NiCo2O4/CC纳米复合材料的制备及其作为无酶型葡萄糖传感器的研究*

罗家俊，罗润桐，关高明，柳晓俊，蒋辽川

（广东第二师范学院，广东广州 510730）

近年来，全球糖尿病的发病率在逐年上升。糖尿病是一种严重损害人体主要器官和神经的代谢性疾病［1］，在临床医学上，能准确监测和严格控制血糖水平使提前预防和治疗糖尿病必不可少的。因此，开发一种高效、灵敏、便捷的血糖传感器对精确检测血糖水平及降低疾病并发症具有重要意义。随着科技的发展，现在检测葡萄糖浓度的方法主要分为三大类，第一类是色谱法［2-3］；第二类是光谱法［4-6］；第三类是电化学方法［7-8］。而电化学方法具有操作简便、成本低、便捷等优点，因而成为当前葡萄糖检测方法的热点。

酶基葡萄糖传感器也存在较为明显的缺陷［9-10］，例如具有成本高、固载复杂、氧化酶需要过高的电压、酶分子活性的不稳定等缺点，大部分科学家继而转向对无酶型葡萄糖传感器的广泛研究［11］。无酶型葡萄糖生物传感器的活性材料也存在一定缺陷，比如材料本身为半导体导电性差和作用于催化氧化的活性位点少等。解决的方法之一就是选择比表面积大和导电性优异的基底材料。尽管碳纳米管和石墨烯等被用作葡萄糖电活性材料的载体，研究者为提高基于CuO纳米结构的无酶葡萄糖生物传感器的灵敏度，对 CuO/CNT［12］、CuO/OMC［13］、CuO/rGO［14］、CuO/CNT/rGO［15］、矩形片状介孔NiCo2O4［16］催化剂复合材料开展了广泛细致的研究。但是这些粉体材料具有堆积效应或者没有有效的多孔通道结构，无法提高提供足够多的活性位点与葡萄糖充分接触。此外，制备这种基于粉末电极不仅制备时间长，而且过程十分繁琐，不利于电解液与电极表面的电子传输和离子扩散，形成一种类似保护膜的结构，不利于活性位点的暴露和催化氧化的进行。

因此，探索一种新的高导电性的、具备利于电荷传输的多孔通道型的基底材料是研究重点内容，通过有效合成方式能在基底上直接生长电活性材料，从而获得不同结构的材料形成更多的表面活性位点。碳纤维布是由圆柱状结构的碳纤维以一定的排列方式相互编制而成的网格结构，碳基材料本身的独特物理性质使得其具有有利于离子扩散的多孔通道，从而增加活性材料的接触和生长面积。这使其可以作为柔性葡萄糖传感器的电极，由于其是电子的良导体，可加快电催化反应速率。综合来看，柔性碳布作为基底负载纳米材料，在电催化葡萄糖领域具有潜在的应用价值。

1 实验部分

1.1 实验试剂及仪器

六水合硝酸钴、六水合硝酸镍来自于广东翁江化学试剂有限公司；盐酸多巴胺、抗坏血酸、葡萄糖、果糖、蔗糖来自于阿拉丁试剂（上海）有限公司；其它所有试剂均为分析纯。

粉末X射线衍射仪(XRD，D8 ADVANCES)，Bruker公司；场发射扫描电镜(FE-SEM，MIRA 3 LMU)，TESCAN公司；CS350电化学工作站(武汉科斯特仪器有限公司)。

1.2 实验

1.2.1 碳布的预处理

将碳布（台湾碳能）依次浸入无水乙醇、丙酮、蒸馏水中，分别超声震荡20min；移取30mL浓硝酸，将碳布完全浸入浓硝酸中，超声震荡30min后，静置2h。完成浸渍后，用蒸馏水冲洗3次，并放置在60℃的鼓风干燥箱中进行干燥处理。此操作的目的是为了除去碳布表面的杂质，通过强氧化剂氧化碳布表面的羟基官能团，提高其亲水性能，有助于纳米材料的生长。

1.2.2 NiCo2O4/CC纳米复合材料的制备

准确称量2mmol六水合硝酸镍、4mmol六水合硝酸钴和6mmol尿素于烧杯中，然后准确移取30mL 的蒸馏水，在磁力搅拌器下搅拌30min，得到均匀澄清的粉红色混合溶液。再将混合后的溶液转移到水热反应釜中，并将已经预处理后的碳布放入反应釜中，再将反应釜放入烘箱中120℃反应8h。等反应完成后，待反应釜冷却至室温，取出碳布，并用蒸馏水和无水乙醇冲洗3次，置于60℃真空干燥箱进行干燥处理。最后将碳布置于马弗炉中，以2℃/min的升温速率升至350℃，恒温反应2 h。得到NiCo2O4/CC纳米复合材料。

