枝晶纳米银的电化学葡萄糖检测

刘 玲，禚 凯

(太原理工大学 a.信息与计算机学院，b.微纳系统研究中心，c.教育部新型传感器与智能控制系统重点实验室，山西 晋中 030600)

糖尿病作为一种常见的疾病，对人类健康造成了巨大的影响，定期检测和控制血糖水平是预防糖尿病的关键措施，因此，快速准确地检测血糖对人类生活具有着重要的意义[1-2]。目前，对于葡萄糖的检测方法有荧光色谱法﹑液相色谱法﹑红外光谱法﹑电化学法等[3-4]。在这些方法中，电化学方法由于其分析时间短﹑操作简便﹑成本较低引起了越来越多的关注[5]。

葡萄糖电化学传感器基本分为两种，基于酶的电化学传感器和无酶电化学传感器[6]。含酶电化学传感器凭借其专一性强﹑灵敏度高﹑反应迅速等特点，在葡萄糖检测领域得到了广泛应用；但因在检测过程中易受环境影响，其发展受到了一定的限制[7-9]。相比之下，无酶电化学葡萄糖传感器主要依赖于电极表面直接氧化葡萄糖的电流响应，可以避免酶电极易氧化的缺点，表现出了更高的稳定性。

根据修饰电极材料类型，无酶电化学传感器可以分为纳米材料和非纳米材料两大类。近年来，纳米材料由于自身独特的结构和优良的表面性质而备受关注，被越来越多地用于制备高灵敏度和低检测限的电化学传感器。特别是金属纳米粒子，它们具有大比表面积﹑快速电子转移能力和高密度的活性位点，表现出了显著的电化学敏感性[9-11]。值得注意的是，纳米银作为其中的一种，与其他的纳米金属相比较，具有化学性质稳定﹑成本相对较低﹑结构性能多变的特点[12]。本研究采用电沉积方法制备枝晶结构的银纳米材料用以修饰玻碳电极，以制备高灵敏度的无酶葡萄糖电化学传感器。

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

CS2350H电化学工作站(中国，武汉科思特公司)；扫描显微镜(FESEM，日本，Hitachi公司)；ULUP优普系列超纯水器(中国，西安优普仪器设备有限公司)；FX550超声波破碎仪(美国，BRANSON公司)；SFA2204B电子天平(中国，上海精科天美科学仪器有限公司)；KQ-300DE数控超声波清洗机(中国，超声仪器有限公司)。

铜网﹑硝酸银(AgNO3)﹑葡萄糖(C6H12O6)﹑硝酸﹑乙醇﹑NaOH﹑KCl﹑K4[Fe(CN)6]·3H2O﹑K3[Fe(CN)6]﹑抛光粉粉末(0.3 μm和0.05 μm Al2O3粉末)，所有试剂均为分析级以上。使用去离子水、KCl、K4[Fe(CN)6]·3H2O和K3[Fe(CN)6]配制[Fe(CN)6]3-/4-(0.05 mol/L)溶液。配制0.1 mol/L的NaOH溶液和0.01 mol/L的AgNO3溶液。

1.2 制备枝晶结构的纳米银

用去离子水和硝酸银配制0.1 mol/L的AgNO3溶液，通过电沉积合成枝晶结构的纳米银。利用电化学工作站，采用三电极体系，铜网作为工作电极(WE)、Ag/AgCl为参比电极(RE)、铂丝为对电极(CE)，通过恒电位沉积方式，选择合适的沉积条件(沉积电压为-0.7 V，-0.8 V，沉积时间360 s)制备枝晶结构的银。将沉积了枝晶纳米银的铜网加入盛有10 mL去离子水的25 mL烧杯中，将烧杯放置在FX550超声波破碎仪中超声15 min(超声频率40 Hz)，得到超声震落的纳米银枝晶悬浊溶液。

1.3 葡萄糖的检测

首先依次采用不同规格(0.3 μm和0.05 μm)的氧化铝(Al2O3)对玻碳电极表面进行抛光，然后分别采用体积分数约为30%的硝酸、乙醇、去离子水在超声波作用下洗涤电极10 min，自然环境中干燥。用移液枪吸取10 μL的超声震落的枝晶纳米银水溶液 (1 mg/mL)，滴到纯净的玻碳电极表面并在空气中干燥，得到枝晶纳米银修饰的玻碳电极。采用三电极体系(修饰枝晶纳米银的玻碳电极(GCE)作为工作电极、Ag/AgCl为参比电极(RE)、铂丝为对电极(CE))，通过计时电流测试方法在0.1 mol/L NaOH中进行葡萄糖的检测设置(电压参数为+0.35 V，测试时间600 s).

2 实验结果与讨论

2.1 枝晶纳米银的形貌表征

图1(a)和(b)分别为沉积电压为-0.7 V和-0.8 V时在铜网上沉积的枝晶纳米银的SEM图，(c)和(d)分别为沉积电压为-0.7 V和-0.8 V的超声震落后的枝晶纳米银的SEM图。通过电镜图可以观察到沉积的银具有多层分枝的结构，在每个主干上形成一级枝晶，在一级枝晶的基础上又形成多级枝晶纳米银。与银纳米粒子相较，该结构在一定程度上增加了比表面积，实验过程中有利于加快电子在电极表面的转移。

