电沉积Cu2O在无酶葡萄糖传感器中的应用

2016-10-16王艺兰包晓玉鲍克燕刘梦菲

分析科学学报 2016年1期

王艺兰, 包晓玉, 杨妍, 鲍克燕, 刘梦菲

(南阳师范学院化学与制药工程学院,河南南阳 473061)

葡萄糖在生物科技、医疗诊断和食品工业等领域具有十分重要的意义，近年来引起了人们广泛关注[1]。葡萄糖传感器分为酶型和非酶型：酶型葡萄糖传感器[2,3]具有良好的选择性和较高的灵敏度，但非常容易失活使其应用受限。而非酶型葡萄糖传感器具有稳定性好、成本低、储存容易和使用寿命长等优点[4]。

纳米材料具有比表面积大、表面活性位点多以及催化效率高等优点，因此,将纳米材料用于非酶型葡萄糖电化学传感器是当前研究的一个新的热点。Cu2O已被应用在太阳能电池[5]、传感器[6,7]、磁性材料[8]和催化[9,10]等多个领域。近年来研究发现不同方法制备的Cu2O形貌不同，如Cu/Cu2O中空微球[11]、纺锤形纳米Cu2O/MWCNT复合材料[12]、Cu2O/聚乙烯醇吡咯烷酮石墨烯纳米片复合材料[13]等等。Cu2O的制备方法有多种，如水溶胶法[5]、水热法[9]、电化学沉积法[14]、固液相电弧放电法[15]和微波照射法[16]等。其中，电沉积法因灵活性高、工艺过程简单、沉积反应速率快和材料形貌可控等优点而受到广泛关注[10]。Li等人[14]用Cu2O-Nafion复合物修饰玻碳电极，研究了该电极对葡萄糖的电催化性能。Zhang等人[17]通过湿化法制备Cu纳米线，发现对葡萄糖的催化性能良好，灵敏度高。Jin[18]等人利用电沉积法制备泡沫铜材料，并将其应用于检测葡萄糖，发现其灵敏度高。本文用电沉积法在玻碳电极上沉积纳米Cu2O，一步完成无酶葡萄糖传感器的制备，通过调控缓冲溶液pH、沉积时间和应用电位，改善电极对葡萄糖的电催化氧化活性，从而提高了构建的无酶葡萄糖传感器的性能,并成功用于人血清中葡萄糖含量的测定。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

CHI660A型电化学工作站(美国，CHI公司)，三电极体系：玻碳电极(GCE)或修饰电极为工作电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，铂丝为对电极。FEI-Quanta-200环境扫描电子显微镜(SEM)(荷兰，FEI公司)；BrukerApexⅡ型X射线粉末衍射仪(德国，布鲁克公司)；KQ-50B超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司)。

CuSO4(天津市永大化学试剂有限公司)，HAc-NaAc缓冲溶液(成都市联合化工试剂研究所)，葡萄糖、尿酸、抗坏血酸、果糖(国药集团化学试剂有限公司)。葡萄糖用pH=7.0的磷酸盐缓冲液(PBS)配制成1.5 mol/L的储备液,放置陈化24 h。所用试剂均为分析纯，实验用水为超纯水。

1.2 Cu2O修饰玻碳电极的制备

将GCE(Φ=3 mm)先用0.05 μm Al2O3在麂皮上抛光,然后分别用水和无水乙醇超声清洗干净，晾干后，采用三电极体系，以10 mmol/L CuSO4+0.1 mol/L HAc-NaAc(pH=5.7)溶液为电解液，沉积时间3 min，控制沉积电位-0.1 V进行电化学沉积。沉积完成之后，用水冲洗，然后在室温下凉干，备用。修饰电极表示为Cu2O/GCE。

2 结果与讨论

2.1 电沉积Cu2O的SEM表征

图1是电沉积Cu2O的SEM图。由图可见，Cu2O比较均均地分散在GCE表面，这种电沉积形成的Cu2O能稳定地固定在电极表面，具有更大的表面积，形成了更多的电催化活性中心，大大提高了催化性能，从而能更好地催化氧化葡萄糖。

2.2 沉积Cu2O的X射线衍射分析

图2是电沉积Cu2O的X射线衍射(XRD)图(CuKa辐射线,管电压40 kV,管电流40 mA)。可以看出，衍射峰出现在2θ为30.10°、36.60°、42.61°、61.62°和73.47°的位置，与标准Cu2O(JCPDS No.05-0667)符合的很好，分别对应于Cu2O的(110)、(111)、(200)、(220)和(311)晶面。说明在CuSO4、HAc-NaAc体系中，电沉积得到的Cu2O是纯相的。值得注意的是(111)峰强而尖锐，与其它峰强度的比例明显高于标准卡片中的数据，说明所得Cu2O沿(111)方向择优生长。

图1 GCE上沉积Cu2O的扫描电镜(SEM)图Fig.1 SEM image of the deposited Cu2O at GCE 3 000(a),40 000(b).

