劉 東，王周雷，李 帆，喻德忠*

(1.武漢工程大學化學與環(huán)境工程學院，湖北 武漢 430073;2.綠色化工過程教育部重點實驗室，湖北 武漢 430073)

葡萄糖是對人類生命活動和健康具有重要作用的生物小分子，人體內葡萄糖濃度異常，會導致糖尿病、腎衰竭和心臟病等并發(fā)癥[1-2]。因此，快速有效地檢測葡萄糖在臨床診斷中具有重要意義。具有高靈敏度和選擇性的酶生物傳感器在檢測葡萄糖時展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。但是，由于酶的天然特性，酶生物傳感器在相對惡劣的條件下容易失活，且成本較高，限制了其廣泛應用。非酶傳感器因此受到了更多的關注。隨著納米技術的快速發(fā)展，貴金屬納米復合材料、過渡金屬氧化物和碳基納米結構等納米材料已被成功用于制備葡萄糖非酶傳感器[3-4]。

Cu2O由于具有高活性、低成本和較低過電勢等優(yōu)勢，受到特別關注[5]。將銅與碳材料結合是制備具有高催化活性納米復合材料的合理策略[6]。相比于其它碳材料(如石墨烯、單/多壁碳納米管和碳纖維等)，多孔碳可能更適用于傳感領域，它可以通過改變前驅物配比、活化方式、改性劑種類等方式進行結構調控，而其內部多孔結構則可有效提高活性位點并提供分析物的傳輸通道[7]。

作者將竹粉分散于硝酸銅溶液中，經靜置、過濾、干燥后高溫碳化，制備氧化亞銅/銅/生物質多孔碳復合材料(CuOx@BPC)，通過X-射線衍射儀(XRD)、掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)對其進行表征；并將CuOx@BPC制成化學修飾電極(CuOx@BPC/GCE)，采用循環(huán)伏安(CV)法、安培時間(AP-it)法研究其對葡萄糖非酶檢測的電化學性能。

1 實驗

1.1 電極材料的制備

將3 g竹粉和3 g Cu(NO3)2·3H2O溶解于150 mL去離子水中，均勻分散；混合液靜置24 h后，過濾，不溶物于80 ℃干燥后轉移至瓷舟，置于管式爐中，在N2氣流中于5 ℃·min-1加熱碳化，750 ℃保溫2 h；冷卻，將黑色固體用去離子水和乙醇洗滌3次，在80 ℃下干燥，即得銅納米顆粒修飾的生物質多孔碳，標記為CuOx@BPC-1[1表示Cu(NO3)2·3H2O與竹粉的質量比]。分別添加1.5 g、6 g Cu(NO3)2·3H2O，同法制備CuOx@BPC-0.5和CuOx@BPC-2。

直接煅燒竹粉制備的生物質多孔碳標記為BPC。

1.2 化學修飾電極的制備

玻碳電極(GCE，d=3 mm)分別用1 μm、0.3 μm和0.05 μm的Al2O3粉末進行拋光打磨，直至得到鏡面狀表面，再分別用丙酮和去離子水超聲處理5 min以除去表面吸附的雜質。將5 mg CuOx@BPC-1加入到1 mL乙醇(含0.05% Nafion)中，超聲分散30 min，得均勻懸濁液。取3 μL懸濁液滴在預處理后的GCE表面上，室溫干燥，即得化學修飾電極CuOx@BPC-1/GCE。同法制備CuOx@BPC-0.5/GCE和CuOx@BPC-2/GCE。

1.3 結構與電化學性能表征

采用德國Bruker D8 Advance型X-射線衍射儀對電極材料進行XRD測試，輻射源為Cuκα(λ=1.5406 ?)，衍射角范圍為10°～90°，掃描頻率為2°·min-1；采用GeminiSEM 300型電子顯微鏡和美國Fei Tecnai G220型透射電鏡觀察電極材料的微觀形貌。

采用典型的三電極體系進行電化學測試，以GCE或修飾電極為工作電極、飽和甘汞電極(SCE)為參比電極、鉑絲電極為對電極；以0.1 mol·L-1NaOH溶液作為葡萄糖檢測的支持電解質，在每次測試前通N2，將電解質溶液脫氧15 min。采用CV法研究不同電極對葡萄糖的潛在檢測能力；采用AP-it法進行電化學性能測試。

