方波脉冲法制备Cu2O@Cu/TiO2三维阵列纳米复合材料及其作为高灵敏无酶型葡萄糖传感器的研究

关高明，柯汝丹，邱燕璇，黎秀镇，谢思怡，刘江帆，蒋辽川

(广东第二师范学院 化学系，广东 广州 510730)

随着人们生活水平的日益提高，高血糖病患的比率也在逐年上升。血糖，作为人类生命进程的重要指标之一，其含量检测对人类的健康及疾病的诊断、治疗和控制均有着十分重要的意义[1]。因此，如何快速、便捷、准确地检测血糖含量，成为当今亟需解决的课题。而随着电化学分析技术的迅速发展，电化学传感器作为一种基于电分析化学检测基础的装置，能感受到被测量的电信号(电位、电流、电导，电容)的变化，并将其转换成可识别的信号，从而可快速、准确、有选择性地检测待测物浓度或含量[2-4]。

葡萄糖电化学传感器可分为有酶型传感器和无酶型传感器[5-6]。有酶型传感器灵敏度高，对葡萄糖的检测具有专一性，抗干扰能力强，但载酶条件苛刻，不仅需低温保存，且容易失活，还受酸碱度和环境湿度的影响，因此实际应用受到限制。相比而言，无酶型传感器具有易于制备、灵敏度高、稳定性好等优点，引起了研究者们的广泛关注。常见的传感器电极材料分为贵金属和过渡金属及其氧化物两类。其中，贵金属包含Pt、Au、Pd及其合金等纳米材料[7-10]，虽然灵敏度高，但成本昂贵，不利于广泛应用；过渡金属及其氧化物包括Cu/CuO、Ni/NiO、MnO2、Co3O4等纳米材料[11-16]，通过控制形貌，可制得较大比表面积的电极材料，对葡萄糖也具有较好的电催化作用。

铜(Cu)和氧化亚铜(Cu2O)是常见的贱金属及其氧化物，因其成本低、不易中毒，在碱性条件下对葡萄糖具有优异的电催化性能，因而被用于无酶型葡萄糖传感器的制备[17-18]。Cu2O是一种典型的p型半导体，构建传感器电极后，其d轨道中的电子将与葡萄糖分子结合，并发生吸附。在施加偏压的条件下，目标分子将与Cu2O发生电催化氧化，即：葡萄糖失去电子转移至Cu2O表面，但Cu2O作为半导体，其传荷阻抗大导致电子传输速率缓慢，不利于对葡萄糖的快速响应。此外，传统的Cu2O纳米粉体材料易发生团聚现象，阻碍电子快速转移至外电路。因此，将Cu2O负载到导电性好，又具有大比表面积的基底材料上，可有效降低阻抗并增加催化活性位点，实现对葡萄糖电催化性能的增强作用。

TiO2阵列纳米管(TiO2NTAs)除了具有优良的稳定性和生物兼容性，还具备大比表面积的三维空间结构[19-20]，在传感器领域有着广泛的应用，是一种潜在的电化学传感器基底材料[21]。虽然将TiO2NTAs单独作为电极时对葡萄糖无电催化作用，但以其作为基底与Cu2O复合，可形成既具有高比表面积的三维阵列结构又兼具催化活性的电极材料[22]，使更多的Cu2O可在其管口、内壁和外壁均匀分布，形成异质结相界面。由于TiO2阵列纳米管也属于半导体，导电性较差，同样不利于电子的快速传导。如何提高电子转移速率，成为这类电化学传感器目前亟需解决的关键问题之一。受到“夹心饼干”的启发，本文尝试在两种半导体相界面的中间构建导电层，为电子转移提供连续的导电路径，以提高电子导向性传递，起到异质协同作用，从而大大提高无酶型电化学传感器对葡萄糖的电催化性能。

