方波脈沖法制備Cu2O@Cu/TiO2三維陣列納米復合材料及其作為高靈敏無酶型葡萄糖傳感器的研究

關高明，柯汝丹，邱燕璇，黎秀鎮(zhèn)，謝思怡，劉江帆，蔣遼川

(廣東第二師范學院 化學系，廣東 廣州 510730)

隨著人們生活水平的日益提高，高血糖病患的比率也在逐年上升。血糖，作為人類生命進程的重要指標之一，其含量檢測對人類的健康及疾病的診斷、治療和控制均有著十分重要的意義[1]。因此，如何快速、便捷、準確地檢測血糖含量，成為當今亟需解決的課題。而隨著電化學分析技術的迅速發(fā)展，電化學傳感器作為一種基于電分析化學檢測基礎的裝置，能感受到被測量的電信號(電位、電流、電導，電容)的變化，并將其轉換成可識別的信號，從而可快速、準確、有選擇性地檢測待測物濃度或含量[2-4]。

葡萄糖電化學傳感器可分為有酶型傳感器和無酶型傳感器[5-6]。有酶型傳感器靈敏度高，對葡萄糖的檢測具有專一性，抗干擾能力強，但載酶條件苛刻，不僅需低溫保存，且容易失活，還受酸堿度和環(huán)境濕度的影響，因此實際應用受到限制。相比而言，無酶型傳感器具有易于制備、靈敏度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，引起了研究者們的廣泛關注。常見的傳感器電極材料分為貴金屬和過渡金屬及其氧化物兩類。其中，貴金屬包含Pt、Au、Pd及其合金等納米材料[7-10]，雖然靈敏度高，但成本昂貴，不利于廣泛應用；過渡金屬及其氧化物包括Cu/CuO、Ni/NiO、MnO2、Co3O4等納米材料[11-16]，通過控制形貌，可制得較大比表面積的電極材料，對葡萄糖也具有較好的電催化作用。

銅(Cu)和氧化亞銅(Cu2O)是常見的賤金屬及其氧化物，因其成本低、不易中毒，在堿性條件下對葡萄糖具有優(yōu)異的電催化性能，因而被用于無酶型葡萄糖傳感器的制備[17-18]。Cu2O是一種典型的p型半導體，構建傳感器電極后，其d軌道中的電子將與葡萄糖分子結合，并發(fā)生吸附。在施加偏壓的條件下，目標分子將與Cu2O發(fā)生電催化氧化，即：葡萄糖失去電子轉移至Cu2O表面，但Cu2O作為半導體，其傳荷阻抗大導致電子傳輸速率緩慢，不利于對葡萄糖的快速響應。此外，傳統(tǒng)的Cu2O納米粉體材料易發(fā)生團聚現(xiàn)象，阻礙電子快速轉移至外電路。因此，將Cu2O負載到導電性好，又具有大比表面積的基底材料上，可有效降低阻抗并增加催化活性位點，實現(xiàn)對葡萄糖電催化性能的增強作用。

TiO2陣列納米管(TiO2NTAs)除了具有優(yōu)良的穩(wěn)定性和生物兼容性，還具備大比表面積的三維空間結構[19-20]，在傳感器領域有著廣泛的應用，是一種潛在的電化學傳感器基底材料[21]。雖然將TiO2NTAs單獨作為電極時對葡萄糖無電催化作用，但以其作為基底與Cu2O復合，可形成既具有高比表面積的三維陣列結構又兼具催化活性的電極材料[22]，使更多的Cu2O可在其管口、內壁和外壁均勻分布，形成異質結相界面。由于TiO2陣列納米管也屬于半導體，導電性較差，同樣不利于電子的快速傳導。如何提高電子轉移速率，成為這類電化學傳感器目前亟需解決的關鍵問題之一。受到“夾心餅干”的啟發(fā)，本文嘗試在兩種半導體相界面的中間構建導電層，為電子轉移提供連續(xù)的導電路徑，以提高電子導向性傳遞，起到異質協(xié)同作用，從而大大提高無酶型電化學傳感器對葡萄糖的電催化性能。

