Au2Pt1Cu1三元納米合金的制備及其在無酶葡萄糖傳感器中的應用

張曉月，梁新義，2，*

（1.天津商業(yè)大學天津市食品生物技術(shù)重點實驗室，天津300134；2.天津商業(yè)大學生物技術(shù)與食品科學學院應用化學系，天津300134）

葡萄糖的精確和快速檢測在臨床醫(yī)學、食品、藥品生產(chǎn)及發(fā)酵過程具有重要價值[1-4]。葡萄糖檢測方法包括比色法、菲林滴定法、高效液相色譜法和電化學傳感器法等。其中，最具快速在線檢測應用價值的是電化學傳感器法。

Clark 和Updike 在1962 年最先研發(fā)出酶電極和測量的酶生物傳感器[5]。然而，酶基葡萄糖傳感器使用存在較多且復雜的固定步驟，同時酶固有的不穩(wěn)定性和低重現(xiàn)性等問題使傳感器性能受到很大限制[6]。在2005 年，Park 等首次發(fā)表了一篇關(guān)于無酶葡萄糖傳感器發(fā)展的權(quán)威性綜述[7]。近年來，科研工作者已經(jīng)在無酶葡萄糖傳感器領(lǐng)域取得不菲地成績，使用無酶葡萄糖傳感器檢測葡萄糖時，其表現(xiàn)出良好的電催化活性，總體來看，優(yōu)點主要有檢測線性范圍廣，檢測限低，靈敏度高，選擇性好，同時兼顧很好的可重現(xiàn)性以及高穩(wěn)定性[8-9]。

近年來，納米材料由于擁有更大的比表面積，能夠增強的電子傳遞作用，被廣泛應用到無酶葡萄糖傳感器中。納米材料的催化性能受其形態(tài)，相位和粒子尺寸的強烈影響，學者們通過優(yōu)化納米材料的合成工藝，達到使無酶葡萄糖傳感器擁有良好再現(xiàn)性的目的[10]。需要強調(diào)的是，許多納米材料是由于它們的優(yōu)異性能和內(nèi)在的電催化活性而逐漸被研究的。例如基于金屬——包括貴金屬（Au、Ag、Pt、Pd）和其他金屬（Ni、Co、Cu）的納米材料：金屬合金、金屬化合物、雙金屬納米材料和碳基化合物納米材料[11-16]。

雙金屬納米結(jié)構(gòu)是一種新型的納米材料，具有較好的技術(shù)用途，比單一金屬納米材料更具有獨特的特性。雙金屬納米材料在電子、光學和催化性能方面的表現(xiàn)優(yōu)于單一金屬納米材料[17-18]。Chen 等[19]研發(fā)了一種雙金屬Pt 殼和棒狀Au 核的葡萄糖傳感器，固定在Nafion 膜和玻碳電極上。試驗數(shù)據(jù)表明，電催化性能的顯著提高是由于從Au 核到枝狀Pt 的凈電子轉(zhuǎn)移，提高了Pt 的活性位點，因而加速了葡萄糖氧化中間體和氯離子的弱吸附。Gang Wang 等[20]合成AuCu@Cu 核殼結(jié)構(gòu)的細長的五角雙錐體納米合金，AuCu 合金殼對Cl-，H3-xPO4x-和O2具有良好的抗中毒和抗干擾性能。Tee S Y 等[21]合成AuCu 納米管結(jié)構(gòu)，具有高導電率的Au 和高比例的Cu，形成較高的比表面活性面積。Wang 等[22]采用電沉積法在Au 電極上還原了石墨烯氧化物和Cu 納米粒子，制備了電化學無酶葡萄糖傳感器。該傳感器催化性能是由于銅納米粒子和Au 的協(xié)同作用。

二元合金納米材料修飾的無酶葡萄糖傳感器在葡萄糖催化氧化過程中展現(xiàn)出的良好性能，為多元合金納米材料的研究提供的可能性。本論文在25 ℃下采用反向微乳液法制備了三元合金納米粒子Au2Pt1Cu1，表征其形貌和結(jié)構(gòu)特征。并構(gòu)筑無酶葡萄糖傳感器，進行電化學測試表征其催化性能，立足揭示納米粒子的構(gòu)—性關(guān)聯(lián)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

2-乙基己基琥珀酸酯磺酸鈉：Acros 試劑公司；HAuCl4、H2PtCl6：Sigma 公司；CuSO4：上海泰瑞爾化學有限公司；環(huán)己烷：天津市風船化學試劑科技有限公司；水合肼：天津市贏達稀貴化學試劑廠；無水乙醇：天津市杰爾正化貿(mào)易有限公司；甲醇：天津市科密歐化學試劑有限公司。以上試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

