基于Au-Ni復(fù)合材料的新型葡萄糖傳感器的研究

姚天明，楊卉彥，齊駿飛，王煒祺，黃杉生

（上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，上海200234）

0 引言

合金以及復(fù)合材料因有著比單一金屬或材料更為出色的性能被大量的制備和研究[10～13]。以Ni合金及其與其他材料，如聚苯胺，碳納米管混合制備的化學(xué)傳感器可用于葡萄糖的檢測(cè)[14～17]。金納米粒子由于具有出色的電子傳遞性，良好的生物相容性，較大的比表面積，因而常被用來(lái)作為電極上的電子導(dǎo)線。近年來(lái)金納米粒子一直被廣泛研究[18～19]。該文制備了一種金和鎳的核殼復(fù)合材料，將其修飾在電極表面，利用上所述Ni對(duì)于葡萄糖的催化原理，結(jié)合金的出色電子傳遞性來(lái)加強(qiáng)信號(hào)，借助各種電化學(xué)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)葡萄糖快速，方便，精確的檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

殼聚糖(Chitss)、氯金酸（HAuCl4）購(gòu)于上海化學(xué)試劑有限公司；聚乙烯吡咯烷酮（PVP，40000），NiCl2·6H2O購(gòu)于上海國(guó)藥；[Fe(CN)6]4-/3-溶液由定量的鐵氰化鉀，亞鐵氰化鉀和氯化鉀配制；其他使用試劑均為分析純。實(shí)驗(yàn)用水為2次水（＞18 MΩ·cm）

電化學(xué)實(shí)驗(yàn)均在CHI 760 C型電化學(xué)工作站（上海辰華儀器有限公司）上進(jìn)行，三電極體系：修飾電極為工作電極，鉑絲電極為對(duì)電極，飽和甘汞電極為參比電極(SCE)。紫外-可見(jiàn)（UV-VIS）光譜實(shí)驗(yàn)采用UV-2020型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)（上海優(yōu)尼科儀器有限公司）；其他儀器為實(shí)驗(yàn)室pH計(jì)；超聲儀；真空干燥箱。XRD測(cè)試采用Rigacu公司D2000型X射線衍射儀，對(duì)樣品進(jìn)行物相分析。

1.2 傳感器的制備

1.2.1 Au-Ni復(fù)合材料的制備

在室溫20℃下，分別稱取0.2 g聚乙烯吡咯烷酮（PVP，40000），0.034g NiCl2·6H2O，溶于 200mL去離子水中，超聲溶解并用氮?dú)鈨艋?5 min，迅速將新鮮配置的 80mL NaBH4（0.04 g）逐滴滴加入上述溶液并攪拌，全部滴加完畢后，在保持?jǐn)嚢枨闆r下， 迅速逐滴滴加 1；2；4；8mL HAuCl4（4.8 mmol/L）水溶液，不斷攪拌 30 min 后離心，再用乙醇和水分別洗滌3次，得到鎳金復(fù)合材料，用Au-Ni表示。圖1為該文制備的Au-Ni復(fù)合材料的XRD譜圖，曲線1到4分別為加入不同濃度Au的譜圖，與標(biāo)準(zhǔn)譜圖卡比較，隨著加入HAuCl4的量的不斷增加，Au的衍射峰越發(fā)明顯，Ni的衍射峰只在曲線1中可以看出，XRD的結(jié)果顯示材料是外層Au包裹Ni的結(jié)構(gòu)。

圖1 不同Au含量的Au-Ni材料的XRD譜圖Fig.1 XRD image of Au-Ni with different content of Au

納米Au和納米Ni的制備分別按文獻(xiàn)所述制備[19～20]。

1.2.2 電極的制備

12月25日晚間，三七互娛公告稱，代理董事長(zhǎng)李衛(wèi)偉提議公司回購(gòu)股份，回購(gòu)資金總額不低于3億元，不超過(guò)6億元，回購(gòu)價(jià)格不超過(guò)15元/股。若全額回購(gòu)且按回購(gòu)總金額上限和價(jià)格上限測(cè)算，預(yù)計(jì)可回購(gòu)約4000萬(wàn)股，回購(gòu)比例約占公司總股本的1.88%。

玻碳電極分別用 1.0、0.3、0.05 mm 的氧化鋁粉末打磨拋光，直至產(chǎn)生一個(gè)光亮、平滑的表面。電極再依次用超純水，無(wú)水乙醇，超純水超聲清洗3 min后，用氮?dú)鈱⑵浔砻娲蹈伞?/p>

