TiO2/CB-NiCo2O4修饰玻碳电极的制备及其对葡萄糖的电化学测定

吕蒙蒙，蔡文静，庄 晨，祝宁宁

（上海师范大学化学与材料科学学院，上海 200234）

0 引言

葡萄糖（glucose）是人体内的重要物质，为人类正常活动提供能量［1］.血糖水平过高可导致糖尿病及其并发症.因此，开发一种简单、可靠、灵敏的葡萄糖测定方法具有重要意义.电流型葡萄糖传感器是一种有效、快速的葡萄糖测定方法.其中非酶葡萄糖传感器具有灵敏度高、稳定性好、成本低等优点.基于新型纳米材料修饰电极用于葡萄糖检测的非酶葡萄糖传感器已被广泛报道［2-4］.

近年来，具有不同纳米结构的镍钴双金属氧化物（NiCo2O4）在电化学领域的应用吸引了研究者的兴趣［5-7］.NiCo2O4纳米结构具有潜在的应用前景，但由于其双金属氧化物的缺陷，导电率低和活性位暴露差，NiCo2O4纳米结构在电化学领域的应用仍然具有一定限制.为了解决该问题，使用石墨烯、碳纳米管、碳纤维和其他碳材料与NiCo2O4混合来增强NiCo2O4的电化学活性和稳定性［8-9］.本文作者使用低温下的水化学生长法合成NiCo2O4纳米针，因自组装而表现出立方晶相，再用二氧化钛/炭黑（TiO2/CB）对NiCo2O4表面进行了改性，均匀分散在NiCo2O4纳米针表面，合成了TiO2/CB-NiCo2O4针簇状复合纳米材料，之后用此复合材料修饰玻碳电极，用于对葡萄糖的电化学测定.实验发现该修饰电极对葡萄糖的氧化有良好的电催化活性，这是由于NiCo2O4具有电催化性能和大的比表面积，加上TiO2/CB优异的电荷转移性能产生了协同效应，使TiO2/CB-NiCo2O4修饰电极对葡萄糖的测定响应时间快，检测限低.

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

实验仪器：CHI 660B电化学工作站（上海辰华），在该仪器中，电化学测定采用三电极体系，以玻碳电极（GCE，直径3 mm）作为工作电极，铂（Pt）丝作为辅助电极，饱和甘汞电极（SCE，饱和氯化钾）作为参比电极；扫描电子显微镜（SEM，S-4800型，日本Hitachi公司）；X射线光电子能谱仪（XPS，ULVCA，美国PE公司）；能量色散X射线光谱仪（EDX，EDX 8300，3V仪器公司）马弗炉（QSX-15-14，西尼特公司）；数控超声波清洗仪（KQ-100DE，昆山市超声仪器有限公司）；恒温磁力搅拌器（95-I，上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司）；离心机（TGL-16C，上海安亭科学仪器厂）.除非另有说明，所有实验均在室温下进行.

实验试剂：炭黑纳米粒子（CB NPs）购自CABOT公司，异丙醇钛、N-N二甲基甲酰胺（DMF）购自阿拉丁（上海）有限公司；葡萄糖、尿素、NiCl2·6H2O、CoCl2·6H2O、Na2HPO4、NaH2PO4来自上海泰坦科技股份有限公司.所有其他试剂均为分析纯，实验中均使用去离子水（电阻率为18 MΩ·cm）.

1.2 TiO2/CB-NiCo2O4纳米复合材料的合成以及修饰电极的制备

NiCo2O4的制备：将2.37 g六水氯化钴、1.185 g六水合氯化镍和2 g尿素溶于75 mL去离子水中，搅拌30 min，然后将该盛有生长溶液的烧杯用铝箔完全覆盖，放入95℃预热的烤箱中5 h后，再过滤，用去离子水洗涤.在室温下对样品进行干燥，然后在500℃退火3 h，制得NiCo2O4纳米结构.

TiO2/CB复合材料的制备：把200 mg CB NPs在异丙醇中分散，室温下超声2 h.将体积为39.8 μL的异丙醇钛加入到悬浮液中，混合1 h，加入1 mL的去离子水制备TiO2纳米颗粒.于室温下搅拌24 h.然后将样品在100℃下加热以除去异丙醇溶剂，再用去离子水洗涤，室温下真空干燥.