CHI760 電化學工作站：上海辰華儀器公司；H1650-W 臺式高速離心機：長沙湘儀離心機儀器有限公司；D-8401 型多功能調(diào)速器：天津市興華科學儀器廠；KQ218 超聲波清洗器：昆山市超聲儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 Au2Pt1Cu1三元合金納米粒子的制備方法

取2-乙基己基琥珀酸酯磺酸鈉2.7 g 加入50 mL圓底燒瓶中，加入磁子，同時用移液槍取15 mL 環(huán)己烷置于圓底燒瓶中，攪拌均勻至澄清透明無固體剩余；加入360 μL HAuCl4、180 μL H2PtCl6溶液與180 μL CuSO4溶液混合，然后在25 ℃機械攪拌下逐滴滴加200 μL 水合肼；繼續(xù)攪拌1 h 后裝瓶。Au2Pt1Cu1納米粒子即制備而成。

1.3.2 Au2Pt1Cu1三元合金納米粒子的結(jié)構(gòu)和電化學性能表征

場發(fā)射透射電子顯微鏡使用飛利浦Tecnai G2F20型進行形貌、尺寸和表面結(jié)構(gòu)表征。玻碳電極的處理：將3 mm 玻碳電極（glassy carbon electrode，GCE）依次使用1.0、0.3、0.05 μm 的Al2O3粉拋光，每次拋光后在去離子水中超聲清洗30 s，最后在無水乙醇中超聲1 min，在25 ℃下自然晾干后備用。將制備好的納米粒子滴加在處理好的玻碳電極上，晾干后待測。電化學試驗檢測采用三電極系統(tǒng)：Au2Pt1Cu1/GCE 電極為工作電極，飽和甘汞電極（saturated calomel eletrode，SCE）為參比電極，鉑絲電極為對電極。

2 結(jié)果與討論

2.1 Au2Pt1Cu1 三元合金納米粒子的形貌表征

Au2Pt1Cu1三元合金納米粒子的透射電鏡（trans－mission electron microscopy，TEM）圖和高分辨透射電鏡（high resolution transmission electron microscopy，HRTEM）圖如圖1 所示。

圖1 Au2Pt1Cu1 合金納米粒子的透射電鏡圖像Fig.1 The TEM and HRTEM images of Au2Pt1Cu1 ternary alloy nanoparticles

從圖1（A）中可以看出，合成的合金納米粒子顆粒分明且分布較均勻，納米顆粒粒徑為7 nm 左右。其中，圖1（C）中5 白線對應的是五重孿晶對稱軸，圖1（D）標注了合金顆粒的位錯，圖1（E）中用箭頭指向的白色圓圈標注的為空位缺陷。圖1 顯示合成的三元合金納米粒子中具有豐富的表面缺陷，這是由于三者的電負性不同，促使合金產(chǎn)生協(xié)同作用，電子在金屬中轉(zhuǎn)移，形成d 軌道空位，達到改變表面結(jié)構(gòu)的效果。同時又因為Au、Pt 和Cu 三者粒徑的差異，在粒子排列過程中，空位和缺陷更容易形成。這一現(xiàn)象為三元合金粒子的性能研究提供了有力支撐。

2.2 Au2Pt1Cu1 三元合金納米粒子的電化學性能測試

不同掃速下的循環(huán)伏安曲線和線性擬合曲線如圖2 所示。

圖2 不同掃速下的循環(huán)伏安曲線和線性擬合曲線Fig.2 Cyclic voltammetry curves and linear fitting curves at different sweep rates

為研究三元合金構(gòu)筑電極的電化學性能，將制備的電極分別置于0.01 mol/L KOH 溶液和含有5 mmol/L葡萄糖的0.01 mol/L KOH 溶液中進行循環(huán)伏安曲線（cyclic voltammetry curves，CV）掃描，掃描速率分別為10、30、50、70、100 mV/s，掃描結(jié)果如圖2 A 和圖2 C 所示，氧化峰位不變，氧化電流隨著掃速的提升而增加。根據(jù)CV 曲線，將氧化峰電流與所對應掃速的平方根進行線性擬合，圖2 B 和圖2 D 是擬合結(jié)果。從線性擬合結(jié)果來看，不同掃描速率下的CV 曲線中的氧化峰電流與其相應掃速的平方根構(gòu)成線性關(guān)系，由此說明電極催化反應是由擴散控制的，即電極表面的葡萄糖分子吸附影響電化學催化過程。

為進一步研究Au2Pt1Cu1/GCE 催化葡萄糖的機理，將構(gòu)筑電極在0.01 mol/L KOH 溶液與含有5 mmol/L葡萄糖的0.01 mol/L KOH 溶液中掃描循環(huán)伏安曲線對比，對比結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同試驗條件下的循環(huán)伏安曲線Fig.3 Cyclic voltammetry curves under different test conditions

