NiCo2O4/还原石墨烯复合修饰电极的制备及电催化检测葡萄糖

2017-10-15杨亦宸戴高鹏罗天雄刘素芹

分析科学学报 2017年2期

杨亦宸，钱媛，肖瑶，戴高鹏，罗天雄，刘素芹

(湖北文理学院化学工程与食品科学学院，低维光电材料与器件湖北省重点实验室，湖北襄阳 441053)

葡萄糖的分析与检测对于人类的健康以及疾病的诊断、控制和治疗有着重要意义。测定葡萄糖的方法很多，其中电化学分析方法以其灵敏度高、选择性好和分析费用低等特点在临床分析中得到了广泛的应用。近年无酶葡萄糖传感器的研制成为葡萄糖电化学传感的研究热点[1 - 4]。而利用过渡金属、过渡金属氧化物、硫化物、氢氧化物及其混合金属氧化物、硫化物对葡萄糖优异的电催化氧化性能，制备非酶葡萄糖电化学传感器引起了人们的广泛关注[5 - 11]。Co、Ni是无酶葡萄糖传感器应用较多的过渡金属修饰电极材料，其金属及金属氧化物和混合金属氧化物、硫化物纳米结构显示了较高的电催化活性。

本文采用水热法制备NiCo2O4、NiCo2O4/还原石墨烯(rGO)复合材料。采用滴涂法制备了NiCo2O4/rGO复合修饰电极。实验结果表明，该修饰电极在强碱性条件下对葡萄糖具有良好的电催化氧化作用，其氧化峰电流随葡萄糖浓度增大而增大。该无酶葡萄糖传感器制备过程简单、线性范围宽、灵敏度高、选择性高，将其应用于葡萄糖注射液中葡萄糖的检测，获得结果较好。

1 实验部分

1.1 仪器及试剂

RST5000电化学工作站(苏州瑞思特仪器有限公司)；三电极体系：修饰玻碳电极(GCE,Φ=2 mm)作为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极，铂电极作为辅助电极；S-4800扫描电子显微镜(日本，日立公司)；D/MAX-RB X-射线衍射仪(Cu旋转阳极靶，日本，Rigaku)。

Ni(NO3)2，NiCl2，Co(NO3)2，CoCl2，无水乙醇，天然石墨粉，H2SO4，KMnO4，K3[Fe(CN)6]，KNO3，葡萄糖，琼脂糖，氨水。实验中所用的试剂均为分析纯，实验用水为二次去离子水。

1.2 氧化石墨烯的制备

氧化石墨烯按照Hummer方法制备。将盛有46 mL浓H2SO4的500 mL锥形瓶置于冰浴中，边搅拌边加入2 g天然石墨，将6 g KMnO4缓慢加入到锥形瓶内的混合溶液中，30 min后去除冰浴，得到深绿色溶液，再缓慢加入92 mL水搅拌1 h；然后将锥形瓶移至沸水浴中，保持30 min后加20 mL 30%H2O2和280 mL水到溶液中，高温反应1 h，趁热过滤，高速离心，用15%HCl，乙醇洗涤数次。60 ℃真空干燥24 h后，备用。

1.3 NiCo2O4/rGO复合材料的制备

称取10 mg氧化石墨烯于100 mL无水乙醇中，超声分散后，加入7 mL 0.2 mol/L Co(NO3)2和3 mL 0.2 mol/L Ni(NO3)2，2 mL水，2.5 mL浓氨水。转入200 mL圆底烧瓶中。在80 ℃回流10 h后转入水热釜中。在220 ℃下反应72 h。冷却、离心分离、洗涤，干燥得到NiCo2O4/rGO复合材料。NiCo2O4粉末的制备不添加氧化石墨烯，其余方法相同。

1.4 NiCo2O4/rGO修饰电极的制备

用粒径为0.3和0.05 μm的Al2O3乳液将裸玻碳电极(GCE)抛光至镜面，再用水和乙醇超声清洗。取10 mg所制备的NiCo2O4加入到3 mL无水乙醇中，加入5 μL琼脂糖。超声分散。待NiCo2O4/rGO分散完全后，用滴涂法滴到处理好的GCE上。