基于上述思路，本研究首先采用陽極氧化法制備TiO2NTAs；在此基礎上，巧妙地利用方波脈沖伏安法可控制備Cu單質層，形成Cu/TiO2NTAs；最后通過控制煅燒條件，使僅在表面發(fā)生氧化，制得Cu2O@Cu/TiO2NTAs夾心結構的同軸三維陣列。以X-射線衍射、掃描電鏡及透射電鏡技術對其物相、形貌、粒徑進行表征，并將其作為無酶型葡萄糖傳感器，通過差分脈沖伏安法、計時電流法等研究該納米復合材料對葡萄糖的電催化性能。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

MIRA3 LUM場發(fā)射掃描電鏡(SEM，Tescan公司)；D8 ADVANCE ECO粉末X射線衍射儀(XRD，Bruker公司)；Tecnai F20高倍透射電鏡(TEM,美國FEI公司)；CS350電化學工作站(武漢科思特儀器有限公司)；WYJ-GA高壓數(shù)顯示穩(wěn)壓電源( 南京桑力設備廠)。

氟化銨、乳酸、乙二醇、聚乙二醇、十二烷基硫酸鈉、氫氧化鈉(分析純，天津市大茂化學試劑廠)；硫酸銅(分析純，廣東光華化學廠有限公司)；碳酸鈉(分析純，廣州化學試劑廠)。

1.2 Cu2O@Cu/TiO2 NTAs納米復合材料的制備

1.2.1 TiO2陣列納米管(TiO2NTAs)的制備將處理好的鈦片(1 cm×4 cm)作為陽極，Pt片為陰極，兩電極平行間距為1 cm，電解液組成為：2.0 g 氟化銨、25 mL 水、60 mL乳酸、50 mL聚乙二醇，以乙二醇定容至500 mL。恒壓180 V，電解時間為600 s，即可得TiO2陣列納米管，外觀呈金黃色。

1.2.2 Cu2O@Cu/TiO2NTAs納米復合材料的制備采用三電極體系，以方波脈沖法進行電沉積，工作電極為TiO2NTAs，輔助電極為Cu片，參比電極為Ag/AgCl(飽和KCl)參比電極，電解液為0.01 mol/L CuSO4，陽極和陰極的脈沖電流密度相同，均為160 mA/cm2，但脈沖時間不同，分別為2 ms和8 ms，關斷時間為1 000 ms，沉積時間為25～45 min，制得Cu/TiO2NTAs，再將其放入馬弗爐中350 ℃煅燒1.5 h，即得到黑色的Cu2O@Cu/TiO2NTAs納米復合材料。

2 結果與討論

2.1 XRD物相分析

圖1為Cu2O@Cu/TiO2NTAs納米復合材料的XRD分析，與Cu和Cu2O的PDF標準卡片對比，復合電極材料的2θ在43.407°，對應Cu(111)晶面，而在29.632°、36.502°、42.401°、61.518°和73.697°分別對應Cu2O的(110)、(111)、(200)、(220)和(311)晶面，由此可判斷Cu和Cu2O已成功負載于TiO2NTAs；與此同時，并未發(fā)現(xiàn)TiO2NTAs的衍射峰，這是由于利用方波脈沖法在其表面生成了致密的Cu層所致。通過控制煅燒時間和溫度，僅將外層Cu單質氧化為Cu2O，內層Cu單質并未完全轉化，因此Cu和Cu2O共存。

圖1 Cu2O@Cu/TiO2 NTAs納米復合材料的XRD譜Fig.1 XRD spectrum of Cu2O@Cu/TiO2 NTAs nanocomposite material

2.2 SEM形貌分析

分別考察了TiO2NTAs(圖2A)及Cu2O@Cu/TiO2NTAs納米復合材料(圖2B)的SEM圖。從圖2A可以看出，在電壓為180 V，電解時間為600 s時，可得到排布整齊，管孔徑分布均勻，具有三維結構的TiO2NTAs。其外徑為260 nm，內徑為100 nm，管壁厚為80 nm。這種三維結構陣列納米管作為“支撐骨架”擁有較大的比表面積，可提供更多的活性位點。將Cu2O@Cu/TiO2NTAs的SEM圖(圖2B)與圖2A進行對比，可觀察到TiO2NTAs管口以及內外壁均已負載納米Cu2O顆粒。