2.2 枝晶纳米银的电化学性能表征

图2(a)为不同的电极表面在5 mmol/L的[Fe(CN)6]3-/4-溶液中的循环伏安扫描结果，裸玻碳电极、修饰枝晶纳米银(沉积电压为-0.7 V制备的枝晶纳米银记为S1，沉积电压为-0.8 V制备的枝晶纳米银记为S2)的电极在检测过程中均出现了良好的氧化还原峰。修饰枝晶纳米银后，氧化还原电流的峰值增大了，表明枝晶纳米银加快了电极表面的电子转移速率，且修饰沉积电压为-0.8 V的枝晶纳米银的电子转移速率更快。图2(b)为电化学阻抗测试(EIS)结果。在典型的奈奎斯特图中，半圆部分表示高频范围内的电子转移电阻，而线性部分对应于发生扩散限制过程的低频范围。由图2(b)可知，裸GCE的电子转移电阻为75 Ω，修饰沉积电压为-0.8 V的枝晶级纳米银和修饰沉积电压为-0.7 V的枝晶纳米银的电子转移电阻分别是100 Ω和125 Ω.修饰后的电极与裸GCE相比，阻抗都有一定的增大，但修饰了沉积电压为-0.8 V的枝晶纳米银的电极的电化学阻抗更小，表明其上的电子转移速率较快。

(a)(b)为沉积在铜网上的样品，(a)沉积电压-0.7 V，(b)沉积电压-0.8 V，(c)(d)为超声震落后的样品，(c)沉积电压-0.7 V，(d)沉积电压-0.8 V图1 枝晶纳米银的SEM图像Fig.1 SEM images of dendritic nano-silver

图2 样品的电化学表征Fig.2 Electro-chemical characterization of samples

2.3 修饰电极对葡萄糖的电化学响应

为了考察修饰电极对葡萄糖的电催化特性，将裸电极和修饰后的电极置于含有5 mmol/L葡萄糖的0.1 mol/L的NaOH溶液中以50 mV/s的扫描速率进行循环伏安扫描，扫描范围为-0.2 V～0.6 V，结果如图3所示。从图中可以观察到裸玻碳电极的循环伏安图没有氧化还原峰，证明裸玻碳电极对葡萄糖基本上没有电催化性质。而修饰枝晶纳米银的玻碳电极有明显的氧化还原峰出现，并且沉积电压为-0.8 V的枝晶银比沉积电压为-0.7 V的枝晶银的氧化还原电流峰值明显增大。该结果表明修饰枝晶纳米银的电极对葡萄糖有电催化活性，且沉积电压为-0.8 V的枝晶纳米银对葡萄糖的电催化活性更好。这可能由于在-0.8 V的沉积电压下生长的枝晶纳米银有更长的枝晶长度和更多的枝晶数量，从而对葡萄糖有更好的电催化活性，故而采用-0.8 V沉积的枝晶纳米银修饰玻碳电极对葡萄糖进行检测。

图3 样品在0.5 mmol/L葡萄糖、0.1 mol/L NaOH溶液中的循环伏安图Fig.3 CV curves of samples in 0.5 mmol/L glucose, 0.1 mol/L NaOH solution

2.4 计时电流法检测葡萄糖

在+0.35 V的电压下、浓度为0.1 mol/L的NaOH溶液(20 mL)中对修饰沉积电压为-0.8 V的枝晶纳米银的玻碳电极采用计时电流法进行葡萄糖检测，绘制了电流-时间曲线如图4.如图4(a)所示，随着葡萄糖的不断加入，响应电流也随之增加。图4(b)为电流与浓度的线性拟合图，其相关系数为0.995.该检测方法的灵敏度为823.5 μA/(mmol·L)，检出限为3.0×10-7mol/L(3倍信噪比条件下).结果表明，枝晶纳米银修饰的玻碳电极对葡萄糖具有高灵敏度、低检测限的优点，这可能是因为其独特的结构不仅加快了电子转移速度而且还增加了电极表面的电催化活性面积，因此对葡萄糖具有较高的电化学检测性能。

图4 沉积电压为-0.8 V枝晶银修饰的玻碳电极对葡萄糖的电流-时间响应Fig.4 Amperometric response of dentritic nano silver deposited at -0.8 V voltage to glucose

2.5 干扰测试和样品分析

采用与测葡萄糖相同的实验条件进行干扰测定，进一步研究传感器的选择性。用抗坏血酸(AA)﹑尿酸(UA)﹑酒精(ethanol)和草酸(OA)作干扰物进行测试，干扰物的浓度为葡萄糖的10倍。结果如图5所示，干扰物在测试时所产生的干扰电流非常微弱，可以忽略不计，表明枝晶银修饰的玻碳电极对于葡萄糖的检测具有良好的选择性。根据血液中的各主要物质的浓度配比，配制了不同浓度的葡萄糖样品，在上述实验条件下进行了样品测定，检测结果见表1.在线性范围内，5个标准样品的回收率在99.80%～102.40%之间。在相同的条件下制备5支电极，测得葡萄糖的稳态电流的相对标准差为4.96%，该结果表明电极具有良好的重现性。对0.5 mmol/L的葡萄糖进行了5次平行测定的相对标准偏差为3.15%，表明检测的重现性良好。将电极于室温下放置 3 个月后，其响应电流下降了2.92%，表明电极的稳定性良好。

图5 抗干扰测试结果Fig.5 The results of anti-interference experiment

标准摩尔浓度/(mmol·L-1)测试结果/(mmol·L-1)回收率/%0.20.199 699.800.50.512 0102.400.80.798 899.851.11.112 4101.131.41.405 0100.36

3 结论

本文首先采用电沉积的方法在铜网上制备了枝晶结构的纳米银，超声将枝晶纳米银震落并修饰于玻碳电极表面制备葡萄糖传感器。通过CV﹑EIS进行了电化学表征，结果表明改性的玻碳电极的电化学响应明显增强。将修饰后的玻碳电极用于电化学检测葡萄糖，结果表明，枝晶结构的银具有良好的电催化特性，该葡萄糖传感器稳定性好﹑抗干扰能力强﹑检测限度低，具有非常良好的应用前景。