enzymatic glucose biosensors.

0引言

糖尿病是影响人类健康的一种常见病，葡萄糖的检测对糖尿病诊断和治疗有重要的实际意义。葡萄糖酶传感器具有高度的选择性和灵敏度，但由于酶自身的特点，使其在使用中最普遍和突出的问题是缺乏持久性和稳定性，且易受温度、酸碱度和有毒化学物质的影响。

本文采用了环境友好的合成方法，以L-半胱氨酸作为硫的供体，同时又作为还原剂用一步水热法合成了石墨烯-硫化铜纳米复合物。对所制备的材料经过扫描电镜、EDS表征，发现硫化铜纳米颗粒均匀地分布在石墨烯表面，然后把制得的纳米复合物制备成修饰电极，研究其对葡萄糖的无酶传感。结果表明，运用该方法制备的传感器与以前报道的无酶传感器相比，显示出更高的敏感性，并且能避免多巴胺、尿酸、抗坏血酸的干扰。在实际样品的测定中效果良好，有望运用于人体血浆中葡萄糖的测定。

1实验部分

1.1药品与仪器

药品：氧化石墨烯,氯化铜，L-半胱氨酸，过氧化氢(30 wt %)，葡萄糖，萘酚(5 wt%水溶液)，其它所有药品均为分析纯，实验前不需要进一步提纯。每次电化学实验前通氮除氧20分钟，并保持在氮气环境中进行。实验中使用水全部为二次水。

仪器：日立S-4800扫描电化学显微镜(操作电压为10千伏)；电化学实验在CHI 660C电化学分析仪(上海辰华仪器公司)上进行。玻碳电极(3mm内径)或其修饰电极作为工作电极，饱和甘汞电极和铂丝电极分别作为参比电极和对电极。

1.2CuS/RGO纳米复合物的制备

合成过程：首先，将氧化石墨烯溶解到水里超声1小时制成0.2 mg/mL的溶液。然后把23mg L-半胱氨酸加入到6 mL上述制备好的石墨烯水溶液里继续超声5分钟，接下来20 μL 1 M的氯化铜溶液滴加到石墨烯-L-半胱氨酸混合液中，搅拌15分钟，溶液的颜色明显由棕黄色变成深蓝棕色。最后，将上述溶液转移到反应釜中160°C加热12小时。所得产品为棕黑色，过滤，去离子水洗涤，然后再分散到水里供进一步表征、使用。

1.3CuS/RGO纳米复合物修饰电极的制备

在进行电极修饰前，玻碳电极先在麂皮上分别用0.3和0.05μm的铝粉先后对裸玻碳电极进行打磨抛光处理，然后用乙醇和二次水对其进行超声清洗，最后再用N2进行干燥处理。为了制备石墨烯-硫化铜纳米复合物修饰电极，将0.5%的萘酚溶液与4.0 mg mL-1石墨烯-硫化铜纳米复合物溶液混合，之后超声5min。通过微量注射器，将5μL的石墨烯-硫化铜纳米复合物的萘酚溶液滴加到处理干净的玻碳电极表面，然后置于室温空气中晾干备用。

2结果与讨论

2.1CuS/RGO纳米复合物的表征

为了证明石墨烯-硫化铜纳米复合物的形貌特征，它们的扫描电镜如图1所示。可以明显地看到反应生成的硫化铜颗粒比较均匀，粒径大约在80纳米左右，并且在石墨烯表面上的分散程度很好，这说明采用的方法完全可以制取理想的石墨烯-硫化铜纳米复合物。

图1　CuS/RGO扫描电镜图

2.2CuS/RGO纳米复合物修饰电极对葡萄糖的电催化

图2所示的是在4.0 mM葡萄糖存在情况下裸电极、氧化石墨烯/萘酚修饰电极和石墨烯-硫化铜纳米复合物/萘酚修饰电极的循环伏安曲线。当葡萄糖不存在时，裸玻碳电极上没有任何氧化还原峰。而在石墨烯-硫化铜纳米复合物/萘酚修饰电极上有Cu (II)/Cu(III)转换的特征峰。如图中看到，一个很宽的还原峰出现因为Cu(III)转变成了Cu (II)，但是Cu (II)转化成Cu(III)的氧化峰没有明显看到，这可能是因为水的分解氧化峰把它掩盖住了。随着4.0 mM葡萄糖的加入，因为葡萄糖的不可逆电化学氧化，一个明显的不可逆的氧化峰出现在石墨烯-硫化铜纳米复合物/萘酚修饰电极上，而裸电极和氧化石墨烯/萘酚则无氧化峰出现。这些现象说明在葡萄糖的氧化过程中，硫化铜起着关键作用。其催化过程可能如下：

