CuOx@BPC化学修饰电极的制备及其对葡萄糖检测研究

刘 东，王周雷，李 帆，喻德忠*

(1.武汉工程大学化学与环境工程学院，湖北 武汉 430073;2.绿色化工过程教育部重点实验室，湖北 武汉 430073)

葡萄糖是对人类生命活动和健康具有重要作用的生物小分子，人体内葡萄糖浓度异常，会导致糖尿病、肾衰竭和心脏病等并发症[1-2]。因此，快速有效地检测葡萄糖在临床诊断中具有重要意义。具有高灵敏度和选择性的酶生物传感器在检测葡萄糖时展现出优异的性能。但是，由于酶的天然特性，酶生物传感器在相对恶劣的条件下容易失活，且成本较高，限制了其广泛应用。非酶传感器因此受到了更多的关注。随着纳米技术的快速发展，贵金属纳米复合材料、过渡金属氧化物和碳基纳米结构等纳米材料已被成功用于制备葡萄糖非酶传感器[3-4]。

Cu2O由于具有高活性、低成本和较低过电势等优势，受到特别关注[5]。将铜与碳材料结合是制备具有高催化活性纳米复合材料的合理策略[6]。相比于其它碳材料(如石墨烯、单/多壁碳纳米管和碳纤维等)，多孔碳可能更适用于传感领域，它可以通过改变前驱物配比、活化方式、改性剂种类等方式进行结构调控，而其内部多孔结构则可有效提高活性位点并提供分析物的传输通道[7]。

作者将竹粉分散于硝酸铜溶液中，经静置、过滤、干燥后高温碳化，制备氧化亚铜/铜/生物质多孔碳复合材料(CuOx@BPC)，通过X-射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对其进行表征；并将CuOx@BPC制成化学修饰电极(CuOx@BPC/GCE)，采用循环伏安(CV)法、安培时间(AP-it)法研究其对葡萄糖非酶检测的电化学性能。

1 实验

1.1 电极材料的制备

将3 g竹粉和3 g Cu(NO3)2·3H2O溶解于150 mL去离子水中，均匀分散；混合液静置24 h后，过滤，不溶物于80 ℃干燥后转移至瓷舟，置于管式炉中，在N2气流中于5 ℃·min-1加热碳化，750 ℃保温2 h；冷却，将黑色固体用去离子水和乙醇洗涤3次，在80 ℃下干燥，即得铜纳米颗粒修饰的生物质多孔碳，标记为CuOx@BPC-1[1表示Cu(NO3)2·3H2O与竹粉的质量比]。分别添加1.5 g、6 g Cu(NO3)2·3H2O，同法制备CuOx@BPC-0.5和CuOx@BPC-2。

直接煅烧竹粉制备的生物质多孔碳标记为BPC。

1.2 化学修饰电极的制备

玻碳电极(GCE，d=3 mm)分别用1 μm、0.3 μm和0.05 μm的Al2O3粉末进行抛光打磨，直至得到镜面状表面，再分别用丙酮和去离子水超声处理5 min以除去表面吸附的杂质。将5 mg CuOx@BPC-1加入到1 mL乙醇(含0.05% Nafion)中，超声分散30 min，得均匀悬浊液。取3 μL悬浊液滴在预处理后的GCE表面上，室温干燥，即得化学修饰电极CuOx@BPC-1/GCE。同法制备CuOx@BPC-0.5/GCE和CuOx@BPC-2/GCE。

1.3 结构与电化学性能表征

采用德国Bruker D8 Advance型X-射线衍射仪对电极材料进行XRD测试，辐射源为Cuκα(λ=1.5406 Å)，衍射角范围为10°～90°，扫描频率为2°·min-1；采用GeminiSEM 300型电子显微镜和美国Fei Tecnai G220型透射电镜观察电极材料的微观形貌。

采用典型的三电极体系进行电化学测试，以GCE或修饰电极为工作电极、饱和甘汞电极(SCE)为参比电极、铂丝电极为对电极；以0.1 mol·L-1NaOH溶液作为葡萄糖检测的支持电解质，在每次测试前通N2，将电解质溶液脱氧15 min。采用CV法研究不同电极对葡萄糖的潜在检测能力；采用AP-it法进行电化学性能测试。