2 结果与分析

2.1 XRD分析

图1(a)为空白碳布、NiCo2(CO3)1.5(OH)3/CC和NiCo2O4/CC纳米复合材料的XRD对比图。由空白碳布的X射线衍射图可以看出，在28°处有出现一个大包峰，归属于石墨碳的衍射峰；水热反应之后，出现了NiCo2(CO3)1.5(OH)3的特征衍射峰；再经煅烧，最后变为NiCo2O4/CC复合材料。图1(b)为NiCo2O4/CC纳米复合材料不同反应时间的XRD图。可以看出，所制备材料在2θ为18.906°、31.148°、36.696°、38.404°、44.622°、55.439°、59.094°、64.98°、68.309°处出峰，分别与标准卡NiCo2O4(PDF#20-0781)中(111)、(220)、(311)、(222)、(400)、(422)、(511)、(440)和(531)的晶面一一对应。由此可知，所制备的复合材料有NiCo2O4的衍射峰，即成功制备NiCo2O4/CC纳米复合材料。

图1 空白CC、NiCo2(CO3)1.5(OH)3、NiCo2O4/CC纳米复合材料的XRD图(a)和不同温度下合成的NiCo2O4/CC纳米复合材料的XRD衍射图(b)Fig. 1 (a)XRD pattern of blank CC, NiCo2(CO3)1.5(OH)3, NiCo2O4/CC nanocomposite;(b)XRD pattern of NiCo2O4/CC nanocomposite synthesized at different temperatures

2.2 SEM表征

由图2可知，水热法制备的NiCo2O4已经均匀致密地负载于碳布表面，介观形貌为纳米针状，长度约为6μm，直径约为2nm。该材料整体呈现三维阵列结构，具有较大的比表面积，可提供更多的催化活性位点。

图2 NiCo2O4/CC 纳米复合材料的SEM形貌Fig. 2 The SEM morphology of NiCo2O4/CC nanocomposite

2.3 循环伏安曲线测试（CVs）

对电极材料进行循环伏安曲线的测试，可以判断体系氧化还原过程的动力学相关信息。以NiCo2O4/CC纳米复合材料作为工作电极，以Pt片为对电极，Ag/AgCl作为参比电极，电势窗范围为-0.20 ~ +0.80 V，扫速为100mV/s。

2.3.1 对NiCo2O4/CC水热反应温度和时间的探究

测试的条件是在40mL 0.10mol/L 的NaOH溶液与外加10mmol/L葡萄糖混合溶液进行测试，测试的样品为水热反应8h，不同反应温度(80、100、120、140、160 ℃)，并进行退火处理的NiCo2O4/CC材料，实验结果如图3所示。由图3(a)可以看出，120℃下制备的NiCo2O4/CC材料电极在相同条件下对葡萄糖的响应最高，因此选择120℃为最佳反应温度。由图3(b)可知，当反应温度为120℃时，8h下制备的NiCo2O4/CC材料电极在相同条件下对葡萄糖的响应最高。因此，选择反应温度为120℃，反应时间为8h作为最佳实验条件。

图3 不同反应温度(a)和不同反应时间(b)制备NiCo2O4/CC电极材料的循环伏安线曲线Fig. 3 CVs of NiCo2O4/CC material with different hydrothermal temperatures(a) and times(b)

2.3.2 不同浓度氢氧化钠的探究

测试采用的样品为水热反应8h、120℃，并在马弗炉中进行退火处理的NiCo2O4/CC，在不同浓度的NaOH溶液(0.10、0.25、0.50、1.0 mol/L)中和进行测试，测试结果如图4所示。

图4 (a)不同浓度的NaOH循环伏安曲线和(b)不同浓度NaOH中加入2mM葡萄糖循环伏安曲线Fig. 4 (a) Cyclic voltammetry curve of different concentrations of NaOH;(b) Cyclic voltammetry curve of different concentrations of NaOH added with 2 mM glucose

由图4可知，在不同浓度的NaOH溶液中氧化峰电位和峰电流表现出不同的变化趋势。当NaOH溶液的浓度越高，NiCo2O4材料本身的氧化还原峰就越明显，氧化峰电位逐渐负移，氧化峰电流增大。当加入2mmol/L葡萄糖溶液后，在0.25、0.50、1.0 mol/L的NaOH溶液中响应电流变化不大，而在低浓度0.10mol/L的NaOH溶液中NiCo2O4/CC电极均对葡萄糖的响应电流增幅较大。通过对比可知，在0.10mol/L的NaOH溶液中更有利于NiCo2O4/CC电极电催化氧化葡萄糖。因此，选择0.10mol/L的NaOH溶液作为最佳电解液浓度。

