氫氧化銅納米線用于無酶葡萄糖傳感器的研究

李 寧，徐偉航，張瑞瑞，舒 婷

(湖北科技學院醫(yī)學部藥學院，湖北 咸寧 437100)

近年來，全球糖尿病患病率有明顯增長趨勢，已成為嚴重威脅人類健康的慢性疾病之一，早期預防和診斷引起了廣泛的關注。根據(jù)2021年國際糖尿病聯(lián)盟(IDF)發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2021年全球成年糖尿病患者已達到5.37億(10.5%)，超十分之一的成年人受到影響。2021年糖尿病造成670萬人死亡，平均5秒就有一人因患糖尿病而死亡[1]。血糖水平是糖尿病的重要指標，因此，準確、快速地監(jiān)測血糖至關重要[2]。目前，商用葡萄糖檢測器大多是基于酶的電化學傳感器，其關鍵成分酶受到溫度、pH等環(huán)境因素的影響容易失活，導致傳感器制作成本高、性能不穩(wěn)定。非酶電化學葡萄糖傳感器可以直接催化電極上的電化學活性物質(zhì)對葡萄糖的氧化，從而避免酶的參與，彌補酶葡萄糖傳感器的缺點[3]。因此，探索無酶電催化材料用于葡萄糖的檢測倍受研究者關注。目前，有眾多貴金屬與非貴金屬用于無酶葡萄糖傳感器的研究。其中，貴金屬的催化性能優(yōu)異，但其成本高、易失活等缺點限制了其應用[4]。相比貴金屬和酶，過渡金屬[5-6]、過渡金屬氧化物[7-9]、過渡金屬氫氧化物[10-11]因其自然豐度高、制作成本低、穩(wěn)定性高等優(yōu)勢引起研究者的重視。Asp等[12]采用化學浴沉積法合成了氧化銅薄膜，研究一些表面活性劑如TritonX-100、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)和聚乙二醇(PEG)對氧化銅薄膜結構、形態(tài)學和電化學性能的影響。所制備的氧化銅薄膜可作為非酶葡萄糖傳感器的活性材料，具有良好的響應。其中用tritonX-100制備的氧化銅薄膜在0.6V工作電壓下具有高靈敏度[2.025mA/(mM·cm2)]，響應時間約5s，線性范圍為0.003～3mmol/L。CHEN等[13]制備的分層氧化銅構建的葡萄糖傳感器靈敏度高達1178.1μA/(mM·cm2)，線性范圍為0.002～5.53mmol/L，檢測限低至0.4μmol/L。

本實驗利用化學沉淀法制備Cu(OH)2NWs，用涂層法將其修飾于泡沫銅(CF)上構建無酶葡萄糖傳感器，利用循環(huán)伏安法(CV)和時間電流曲線(I-T)測定其對葡萄糖的電化學行為以及傳感器性能。將多孔、比表面積大的CF作為基底，增加材料附著面積和提高導電性能，制備納米級別的Cu(OH)2材料可提高與待測物的接觸面積，從而提高催化效應。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

CHI760E電化學工作站(上海辰華儀器有限公司)；鉑片電極作為對電極；銀/氯化銀作為參比電極；場發(fā)射掃描電鏡(SU8020，日本日立公司)；X射線衍射儀(日本島津)。

CuSO4·5H2O(天津市福晨化學試劑廠)；NH3·H2O(國藥集團化學試劑有限公司)；NaOH(天津市福晨化學試劑廠)；尿酸(SIGMA公司)；抗壞血酸(天津市福晨化學試劑廠)；多巴胺(瓦西里化工有限公司)；L-半胱氨酸(如吉生物科技公司)。

1.2 Cu(OH)2納米線的制備與電極制備

1.2.1 Cu(OH)2納米線的制備

根據(jù)文獻[14]將30mL 0.15mol/L氨水溶液加入20mL 0.2mol/L CuSO4·5H2O溶液中，溶液呈現(xiàn)淺藍色，靜置15min，再將2.88mL 2.5mol/L NaOH溶液加入CuSO4·5H2O溶液中，溶液呈現(xiàn)深藍色，靜置15min，過濾，備用。