2 结果与讨论

2.1 电极材料的结构表征

2.1.1 XRD分析(图 1)

a.BPC b.CuOx@BPC-0.5 c.CuOx@BPC-1 d.CuOx@BPC-2

从图1可知，BPC在2θ为23°和43°处显示出较宽的衍射峰，分别对应于碳的(002)和(100)晶面，这与其它生物质衍生得到的碳材料的XRD图谱相一致[8]。加入铜元素后，CuOx@BPC-0.5、CuOx@BPC-1和CuOx@BPC-2具有相似的衍射峰，除了碳的(002)和(100)晶面外，在2θ为29.5°、36.7°、42.3°和61.8°处的衍射峰分别对应于Cu2O的(110)、(111)、(200)和(220)晶面；在2θ为43.5°、50.9°、74.2°处的衍射峰则分别对应于Cu的(111)、(200)、(311)晶面[9]。

2.1.2 SEM分析(图 2)

图2 BPC(a)、CuOx@BPC-0.5(b)、CuOx@BPC-1(c、d、e)和CuOx@BPC-2(f)的SEM照片

从图 2a可知，竹粉经高温煅烧生成了具有大量缺陷和褶皱的碳材料。从图 2b～f可知，BPC可以较好地分散CuOx纳米颗粒，CuOx均匀地锚定在碳基体上；随着铜盐质量占比的增大，CuOx纳米颗粒粒径增大且分散均匀。从不同倍率和角度的SEM照片(图 2c、d、e)可知，CuOx@BPC-1中纳米颗粒分布最为均匀，且没有直径大于1 μm的颗粒出现。

2.1.3 TEM分析(图3)

从图3可知，BPC具有大量微孔的无定形层状结构(图3a～c)；CuOx纳米颗粒均匀分布在碳材料上(图3d～f)，具有明显的晶格条纹(图3g、h)，晶格间距为0.245 nm和0.209 nm，分别对应于Cu2O的(111)晶面和Cu的(111)晶面[10]。表明，具有高结晶度低价铜(Cu2O/Cu)的多孔碳复合纳米材料已成功制备。

图3 BPC(a～c)、CuOx @BPC-1(d～h)的TEM照片

2.2 电极材料和电势的选择

采用CV法研究不同电极对葡萄糖的潜在检测能力，结果如图4a所示。为了进一步研究不同电极的电化学性能，在0.1 mol·L-1NaOH溶液中连续加入50 μmol·L-1葡萄糖进行AP-it测试，电势为0.55 V，结果如图4b所示。

从图4a可知，GCE和BPC电极对葡萄糖的氧化表现出很微弱的电流；铜元素的引入显著增大了氧化电流，在电势为0.45～0.65 V范围存在氧化峰，且在CuOx@BPC-1/GCE修饰电极上有最大的氧化电流响应。从图4b可知，CuOx@BPC-1/GCE修饰电极对葡萄糖的检测效果最佳，这可能是由于其具有适中的孔结构、大量暴露的活性位点、相对较大的比表面积、合适的铜物种尺寸以及Cu、Cu2O和多孔碳的协同效应，从而提高了物质扩散效率。因此，采用CuOx@BPC-1/GCE修饰电极进行后续研究。

图4 不同电极在含有1 mmol·L-1葡萄糖的0.1 mol·L-1 NaOH溶液中100 mV·s-1扫速下的CV曲线(a)及不同电极在0.55 V电势下的AP-it曲线(b)

采用AP-it法对电势(0.45 V、0.50 V、0.55 V、0.60 V、0.65 V)进行优化，结果如图5a所示。同时对氧化电流与葡萄糖浓度进行线性拟合，结果如图5b所示。

图5 CuOx@BPC-1/GCE修饰电极于不同电势下在0.1 mol·L-1 NaOH溶液中连续加入葡萄糖的AP-it曲线(a)及对应的氧化电流与葡萄糖浓度的拟合曲线(b)

从图5可知，在0.45～0.65 V范围内，随着电势的增大，氧化电流先增大后减小，当电势为0.55 V时，CuOx@BPC-1/GCE修饰电极对葡萄糖的检测效果最佳。