图2 电沉积Cu2O的X射线衍射(XRD)图Fig.2 XRD pattern of the Cu2O electrodeposited

2.3 Cu2O/GCE对葡萄糖的电催化性能

图3 GCE(a和b)和Cu2O/GCE(c和d)在不含(a和c)和含(b和d)50 μmol/L葡萄糖的0.1 mol/L KOH溶液中的循环伏安图Fig.3 Cyclic voltammograms of GCE(a and b),Cu2O/GCE (c and d) in absence(a and c) and presence(b and d) 50 μmol/L glucose solution in 0.1 mol/L KOH solution

裸GCE和Cu2O/GCE在0.1 mol/L KOH溶液中对葡萄糖的电催化性能如图3所示。由图可以看出，裸GCE上没有出现氧化还原峰(曲线a)。在搅拌下，向0.1 mol/L KOH溶液中不断加入50 μmol/L的葡萄糖溶液，裸GCE上没有变化(曲线b与曲线a重合)，而Cu2O/GCE上氧化峰电流增大(曲线c和d)，氧化峰电位负移，说明Cu2O对葡萄糖具有较好的电催化氧化活性。

2.4 Cu2O无酶葡萄糖传感器的性能

2.4.1传感器响应条件的优化改变HAc-NaAc缓冲溶液的pH，按照实验方法制备Cu2O/GCE，研究缓冲溶液pH对Cu2O/GCE电催化性能的影响。结果表明：在pH=3.5～5.7范围内，随着溶液pH的增加，响应电流也随之增大。所以选择pH=5.7为制备Cu2O/GCE的最佳pH值。

用不同沉积时间制备的Cu2O/GCE在50 μmol/L葡萄糖的0.1 mol/L KOH溶液中测定响应电流。结果表明：在30～180 s内，响应电流随沉积时间的增大而增大，180 s后反而减小。因此，本实验确定沉积时间为180 s。同时考察葡萄糖于不同工作电位下在Cu2O/GCE上的响应电流。结果表明：在0.4～0.65 V内，响应电流随工作电位的增大而增大，0.65 V后反而下降，故选择0.65 V为测定的最佳工作电位。

2.4.2传感器的线性范围和检测限利用计时电流法考察Cu2O无酶葡萄糖传感器对葡萄糖的线性响应范围和检测限。图4A是Cu2O/GCE对葡萄糖的计时电流响应，可见该电极对葡萄糖浓度的变化响应灵敏，且响应迅速。在0.1 mol/L KOH溶液中于0.65 V工作电位条件下，成功实现了对葡萄糖从5.0 μmol/L～6.23 mmol/L浓度范围内的检测。将图4A中的响应电流值与葡萄糖浓度进行线性拟合得到图4B。由图4B可以看出，葡萄糖在该电极上的响应电流与葡萄糖浓度呈良好的线性关系，线性范围分别是5.0 μmol/L～0.73 mmol/L、0.73～2.23 mmol/L和2.23～6.23 mmol/L(相关系数分别为0.9909、0.9931和0.9941)，检测限(S/N=3)为0.4 μmol/L。表1为不同葡萄糖传感器的性能比较。由表1可见，本文制备的Cu2O无酶葡萄糖传感器性能较好。

图4 Cu2O/GCE电极的计时电流响应曲线(A)和拟合曲线(B)Fig.4 Amperometric responses of Cu2O/GCE to glucose with increasing concentrations (A) and corresponding calibration curve(B)

Electrode materialLinear range(mmol/L)Sensitivity (μA·mmol/L)Detection limit(μmol/L)ReferenceCu nanobelts0.01-1.1379.810[7]Cu@PPya nanowires0.1-0.8180.651[8]Cu2O-Nafion/GCE0.05-1.153.6947.2[14]Cu2O nanocubes0.001-1.752.50.87[15]Cu nanowires4-7118.780.035[17]Cu2O/GCE0.005-6.2365.740.4This work

2.4.3传感器的抗干扰实验用构建的Cu2O/GCE无酶葡萄糖传感器检测50 μmol/L葡萄糖时，依次加入10 μmol/L的抗坏血酸、果糖、尿酸、谷氨酸、赖氨酸、多巴胺，结果显示响应电流变化不大于5%，因此可以较准确地检测人血清中葡萄糖含量。

2.4.4传感器的稳定性与重现性将修饰电极放在室温下一周后，检测对葡萄糖的催化氧化电流，实验测出其催化氧化电流没有明显变化，说明修饰电极具有较好的稳定性。通过对比同一时间制备的10支电极对于50 μmol/L葡萄糖的响应电流考察传感器的重现性，10次试验结果的标准偏差为4.8%，说明修饰电极具有良好的重现性。

2.5 实际样品的测定

将制备的Cu2O/GCE用于人血清样品中血糖含量的测定(样品由南阳市人民医院提供,其血糖含量已由医院的自动生化分析仪测量)。参考文献报道[7，8，14，15]，均在碱性溶液中测定人血清样品中的葡萄糖含量。本实验在10.0 mL 0.1 mol/L KOH溶液中,加入10.0 μL血清样本,用标准加入法测量血清样品中葡萄糖的含量,测量结果见表2。从表2中可以看出,制备的葡萄糖传感器的测量结果与生化分析仪的测量结果非常接近,最大相对误差为6.5%，说明基于Cu2O/GCE的传感器可以用于临床血清样品中血糖的检测。从表2还可以看出,本文制备的葡萄糖传感器对血糖的测量结果总是大于生化分析仪测得的结果,原因可能是在血清样品中除了葡萄糖以外,还有能在电极上氧化的尿酸、抗坏血酸等物质，或者是血清中含有的某些物质将葡萄糖降解,从而对测量结果产生一定的干扰。