铜氧化物复合纳米材料构筑非酶葡萄糖传感器的研究进展

李 宁，曾德福，徐伟航，丁飘飘，舒 婷

(湖北科技学院药学院，湖北 咸宁 437100)

葡萄糖是生命体中重要的供能物质，但是体内葡萄糖的浓度过高会引起糖尿病以及一系列并发症，例如心脏病、高血压、糖尿病肾病、糖尿病足等，病情严重时可引起急性代谢紊乱，对机体造成不可逆损害甚至死亡[1]。实时检测患者血糖水平在糖尿病的临床治疗中具有重要作用，而且在生物监测、饮料工业、环境监测等方面都需要用到实时检测葡萄糖的技术，因此，关于电化学葡萄糖传感器的研究受到重视。根据反应中是否有葡萄糖氧化酶的参与可以分为：酶葡萄糖传感器和非酶葡萄糖传感器[2]。酶葡萄糖传感器主要依赖于葡萄糖氧化酶与葡萄糖脱氢酶实现对葡萄糖的电催化，而非酶葡萄糖传感器主要是由工作电极本身或修饰材料的价态变化对葡萄糖进行催化。虽然现在酶葡萄糖传感器已经逐渐成熟并且实现商业化，但是由于固酶步骤复杂、制作成本较高、酶的性质不稳定易受温度和pH的影响等缺陷限制了其发展。非酶葡萄糖传感器可克服酶葡萄糖传感器的局限性，在不需要酶的情况下直接催化葡萄糖，且因制作成本较低、操作简易、受环境因素较小等原因倍受研究者的青睐[3]。

由于葡萄糖在传感器表面易受到电氧化作用被催化，因此，选用优异催化性能的葡萄糖氧化催化剂是制备非酶葡萄糖传感器的重要决定因素。近年来，各种材料在非酶葡萄糖传感器的制备中也得到了广泛的探索，例如贵金属(Au、Ag，Pt)、过渡金属(Cu、Ni、Co)、碳材料(MWCNT、SWCNT、GO)等。但是贵金属的加入提高了传感器的制作成本，且贵金属电极在葡萄糖电催化过程中易受生理液体主要成分Cl-、氧化中间体的干扰，降低电极的灵敏度与选择性，所以研究者们更倾向于探索低成本、抗毒性好且灵敏度高的过渡金属氧化物(Cu、Co、Ni为主)作为葡萄糖电催化剂。

相比而言，铜的氧化物(CuO和Cu2O)是一类具有天然丰度、制作成本低、具杰出催化性能的P型半导体金属氧化物，也是电学、光学和光伏器件、多相催化、磁存储介质、气体传感器、锂离子电池等众多领域的最佳材料之一[4]。由于其优异的催化性能且对常见的生理物质(例：尿酸、抗坏血酸、多巴胺)具有良好的抗干扰性，广大研究学者将其作为非酶葡萄糖传感器的催化材料且做了诸多研究。根据目前的研究进展，将其用于非酶葡萄糖传感器的做法有3种：①利用纳米技术合成纳米管、纳米花和纳米团簇等小尺寸多孔铜氧化物材料，增加其与待测物的接触面积；②与其他材料结合，如贵金属、过渡金属、无机碳材料、金属有机框架材料等，利用金属间协同作用提高催化活性；③对电极或纳米材料的表面进行修饰，增加粗糙度，从而增加电化学活性位点，提高催化葡萄糖的性能[5]。铜氧化物通常在碱性环境下作为电催化剂催化葡萄糖，可提供高活性的氧化还原电子对，利于催化反应的进行，是葡萄糖的理想催化剂之一。在催化过程中主要涉及阳离子的价态变化，反应机理如下：

M(Ⅰ)→M(Ⅱ)

M(Ⅱ)+OH-→M(Ⅲ)