2 結果與討論

2.1 電極材料的結構表征

2.1.1 XRD分析(圖 1)

a.BPC b.CuOx@BPC-0.5 c.CuOx@BPC-1 d.CuOx@BPC-2

從圖1可知，BPC在2θ為23°和43°處顯示出較寬的衍射峰，分別對應于碳的(002)和(100)晶面，這與其它生物質衍生得到的碳材料的XRD圖譜相一致[8]。加入銅元素后，CuOx@BPC-0.5、CuOx@BPC-1和CuOx@BPC-2具有相似的衍射峰，除了碳的(002)和(100)晶面外，在2θ為29.5°、36.7°、42.3°和61.8°處的衍射峰分別對應于Cu2O的(110)、(111)、(200)和(220)晶面；在2θ為43.5°、50.9°、74.2°處的衍射峰則分別對應于Cu的(111)、(200)、(311)晶面[9]。

2.1.2 SEM分析(圖 2)

圖2 BPC(a)、CuOx@BPC-0.5(b)、CuOx@BPC-1(c、d、e)和CuOx@BPC-2(f)的SEM照片

從圖 2a可知，竹粉經高溫煅燒生成了具有大量缺陷和褶皺的碳材料。從圖 2b～f可知，BPC可以較好地分散CuOx納米顆粒，CuOx均勻地錨定在碳基體上；隨著銅鹽質量占比的增大，CuOx納米顆粒粒徑增大且分散均勻。從不同倍率和角度的SEM照片(圖 2c、d、e)可知，CuOx@BPC-1中納米顆粒分布最為均勻，且沒有直徑大于1 μm的顆粒出現(xiàn)。

2.1.3 TEM分析(圖3)

從圖3可知，BPC具有大量微孔的無定形層狀結構(圖3a～c)；CuOx納米顆粒均勻分布在碳材料上(圖3d～f)，具有明顯的晶格條紋(圖3g、h)，晶格間距為0.245 nm和0.209 nm，分別對應于Cu2O的(111)晶面和Cu的(111)晶面[10]。表明，具有高結晶度低價銅(Cu2O/Cu)的多孔碳復合納米材料已成功制備。

圖3 BPC(a～c)、CuOx @BPC-1(d～h)的TEM照片

2.2 電極材料和電勢的選擇

采用CV法研究不同電極對葡萄糖的潛在檢測能力，結果如圖4a所示。為了進一步研究不同電極的電化學性能，在0.1 mol·L-1NaOH溶液中連續(xù)加入50 μmol·L-1葡萄糖進行AP-it測試，電勢為0.55 V，結果如圖4b所示。

從圖4a可知，GCE和BPC電極對葡萄糖的氧化表現(xiàn)出很微弱的電流；銅元素的引入顯著增大了氧化電流，在電勢為0.45～0.65 V范圍存在氧化峰，且在CuOx@BPC-1/GCE修飾電極上有最大的氧化電流響應。從圖4b可知，CuOx@BPC-1/GCE修飾電極對葡萄糖的檢測效果最佳，這可能是由于其具有適中的孔結構、大量暴露的活性位點、相對較大的比表面積、合適的銅物種尺寸以及Cu、Cu2O和多孔碳的協(xié)同效應，從而提高了物質擴散效率。因此，采用CuOx@BPC-1/GCE修飾電極進行后續(xù)研究。

圖4 不同電極在含有1 mmol·L-1葡萄糖的0.1 mol·L-1 NaOH溶液中100 mV·s-1掃速下的CV曲線(a)及不同電極在0.55 V電勢下的AP-it曲線(b)

采用AP-it法對電勢(0.45 V、0.50 V、0.55 V、0.60 V、0.65 V)進行優(yōu)化，結果如圖5a所示。同時對氧化電流與葡萄糖濃度進行線性擬合，結果如圖5b所示。

圖5 CuOx@BPC-1/GCE修飾電極于不同電勢下在0.1 mol·L-1 NaOH溶液中連續(xù)加入葡萄糖的AP-it曲線(a)及對應的氧化電流與葡萄糖濃度的擬合曲線(b)

從圖5可知，在0.45～0.65 V范圍內，隨著電勢的增大，氧化電流先增大后減小，當電勢為0.55 V時，CuOx@BPC-1/GCE修飾電極對葡萄糖的檢測效果最佳。

2.3 CuOx@BPC-1/GCE修飾電極對葡萄糖的非酶檢測

在0.1 mol·L-1NaOH溶液中加入不同濃度的葡萄糖，CuOx@BPC-1/GCE修飾電極的CV曲線如圖6a所示。電勢為0.55 V時，對應的氧化電流與葡萄糖濃度的擬合曲線如圖6b所示。