(1)將5 μL w=0.5%的殼聚糖溶液滴加到處理好的電極表面，放入干燥器中，形成一層殼聚糖薄膜Chitss/GCE。然后將修飾電極浸泡到不斷攪拌著的Au-Ni水溶液（2 mg/mL）中 12 h，得到Au-Ni/Chitss/GCE，用超純水徹底沖洗，以除去吸附不牢的Au-Ni，用同樣的方法也可得到Au/Chitss/GCE，Ni/Chitss/GCE，電極放入干燥器備用。

(2)將事先混合了的含有2 mg/mL Au-Ni，Ni，Au 的殼聚糖溶液（w=0.5%）5 μL 直接滴加到處理好的電極表面，為了區(qū)別于上述依吸附法得到的電極，按滴涂混合溶液得到的電極加上大括弧，以示區(qū)別：｛Au-Ni/Chitss｝/GCE， ｛Ni/Chitss｝/GCE，｛Au/Chitss｝/GCE，制好的電極放入干燥器備用。

2 結(jié)果與討論

2.1 修飾電極的循環(huán)伏安表征

圖2為不同修飾電極在0.6 V到-0.2 V的電位范圍內(nèi)， 在含有0.1 mol/L KCl的 1 mmol/L[Fe(CN)6]4-/3-溶液中的循環(huán)伏安曲線?；旌戏ㄐ揎椀玫降模鸄u-Ni/Chits｝/GCE（d）所產(chǎn)生氧化還原峰明顯強(qiáng)于用吸附法所修飾的Au-Ni/Chits/GCE（f）（為突出比較這兩根循環(huán)伏安曲線，將其放在了圖2中的左上插圖 ）。 雖然Au作為一個(gè)良好的電子媒介體可以起增強(qiáng)電信號(hào)的作用，但吸附修飾會(huì)因?yàn)锳u本身帶負(fù)電，屏蔽了殼聚糖表面氨基所帶的正電荷，所以阻礙了Fe(CN)63-/4-之間的電子轉(zhuǎn)移[9,21]，使得信號(hào)變小。吸附法幾乎無(wú)法將Ni修飾于電極表面，所以Ni/Chits/GCE（c）的響應(yīng)電流比較接近裸玻碳電極（a）。

2.2 電極修飾過(guò)程的電化學(xué)交流阻抗表征

EIS可用來(lái)表征電極在每一步修飾過(guò)程中的阻抗變化，圖3譜圖所示半圓的直徑表示電子遷移阻抗，而阻抗的大小控制[Fe(CN)6]4-/3-在電極表面遷移的動(dòng)力學(xué)[22]。裸GCE(a)在低頻區(qū)是一個(gè)小半徑的半圓，在高頻區(qū)幾乎是一條直線，Chits/GCE（b）低頻區(qū)的半圓變小，因?yàn)闅ぞ厶潜砻嬗写罅繋д姾傻陌被龠M(jìn)Fe(CN)63-/4-之間的電子轉(zhuǎn)移。而｛Au-Ni/Chits｝/GCE（c）阻抗變大是由于Au的存在部分阻礙了電子的轉(zhuǎn)移，Au/Chits/GCE（d）的阻抗則相對(duì)較大。左上內(nèi)插圖 中外圍的高頻區(qū)2個(gè)大半徑阻抗分別對(duì)應(yīng)的是吸附法制備的Au-Ni修飾電極和Ni修飾電極。所有的阻抗圖與CV圖中的表征結(jié)論相一致。通過(guò)CV和EIS結(jié)果發(fā)現(xiàn)混合法修飾了Au-Ni材料的電極有著比較好的電化學(xué)響應(yīng)。

圖2 不同修飾電極在含有0.1 mol/L KCl 1 mmol/L[Fe(CN)6]4-/3-溶液中的循環(huán)伏安圖（a）GCE；（b）Chits/GCE；（c）Ni/Chits/GCE；（d）｛Au-Ni/Chits｝/GCE；（e）Au/Chits/GCE.左上插圖 為曲線（d）和曲線（f）的對(duì)比Fig.2 The CV images of different modified electrodes in 1 mmol/L[Fe(CN)6]4-/3-contaiNing 0.1 mol/L KCl The illustration in the upper left corner is the comparison of curve(a)and curve(f)