2.3 CuOx@BPC-1/GCE修饰电极对葡萄糖的非酶检测

在0.1 mol·L-1NaOH溶液中加入不同浓度的葡萄糖，CuOx@BPC-1/GCE修饰电极的CV曲线如图6a所示。电势为0.55 V时，对应的氧化电流与葡萄糖浓度的拟合曲线如图6b所示。

从图6a可知，随着葡萄糖浓度的增加，氧化电流明显增大，在电势为0.45～0.65 V范围存在氧化峰。氧化电流与葡萄糖浓度呈良好的线性关系，其线性回归方程为I=7.397+13.761c(R2=0.999)(图6b)，曲线斜率和相关指数R2较大，表明CuOx@BPC-1/GCE修饰电极对葡萄糖有较好的检测性能。

图6 CuOx@BPC-1/GCE修饰电极在含有不同浓度葡萄糖的0.1 mol·L-1 NaOH溶液中100 mV·s-1扫速下的CV曲线(a)及0.55 V电势下对应的氧化电流与葡萄糖浓度的拟合曲线(b)

在最优实验条件下，CuOx@BPC-1/GCE修饰电极的AP-it曲线如图7a所示。同时对氧化电流与葡萄糖浓度进行线性拟合，结果如图7b所示。

从图7a可知，加入葡萄糖后，CuOx@BPC-1/GCE修饰电极快速产生响应，在5 s内即达到平稳状态，说明葡萄糖可以快速扩散到电极表面发生反应。葡萄糖浓度在0.5～1 082 μmol·L-1和1 082～4 832 μmol·L-1范围内，与氧化电流呈良好的线性关系，其线性回归方程分别为I=0.817+14.471c(R2=0.995)和I=7.775+7.959c(R2=0.991)，检出限(S/N=3)为0.15 μmol·L-1。

图7 CuOx@BPC-1/GCE修饰电极在0.1 mol·L-1 NaOH溶液中连续加入葡萄糖的AP-it曲线(a)及对应的氧化电流与葡萄糖浓度的拟合曲线(b)

CuOx@BPC-1/GCE修饰电极与其它电极材料对葡萄糖检测性能的比较见表1。

表1 CuOx@BPC-1/GCE修饰电极与其它电极材料对葡萄糖检测性能的比较

从表1可知，CuOx@BPC-1/GCE修饰电极具有检测范围宽、检出限低的优点，具有较好的应用价值。

2.4 CuOx@BPC-1/GCE修饰电极的选择性、重复性和稳定性

在外加电化学活性物质包括抗坏血酸(20 μmol·L-1)、多巴胺(20 μmol·L-1)、尿酸(20 μmol·L-1)、氯化钾(500 μmol·L-1)、氯化钠(500 μmol·L-1)等的干扰下，CuOx@BPC-1/GCE修饰电极的AP-it曲线如图8a所示。

从图8a可知，各种干扰物对CuOx@BPC-1/GCE修饰电极检测葡萄糖的影响低于3%。表明CuOx@BPC-1/GCE修饰电极具有较好的抗干扰能力。

对5支制备的CuOx@BPC-1/GCE修饰电极连续加入50 μmol·L-1葡萄糖的氧化电流响应进行比较，相对标准偏差为3.6%，表明CuOx@BPC-1/GCE修饰电极具有较好的重复性。在低温储存30 d后，将CuOx@BPC-1/GCE修饰电极连续加入50 μmol·L-1葡萄糖检测，氧化电流响应依然保持初始值的94.6%(图8b)，表明CuOx@BPC-1/GCE修饰电极具有较好的稳定性。

a.抗坏血酸 b.多巴胺 c.尿酸 d.氯化钾 e.氯化钠 G.100 μmol·L-1葡萄糖

3 结论

将竹粉分散于硝酸铜溶液中，经静置、过滤、干燥后高温碳化，制备了氧化亚铜/铜/生物质多孔碳复合材料(CuOx@BPC)，XRD、SEM、TEM分析显示，氧化亚铜/铜均匀分布在碳基体表面的狭缝和褶皱处。当硝酸铜和竹粉的质量比为1∶1时，制备的CuOx@BPC/GCE修饰电极具有最佳电化学性能，所构建的传感器对葡萄糖具有很好的选择性、重复性和稳定性，展现出良好的检测性能，检测范围宽(0.5～4 832 μmol·L-1)，检出限低(0.15 μmol·L-1)，可用于葡萄糖的非酶检测。