非酶金基电化学传感器在葡萄糖检测中的研究①

2022-11-22谢文杰王玉松王绍臻

佳木斯大学学报（自然科学版） 2022年5期

谢文杰, 王玉松, 王绍臻

(皖南医学院药学院，安徽芜湖 241000)

0 引言

糖尿病是一种机体血糖浓度不正常升高的代谢疾病，发生时机体的胰岛素分泌减少，引起体内基本供能物质代谢不正常[1]。一些生物分子如乙酰胆碱、组胺、神经递质、神经肽、GABA及去甲肾上腺素等，在正常生理和病理生理分析都占有重要的地位[2-4]。葡萄糖传感器不仅在监测生理血糖浓度的变化，并且广泛应用于食品含量、及可持续燃料电池等方面[4-5]。贵金属催化剂因具有特殊的纳米结构和较高的催化活性的性能，随着各行业需求的增加和糖尿患病率的增加，金纳米的特殊类似酶的性质，使其在葡萄糖电化学传感器中发挥重要作用[6]。

1 实验部分

1.1 试剂及材料

氯金酸(Alfa Aesar)，氢氧化钠NaOH(Sigma)，Nafion(Sigma)，无水乙醇(无锡市展望化工)，N，N-二甲基甲酰胺(DMF,Aladdin)，脲 (西陇化工)，抗坏血酸(上海国药集团)，葡萄糖(上海迈瑞尔化学) ，羟乙基呱嗪乙硫磺酸溶液(Hepes,Solarbio)，尿酸(上海国药集团)。

1.2 Au/NPs、金纳米粒子的合成和 Au/GCE传感器的制备

取内含磁子的20mL 圆底烧瓶加入13.85 mL 9.96mM Hepes,1.00 mL/10 mM 脲,1.89mL 5.89 M 氯金酸和2.00 mL 去离子水，400 r 磁力搅拌器均匀搅拌10min后转移至反应釜内，在烘箱中168℃加热3 h。，乙醇清洗干净，离心干燥得到Au/NPs 。

金纳米粒子的合成1.89 mL 5.89 M氯金酸加入10.00 mL的装去离子水的烧瓶中，加入1.00mL 0.01M的硼氢化钠溶液，搅拌18 min，静置用去离子水，乙醇洗样，离心干燥得到金纳米粒子粉末。

称1 mg 制备的Au/NPs 和金纳米粒子粉末溶于1.00 mL混合溶液(0.336mL H2O，0.644 mL DMF，0.020 mL 5 wt%Nation)中制备催化剂墨水，在超声波清洗器中分散15 min。用0.05 μm 的α-Al2O3粉末打磨，活化电极，进行电极性能测试，当峰电位差值ΔEp<80 mV 时，吸6.0 μL 制备好的两种催化剂墨水分别滴涂到磨好的GCE 表面，等晾干，即得到Au/GCE 和金纳米电极。

1.3 分析仪器

电化学工作站CHI660E(上海辰华)，磁力搅拌器(SCILOGEX)，电子天平(HZ&HUAZHI)，透射电子显微镜TEM(FEI&Tecnai G2F20)，扫描电子显微镜SEM(S-4800))，X射线衍XRD(荷兰帕纳科)，X射线光电子能谱XPS(Kratos Analytical Ltd.)。

1.4 Au/GCE的电化学行为

用循环伏安曲线(CV)来评价Au/GCE 电催化葡萄糖氧化的能力实验以三电极体系为测试系统，参比电极，对电极为Hg/HgO电极，Pt丝,论文中所有电势均相对于Hg/HgO电极。所有电化学测试的扫速均控制在50mv/s，电催化葡萄糖的电位范围为-1.0 V至1.0 V。在整个实验过程中，通氮气12min，比较Au/GCE 和金纳米电极的电催化及其对葡萄糖催化氧化的能力，并且对催化过程做出评价。

1.5 Au/GCE葡萄糖传感器的性能分析

探究葡萄糖在Au/GCE 上的电催化行为，运用循环伏安法(CV)，判段传感器电催化葡萄糖的氧化电流与扫速之间的关系，峰电位差的增大或者减小，来表明电极上的电催化行为是否受表面控制。

传感器定量检测分析，使用差脉冲伏安法(DPV)，检测含有不同浓度的葡萄糖的氢氧化钠溶液，判断浓度与峰电流值之间是否存在线性关系，并且与其他葡萄糖电化学传感器比较性能。

使用线性伏安曲线(LSV)对传感器的选择性做出评价，依次加入1 mmol/L的葡萄糖、1 mmol/L的葡萄糖+10 mmol/L的抗坏血酸(AA)、1 mmol/L的葡萄糖+10mmol/L的尿酸(UA) 和 1 mmol/L的葡萄糖+10 mmol/L的氯化钠(Nacl)，比较其 LSV 响应电流值的大小。