從圖6a可知，隨著葡萄糖濃度的增加，氧化電流明顯增大，在電勢為0.45～0.65 V范圍存在氧化峰。氧化電流與葡萄糖濃度呈良好的線性關系，其線性回歸方程為I=7.397+13.761c(R2=0.999)(圖6b)，曲線斜率和相關指數(shù)R2較大，表明CuOx@BPC-1/GCE修飾電極對葡萄糖有較好的檢測性能。

圖6 CuOx@BPC-1/GCE修飾電極在含有不同濃度葡萄糖的0.1 mol·L-1 NaOH溶液中100 mV·s-1掃速下的CV曲線(a)及0.55 V電勢下對應的氧化電流與葡萄糖濃度的擬合曲線(b)

在最優(yōu)實驗條件下，CuOx@BPC-1/GCE修飾電極的AP-it曲線如圖7a所示。同時對氧化電流與葡萄糖濃度進行線性擬合，結果如圖7b所示。

從圖7a可知，加入葡萄糖后，CuOx@BPC-1/GCE修飾電極快速產生響應，在5 s內即達到平穩(wěn)狀態(tài)，說明葡萄糖可以快速擴散到電極表面發(fā)生反應。葡萄糖濃度在0.5～1 082 μmol·L-1和1 082～4 832 μmol·L-1范圍內，與氧化電流呈良好的線性關系，其線性回歸方程分別為I=0.817+14.471c(R2=0.995)和I=7.775+7.959c(R2=0.991)，檢出限(S/N=3)為0.15 μmol·L-1。

圖7 CuOx@BPC-1/GCE修飾電極在0.1 mol·L-1 NaOH溶液中連續(xù)加入葡萄糖的AP-it曲線(a)及對應的氧化電流與葡萄糖濃度的擬合曲線(b)

CuOx@BPC-1/GCE修飾電極與其它電極材料對葡萄糖檢測性能的比較見表1。

表1 CuOx@BPC-1/GCE修飾電極與其它電極材料對葡萄糖檢測性能的比較

從表1可知，CuOx@BPC-1/GCE修飾電極具有檢測范圍寬、檢出限低的優(yōu)點，具有較好的應用價值。

2.4 CuOx@BPC-1/GCE修飾電極的選擇性、重復性和穩(wěn)定性

在外加電化學活性物質包括抗壞血酸(20 μmol·L-1)、多巴胺(20 μmol·L-1)、尿酸(20 μmol·L-1)、氯化鉀(500 μmol·L-1)、氯化鈉(500 μmol·L-1)等的干擾下，CuOx@BPC-1/GCE修飾電極的AP-it曲線如圖8a所示。

從圖8a可知，各種干擾物對CuOx@BPC-1/GCE修飾電極檢測葡萄糖的影響低于3%。表明CuOx@BPC-1/GCE修飾電極具有較好的抗干擾能力。

對5支制備的CuOx@BPC-1/GCE修飾電極連續(xù)加入50 μmol·L-1葡萄糖的氧化電流響應進行比較，相對標準偏差為3.6%，表明CuOx@BPC-1/GCE修飾電極具有較好的重復性。在低溫儲存30 d后，將CuOx@BPC-1/GCE修飾電極連續(xù)加入50 μmol·L-1葡萄糖檢測，氧化電流響應依然保持初始值的94.6%(圖8b)，表明CuOx@BPC-1/GCE修飾電極具有較好的穩(wěn)定性。

a.抗壞血酸 b.多巴胺 c.尿酸 d.氯化鉀 e.氯化鈉 G.100 μmol·L-1葡萄糖

3 結論

將竹粉分散于硝酸銅溶液中，經靜置、過濾、干燥后高溫碳化，制備了氧化亞銅/銅/生物質多孔碳復合材料(CuOx@BPC)，XRD、SEM、TEM分析顯示，氧化亞銅/銅均勻分布在碳基體表面的狹縫和褶皺處。當硝酸銅和竹粉的質量比為1∶1時，制備的CuOx@BPC/GCE修飾電極具有最佳電化學性能，所構建的傳感器對葡萄糖具有很好的選擇性、重復性和穩(wěn)定性，展現(xiàn)出良好的檢測性能，檢測范圍寬(0.5～4 832 μmol·L-1)，檢出限低(0.15 μmol·L-1)，可用于葡萄糖的非酶檢測。