基于上述思路，本研究首先采用阳极氧化法制备TiO2NTAs；在此基础上，巧妙地利用方波脉冲伏安法可控制备Cu单质层，形成Cu/TiO2NTAs；最后通过控制煅烧条件，使仅在表面发生氧化，制得Cu2O@Cu/TiO2NTAs夹心结构的同轴三维阵列。以X-射线衍射、扫描电镜及透射电镜技术对其物相、形貌、粒径进行表征，并将其作为无酶型葡萄糖传感器，通过差分脉冲伏安法、计时电流法等研究该纳米复合材料对葡萄糖的电催化性能。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

MIRA3 LUM场发射扫描电镜(SEM，Tescan公司)；D8 ADVANCE ECO粉末X射线衍射仪(XRD，Bruker公司)；Tecnai F20高倍透射电镜(TEM,美国FEI公司)；CS350电化学工作站(武汉科思特仪器有限公司)；WYJ-GA高压数显示稳压电源( 南京桑力设备厂)。

氟化铵、乳酸、乙二醇、聚乙二醇、十二烷基硫酸钠、氢氧化钠(分析纯，天津市大茂化学试剂厂)；硫酸铜(分析纯，广东光华化学厂有限公司)；碳酸钠(分析纯，广州化学试剂厂)。

1.2 Cu2O@Cu/TiO2 NTAs纳米复合材料的制备

1.2.1 TiO2阵列纳米管(TiO2NTAs)的制备将处理好的钛片(1 cm×4 cm)作为阳极，Pt片为阴极，两电极平行间距为1 cm，电解液组成为：2.0 g 氟化铵、25 mL 水、60 mL乳酸、50 mL聚乙二醇，以乙二醇定容至500 mL。恒压180 V，电解时间为600 s，即可得TiO2阵列纳米管，外观呈金黄色。

1.2.2 Cu2O@Cu/TiO2NTAs纳米复合材料的制备采用三电极体系，以方波脉冲法进行电沉积，工作电极为TiO2NTAs，辅助电极为Cu片，参比电极为Ag/AgCl(饱和KCl)参比电极，电解液为0.01 mol/L CuSO4，阳极和阴极的脉冲电流密度相同，均为160 mA/cm2，但脉冲时间不同，分别为2 ms和8 ms，关断时间为1 000 ms，沉积时间为25～45 min，制得Cu/TiO2NTAs，再将其放入马弗炉中350 ℃煅烧1.5 h，即得到黑色的Cu2O@Cu/TiO2NTAs纳米复合材料。

2 结果与讨论

2.1 XRD物相分析

图1为Cu2O@Cu/TiO2NTAs纳米复合材料的XRD分析，与Cu和Cu2O的PDF标准卡片对比，复合电极材料的2θ在43.407°，对应Cu(111)晶面，而在29.632°、36.502°、42.401°、61.518°和73.697°分别对应Cu2O的(110)、(111)、(200)、(220)和(311)晶面，由此可判断Cu和Cu2O已成功负载于TiO2NTAs；与此同时，并未发现TiO2NTAs的衍射峰，这是由于利用方波脉冲法在其表面生成了致密的Cu层所致。通过控制煅烧时间和温度，仅将外层Cu单质氧化为Cu2O，内层Cu单质并未完全转化，因此Cu和Cu2O共存。

图1 Cu2O@Cu/TiO2 NTAs纳米复合材料的XRD谱Fig.1 XRD spectrum of Cu2O@Cu/TiO2 NTAs nanocomposite material

2.2 SEM形貌分析

分别考察了TiO2NTAs(图2A)及Cu2O@Cu/TiO2NTAs纳米复合材料(图2B)的SEM图。从图2A可以看出，在电压为180 V，电解时间为600 s时，可得到排布整齐，管孔径分布均匀，具有三维结构的TiO2NTAs。其外径为260 nm，内径为100 nm，管壁厚为80 nm。这种三维结构阵列纳米管作为“支撑骨架”拥有较大的比表面积，可提供更多的活性位点。将Cu2O@Cu/TiO2NTAs的SEM图(图2B)与图2A进行对比，可观察到TiO2NTAs管口以及内外壁均已负载纳米Cu2O颗粒。