TiO2/CB-NiCo2O4修饰电极的制备：称取1.0 mg TiO2/CB和2.0 mg NiCo2O4共3.0 mg（质量比为1∶2），加1 mL DMF超声30 min，制得TiO2/CB-NiCo2O4溶液，质量浓度为3 mg·mL-1.用移液枪往抛光好的裸玻碳电极表面滴涂8 μL前述的悬浊液，室温自然晾干，制得TiO2/CB-NiCo2O4.

1.3 电化学测定

循环伏安法（CV）：分别将NiCo2O4/GCE，CB-NiCo2O4/GCE，GCE和TiO2/CB-NiCo2O4/GCE作为工作电极在5.0 mmol·L-1铁氰化钾溶液和1 mmol·L-1葡萄糖溶液中，在-0.2～0.6 V电势范围内进行扫描测定（扫速为100 mV·s-1）.

电流-时间（i-t）曲线法：TiO2/CB-NiCo2O4/GCE在含不同物质的量浓度葡萄糖的0.1 mol·L-1NaOH溶液中进行测定（施加电压为0.4 V）.

2 结果与讨论

2.1 TiO2/CB-NiCo2O4的形貌及XPS表征

利用SEM对合成的材料NiCo2O4以及TiO2/CB-NiCo2O4进行了形貌表征，如图1所示.从图1（a）可以看出，该法合成的NiCo2O4呈纳米针状结构，这些纳米针是由纳米粒子组装而成的.由于TiO2/CB负载在NiCo2O4上，TiO2/CB-NiCo2O4复合材料整体呈纳米针簇状结构，其直径约为2 μm，如图1（b）所示.图1（c）为TiO2/CB-NiCo2O4纳米复合物的EDX映射图，可以发现该纳米复合材料由氧（O）、碳（C）、钴（Co）、镍（Ni）和钛（Ti）元素组成.同时，用XPS对TiO2/CB-NiCo2O4纳米复合材料的化学成分进行了表征，如图2（a）所示（红色曲线），进一步证实了TiO2/CB-NiCo2O4纳米复合材料中镍（Ni）、钴（Co）、氧（O）、碳（C）和钛（Ti）元素的存在.其中，位于285.1 eV的C1s图谱对应C—C键，结合能位于465.5 eV和59.8 eV的2个峰分别对应于Ti 2p1/2和Ti 2p3/2，而位于795.4 eV和780 eV的2个峰分别对应于Co 2p1/2和Co 2p3/2，873.0 eV和855.9 eV对应于Ni 2p1/2和Ni 2p3/2.

图1 TiO2/CB-NiCo2O4的形貌表征以及对应元素的能量映射图.

图2 各元素及对应特征峰的XPS能谱图.

2.2 葡萄糖在不同修饰电极的电化学行为

图3为各种不同修饰电极（裸GCE，NiCo2O4，CB，CB/NiCo2O4和TiO2/CB-NiCo2O4）修饰的GCE在含1 mmol·L-1葡萄糖的0.2 mol·L-1NaOH溶液中的CV曲线.裸GCE（曲线a）在-0.2～0.6 V电位范围内对该物质的量浓度的葡萄糖几乎无电化学响应.NiCo2O4/GCE（曲线b）对葡萄糖的响应也很弱，这是由于NiCo2O4的导电性较差所导致.而相对于CB/GCE（曲线c）和CB/NiCo2O4/GCE（曲线d），TiO2/CB-NiCo2O4/GCE（曲线e）对葡萄糖的氧化呈现显著增强的电催化活性.其中CB/NiCo2O4材料由于具有NiCo2O4双金属氧化物的Ni和Co协同催化作用［10］，以及CB材料优异的导电性，从而展现出良好的氧化还原特性，其响应电流值远高于单独的NiCo2O4/GCE（曲线b）和CB/GCE（曲线c）.此外，与单个NiCo2O4/GCE（曲线b）相比，TiO2/CB-NiCo2O4/GCE（曲线e）表现出更高的响应电流和更大的封闭面积，说明其电化学反应性能更好.进一步证实TiO2/CB和NiCo2O4的又一协同效应使TiO2/CB-NiCo2O4/GCE对葡萄糖产生更好的电催化性能.图3的内插图为TiO2/CB-NiCo2O4/GCE在0.2 mol·L-1的NaOH溶液中不含（曲线a）和含有（曲线b）1 mmol·L-1葡萄糖溶液的CV图.当溶液中不含葡萄糖时，在0.42 V和0.20 V出现的氧化还原峰（曲线a）对应于Ni2+/Ni3+和CO2+/Co3+的转化；当溶液中存在1 mmol·L-1的葡萄糖溶液时，0.42 V的氧化峰电流显著增强（曲线b），表明TiO2/CB-NiCo2O4纳米复合材料对葡萄糖的电化学氧化具有良好的电催化活性.