M(Ⅲ) +C6H12O6→M(Ⅱ)+C6H12O7

1 基于铜氧化物纳米材料构建的非酶葡萄糖传感器

铜氧化物由于自身优异的电催化性能成为非酶葡萄糖传感器材料的首选，但存在导电性差的缺点，所以众多研究者通过控制其粒径和形貌策略，制备出了纳米粒、纳米棒、纳米管、纳米球、纳米立方体等纳米级材料扩大材料的孔径，得到更大的表面积，暴露更多催化位点，便于材料能与更多的待测物接触，提高电极的工作效率和催化性能。

Adijat等[6]利用电沉积技术在FTO导电玻璃上制备了纳米级CuO薄膜电极，该电极对葡萄糖氧化呈现出良好的响应，灵敏度达1207μA/(mmol/L/cm2)，线性范围达到2.2mmol/L，检测限低至1.19μmol/L，在0.55V的条件下反应时间少于4s。但该电极对葡萄糖的催化反应时间较长，还有待改善。

Espro等[7]利用湿沉淀法在丝网印刷电极上制备出Cu2O纳米立方体，在25℃下制备的Cu2O-NC-SPCE对葡萄糖有最佳的催化性能，灵敏度达到1040μA/(mmol/L/cm2)，线性范围是0.007～4.5mmol/L，最低检测限为3.1μmol/L。且使用一次性CuO/SPCE可测定人血清、唾液和尿液中的葡萄糖。该方法研制的葡萄糖传感器在实际样品分析中回收率高，具有良好的商业应用价值。

Kim等[8]制备了一种新型的Cu3(BTC)2衍生CuO纳米管非酶葡萄糖传感器，所制备的CuO纳米管比表面积大，对葡萄糖有较高的电催化活性，灵敏度可达1523.5μA/(mmol/L/cm2)，线性响应达到1.25mmol/L，检测限低至1μmol/L，且具有良好的抗干扰性。

Zahra等[9]研究了一种基于纳米铜氧化物微空心球的非酶葡萄糖传感器。以Pluronic F-127为表面活性剂，采用水热法合成了纳米铜氧化物微空心球。利用传统的三电极系统进行电化学实验，结果显示在0.1mol/L NaOH电解质溶液中，得到双线性范围0.001～3mmol/L和3～11.5mmol/L，灵敏度分别为25.46μA/(mmol/L/cm2)和12.73μA/(mmol/L/cm2)，检测限低至1μmol/L；在1mol/LNaOH电解质溶液中，得到单一宽线性范围0.001～16mmol/L，灵敏度为35.51μA/(mmol/L/cm2)。

2 基于铜氧化物与贵金属纳米复合材料构建的非酶葡萄糖传感器

铜氧化物虽然具有良好的电催化性能，较大的比表面积，但是这种半导体金属氧化物的导电性能较劣，增加了电子传递势垒，造成电极捕获电信号的难度较高，极大影响了电极的催化性能，而贵金属的掺杂可产生协同效应，增强电极的电催化性能，拓宽电极的响应区间和线性范围，提高传感器的生物稳定性。

Yang等[10]利用溶液等离子体法在水中直接合成大小为20～40nm的Au/CuO纳米颗粒，并将其应用于葡萄糖的非酶检测，反应时间快(<3s)，检测限低(0.22μmol/L)，得到两个特定的线性范围0.22～1mmol/L和3～18mmol/L，灵敏度分别为172.45μA/(mmol/L/cm2)和63.66μA/(mmol/L/cm2)。该传感器重现性良好，可长期稳定，抗干扰能力较强。

Sathiyanathan等[11]通过共沉淀法制备出Au-CuO纳米复合材料，用其修饰玻碳电极，得到的葡萄糖传感器灵敏度为3126.76μA/(mmol/L/cm2)，线性范围5～650μmol/L，响应时间为3s，检测限低至1.4μmol/L(S/N=3)。并将其用于人真实尿液葡萄糖含量的检测，与其他检测方法的结果一致，证明了该电极制备方法的可利用度。