1.2.2 Cu(OH)2NWs/CF電極的制備

將上述適量Cu(OH)2納米線均勻涂抹于泡沫銅(CF)上，涂抹面積為0.8cm2，得到Cu(OH)2NWs/CF電極，于50℃干燥20min。

1.3 實驗方法

電化學測量方法包括循環(huán)伏安法(CV)和時間電流曲線(I-T)測試方法，由CHI760E電化學工作站在室溫條件下采用三電極系統(tǒng)進行測試。由于Cu2+在堿性條件下對葡萄糖具有良好的催化效應，文獻通常使用0.1mol/L氫氧化鈉溶液作為葡萄糖檢測的電解支持液[15]，故選用20mL 0.1mol/L NaOH溶液作為電解液。Cu(OH)2NWs/CF電極作為工作電極、鉑片電極作為輔助電極，銀/氯化銀電極作為參比電極構成三電極系統(tǒng)浸入電解液中，浸入面積為0.8cm2。循環(huán)伏安(CV)實驗在靜止體系中測定，掃描范圍為0～0.8V，時間電流曲線(I-T)實驗在勻速攪拌條件下進行測定。

2 結 果

2.1 Cu(OH)2 NWs/CF表征

從圖1a、b可以看出Cu(OH)2形貌呈納米線條狀結構，均勻分布在泡沫銅表面，且表面比較粗糙，可提供更多活性位點，提高催化性能，從而提高峰電流響應。用XRD技術鑒定了合成產(chǎn)物的晶體相，如圖1c圖所示，從XRD圖中可觀察到明顯的晶體衍射峰，2θ=16.7°、23.8°、33.8°、34.06°、35.89°、39.8°和53.2°分別為Cu(OH)2NWs在(020)、(021)、(040)、(002)、(111)、(130)、(150)晶面的衍射峰，與JCPDS(13-0420)標準的XRD數(shù)據(jù)基本相符，說明Cu(OH)2制備成功。

a、b：SEM；c：XRD

2.2 Cu(OH)2 NWs/CF電極的電化學行為

為探索Cu(OH)2NWs/CF電極在葡萄糖電化學檢測中的應用，使用循環(huán)伏安法(CV)測試Cu(OH)2NWs/CF電極加入0.5mmol/L葡萄糖后的氧化峰強度，初步判斷其對葡萄糖具有一定催化氧化能力。如圖2所示，曲線a為Cu(OH)2NWs/CF電極在未添加葡萄糖時的循環(huán)伏安響應，曲線b為加入0.5mmol/L葡萄糖的循環(huán)伏安響應?？梢娫诩尤肫咸烟呛?，Cu(OH)2NWs/CF電極對葡萄糖發(fā)生催化氧化反應，在+0.4～0.6V電壓范圍內(nèi)出現(xiàn)較大的氧化峰，可歸因于Cu2+與Cu3+的轉(zhuǎn)換，Cu3+催化氧化葡萄糖生成葡萄糖酸內(nèi)酯的同時，Cu3+轉(zhuǎn)化為Cu2+，催化機理如下[16]：

a：未添加葡萄糖時的循環(huán)伏安響應；b：加入0.5mmol/L葡萄糖的循環(huán)伏安響應

Cu(Ⅱ)+OH-?Cu(Ⅲ)+ H2O +e-

Cu(Ⅲ)+glucose?Cu(Ⅱ)+H2O+gluconolactone

利用循環(huán)伏安法考察了在0.1mol/L氫氧化鈉支持液中，掃描范圍為0～0.8V、掃描速率(20～120mV/s)對Cu(OH)2NWs/CF電極峰電流的影響。如圖3(a)所示，加入0.5mmol/L葡萄糖后，隨著掃速的增加峰電流響應也逐漸增大，由圖3(b)線性方程可知，氧化峰電流響應與掃速呈正比，線性方程為y=0.01 058x+0.17 896(R2=0.99 471)，說明Cu(OH)2NWs/CF電極電化學反應過程屬于表面吸附控制。