进一步考察含不同浓度Cu2+(0.01、0.02、0.03、0.04、0.05 mol/L)的电镀液中，纳米复合材料的形貌变化情况(图2B～F)。可以看出，脉冲沉积时间均为40 min时，随着Cu2+浓度的逐步增加，脉冲电沉积的Cu单质层逐渐变厚，最终使得煅烧后的Cu2O纳米颗粒呈现在管口覆盖并聚拢封口的趋势，这将阻碍葡萄糖分子进入TiO2NTAs内，较难与管内的Cu2O发生反应。因此，实验选择0.01 mol/L CuSO4作为电镀液的最佳实验条件。

图2 TiO2 NTAs的SEM图(A)及不同Cu2+浓度脉冲电沉积制备Cu2O@Cu/TiO2 NTAs纳米复合材料的SEM图(B～F)Fig.2 SEM images of TiO2 NTAs(A) and Cu2O@Cu/TiO2 NTAs nanocomposite prepared by pulse electrodeposition with different Cu2+ concentrations(B-F)Cu2+ concentration(B-F)：0.01，0.02,0.03，0.04,0.05 mol/L

2.3 TEM表征

由图3A的透射电镜(TEM)图可以看出，TiO2纳米管的管口顶端有纳米颗粒生长，结合XRD和SEM实验结果，推断TiO2纳米管上的物质为Cu2O@Cu。此外，还可看到管的外表面被Cu2O薄层所包覆。图3B为放大的高倍透射电镜(HR-TEM)图，表面呈现出不同的晶面间距：0.247 8 nm和0.261 nm，分别对应单质Cu的(111)晶面和Cu2O的(220)晶面，进一步证实材料表面为Cu2O@Cu。图3C为选区电子衍射(SAED)图，通过衍射环可判断出具有多个晶面，说明纳米复合材料是一种混晶结构。

图3 Cu2O@Cu/TiO2 NTAs纳米复合材料的透射电镜图(A),高倍透射电镜图(B)及选区电子衍射图(C)Fig.3 TEM(A),HR-TEM(B) and SAED(C) images of Cu2O@Cu/TiO2 NTAs nanocomposite material

2.4 Cu2O@Cu/TiO2 NTAs对葡萄糖的电化学分析

2.4.1 差分脉冲伏安测试差分脉冲伏安法由于背景电流充分衰减，而法拉第电流充分放大，因此灵敏度很高，常用于电化学传感器方面的检测。以50 mL 0.1 mol/L NaOH溶液作为空白电解液，加入2.5 mL 0.1 mol/L葡萄糖溶液进行差分脉冲伏安(DPV)测试，对TiO2NTAs和Cu2O@Cu/TiO2NTAs纳米复合材料的电催化性能进行对比，结果如图4所示。从图中可观察到，在NaOH溶液中，TiO2NTAs几乎呈一条水平直线，而Cu2O@Cu/TiO2NTAs从+0.2 V开始，随着电压增加，其电流强度持续增大，这可能是由于Cu2O发生氧化以及在高电位下发生水解，两者综合作用从而造成法拉第电流增加。加入葡萄糖后，TiO2NTAs无响应，说明对葡萄糖无电催化作用，但Cu2O@Cu/TiO2NTAs则从+0.1 V处开始发生氧化，并在+0.56 V处观察到明显的氧化峰，说明该纳米复合材料对葡萄糖具有很强的电催化作用。

图4 TiO2 NTAs和Cu2O@Cu/TiO2 NTAs的DPV图Fig.4 DPV curves of TiO2 NTAs and Cu2O@Cu/TiO2 NTAs