2 结果与讨论

2.1 结构表征

采用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对合成产物进行了形貌表征。图1(a)和(b)为AuNPs 的SEM和TEM 图。结果显示，AuNPs 呈球形状，平均直径约50 nm～60 nm。此结构有利于葡萄糖的电催化氧化。(c)为AuNPs 的X 射线衍射XRD，在该图中，衍射峰出现在2θ 分别为 38.1°,44.3°,64.5°,78.1°。分别对应于AuNPs面心立方晶系的(111),(200),( 220),(220),(311)晶面。 (d)图中 83.94 eV，87.92eV 与 AuNPs 的 4f7/2和 AuNPs 的 4f5/2能谱峰对应，与谱库中的 Au0的结合能对应。

2.2 Au/GCE的电化学行为

图2(a)中在正描过程中，-0.5-0.25 V 处 CV 曲线上升表示 AuNPs 发生了初步氧化形成 AuOHads，0.5V处的峰表示 AuNPs 氧化物的生成，负扫过程中，-0.05 V 的还原峰表示 AuNPs 氧化物的还原过程。(b)葡萄糖的氧化始于-0.8 V且反应速度较慢，较少的 OH-在 AuNPs 表面的吸附，在0.05V-0.25 V， OH-的大量吸附使电位迅速增加，AuNPs 氧化物在0.5V时开始形成并减缓葡萄糖的氧化，随着电势的增加由于 AuNPs 的氧化物需要消耗更多的 AuOHads，葡萄糖的氧化被停止，随着 AuNPs 氧化物的还原，AuOHads重新吸附在电极表面上导致葡萄糖再次发生氧化，结果在电势到达-0.15 V时出现第二个氧化峰。

AuOHads的形成可以用下面公式表示：

AuNPs 与 OH-结合形成 AuOHads，其中 ads 和 λ 分别表示 AuNPs 表面上吸附的化学物质和电子转移数，其取值在 0～1 之间。在氢氧化钠溶液中，葡萄糖在 Au/GCE 表面的电催化氧化过程依赖于 AuNPs 形成的 AuOHads数量。

HEPES 法制备的 Au/GCE 活性面积比硼氢化钠制备的金纳米电极大的多。(c)中分别为金纳米电极、Au/GCE 在没有葡萄糖的 0.1M NaOH 溶液中的 CV 曲线。金纳米电极没有出现明显的氧化还原特征峰，而 Au/GCE 在正扫和负扫过程出现了氧化峰和还原峰。(d)中显示了金纳米电极和 Au/GCE 在1 mM 葡萄糖的 0.1M NaOH 溶液中的CV曲线图。两种电极都显示出对于葡萄糖电催化氧化的特征氧化峰，但是我们制备的 Au/GCE 催化葡萄糖的峰电流密度更大。HEPES 法制备的 Au/GCE 具有的活性面积大，更容易电催化氧化葡萄糖。

2.3 Au/GCE葡萄糖传感器的性能分析结果

图3(a)正扫过程中，0.25 V出现葡萄糖的第一个氧化峰，扫速由 50mv/s，60 mv/s,70 mv/s,80 mv/s,90 mv/s,100mv/s，其对应峰电流依次增大，峰电流随着扫速的增加呈现出递增，说明制备的电极稳定性良好，表明电极上的电催化行为是受电极表面控制。(b)实验结果表明，峰电流与浓度间的线性好，峰电流值随浓度的增大而增大 (c)所得的校正曲线方程为 Y(uA)=1.47X(mM)+4.35，线性相关系数R2为 0.996，检测灵敏度为20.1 μA mM-1cm-2，检测下限达到 50 μmol/L(S/N=3)线性关系良好。与已发布的各几种无酶型葡萄糖电化学传感器相对比(表1)，Au/GCE 有较高的灵敏度和低的检出限,人体正常血糖的浓度为 3.79mM -6.1mM(空腹)，我们制备的Au/GCE 可以达到检测血糖的目的。(d)是不同物质在上LSV曲线响应。测试时，向测试溶液中依次加入1 mmol/L的葡萄糖、1 mmol/L的葡萄糖+10 mmol/L的抗坏血酸(AA)、1 mmol/L的葡萄糖+10mmol/L的尿酸(UA) 和1 mmol/L的葡萄糖+10 mmol/L的氯化钠(Nacl)，比较其 LSV 响应电流值，测试表明，只加入葡萄糖后，Au/GCE 的LSV响应电流最大，而加入其他杂质后,修饰电极上的 LSV 响应电流分别下降，因此Au/GCE 能够较好的选择催化葡萄糖，具有较好的抵抗杂质的干扰。