铜镍纳米复合结构阵列的无酶葡萄糖特性研究

孙爱鑫　狄文浩　刘晨晨　陈德祥　崔光亮

摘 要：随着生产经济的快速发展和社会生活水平的提高，对各种疾病的检测成为非常重要的课题。葡萄糖是表征生物代谢过程的一种重要化合物，也是能量的重要来源，血液中葡萄糖浓度过高则会引起糖尿病等疾病，从而威胁人体健康。实现对葡萄糖的快速、准确检测对人体健康和糖尿病等疾病的诊断有着重要意义。本研究希望利用构建铜镍二维纳米复合结构阵列材料，利用其二维纳米结构、周期性阵列、大比表面积等特点，实现对葡萄糖浓度检测的目的，并构建相应的纳微传感器件，最终获得基于二维纳米复合结构阵列的无酶葡萄糖检测元件与设计方案。

关键词：葡萄糖检测;生物传感器;电沉积;纳米材料

1 正文

糖尿病是世界性的多发病和常见病，由于其可能引起心脏病、肾衰竭、失明等多种并发症，已成为仅次于心血管病和癌症的第三大危险性疾病。目前对糖尿病的治疗主要是通过患者频繁检测自身的血糖浓度并注射适量的胰岛素来实现的。通过这种方法使其血糖浓度保持在4.4-6.6mmol

（80-120mgdL：1）的正常水平，这样可以大大减轻并发症的发病程度，甚至不发病。因此，研发一种灵敏度高、选择性好、使用方法简单的血糖检测工具对糖尿病的诊新和治疗具有十分重要的临床意义。葡萄糖传感器的研究一直是化学与生物传感器领域的研究热点，特别是无酶葡萄糖传感器具有稳定性好和成本低，工艺简单等特点，近些年吸引了越来越多人的关注。酶葡萄糖生物传感器已经经过了五十年的发展历程，研究人员积极的探索使酶葡萄糖传感器经历了三代变革。

到目前为止，各地的研究者已经报道了很多在电极表面固定酶的方法，其中包括直接吸附法，溶胶--凝胶固定法，交联法等等。虽然取得了一些很好的效果，但受限于酶自身结构而导致的许多问题，如受氧气的限制，稳定性较差、重现性较低、容易受到周围环境影响等，依然没有得到很好的解决，而无酶葡萄糖生物传感器很好的克服这些不足。

Li等团队通过水热法制备碳量子点（CQDs）/八面体氧化亚铜（Cu2O）纳米复合材料的新型纳米结构电催化剂，设计了用于葡萄糖检测的非酶电化学传感器。该方法制备过程简单，实现了对葡萄糖的安培检测，但其线性响应范围在0.02-4.3mA（人体正常血糖浓度为4.4-6.6mmol），无法正常应用于临床医学上的血糖检测。Yuan等团队采用电沉积法制备了氧化亚铜/氧化氮/氧化石墨烯（GO）修饰玻碳电极（GC），葡萄糖的检测线性范围在0.01-6mmol，也无法覆盖人体正常的血糖标准。

本研究拟通过利用二维电化学原位组装方法构建Cu-Ni二维纳米有序阵列材料，探究制备过程温度，频率，幅度，电压等对纳米结构生长过程的影响，确定最佳制备方案，利用小型真空离子溅射仪溅射电极的方法构建电子元件，通过四探针测试平台进行葡萄糖检测的电学特性测试干扰测试特定工作电压下进行，探究Cu-Ni纳米材料对不同浓度的葡萄糖溶液的响应，通过设计实现人体正常血糖浓度的检测。

2 结果与讨论

首先，利用二维电化学原位组装方法构建特殊结构的纳微有序阵列材料，纳微有序阵列形貌的扫描电子显微镜（SEM）图像如图1所示。图中可以看到样品呈竹节样排列，呈现出均匀的周期长度和良好的长程顺序性。

为了进一步证实纳微材料中Cu元素和Ni元素的化合价，对纳微材料又进行了X射线光电子能谱（XPS）测试，其结果如图2所示。从图（a）中可以明显地看出Cu 2p在952.5 ev和932.7 eV的位置有两个较强的信号峰，分别对应于Cu的Cu2p1/2和Cu2p2/3，与Cu结合能相一致;从图（b）中可以看出Ni 2p在858.4 eV的位置处有一个峰，对应于Ni的结合能信号峰，表明该纳微材料中含有Ni元素。结果表明异质结构是由铜和镍构成的，没有其他杂质。

利用计时电流法测量Cu-Ni无酶葡萄糖传感器对葡萄糖的线性响应范围，图3（a）是Cu-Ni纳微材料在0.1 mol/L KOH条件下对5mmol/L的葡萄糖溶液的计时电流反应，可见该材料对葡萄糖溶液的响应灵敏，且响应时间不超过3s。由图3（b）中的曲线关系为葡萄糖浓度与电流值的线性关系图。从图中可以看出该纳微结构材料对葡萄糖浓度的线性响应范围在0.5-20mmol/L之间，响应度与葡萄糖浓度呈现出良好的线性关系，并完全包含人体的正常范围（4.4-6.6mmol），说明我们制备的材料时可以用于人体葡萄糖检测的。

3 结论

我们利用二维电沉积法制備了铜-镍纳微结构材料，基于此材料设计制备了葡萄糖检测元件，并进行了葡萄糖线性敏感特性研究。研究结果表明Cu-Ni纳微材料在碱性条件下对葡萄糖氧化具有高的电催化活性，具有优异的性能，可以在较快时间内检测葡萄糖浓度变化，其线性检测范围为0.5-20mmol/L，可以用于人体葡萄糖的检测。

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作者简介：

孙爱鑫（1998- ），男，汉族，山东临沂人，本科，学士，主要研究（工作）方向：低维物理功能器件、物理学。