进一步考察了脉冲电沉积时间对电催化性能的影响。结果显示，在0.01 mol/L的CuSO4电镀液中，随着脉冲沉积时间的增长，相应条件制备得到的Cu2O@Cu/TiO2NTAs对葡萄糖的响应电流也逐渐增加。当脉冲沉积时间为40 min时，Cu2O@Cu/TiO2NTAs对葡萄糖的响应电流最明显，说明此时电催化活性最高。但沉积时间超过40 min时，葡萄糖的氧化峰电流值有所下降，这可能是由于过量沉积，Cu单质在TiO2NTAs表面发生团聚，比表面积降低所致。因而，实验选择40 min为最佳脉冲沉积时间。

2.4.2 交流阻抗测试交流阻抗技术是研究电极过程的重要测试手段，通过频率的变化可研究电极表面的动力学过程。在三电极体系中，将TiO2NTAs和Cu2O@Cu/TiO2NTAs作为测试电极分别置于含有5 mmol/L K3[Fe(CN)6]和K2[Fe(CN)6]的溶液中进行交流阻抗测试，频率变化范围为100 000～0.1 Hz，结果如图5所示。由图5A可知，TiO2NTAs电极在整个频率范围内呈现一段圆弧，说明电极表面与溶液之间形成双电层电容，主要受传荷过程控制。经过数据拟合，其传荷阻抗非常大，Rct为52 665 Ω，这也说明电荷传递过程十分迟缓，可以推断葡萄糖分子在电极表面不易失去电子发生氧化反应；而由图5A的插图(高频区放大图)可以看出，Cu2O@Cu/TiO2NTAs电极在高频区出现半圆弧，低频区为一条斜向上45°的直线，说明该电极受到传荷控制和扩散控制，即为混合控制过程。此外，在350 ℃下对Cu/TiO2NTAs复合材料热处理150 min，制得完全氧化后的Cu2O/TiO2NTAs电极，并对其进行阻抗研究。由图5B可知，该电极和Cu2O@Cu/TiO2NTAs电极的阻抗谱图较为相似，说明也受混合控制。

由图5A在高频区的放大图可知，Cu2O@Cu/TiO2NTAs电极的溶液阻抗Rs较小，为8.6 Ω，传荷阻抗Rct仅为1.8 Ω，远远小于TiO2NTAs的传荷阻抗值；而完全氧化后的Cu2O/TiO2NTAs电极的Rs为9.9 Ω，Rct为526.2 Ω(图5B)，其传荷阻抗值是Cu2O@Cu/TiO2NTAs电极的292倍，这说明电荷传递过程较为迟缓，阻碍电子传导。阻抗实验结果的对比表明Cu2O@Cu/TiO2NTAs具有优良的电子传导性能，这是由于作为中间过渡层的Cu单质有利于在相界面处的葡萄糖发生氧化后进行电子的快速转移，使电流响应更为迅速。

图5 TiO2 NTAs、Cu2O@Cu/TiO2 NTAs(A)及Cu2O/TiO2 NTAs(B)的Nyquist图Fig.5 Nyquist plots of TiO2 NTAs,Cu2O@Cu/TiO2 NTAs(A) and Cu2O/TiO2 NTAs(B)insert:the enlarged view in high frequency region

2.4.3 葡萄糖的检测范围与灵敏度在 50 mL 0.1 mol/L NaOH溶液中，采用计时电流法对Cu2O@Cu/TiO2NTAs纳米复合材料电极进行计时电流测试，选择的极化电位为该材料对葡萄糖的电催化氧化电位+0.56 V(如图6A所示)。在测试过程中，每间隔100 s向NaOH溶液中加入50 μL 1 mol/L葡萄糖溶液，直到极化曲线出现明显的转折点，最后得到该纳米复合电极材料对葡萄糖响应的I～t曲线。为减小实验误差，重复3次计时电流实验，求出电流平均值，对其进行线性拟合，结果见图6B。