Viswanathan等[12]通过在CuO纳米结构中加入Ag纳米粒子，制备出多核壳层的Ag-CuO纳米复合材料，明显提高CuO对葡萄糖的电催化能力，同时显著降低了电荷转移电阻。且当Ag与Cu原子比为1∶2.5时，Ag-CuO(1∶2.5)催化葡萄糖的性能最好，检测限为5μmol/L，灵敏度为150.17μA/(mmol/L/cm2)，检测范围为5～30 mmol/L。

Mishra等[13]用化学刻蚀法在铜箔上合成Cu(OH)2纳米线，然后利用热处理方法将Cu(OH)2纳米线转变为CuO纳米线。在CuO纳米线上沉积金纳米粒子，通过金属粒子之间的协同效应提高了催化活性。其线性范围最高可达31.06mmol/L，在0.5～1mol/L NaOH的电解质溶液中线性范围高达44.36mmol/L。该电极可检测出浓度低至0.3μmol/L的葡萄糖，灵敏度为1591.44μA/(mmol/L/cm2)。该电极稳定性较好，在形状发生改变后依然具有催化葡萄糖的能力。

Liu等[14]通过Cu与HAuCl4之间的置换反应，合成了生长在Cu箔上的杂化Cu2O-Au纳米立方体薄膜，可将其直接作为工作电极使用。这种独立的电极可在碱性介质中对葡萄糖进行氧化催化，在1～20mmol/L的浓度范围内获得线性响应。该电极也具有良好的抗干扰能力，消除例如抗坏血酸、多巴胺和果糖等成分的干扰。本研究为立方Cu2O纳米复合材料的合成提供了一种新的策略，是一种很有前途的用于构筑非酶葡萄糖传感器的候选材料。

3 基于铜氧化物与过渡金属及其氧化物复合材料构建的非酶葡萄糖传感器

过渡金属及其氧化物由于金属阳离子的d电子层不稳定，容易失去或夺取电荷，展现出优异的催化能力，且不易被Cl-污染，是理想的电催化剂。可依赖于氧化还原在恒定的低电位下直接氧化葡萄糖，与同样具有优异电催化性能的铜氧化物结合，由于协同效应可明显提高待测物的催化能力及电荷的转移速率，降低电荷转移电阻。

Zhou等[15]利用电化学沉积法将CuO-Cu纳米球沉积在TiO2纳米管阵列表面，成功制备了CuO-Cu/TiO2电极，将其作为工作电极，利用传统三电极系统研究了该工作电极在0.1mol/L的NaOH溶液中对葡萄糖的电催化性能。该传感器在0.2～90mmol/L具有线性响应，灵敏度为234μA/(mmol/L/cm2)，检出限低至19nmol/L，突破了许多传感器的极限。

Yuan等[16]采用在N2中煅烧前驱体CuC2O4·2H2O的方法合成了一种Cu/Cu2O的三维多孔结构，作为葡萄糖氧化反应的电催化剂，与玻碳电极构建传感器，检测其对葡萄糖的催化行为。结果显示由于Cu2O和Cu的协同作用，该传感器大大提高了其在0.1mol/L NaOH中的电化学性能，具有高灵敏度305.4mA/(mmol/L/cm2)、超宽线性范围(0.5～8065.5mmol/L)和低检测限(0.35μmol/L)。

Gao等[17]合成出三维多孔Cu@Cu2O气凝胶，直接作为工作电极构建传感器。在0.1 mol/L NaOH溶液中，Cu@Cu2O气凝胶在相对较低的起始电位(+0.25V)下可对葡萄糖进行催化，得到的检测限低至0.6μmol/L(S/N=3)，灵敏度为195mA/(mmol/L/cm2)；在最佳工作电位(+0.6V)下，得到双线性范围(0.001～5.2mmol/L，5.2～17.1mmol/L)。而在电解质溶液pH=7时，该传感器的线性响应为0.1～10mmol/L，检出限为54μmol/L(S/N=3)，灵敏度为12mA/(mmol/L/cm2)。该传感器具有选择性高、重现性好、长时间稳定性等特点。