進一步考察含不同濃度Cu2+(0.01、0.02、0.03、0.04、0.05 mol/L)的電鍍液中，納米復合材料的形貌變化情況(圖2B～F)?？梢钥闯?，脈沖沉積時間均為40 min時，隨著Cu2+濃度的逐步增加，脈沖電沉積的Cu單質層逐漸變厚，最終使得煅燒后的Cu2O納米顆粒呈現(xiàn)在管口覆蓋并聚攏封口的趨勢，這將阻礙葡萄糖分子進入TiO2NTAs內，較難與管內的Cu2O發(fā)生反應。因此，實驗選擇0.01 mol/L CuSO4作為電鍍液的最佳實驗條件。

圖2 TiO2 NTAs的SEM圖(A)及不同Cu2+濃度脈沖電沉積制備Cu2O@Cu/TiO2 NTAs納米復合材料的SEM圖(B～F)Fig.2 SEM images of TiO2 NTAs(A) and Cu2O@Cu/TiO2 NTAs nanocomposite prepared by pulse electrodeposition with different Cu2+ concentrations(B-F)Cu2+ concentration(B-F)：0.01，0.02,0.03，0.04,0.05 mol/L

2.3 TEM表征

由圖3A的透射電鏡(TEM)圖可以看出，TiO2納米管的管口頂端有納米顆粒生長，結合XRD和SEM實驗結果，推斷TiO2納米管上的物質為Cu2O@Cu。此外，還可看到管的外表面被Cu2O薄層所包覆。圖3B為放大的高倍透射電鏡(HR-TEM)圖，表面呈現(xiàn)出不同的晶面間距：0.247 8 nm和0.261 nm，分別對應單質Cu的(111)晶面和Cu2O的(220)晶面，進一步證實材料表面為Cu2O@Cu。圖3C為選區(qū)電子衍射(SAED)圖，通過衍射環(huán)可判斷出具有多個晶面，說明納米復合材料是一種混晶結構。

圖3 Cu2O@Cu/TiO2 NTAs納米復合材料的透射電鏡圖(A),高倍透射電鏡圖(B)及選區(qū)電子衍射圖(C)Fig.3 TEM(A),HR-TEM(B) and SAED(C) images of Cu2O@Cu/TiO2 NTAs nanocomposite material

2.4 Cu2O@Cu/TiO2 NTAs對葡萄糖的電化學分析

2.4.1 差分脈沖伏安測試差分脈沖伏安法由于背景電流充分衰減，而法拉第電流充分放大，因此靈敏度很高，常用于電化學傳感器方面的檢測。以50 mL 0.1 mol/L NaOH溶液作為空白電解液，加入2.5 mL 0.1 mol/L葡萄糖溶液進行差分脈沖伏安(DPV)測試，對TiO2NTAs和Cu2O@Cu/TiO2NTAs納米復合材料的電催化性能進行對比，結果如圖4所示。從圖中可觀察到，在NaOH溶液中，TiO2NTAs幾乎呈一條水平直線，而Cu2O@Cu/TiO2NTAs從+0.2 V開始，隨著電壓增加，其電流強度持續(xù)增大，這可能是由于Cu2O發(fā)生氧化以及在高電位下發(fā)生水解，兩者綜合作用從而造成法拉第電流增加。加入葡萄糖后，TiO2NTAs無響應，說明對葡萄糖無電催化作用，但Cu2O@Cu/TiO2NTAs則從+0.1 V處開始發(fā)生氧化，并在+0.56 V處觀察到明顯的氧化峰，說明該納米復合材料對葡萄糖具有很強的電催化作用。

圖4 TiO2 NTAs和Cu2O@Cu/TiO2 NTAs的DPV圖Fig.4 DPV curves of TiO2 NTAs and Cu2O@Cu/TiO2 NTAs