從圖3 可以明顯看出構(gòu)筑電極對5 mmol/L 葡萄糖的兩個催化氧化峰。CV 曲線正掃時，在-0.4 V 到0.4 V 之間，出現(xiàn)較寬范圍的氧化峰，對應葡萄糖在Au2Pt1Cu1/GCE 上的脫氫吸附和進一步氧化成為中間產(chǎn)物。隨著電位的升高，納米顆粒被氧化成為金屬氧化物致使峰電流降低。CV 曲線回掃時，在0.1 V到-0.35 V 之間，隨著金屬氧化物還原成為納米顆粒，重新氧化葡萄糖，出現(xiàn)了電流較小且明顯的氧化峰。由此，Au2Pt1Cu1/GCE 在堿性環(huán)境中可以催化氧化葡萄糖，具有第一次氧化更充足的特點。三元合金的協(xié)同作用削弱有機分子在電極表面的吸附力，提升了正掃時合金顆粒對葡萄糖的催化性能。

不同濃度下的循環(huán)伏安曲線和線性擬合曲線如圖4 所示。

圖4 不同濃度下的循環(huán)伏安曲線和線性擬合曲線Fig.4 Cyclic voltammetry curves and linear fitting curves at different concentration

從圖4 中可以看出，隨著葡萄糖濃度的增加，Au2Pt1Cu1/GCE 的循環(huán)伏安曲線中的氧化還原峰愈加明顯，氧化峰電流的響應值提高，氧化峰的位置基本無偏移。圖4（B 和C）展示了氧化峰電流和葡萄糖濃度負對數(shù)在電位為-0.1 V 和0.1 V 時具有良好的線性關(guān)系（R2分別為0.983 和0.979），該結(jié)果證實了Au2Pt1Cu1/GCE 在試驗范圍葡萄糖濃度進行檢測時仍保持良好的性能，說明其具有廣闊的應用前景。

為了檢測電極催化葡萄糖的靈敏度，測試了其計時電流曲線，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 Au2Pt1Cu1/GCE 的計時電流曲線Fig.5 Current-time curve of Au2Pt1Cu1/GCE

Au2Pt1Cu1/GCE 對葡萄糖良好的催化性能離不開納米粒子中三元合金的協(xié)同作用和納米顆粒的表面缺陷。在0.1 V 采用計時電流響應曲線檢測葡萄糖，表征Au2Pt1Cu1/GCE 對葡萄糖催化氧化的電化學性能。如圖5 所示，隨著葡萄糖每隔30 s 的連續(xù)注入，響應電流值快速呈現(xiàn)階梯狀變化。嵌圖是時間電流曲線中的響應電流值和葡萄糖濃度的線性擬合（R2=0.987），經(jīng)過計算Au2Pt1Cu1無酶葡萄糖傳感器的靈敏度為116 μA/（mmol/L cm2），檢出限為0.36 μmol/L（S/N=3）。Au2Pt1Cu1/GCE 具有較高的靈敏度和非常低的檢出限，這是因為三元合金納米顆粒表面豐富的缺陷，為氧化葡萄糖提供了大量的電化學反應活性位點[19]。

衡量催化性能的另一指標是選擇性，圖6 是對主要的抗干擾物質(zhì)進行檢測的結(jié)果。

圖6 Au2Pt1Cu1/GCE 選擇性的計時電流曲線Fig.6 Current-time curve of the selectivity in Au2Pt1Cu1/GCE

在發(fā)酵過程中，常伴有果糖、抗壞血酸和尿酸等物質(zhì)與葡萄糖共存，易產(chǎn)生干擾電流影響著葡萄糖濃度的檢測。因此，抗干擾性是衡量傳感器性能的重要指標之一。經(jīng)過連續(xù)添加1 mmol/L 抗壞血酸（ascorbic acid，AA）、2 mmol/L 尿酸（uric acid，UA）、10 mmol/L 果糖（fructose，F(xiàn)ru）和1 mmol/L 葡萄糖（glucose，Glu），響應電流曲線如圖6 所示，當加入2mmol/LUA，1mmol/L AA，10 mmol/L Fru 時，響應電流僅有微弱變化，而加入1 mmol/L 葡萄糖后，響應電流出現(xiàn)明顯的階梯變化。此結(jié)果表明Au2Pt1Cu1無酶葡萄糖傳感器對葡萄糖的選擇性良好[20]。

3 結(jié)論

在25 ℃下，采用反相微乳液法制備Au2Pt1Cu1三元合金納米粒子。形貌表征出納米顆粒粒徑小且分散均勻，具有高密度的表面缺陷。研究Au2Pt1Cu1無酶葡萄糖傳感器的電化學催化氧化性能顯示：其檢測范圍為1 mmol/L 至8 mmol/L，靈敏度為116 μA/（mmol/L cm2），檢出限為0.36 mmol/L，同時具有較好的抗干擾性。