2 结果与讨论

2.1 扫描电镜测试分析

图1为水热法合成的NiCo2O4、rGO及NiCo2O4/rGO复合物的扫描电镜(SEM)图像。如图1(a)和1(b)，所合成的NiCo2O4为球型花状，由晶型很好的纳米片组成，纳米片长3～4 μm，厚100 nm，一个花状结构的尺寸为10～12 μm。图1(c)为rGO的SEM照片，我们可以看到石墨烯的部分片层重叠在一起，大量褶皱起伏如波浪，呈纱状半透明薄片。图1(d)为NiCo2O4/rGO复合物的SEM图片，从图中可以看到NiCo2O4和rGO复合在一起，还原石墨烯充当了花托的角色。

图1 NiCo2O4高倍(a)和低倍(b)、rGO(c)和NiCo2O4/rGO复合物(d)的扫描电镜(SEM)图Fig.1 SEM images of NiCo2O4 for high magnification(a) and low magnification(b),rGO (c) and NiCo2O4/rGO composite(d)

2.2 X-射线衍射测试分析

图2 合成钴酸镍的X-射线衍射(XRD)图Fig.2 XRD pattern of as-prepared NiCo2O4

合成的NiCo2O4的X-射线衍射(XRD)图见图2，制备所得样品的特征峰均与JCPDS No.20-0781相一致，在31.1°、36.7°、38.4°、44.6°、59°处出现NiCo2O4的(220)、(311)、(222)、(400)、(511)和(440)的平面衍射角，没有任何原始氧化物和其它杂质相，表明所制备的样品为纯相NiCo2O4。

2.3 不同电极的电化学行为

考察了裸GCE、NiCo2O4修饰电极、NiCo2O4/rGO复合修饰电极的电化学行为，见图3。从图中曲线a可以看出，在裸GCE上没有明显的氧化还原峰出现。而从曲线b可看出，NiCo2O4修饰GCE上出现了一对明显的氧化峰和还原峰，峰电位分别为0.24 V和0.42 V。在NiCo2O4/rGO复合修饰电极上，也出现了一对明显的氧化还原峰，峰电位分别为0.21 V和0.44 V，而且氧化峰和还原峰的峰形尖锐，且峰电流较NiCo2O4修饰电极大很多。这可能是因为rGO具有良好的导电性，同时NiCo2O4是一种良好的催化剂，二者协同作用使峰电流进一步增大。

2.4 支持电解质的选择

研究了NiCo2O4/rGO复合修饰电极在不同支持电解质中的电化学行为，其中扫速为100 mV/s，电位范围为0～0.6 V。如图4所示，可以看到在KOH支持电解质中无明显现象。而在不同浓度的NaOH溶液中均可以出一对明显的氧化还原峰，且随着NaOH溶液浓度的降低氧化峰电流不断增大，说明该修饰电极在0.1 mol/L NaOH溶液中电化学行为最好。

图3 不同电极的循环伏安图Fig.3 Cyclic voltammograms of different electrodes a.bare GCE；b.NiCo2O4 modified electrode;c.NiCo2O4/rGO composite modified electrode.

图4 不同支持电解质的影响Fig.4 Effects of different support electrolytes

图5 NiCo2O4/rGO复合修饰电极在不同扫速下的循环伏安图;内插图为峰电流与扫速关系图Fig.5 Cyclic voltammograms of NiCo2O4/rGO composite modified electrode in 0.1 mol/L NaOH solution at various scan rates;Inset the phots of peak current and scan rate a-i:20,40,60,80,110,150,210,250 and 300 mV/s,respectively.

2.5 扫速的影响

在20～300 mV/s的扫速范围内研究了扫速的影响,如图5所示。随着扫速的增大，该修饰电极的氧化还原峰电流不断增大，峰电位差变大。峰电流与扫速呈良好的线性关系(内插图)，说明该修饰电极的氧化还原过程受表面控制。

图6 NiCo2O4(A)、NiCo2O4/rGO(B)修饰电极加入葡萄糖前(a)后(b)的循环伏安图Fig.6 Cyclic voltammograms of NiCo2O4(A),NiCo2O4/rGO(B) modified electrodes in the absence(a) and presence(b) of 960 μmol/L glucose in 0.1 mol/L NaOH solution scan rate:100 mV/s.