Haghparas等[18]以pluronic F-127为表面活性剂，通过水热法制备了哑铃形双壳中空纳米多孔CuO/ZnO微结构。将所制备的CuO/ZnO-DSDSHNM置于玻碳电极(GCE)上作为葡萄糖检测电极，然后用Nafion包覆，得到所提出的Nafion/CuO/ZnO-DSDSHNM/GCE传感器。该传感器线性范围格外宽，从5×10-4～100mmol/L，灵敏度为1536.80μA/(mmol/L/cm2)，检测限低至357.5nmol/L，响应时间短为1.60s。该传感器具有长期稳定、重现性良好、选择性优异等特点，且适用于人血清样品的葡萄糖检测。

4 基于铜氧化物与碳纳米复合材料构建的非酶葡萄糖传感器

碳纳米材料由于具有杰出的导电特性和电催化性、比表面积大，受到众多科研学者的重视，也被称为21世纪最重要的纳米材料之一，在电化学传感器方面具有广阔的前景。碳纳米材料与铜氧化物结合，大幅提高了传感器与葡萄糖分子结合的几率及电极灵敏度和电荷转移率。

Yazid等[19]利用以碳酸钠为还原剂，在碱性水溶液中通过直接的化学还原过程合成了Cu2O/石墨烯纳米复合材料，以其修饰的玻碳电极(Cu2O/石墨烯/GCE)具有高灵敏度和选择性。灵敏度达到1330.05μA/(mmol/L/cm2)，线性范围为0.01～3mmol/L，检测限为0.36μmol/L。这是由于Cu2O纳米颗粒的大比表面积和石墨烯良好的电导率为Cu2O/石墨烯纳米复合材料的电化学行为提供了更多的电催化位点，促进了电子传递。

Karami等[20]用聚多巴胺(PDA)作为粘合剂，将Cu2O沉积在还原氧化石墨烯(RGO)上，制备纳米复合材料，将其修饰在玻碳电极上作为工作电极，检测其对葡萄糖的电催化性能。该传感器线性范围为10～150μmol/L，检测限低至0.05μmol/L。

Zhila等[21]研制了一种基于铅笔石墨电极(PGE)、聚3，4-乙烯二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)和纳米CuO构建的非酶葡萄糖传感器，同时考察了加入多壁碳纳米管(MWCNTs)对葡萄糖传感器活性的影响。与单独基于CuO传感器的实验结果比较，PEDOT∶PSS和多壁碳纳米管(MWCNTs)均提高了传感器的电流响应。

Yang等[22]采用三维石墨烯壁(GWs)和纳米Cu2O修饰碳纤维纸(CFP)电极研制了一种一次性、灵敏的非酶葡萄糖传感器。CFP/GWs/Cu2O具有较大的比表面积和丰富的溶液扩散通道，可以在没有Nafion固定膜的情况下暴露出更多的催化活性位点，从而提高了该传感器与葡萄糖的反应位点，且检测到该传感器具有较宽的线性范围(0.5 ～5166μmol/L)，检测限低至0.21μmol/L，响应时间为4s，为碳纳米材料在传感器方面的应用提供了新的思路。

5 展 望

本文论述分析了近几年来铜的氧化物、铜的氧化物与贵金属、过渡金属及其氧化物，以及与碳纳米材料制备的电极构筑的非酶葡萄糖传感器，逐步改善以往非酶葡萄糖传感器的缺陷(例如：线性范围较窄、灵敏度低)，且部分传感器对较低浓度葡萄糖有良好的响应。尽管非酶葡萄糖传感器相比酶传感器来说具有一定的优势且在逐步改善中，但是目前仍处于基础研究阶段，仅可以在碱性溶液中有较好的催化性能，与实际测试环境(如血液)有较大差异，发展不够成熟，在实际应用方面仍具有巨大挑战。因此，探索具有更全面更低成本、更有实用性的非酶葡萄糖传感器仍具有重要意义，期待非酶葡萄糖电化学传感器可以早日实现商业化，为医疗事业和食品工业等领域提供更多便利。