進一步考察了脈沖電沉積時間對電催化性能的影響。結果顯示，在0.01 mol/L的CuSO4電鍍液中，隨著脈沖沉積時間的增長，相應條件制備得到的Cu2O@Cu/TiO2NTAs對葡萄糖的響應電流也逐漸增加。當脈沖沉積時間為40 min時，Cu2O@Cu/TiO2NTAs對葡萄糖的響應電流最明顯，說明此時電催化活性最高。但沉積時間超過40 min時，葡萄糖的氧化峰電流值有所下降，這可能是由于過量沉積，Cu單質在TiO2NTAs表面發(fā)生團聚，比表面積降低所致。因而，實驗選擇40 min為最佳脈沖沉積時間。

2.4.2 交流阻抗測試交流阻抗技術是研究電極過程的重要測試手段，通過頻率的變化可研究電極表面的動力學過程。在三電極體系中，將TiO2NTAs和Cu2O@Cu/TiO2NTAs作為測試電極分別置于含有5 mmol/L K3[Fe(CN)6]和K2[Fe(CN)6]的溶液中進行交流阻抗測試，頻率變化范圍為100 000～0.1 Hz，結果如圖5所示。由圖5A可知，TiO2NTAs電極在整個頻率范圍內呈現(xiàn)一段圓弧，說明電極表面與溶液之間形成雙電層電容，主要受傳荷過程控制。經過數(shù)據(jù)擬合，其傳荷阻抗非常大，Rct為52 665 Ω，這也說明電荷傳遞過程十分遲緩，可以推斷葡萄糖分子在電極表面不易失去電子發(fā)生氧化反應；而由圖5A的插圖(高頻區(qū)放大圖)可以看出，Cu2O@Cu/TiO2NTAs電極在高頻區(qū)出現(xiàn)半圓弧，低頻區(qū)為一條斜向上45°的直線，說明該電極受到傳荷控制和擴散控制，即為混合控制過程。此外，在350 ℃下對Cu/TiO2NTAs復合材料熱處理150 min，制得完全氧化后的Cu2O/TiO2NTAs電極，并對其進行阻抗研究。由圖5B可知，該電極和Cu2O@Cu/TiO2NTAs電極的阻抗譜圖較為相似，說明也受混合控制。

由圖5A在高頻區(qū)的放大圖可知，Cu2O@Cu/TiO2NTAs電極的溶液阻抗Rs較小，為8.6 Ω，傳荷阻抗Rct僅為1.8 Ω，遠遠小于TiO2NTAs的傳荷阻抗值；而完全氧化后的Cu2O/TiO2NTAs電極的Rs為9.9 Ω，Rct為526.2 Ω(圖5B)，其傳荷阻抗值是Cu2O@Cu/TiO2NTAs電極的292倍，這說明電荷傳遞過程較為遲緩，阻礙電子傳導。阻抗實驗結果的對比表明Cu2O@Cu/TiO2NTAs具有優(yōu)良的電子傳導性能，這是由于作為中間過渡層的Cu單質有利于在相界面處的葡萄糖發(fā)生氧化后進行電子的快速轉移，使電流響應更為迅速。

圖5 TiO2 NTAs、Cu2O@Cu/TiO2 NTAs(A)及Cu2O/TiO2 NTAs(B)的Nyquist圖Fig.5 Nyquist plots of TiO2 NTAs,Cu2O@Cu/TiO2 NTAs(A) and Cu2O/TiO2 NTAs(B)insert:the enlarged view in high frequency region

2.4.3 葡萄糖的檢測范圍與靈敏度在 50 mL 0.1 mol/L NaOH溶液中，采用計時電流法對Cu2O@Cu/TiO2NTAs納米復合材料電極進行計時電流測試，選擇的極化電位為該材料對葡萄糖的電催化氧化電位+0.56 V(如圖6A所示)。在測試過程中，每間隔100 s向NaOH溶液中加入50 μL 1 mol/L葡萄糖溶液，直到極化曲線出現(xiàn)明顯的轉折點，最后得到該納米復合電極材料對葡萄糖響應的I～t曲線。為減小實驗誤差，重復3次計時電流實驗，求出電流平均值，對其進行線性擬合，結果見圖6B。

