基于无酶葡萄糖传感器的修饰电极及电化学性能

崔英磊, 钱 锋,张 彰

含酶葡萄糖电化学传感器有着很长的研究历史,并取得了不少成果.但在实际应用中,酶修饰电极的“短板”逐渐凸显,如电极稳定性较差、成本高、葡萄糖氧化酶固定过程复杂等.这些因素使得酶电极葡萄糖生物传感器的灵敏度、稳定性及重现性受到了一定的影响,应用受限.目前尚无一种可靠的方法,能够使葡萄糖电极中的酶既稳定又高效,且不易脱落、失活.基于此,科研人员着手于无酶葡萄糖传感器的研究.无酶葡萄糖传感器以其耐用、工艺简单、成本低、稳定性及重现性好的特点[1],深受青睐.

目前研制的无酶葡萄糖传感器在使用中仍旧存在缺陷,例如:选择性较含酶传感器差;当使用镍电极检测时,样品中有抗坏血酸或尿酸大量存在,响应电流就会受到干扰[2];容易出现氯离子中毒等现象[3].因此,研究制备一种低成本、高选择性、能迅速精准检测葡萄糖的无酶葡萄糖传感器,具有良好的学术与应用价值.由于葡萄糖在某些材料表面通过电催化氧化能够转化为葡萄糖酸内酯,因此无酶葡萄糖传感器的研究热点聚焦在电极材料方面.纳米材料具有较高的比表面积及特殊的物理性质,以其修饰的电极在检测葡萄糖时表现出了线性范围广、检测限低、灵敏度高、电催化活性良好等诸多优点[4].Wang等[5]制备的纳米多孔和中孔Pt电极在葡萄糖的测定中得到了较好的结果.Rong等[6]用Al模板方法制备了Pt纳米管阵列修饰电极.郭合帅等[7]以超薄氧化铝(ultra-thin alumina mask,UTAM)为模板,采用真空镀膜制备了大面积高度有序的银纳米点阵活性基底,并经过表面预处理后用于检测葡萄糖灵敏度,效果良好.Yeo等[8]探索了过渡金属Ni,Mn,Cu,Fe合金电极在0.1 mol·L−1NaOH介质中葡萄糖含量的测定,结果表明这些电极具有较好的灵敏度.过渡金属氧化物具有空穴的阴离子和混合价态的阳离子,通过改变阴离子和阳离子,可以调节过渡金属氧化物的电学、光学、磁学以及催化等物理化学性质.另外,它们具有较低的氧化还原电势,可以充当氧化还原电子媒介,且造价低廉、不易中毒.Zhang等[9]发现将CuO用于电化学传感器构置对葡萄糖表现出了较高的电催化活性.

本工作将纳米级过渡金属氧化物Co3O4,NiO,CuO,Rh2O用于修饰碳糊电极来构造葡萄糖传感器,通过对葡萄糖进行检测筛选出合适的纳米材料,再进一步采用高电位法处理电极,提高无酶电化学葡萄糖传感器的检测性能.

1 实验部分

1.1 材料与仪器

纳米级过渡金属氧化物Co3O4,NiO,CuO和Rh2O,由东莞市鸿博纳米材料有限公司提供;石蜡;石墨粉;葡萄糖,由南京古田化工有限公司提供.实验用水为二次超纯水,由美国Milli-pore公司Milli-Q超纯水制备系统生产,其他试剂均为光谱纯.标准熔点毛细管(直径1 mm),由苏州市东吴玻璃仪器有限公司提供.RST5200电化学工作站,由北京恒奥德仪器仪表有限公司提供.

1.2 电极的制备

首先以质量比1∶4混合石蜡和石墨粉,研磨形成碳糊,再将其装填在毛细管中,插入铜丝并固定,制得碳糊电极;然后分别把纳米级过渡金属氧化物Co3O4,NiO,CuO,Rh2O与碳糊按质量比1∶8混合研磨,再与石蜡按质量比1∶4混合,加热溶化后搅拌均匀,之后取约2 mL涂敷于碳糊电极顶端,冷却,以备葡萄糖检测使用.

1.3 实验步骤

选用三电极体系进行葡萄糖的检测,其中工作电极为碳糊电极,参比电极为甘汞电极,对电极使用铂丝.首先配制0.20 mol·L−1的NaCl溶液,再加入适量的固体KOH,使溶液中KOH浓度为0.60 mol·L−1,并将其用作电解液.全部实验都在20°C下完成.

本工作采用循环伏安法对不同修饰电极进行测试表征,葡萄糖的加入量为2.00 mmol·L−1.在考查OH−浓度对纳米NiO的碳糊电极检测葡萄糖的影响实验中,KOH的浓度分别选择为0.06,0.20和0.60 mol·L−1.考查修饰电极中NiO的含量对检测葡萄糖的影响实验中,碳糊和NiO的质量比分别为4∶1和8∶1.高电位处理时,使用循环伏安法将NiO修饰的碳糊电极在0.60 mol·L−1KOH电解液中以0∼1.1 V扫描.

图1 三电极体系示意图Fig.1 Schematic diagram of three-electrode system

2 结果与讨论

2.1 修饰电极

图2是不同纳米级过渡金属氧化物修饰碳糊电极的情况下电解液的循环伏安曲线.葡萄糖加入量为 2.00 mmol·L−1,扫描设定:含有 NaCl的KOH 溶液,其中 NaCl为 0.20 mol·L−1,KOH为0.60 mol·L−1,扫描速度0.1 V/s.