图2　对葡萄糖的电化学响应 (a)GCE;(b) GO-PDDA/GCE; (c) CuS/RGO-PDDA/GCE (d，10 mM Glucose)

(1)

(2)

2.3CuS/RGO纳米复合物修饰电极对葡萄糖的计时电流测量

图3是石墨烯-硫化铜纳米复合物修饰电极在0.15M NaOH溶液中随着葡萄糖的连续加入等到的计时电流曲线，所用电压为+0.4V，间隔时间为20秒。可以看出随着葡萄糖的不断加入，电流强度逐渐增强。电流强度的大小与加入葡萄糖的浓度成线性关系(如图4所示)，在0.2 μM到12 mM范围内，线性方程为：Ipa(μA) = -18.85 + 3118.5c (mM) (R2= 0.998)。在信噪比为3 的情况下，检测限为0.05μM。

图3　CuS/RGO-PDDA/GCE 对葡萄糖的 计时电流测定

图4　电流强度与葡萄糖浓度的线性关系

2.4CuS/RGO纳米复合物修饰电极的的再现性和稳定性和抗干扰性测定

在本文中，通过对1 mM的葡萄糖的电流响应考察了所制传感器的的表现。10次连续平行测定当中，修饰电极显示出极好的稳定性能，相对标准偏差为2.4% 。8根不同的修饰电极分别适用同一种溶液，相对标准偏差为3.6%，此结果表明所制备传感器有优良的再现性。室温下每3天间隔时间测量1 mM的葡萄糖溶液，连续3周电流响应能保持在93%，这足以说明该传感器稳定性良好。另外，抗干扰能力是衡量电化学生物传感器的另外一个重要因素。各种易被氧化的干扰物如尿酸、多巴胺、抗坏血酸和碳水化合物都共存于人体的血浆中，该修饰电极也经过了类似的干扰物研究，实验通过连续加入0.10 mM混合干扰物(蔗糖、多巴胺、尿酸、抗坏血酸)到正在测定的葡萄糖溶液里，结果发现对葡萄糖的响应几乎没有任何影响。总的来看，利用该方法制备的修饰电极具有很好的稳定性和抗干扰能力。

2.5实际样品分析

为进一步证实该修饰电极的可靠性，其被用于测定实际人体血浆样品中的葡萄糖浓度。将预先处理好的20.0μL血浆样品加入到10.0 ml 0.15M的氢氧化钠底液中，通氮除氧后，持续加上0.4V的电压，葡萄糖的回收率通过标准添加纯葡萄糖溶液来考察，所得结果如表1所示。可以看到回收率达到99%以上，结果再一次证明石墨烯-硫化铜纳米复合物修饰电极可用于生物样品中葡萄糖的测定。

表1　对人血清中葡萄糖的测定

3小结

我们采用一锅法合成了CuS/RGO纳米复合物，在这个反应体系中，L-半胱氨酸起三种作用：还原剂、硫供体、联接剂。在加热的过程中，L-半胱氨酸能够释放出硫化氢气体，既提供硫又有还原性，促进金属硫化物纳米颗粒的形成并使氧化石墨烯还原成还原石墨烯，然后把合成的纳米复合物通过萘酚固定修饰到玻碳电极上，发现该修饰电极对葡萄糖有很好的电催化作用。此传感器检测葡萄糖的灵敏度高，检测限低，抗干扰能力强，能够用于实际样品中葡萄糖的测定。

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责任编辑：之者

The Fobrication of Cus/RGO Nanocomposite and

Its Electrochemical Non-enzyme Sensing of Glucose

JIAO Shou-feng

Key words:nanocomposites; modified electrode; electrocatalytic oxidation; non-enzymatic biosensors