圖3 不同修飾電極在 10 mmol/L[Fe(CN)6]4-/3-(含有 0.1 mol/L KCl)中的交流阻抗圖，（a）GCE，（b）Chits/GCE ，(c)｛Au-Ni/Chits｝/GCE， (d)Au/Chits/GCE， (e)Au-Ni/Chits/GCE， (f)｛Ni/Chits｝/GCEFig.3 The EIS images of different layers modified electrodes，（a）GCE，（b）Chits/GCE ， (c)｛Au-Ni/Chits｝/GCE，(d)Au/Chits/GCE， (e)Au-Ni/Chits/GCE， (f)｛Ni/Chits｝/GCE

2.3 修飾電極的性能測(cè)定

不同修飾電極在含有2×10-4mol/L葡萄糖的0.2 mol/L NaOH溶液中的循環(huán)伏安圖（圖4）。圖4中內(nèi)插圖 為葡萄糖在裸玻碳電極以及以吸附法制備的修飾電極上的電化學(xué)響應(yīng)，由圖可見(jiàn)，它們幾乎沒(méi)有電流響應(yīng)。而葡萄糖在｛Au-Ni/Chits｝/GCE有明顯的響應(yīng)信號(hào)。

圖5 為葡萄糖（0.2 mol/L NaOH 溶液）在｛Au-Ni/Chits｝/GCE電化學(xué)響應(yīng)。隨著葡萄糖的量的增加，電極的響應(yīng)電流增加，且氧化峰沒(méi)有發(fā)生峰位移[23]，說(shuō)明復(fù)合材料中的Au，Ni的協(xié)同作用不僅可以稍微降低對(duì)于葡萄糖氧化的電位，同時(shí)Au的存在更有利于電子的傳遞。

考察了不同掃數(shù)下電極在含有2×10-4mol/L葡萄糖的NaOH（0.2 mol/L）溶液中循環(huán)伏安曲線，由圖6可見(jiàn)，氧化峰的峰電流隨著掃速的增加而變大，而氧化峰電流與掃描速度的平方根呈線性關(guān)系，表明這是一個(gè)受擴(kuò)散控制的反應(yīng)過(guò)程。

2.4 修飾電極響應(yīng)條件的優(yōu)化

2.4.1 Au-Ni材料對(duì)電極響應(yīng)的影響

考察了修飾不同Au-Ni材料中Au的含量對(duì)傳感器的電流響應(yīng)的影響。在Au-Ni材料中分別加入1； 2； 4； 8mL HAuCl4（HAuCl4濃度為 4.8 mmol/L），Au-Ni對(duì)應(yīng)的電流響應(yīng)。結(jié)果表明加入了2mL HAuCl4的Au-Ni制備的電極有著相對(duì)較好的電流響應(yīng)。

2.4.2 NaOH溶液濃度的選擇

使用Ni修飾電極測(cè)定葡萄糖時(shí)選用堿性介質(zhì)pH值一般為13或稍高[24～25]，因此選擇接近0.1 mol/L濃度NaOH溶液進(jìn)行測(cè)定。分別維持底液中 NaOH 濃度為 0.05;0.1;0.2;0.5;1.0 mol/L，考察了葡萄糖在電極上的電化學(xué)響應(yīng)。過(guò)高NaOH濃度下，葡萄糖容易被其它的氧化介質(zhì)氧化或解離。會(huì)對(duì)測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生一定的誤差。實(shí)驗(yàn)選擇0.2 mol/L的NaOH溶液作為測(cè)試底液。

2.4.3 工作電位的選擇

從循環(huán)伏安曲線中可以得到修飾電極對(duì)葡糖糖的氧化峰在0.4 V左右， 選擇0.3 V到0.5 V這一電位區(qū)間對(duì)葡萄糖進(jìn)行計(jì)時(shí)電流測(cè)定，發(fā)現(xiàn)0.4 V電位條件下得到最佳的響應(yīng)。

圖4 不同修飾電極在含有2×10-4mol/L葡萄糖的0.2 mol/L NaOH溶液中的循環(huán)伏安圖（a）GCE；（b）Au/Chits/GCE；（c）｛Ni-Au/Chits｝/GCE；（d）｛Ni/Chits｝/GCE；（e）Ni-Au/Chits/GCEFig.4 The CV images of different modified electrodes in 0.2 mol/L NaOH containing 2×10-4mol/L glucose（a）GCE；（b）Au/Chits/GCE；（c）｛Ni-Au/Chits｝/GCE；（d）｛Ni/Chits｝/GCE；（e）Ni-Au/Chits/GCE

圖5 修飾電極對(duì)葡萄糖的響應(yīng)，從上到下為0，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 mmol/L 葡萄糖的 0.2 mol/L NaOHFig.5 The cyclic voltammograms of the modifies electrode in 0.2 mol/L NaOH contaiNing different concentration of glucose