图2 不同纳米级过渡金属氧化物修饰碳糊电极的循环伏安曲线Fig.2 Cyclic voltammogram of electrolyte solutions based on diあerent transition metal oxides of nanomaterial modif i ed carbon paste electrodes

由图2可以明显看出,在这4种过渡金属氧化物中,只有纳米NiO修饰的碳糊电极在加入葡萄糖时电流改变显著,即响应电流明显,而其他3种过渡金属纳米氧化物的修饰电极对葡萄糖的加入响应较弱.因此,后续实验主要围绕纳米NiO修饰的碳糊电极进行研究.

2.2 电化学反应原理

按照理论推测,使用NiO修饰的碳糊电极检测葡萄糖时涉及的反应过程可分为两个阶段.

(1)第一阶段.NiO与水发生物理吸附,形成的水合氧化镍(NiO·H2O)牢固吸附在电极表层,而暴露在空气中的NiO·H2O与空气中的氧发生氧化还原反应生成Ni(OH)2,其中Ni(OH)2与NiOOH可以相互转化[10-11].

NiO+物理吸附的水→NiO·H2O(牢固吸附在电极表层)+O2→Ni(OH)2,

(2)第二阶段.葡萄糖在电极表面被NiOOH催化氧化为葡萄糖酸内酯,同时电极表面的NiOOH被还原为Ni(OH)2,且电位发生变化,所产生的电信号通过循环伏安法的响应电流而得以表征[12].

NiOOH+葡萄糖−=⇒Ni(OH)2+葡萄糖酸内酯.

2.3 KOH浓度

根据上述反应机理,NiO与碳水化合物发生的电催化氧化反应需要在碱性溶液中进行.为此实验考察纳米级NiO材料修饰电极时不同浓度的KOH溶液中葡萄糖电化学反应响应电流的情况.KOH浓度不同时NiO修饰碳糊电极的循环伏安曲线如图3所示.由图可见,在KOH溶液浓度较高时,有两个显著的氧化还原峰出现.这可解释为,OH−的含量较高,促进了可逆反应的平衡右移,所对应的氧化还原峰亦趋于显著.由此可知,NiO检测葡萄糖的响应信号与溶液中的OH−浓度有关,且随着OH−浓度的增大而增强.因此,后续实验选择KOH溶液的浓度为0.60 mol·L−1.

图3 KOH浓度不同时NiO修饰碳糊电极的循环伏安曲线Fig.3 Cyclic voltammogram of KOH solutions with diあerent concentrations based on NiO modif i ed carbon paste electrodes

2.4 NiO含量

为考察NiO含量对电化学反应的影响,实验自制了2种不同的NiO修饰碳糊电极并进行了测试比较,其结果如图4所示.从图中可以看出,当使用NiO含量较高的修饰电极时,氧化还原的两个峰值较显著;而当使用NiO含量较低的修饰电极时,虽有响应电流出现,但并无明显的氧化还原峰出现.分析原因可知:一方面,这是由于纳米材料的比表面积大,NiO的表面极易产生物理吸附,从而把水分子由空气中吸附到电极表面,导致电极表面羟基化,使表层NiO变成Ni(OH)2,从而进行检测时电信号不明显;另一方面,由于羟基化层的厚度较小,随着NiO含量的增大,电极表面的Ni(OH)2及NiOOH的浓度也逐步增大,致使Ni(OH)2/NiOOH可逆转化反应所产生的氧化还原峰逐步趋于显著.上述结果进一步验证了NiO催化氧化葡萄糖的机理.表面羟基化经常发生在诸多其他金属或其氧化物的表层,如Pt,Ni,MnO2等,而且碱性环境下会使羟基化加速[10,13].

图4 NiO含量不同的修饰碳糊电极的循环伏安曲线Fig.4 Cyclic voltammogram of electrolyte solutions based on NiO modif i ed carbon paste electrodes with diあerent contens

2.5 高电位处理

基于上述实验的结果,对纳米NiO修饰电极进行高电位处理,推断高电位的处理会使NiO转化量大大增加,使NiOOH/Ni(OH)2氧化还原电对数量激增,从而有效提高葡萄糖电化学反应的响应信号.于是,在0∼1.2 V的范围内,对NiO修饰的碳糊电极进行循环伏安高电位处理后检测对不同浓度葡萄糖溶液的响应电流,并与处理前的电极作比较.

图5为NiO修饰电极高电位处理前后葡萄糖溶液与响应电流的关系.通过比较拟合曲线的斜率可以看出:高电位处理后的拟合曲线斜率明显大于处理前,表明响应电流明显增大,电极灵敏度提高;线性相关系数与处理前相比更大,意味着经高电位处理过的电极能够更准确地检测出葡萄糖的含量.

图5 NiO修饰电极高电位处理前后葡萄糖溶液浓度与响应电流的关系Fig.5 Relations between glucose concentrations and currents based on NiO modif i ed carbon paste electrode before and after high electric potential

3 结束语

本工作探索了4种纳米级过渡金属氧化物修饰的碳糊电极在葡萄糖检测中的应用.实验结果显示,采用NiO材料修饰的碳糊电极对葡萄糖有良好的催化氧化性能.同时实验还研究了电解液中KOH浓度、碳糊电极中NiO含量的影响,并由此得到了适宜的电化学反应条件:KOH的浓度为0.60 mol·L−1,电极中碳糊和NiO的质量比为4∶1.另外,高电位处理后的电极的灵敏度显著提升,与处理前相比,检测限更低,反应更为迅速.

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