圖6 葡萄糖響應的I～t曲線(A)及其線性擬合曲線(B)Fig.6 I～t curve of glucose response(A) and its linear range fitting curve(B)

結果顯示，葡萄糖在0.19 ～3.5 mmol/L濃度范圍內呈良好線性，其線性方程為I=0.372 1c-0.072 45，r2=0.996 4，經換算得到其靈敏度為372.0 μA·L·mmol-1·cm-2。根據(jù)3倍信噪比，測得葡萄糖的檢出限為3 μmol/L。與文獻報道的各種葡萄糖傳感器相比(見表1)[10,14,23-28]，該傳感器的靈敏度明顯提高，說明所制備的納米復合材料對葡萄糖具有較強的電流響應。

表1 不同電極材料對葡萄糖的電催化參數(shù)對比Table 1 Comparison of electrocatalytic parameters of different electrode materials for glucose

2.4.4 抗干擾測試人體血液中除葡萄糖之外，還有一些與其結構相似的糖類物質，這些干擾物質也可能產生響應。采用計時電流法對模擬人體血液中的各種糖類物質和無機鹽濃度進行檢測，以考察其抗干擾能力。其中葡萄糖與干擾物質的濃度之比為10∶1，測試的極化電位為+0.56 V，在50 mL 0.1 mol/L NaOH的溶液中滴加50 μL 1 mol/L葡萄糖溶液，每間隔100 s依次加入相同體積0.1 mol/L的果糖、蔗糖、乳糖、麥芽糖、抗壞血酸、尿素及次亞磷酸鈉，測試結果如圖7所示。

圖7 抗干擾實驗Fig.7 Anti-interference experiment

由圖7可看出，加入葡萄糖后響應電流變化十分明顯，電流上升速度快，達到穩(wěn)定平臺約為1 s，說明Cu2O@Cu/TiO2NTAs對葡萄糖響應快速，且有很強的電催化作用。雖然電極對果糖和抗壞血酸有較微弱的響應，但二者的響應電流均小于葡萄糖響應電流的6.5%，且對蔗糖、乳糖、麥芽糖、尿素、次亞磷酸鈉幾乎無響應，說明該納米復合材料對葡萄糖具有較好的選擇性。

2.4.5 血糖含量的測定為了探索Cu2O@Cu/TiO2NTAs電極的實際應用，將其用于人體血清中葡萄糖含量的測定。將采集到的3份健康人的新鮮血樣置于離心機中，以2 500 r/min進行離心，得到的上層淡黃色透明液體即為血清。用微量進樣器準確吸取50 μL血清，加至10 mL 0.10 mol/L的NaOH溶液中，通過計時電流曲線定量測定，對每份血樣進行3次平行測定，計算血糖含量。之后，再于NaOH溶液中加入50 μL 5.0 mmol/L的葡萄糖標準溶液，進行回收率測定。結果顯示，3份血樣的血糖濃度分別為4.9、4.6、5.5 mmol/L，與醫(yī)院的測定結果(5.1、4.7、5.8 mmol/L)無顯著差異。加標回收率實驗顯示，葡萄糖的回收率為96.0%～98.0%，相對標準偏差(RSD)不大于3.8%。方法具有較好的準確度與精密度。

3 結 論

本文采用陽極氧化法首先制備出TiO2陣列納米管，然后采用脈沖沉積法負載Cu層，最后經煅燒成功制得Cu2O@Cu/TiO2NTAs納米復合材料。電化學測試結果表明，該納米復合材料對葡萄糖具有較強的電催化作用，氧化峰電位為+0.56 V，靈敏度可達372.0 μA·L·mmol-1·cm-2，響應電流與葡萄糖濃度在0.19～3.5 mmol/L范圍內呈良好線性，電流響應時間約為1 s。該納米復合材料作為電極具有靈敏度及選擇性高，響應快速等特點，是一種較為理想的無酶型葡萄糖電化學傳感器，可用于人體血糖含量的測定。