2.3.3 对不同浓度的葡萄糖进行催化反应的探究

在40mL 0.10mol/L 的NaOH溶液进行不同浓度葡萄糖的CV测试。在同一反应体系中不断添加葡萄糖溶液，测试其对葡萄糖的电催化氧化效果。从图5可以看出NiCo2O4/CC对不同浓度的葡萄糖具有一定的催化效果，在+0.23V开始出现氧化峰，当逐渐增加葡萄糖浓度时，响应电流逐渐增大。说明该纳米复合材料对葡萄糖具有电催化氧化能力。

图5 滴加高浓度的葡萄糖的NiCo2O4/CC材料电极的循环伏安曲线Fig.5 Cyclic voltammetry curve of NiCo2O4/CC electrode with high concentration of glucose

2.3.4 不同电压下的计时电流对比

图6显示了在不同恒电位下，连续向40mL 0.10 mol/L的NaOH溶液中注射0.1mmol/L葡萄糖。可以看出，随着电位的增加响应电流增大，但当增加到+0.45V时，响应电流达到最大。考虑到较大的工作电位会导致其它干扰物质产生响应电流。因此，选择在+0.45V作为最佳工作电位。

图6 不同恒定电位下NiCo2O4/CC的计时电流对比(a)和 线性检测范围(b)Fig. 6 The i-t curves response of NiCo2O4/CC under different constant (a)(a)potentials and (b) linear detection limit

2.3.5 电化学阻抗谱（EIS）

图7为不同电极的交流阻抗对比图。由Nyquist图可知， NiCo2O4/CC电极的溶液电阻Rs小于CC的溶液电阻，这有利于电子的快速传导。两种电极材料在高频区都呈现圆弧，说明主要受到传荷过程控制。在低频区，NiCo2O4/CC依然为圆弧，这可能是由于存在吸附电阻（Rad）；而CC则为一条直线，说明受到扩散过程控制。

图7 纯CC、NiCo2O4/CC的电化学阻抗谱图（EIS）Fig. 7 Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) of pure CC and NiCo2O4/CC

2.3.6 葡萄糖的抗中毒测试

在实际人体的血液中存在大量的有机、无机成分，除葡萄糖外，血样内的其他物质也会干扰传感器对葡萄糖的检测，这是因为有机物本身就极易被氧化，产生干扰电流。采用计时电流法，研究该纳米复合材料的对这些干扰物抗中毒性能。葡萄糖与抗干扰物质的浓度比为10：1。向0.10mol/L的NaOH溶液中加入0.50mol/L葡萄糖，待响应电流稳定后，依次加入50μmol/L的有机物：多巴胺(DA)、尿酸(UA)、抗坏血酸(AA)、果糖(FA)、麦芽糖(maltose)、50μmol/L的柠檬酸(CA)、柠檬酸钠(E331)，和50μmol/L的无机盐：磷酸二氢钠(MSP)、磷酸二氢钾(MKP)、氯化钠溶液(NS)，实验结果如图8 所示。由图可知，干扰物的电流响应小于葡萄糖的响应电流，这说明该材料较为良好的抗干扰性能。

图8 NiCo2O4/CC电极对葡萄糖选择性的i-t曲线图Fig.8 The i-t curve of the selectivity of NiCo2O4/CC electrode to glucose

相比于传统型的粉末材料，在碳布上负载NiCo2O4/CC的多维复合材料，能使更多有效的催化活性物质与导电基底接触，并且较稳定的附着性，并且从根本上解决了工作电极不稳定的缺陷，更符合实际生产应用，因此本实验还探究了NiCo2O4/CC电极作为工作电极的稳定性。

2.3.7 稳定性测试

在+0.45V的工作电压下，向NaOH溶液滴加1mmol/L葡萄糖，得到该工作电极与葡萄糖的计时电流曲线，将响应电流变化值标记为I0。以两天作为一个周期，将同一片NiCo2O4/CC电极重复该实验，并记录响应电流的对应电流值，如图9所示。由图中曲线可知，在20天的重复测试中，该纳米复合电极具有较好的稳定性，依然保持初始电流的80%以上，说明电极具有较高的稳定性。

图9 NiCo2O4/CC电极稳定性测试Fig.9 NiCo2O4/CC electrode stability test

3 结论

通过控制水热反应温度和时间，成功制备出三维纳米针状的NiCo2O4/CC复合材料。实验结果表明该材料对葡萄糖具有较强的电催化作用，线性检测范围10~10.4 mmol/L，灵敏度为15.3μA/(mol/L)/cm2。 NiCo2O4/CC具有抗干扰性能，响应速度快等特点，有望发展成为新型的柔性无酶型葡萄糖传感器。