图3 （a）GCE，（b）NiCo2O4/GCE，（c）CB/GCE，（d）CB-NiCo2O4/GCE，（e）TiO2/CB-NiCo2O4/GCE在含1 mmol·L-1葡萄糖的0.2 mol·L-1 NaOH溶液中的CV图（内插图是TiO2/CB-NiCo2O4/GCE在不含（A）和含有（B）1 mmol·L-1葡萄糖的0.2 mol·L-1 NaOH溶液中的CV图，扫描速度均为100 mV·s-1）

2.3 TiO2/CB-NiCo2O4/GCE对葡萄糖检测的线性范围和检出限

图4（a）是TiO2/CB-NiCo2O4/GCE在施加0.40 V电压下连续添加不同物质的量浓度葡萄糖时的安培响应，2次连续添加葡萄糖溶液之间的间隔时间为50 s.注入葡萄糖溶液后，安培响应电流在3 s内达到稳定电流，这是由TiO2/CB-NiCo2O4大的比表面积和快速的电子转移速率导致.响应电流值与葡萄糖物质的量浓度在1 μmol·L-1～1.780 mmol·L-1，呈现良好的线性关系，如图4（b），线性回归方程为I=165.6C+4.123（I为响应电流值，单位为μA；C为物质的量浓度，单位为mmol·L-1），相关系数R2为0.997 7，检出限是0.53 μmol·L-1（信噪比S/N=3）.

图4 不同浓度的葡萄糖注入0.2 mol·L-1 NaOH溶液中后，TiO2/CB-NiCo2O4/GCE的（a）i-t曲线图以及（b）响应电流与不同物质的量浓度葡萄糖的线性关系图

2.4 干扰、重现性和稳定性

首先考察了实际样品血清中潜在的可能干扰物质对测定葡萄糖的干扰.在500 μmol·L-1葡萄糖存在下，向0.2 mol·L-1的NaOH溶液中连续添加50 μmol·L-1的多巴胺（DA）、抗坏血酸（AA）和尿酸（UA），研究TiO2/CB-NiCo2O4/GCE对血清样品中常见共存物及葡萄糖的响应，结果如图5所示.可以看出，连续添加50 μmol·L-1的DA，AA和UA对葡萄糖的测定没有明显干扰，而再次加入葡萄糖后电流再次稳定增加.该结果说明这些物质的存在对葡萄糖的检测几乎没有干扰，说明TiO2/CB-NiCo2O4/GCE对葡萄糖的检测具有良好的选择性.

图5 在500 μmol·L-1葡萄糖（glucose）溶液中加50 μmol·L-1各种物质的i-t曲线图

使用3根不同的玻碳电极分别修饰TiO2/CB-NiCo2O4用于500 μmol·L-1葡萄糖溶液检测，氧化峰电流的相对标准偏差（RSD）为2.9%，表明该修饰电极对葡萄糖的测定具有良好的重现性.TiO2/CB-NiCo2O4修饰电极在500 μmol·L-1葡萄糖溶液运行800 s后电流值维持原来的86.4%.将修饰的电极放置在4℃的冰箱内9 d后，发现其对葡萄糖的峰电流基本保持不变，表明该修饰电极具有良好的稳定性.

2.5 样品分析

为了证实设计的传感器在实际使用中的有效性，用制得的传感器对血清中的葡萄糖进行检测.从表1的结果中可以看出，回收率为96.37%～102.02%，RSD为1.9%～3.1%，说明该传感器可以用于实际样品检测.

表1 实际样品中的葡萄糖分析结果及加标回收率（n=4）

3 结论

利用低温水化学生长法合成了NiCo2O4纳米针簇，与TiO2/CB混合用于修饰玻碳电极.实验证明TiO2/CB-NiCo2O4纳米复合材料修饰电极对葡萄糖的氧化呈现良好的电催化活性，并对葡萄糖的检测拥有较宽的线性范围和良好的选择性.该研究为葡萄糖的测定提供了简单可靠的方法，有望将其用于实际样品的测定，但由于材料催化寿命有限，在商用血糖仪方面的运用还有待开发.