图6 葡萄糖响应的I～t曲线(A)及其线性拟合曲线(B)Fig.6 I～t curve of glucose response(A) and its linear range fitting curve(B)

结果显示，葡萄糖在0.19 ～3.5 mmol/L浓度范围内呈良好线性，其线性方程为I=0.372 1c-0.072 45，r2=0.996 4，经换算得到其灵敏度为372.0 μA·L·mmol-1·cm-2。根据3倍信噪比，测得葡萄糖的检出限为3 μmol/L。与文献报道的各种葡萄糖传感器相比(见表1)[10,14,23-28]，该传感器的灵敏度明显提高，说明所制备的纳米复合材料对葡萄糖具有较强的电流响应。

表1 不同电极材料对葡萄糖的电催化参数对比Table 1 Comparison of electrocatalytic parameters of different electrode materials for glucose

2.4.4 抗干扰测试人体血液中除葡萄糖之外，还有一些与其结构相似的糖类物质，这些干扰物质也可能产生响应。采用计时电流法对模拟人体血液中的各种糖类物质和无机盐浓度进行检测，以考察其抗干扰能力。其中葡萄糖与干扰物质的浓度之比为10∶1，测试的极化电位为+0.56 V，在50 mL 0.1 mol/L NaOH的溶液中滴加50 μL 1 mol/L葡萄糖溶液，每间隔100 s依次加入相同体积0.1 mol/L的果糖、蔗糖、乳糖、麦芽糖、抗坏血酸、尿素及次亚磷酸钠，测试结果如图7所示。

图7 抗干扰实验Fig.7 Anti-interference experiment

由图7可看出，加入葡萄糖后响应电流变化十分明显，电流上升速度快，达到稳定平台约为1 s，说明Cu2O@Cu/TiO2NTAs对葡萄糖响应快速，且有很强的电催化作用。虽然电极对果糖和抗坏血酸有较微弱的响应，但二者的响应电流均小于葡萄糖响应电流的6.5%，且对蔗糖、乳糖、麦芽糖、尿素、次亚磷酸钠几乎无响应，说明该纳米复合材料对葡萄糖具有较好的选择性。

2.4.5 血糖含量的测定为了探索Cu2O@Cu/TiO2NTAs电极的实际应用，将其用于人体血清中葡萄糖含量的测定。将采集到的3份健康人的新鲜血样置于离心机中，以2 500 r/min进行离心，得到的上层淡黄色透明液体即为血清。用微量进样器准确吸取50 μL血清，加至10 mL 0.10 mol/L的NaOH溶液中，通过计时电流曲线定量测定，对每份血样进行3次平行测定，计算血糖含量。之后，再于NaOH溶液中加入50 μL 5.0 mmol/L的葡萄糖标准溶液，进行回收率测定。结果显示，3份血样的血糖浓度分别为4.9、4.6、5.5 mmol/L，与医院的测定结果(5.1、4.7、5.8 mmol/L)无显著差异。加标回收率实验显示，葡萄糖的回收率为96.0%～98.0%，相对标准偏差(RSD)不大于3.8%。方法具有较好的准确度与精密度。

3 结 论

本文采用阳极氧化法首先制备出TiO2阵列纳米管，然后采用脉冲沉积法负载Cu层，最后经煅烧成功制得Cu2O@Cu/TiO2NTAs纳米复合材料。电化学测试结果表明，该纳米复合材料对葡萄糖具有较强的电催化作用，氧化峰电位为+0.56 V，灵敏度可达372.0 μA·L·mmol-1·cm-2，响应电流与葡萄糖浓度在0.19～3.5 mmol/L范围内呈良好线性，电流响应时间约为1 s。该纳米复合材料作为电极具有灵敏度及选择性高，响应快速等特点，是一种较为理想的无酶型葡萄糖电化学传感器，可用于人体血糖含量的测定。