綜上所述，最終選擇加入2mL 4.8 mmol/L HAuCl4制備的 Au-Ni殼聚糖（2 mg/mL）修飾電極，在 0.4 V 的工作電位下，在 0.2 mol/L 的 NaOH溶液中進(jìn)行測(cè)定。

2.5 修飾電極的計(jì)時(shí)電流響應(yīng)，抗干擾實(shí)驗(yàn)，穩(wěn)定性及重現(xiàn)性

修飾電極在 0.4 V的工作電位下，向 0.2 mol/L NaOH溶液中連續(xù)加入葡萄糖，得到電極的計(jì)時(shí)電流響應(yīng)曲線（圖7）。響應(yīng)電流隨每次葡萄糖的加入而增加并快速達(dá)到90%以上的穩(wěn)態(tài)電流。右上內(nèi)插圖 為該傳感器在不同的葡糖糖濃度下對(duì)催化電流的線性校正關(guān)系，對(duì)葡萄糖的檢測(cè)濃度范圍為 2.5×10-5～9.5×10-4mol/L， 線性相關(guān)系數(shù)r=0.995 0（n=27），檢測(cè)限為1×10-5mol/L。

維持底液中葡糖糖濃度為2.5×10-5mol/L，考察了尿酸和抗壞血酸對(duì)測(cè)定葡糖糖的干擾情況（圖8）。由圖8可見(jiàn)，尿酸及抗壞血酸對(duì)葡糖糖的檢測(cè)幾乎沒(méi)有干擾。

以相同方法制備的5支電極對(duì)同一濃度的葡萄糖進(jìn)行檢測(cè)，得到相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）僅為1.15%，說(shuō)明有很好的重現(xiàn)性。因?yàn)闊o(wú)酶?jìng)鞲衅鳑](méi)有酶失活之類不利因素的存在，所以在保存上無(wú)需特殊處理。修飾電極對(duì)同一濃度葡糖糖 （0.2 mmol/L）連續(xù)測(cè)定50圈后的電流響應(yīng)值仍保持原來(lái)的85%以上，電極有著很好的穩(wěn)定性。

圖6 修飾電極在不同掃速的循環(huán)伏安曲線掃描速度：10，20，30，40，50，60，70，80，90，100 mV/s（從內(nèi)至外）內(nèi)插圖 ：峰電流與掃速平方根的線性關(guān)系Fig.6 Effect of scan rate on the cyclic voltammogram of the modified electrode Inset:Calibration curve of the current and the square root of scan rates

圖7 修飾電極在0.2 mol/L NaOH溶液中連續(xù)加入不同量的10 mmol/L葡萄糖的計(jì)時(shí)電流響應(yīng)；內(nèi)插圖 為濃度和電流的校正曲線Fig.7 Amperometric i-t curve of the modifies electrodes to the different concentration of glucose in 0.2 mol/L NaOH；inset：Calibration curve of the current and the concentration of glucose

2.6 回收率實(shí)驗(yàn)

取含未知濃度的葡萄糖水樣進(jìn)行檢測(cè)，以上述方法進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果列入表1。同時(shí)在樣品中分別加入50.0 μmol/L的葡糖糖溶液，測(cè)試回收率，結(jié)果也列在表1中，該方法測(cè)定得到的回收率在98.8%～105.1%，說(shuō)明為檢測(cè)葡萄糖提供了一個(gè)準(zhǔn)確，方便可行的方法。

表1 回收率測(cè)定Tab.1 Determination of recovery

圖8 修飾電極在0.2 mol/L NaOH中依次加入2.5×10-5 mol/L的葡萄糖，尿酸，抗壞血酸，葡萄糖的計(jì)時(shí)電流曲線Fig.8 Amperometric i-t curve of the modifies electrodes with injection of 2.5×10-5mol/L glucose，UA，AA，glucose

3 結(jié)論

借助殼聚糖粘合作用修飾了玻碳電極，利用Ni對(duì)葡萄糖的催化作用和金所具有的優(yōu)越的電子傳遞性能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)葡萄糖的檢測(cè)。制備的｛Au-Ni/Chits｝/GCE傳感器能對(duì)葡萄糖高靈敏的快速響應(yīng)， 檢測(cè)濃度范圍為 2.5×10-5～9.5×10-4mol/L，線性相關(guān)系數(shù)為0.995 0，檢測(cè)限可達(dá)到1×10-5mol/L。

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