2.6 修饰电极对葡萄糖的电催化氧化

图6(A)为NiCo2O4修饰电极在0.1 mol/L NaOH溶液中加入960 μmol/L葡萄糖前后的循环伏安图。由图可见，加入葡萄糖后，修饰电极的还原峰电流减小，而氧化峰电流明显增加，说明NiCo2O4修饰电极对葡萄糖有显著的电催化氧化作用。图6(B)为NiCo2O4/rGO复合修饰电极在0.1 mol/L NaOH溶液中加入960 μmol/L葡萄糖前后的循环伏安图。其催化活性比NiCo2O4修饰电极要高得多，说明rGO的掺入提高了NiCo2O4对葡萄糖的电催化活性。其原因可能为:还原石墨烯具有良好的纳米模板作用，分散性好，使得电极表面具有更好的通透性和更大的表面积，从而提高了催化活性。另外，从图中可以看到，电催化氧化葡萄糖后的峰电位都有正移的趋势，可能与氧化过程发生后溶液的pH改变有关。其催化机理可能为：NiCo2O4在碱性介质中分别被氧化生成CoO2和NiOOH，由于Co(Ⅳ)/Co(Ⅲ)和Ni(Ⅲ)/Ni(Ⅱ)的氧化还原峰电位很接近，因此在图中表现为一对宽峰。当加入葡萄糖时，发生NiOOH+葡萄糖→Ni(OH)2+葡糖酮醛和CoO2+葡萄糖→CoOOH+葡糖酮醛两个反应，葡萄糖被电催化氧化，因此氧化峰电流增加。

图7为NiCo2O4/rGO修饰电极在0.1 mol/L NaOH溶液中加入不同浓度葡萄糖后的循环伏安图。由图可以看出，随着葡萄糖浓度的加大，氧化峰电流逐渐增加(内插图为放大图)。说明复合修饰电极对葡萄糖的电催化受葡萄糖浓度的影响，浓度越大，其电催化氧化峰电流增大，催化效果明显。

2.7 安培法检测葡萄糖

图8为NiCo2O4/rGO复合修饰电极在加入不同量葡萄糖时的动力学计时安培图，测定电位控制为0.44 V。由图可见，随着葡萄糖的加入，电流以台阶状逐渐增加，符合稳态电流的特征，响应时间小于5 s。在优化条件下，电流与葡萄糖的浓度在1～1 500 μmol/L范围内时，其氧化峰电流与浓度具有良好的线性关系(内插图)，其线性方程为：Ipa(μA)=-0.0758+0.0191c(μmol/L)，相关系数R=0.9995。检出限(S/N=3)低至0.1 μmol/L。

图7 NiCo2O4/rGO复合修饰电极加入不同浓度葡萄糖后的循环伏安图Fig.7 Cyclic voltammogram of NiCo2O4/rGO modified electrode with addition of different concentration of glucose in 0.1 mol/L NaOH solution a-e:180,240,300,540,960 mmol/L,respectively.

图8 NiCo2O4/rGO复合修饰电极连续加入不同浓度葡萄糖时的动力学计时安培图;内插图为校正曲线Fig.8 Dynamic amperometric response of different concentration of glucose at the NiCo2O4/rGO composite modified electrode in 0.1 mol/L NaOH solution;Inset was the relationship between oxidation peak current and glucose concentration

2.8 选择性、重现性和稳定性试验

在优化条件下，用NiCo2O4/rGO修饰电极对960 μmol/L葡萄糖溶液连续扫描20圈，峰电流的相对标准偏差(RSD)为3.2%；平行测定11次，RSD为2.5%，说明该修饰电极具有较好的稳定性。用同样的方法分别制备NiCo2O4/rGO修饰电极5支，测定960 μmol/L葡萄糖溶液，RSD为4.7%。将其中1支电极于室温下放置30 d后重新进行测试，其对葡萄糖的电流响应几乎不变。