a：CV圖譜；b：線性方程

2.3 Cu(OH)2 NWs/CF電極實驗條件的優(yōu)化

2.3.1 Cu(OH)2NWs/CF電極測試電壓的篩選

初步探究Cu(OH)2NWs/CF電極對葡萄糖具有催化響應，為了得到最佳催化效果，對氧化電位范圍內(nèi)的電壓(0.5、0.55、0.6、0.65V)進行了篩選，如圖4所示，當施加電位從0.5V增加到0.65V時，電流響應明顯增加。但電壓過高可能會氧化檢測樣品如血液中的還原性物質(zhì)(如抗壞血酸)，影響測定結果的準確性，故選用0.6V作為測試電壓。

a：CV圖譜；b：線性方程

2.3.2 Cu(OH)2NWs/CF電極修飾劑量的篩選及線性范圍的確定

用循環(huán)伏安法(CV)研究了泡沫銅上Cu(OH)2NWs修飾劑量分別為1.25、2.5、3.75mg/cm2時的電流響應，如圖5(a)所示，Cu(OH)2NWs修飾劑量在1.25～3.75mg/cm2時對葡萄糖催化響應的差別較小。同時利用時間電流曲線分別測定了上述三種修飾劑量的線性范圍，在0.6V勻速攪拌條件下，依次加入不同濃度的葡萄糖，間隔時間為50 s，得到的I-T圖譜及線性方程分別見圖5(b)和5(c)。在1.25～3.75mg/cm2時，修飾劑量對線性范圍的影響不大，這與CV曲線的結果一致。當Cu(OH)2NWs修飾劑量為2.5mg/cm2時，葡萄糖濃度在0.005～2.7mmol/L范圍內(nèi)電流響應與濃度具有良好的線性關系，線性方程為y=2.15661x+0.13991(R2=0.99276)，檢測限為2.6μmol/L(S/N=3)，靈敏度為2.16 mA/(mM·cm2)。

a：CV圖譜；b：I-T圖譜；c：線性方程

2.4 Cu(OH)2 NWs/CF電極選擇性、重現(xiàn)性與精密度

電極的選擇性主要檢測了尿酸(UA)、抗壞血酸(AA)、多巴胺(DA)以及L-半胱氨酸(L-Cys)對電極檢測葡萄糖時的干擾程度。正常人體血清中葡萄糖含量為3～8mmol/L，而UA、AA、DA、L-Cys等物質(zhì)為葡萄糖含量的1/10[17]，故該實驗采用葡萄糖與干擾物質(zhì)濃度比為10∶1進行測定。如圖6所示，加入0.1mmol/L葡萄糖之后，連續(xù)加入0.01mmol/L UA、AA、DA、L-Cys各類干擾物質(zhì)，再加入0.1mmol/L葡萄糖，檢測到Cu(OH)2NWs/CF電極對第2次葡萄糖的電流響應為第1次的104%，該結果說明電極對葡萄糖具有良好的選擇性。

圖6 Cu(OH)2 NWs/CF電極選擇性的I-T曲線

依次制備5片Cu(OH)2NWs/CF電極，同時向電解液中加入0.5mmol/L葡萄糖考察Cu(OH)2NWs/CF電極的精密度，其相對標準偏差(RSD)為4.3%，說明Cu(OH)2NWs/CF電極具有良好的精密度。利用同一片Cu(OH)2NWs/CF電極在含有0.5mmol/L葡萄糖的電解液中平行測定5次，得出重現(xiàn)性結果，相對標準偏差(RSD)為2.5%，說明該電極同樣具有良好的重現(xiàn)性，數(shù)據(jù)如圖7所示。

a：精密度；b：重現(xiàn)性

3 結 論

通過制備Cu(OH)2NWs將其修飾于泡沫銅上構建無酶葡萄糖傳感器，制備方法簡單方便快捷，且電流響應與葡萄糖濃度為0.005～2.7mmol/L時具有良好的線性關系，通過信噪比(S/N=3)得出檢測限為2.6μmol/L，靈敏度為2.16mA/(mM·cm2)；同時，Cu(OH)2NWs/CF構建的無酶葡萄糖傳感器表現(xiàn)出良好的選擇性、重現(xiàn)性與精密度，也為無酶葡萄糖傳感器的制備提供了一種簡單的方法與思路。