基于银纳米颗粒/铜纳米线复合材料的电化学无酶葡萄糖传感器

莫岩，姜云昊，单长胜

(有机功能化分子合成与应用教育部重点实验室，湖北大学化学化工学院，湖北 武汉 430062)

0 引言

糖尿病是一种以高血糖为特征的慢性代谢性疾病，长期的高血糖状态会导致身体分泌系统缺陷和身体机能失衡，并产生全身性并发症疾病.2021年11月初，国际糖尿病联合会在官网上更新了今年全球糖尿病概览的相关数据，世界范围内成年糖尿病患者人数高达5.37亿，占全球总人口数的10.5%[1].葡萄糖是衡量糖尿病人血糖浓度的重要指标，对葡萄糖浓度进行快速、准确和稳定的实时测量，是临床诊断、预防并发症、阻止糖尿病急症的重要举措[2].

电化学技术由于具有快速响应、操作简单和准确性高等优点，广泛用于检测葡萄糖，电化学酶葡萄糖传感器虽然具有选择性高和检测限低等优点，但是由于生物酶易受环境温度、湿度和pH值等因素影响使其存在稳定性差和重复性差等缺点，因此，电化学无酶葡萄糖传感器得到快速发展和研究[3-5].其中贵金属、非贵金属过渡金属、金属氧化物、碳纳米材料和导电聚合物等纳米材料被广泛用于合成无酶葡萄糖电极材料[6-8].贵金属纳米材料(如Au、Pd、Pt)具有良好的电化学性能和生物相容性，能够以较低的活化势垒催化各种反应,被认为是替代酶的理想候选材料，如Chen等在氧化石墨烯上负载Pt纳米花来构建具有快速响应时间(5 s)和宽线性范围(2～10 mmol/L)的无酶葡萄糖传感器[9].同样地，Lee等利用由(100)晶面包围的Pd纳米立方体来构建具有高灵敏度(34 μA (mmol/L)-1cm-2)和宽线性范围(1～10 mmol/L)的无酶葡萄糖传感器[10].但是以贵金属纳米材料构建的电化学无酶葡萄糖传感器仍然存在一些不足，如成本高、催化活性易受电极表面吸附葡萄糖氧化中间体和氯离子中毒而下降以及灵敏度受限于电极表面缓慢葡萄糖氧化动力学等[11].而具有高导电性和优异的催化活性的非贵金属过渡金属(如Cu、Co、Ni)有望作为贵金属纳米材料的替代品被广泛研究，如Sheng等利用Ni和多壁碳纳米管结合并用于葡萄糖传感性能检测，电化学测试结果表明该材料具有高灵敏度(67.2 μA (mmol/L)-1cm-2)和快速响应时间(<2 s)[12].同样地，Song等将Co-Co3O4同碳纳米管和碳布复合，构建的无酶葡萄糖传感器具有高灵敏度(637.5 μA (mmol/L)-1cm-2)和宽线性范围(0.001 2～2.29 mmol/L)[13].但这些非贵金属过渡金属在溶液中易腐蚀，在空气中易氧化，从而影响电极材料对葡萄糖的选择性和稳定性[14].

据报道称，与纯金属纳米材料相比，由一种或多种电化学活性元素组成的复合材料具有独特协同催化效应，因此可以通过制备非贵金属过渡金属复合材料来进一步提高材料的传感性能[15].在这个工作中，我们将Cu和Ag结合起来，构建一种高稳定性、高选择性和低成本的电化学无酶葡萄糖传感器，一方面Cu可以阻止氯离子和葡萄糖氧化中间体在Ag表面的吸附，另一方面Ag具有良好的电子传导能力、抗氧化能力以及对葡萄糖具有催化性能.同时，CuNWs具有高的比表面积、良好的机械强度且在催化过程中不易聚集，有利于提高电子转移速率和催化性能.

基于上述有利因素，本研究以CuNWs为载体，利用简单的化学还原法使AgNPs均匀地沉积到CuNWs表面，利用CuNWs的纳米尺寸效应以及Cu和Ag双金属之间的协同催化作用，构建AgNPs/CuNWs复合材料的无酶葡萄糖电化学传感器，并将其用于葡萄糖检测.

1 实验部分

1.1 仪器与试剂X线衍射仪(XRD，Bruker D8 Advance，40 kV加速电压);透射电子显微镜(TEM，JEOL JEM-2010);X线光电子能谱仪(XPS，Kratos Ltd.XSAM800);电化学工作站(上海辰华，CHI 760E)；真空烘箱.

硝酸银、无水乙醇、氢氧化钠、氯化钠均为分析纯购买于上海国药集团化学试剂公司；葡萄糖、氯化铜、十六胺、多巴胺(DA)、蔗糖(Suc)、果糖(Fru)、天冬氨酸(Asp)、乳糖(Lac)、抗坏血酸(AA)、尿酸(UA)均为分析纯购买于上海阿拉丁试剂有限公司；所有溶液均采用超纯水配制.

1.2 AgNPs/CuNWs的合成首先采用Xia等的方法制备CuNWs[16]，21 mg 氯化铜，50 mg葡萄糖，180 mg十六胺和10 mL去离子水混合于室温下搅拌12 h，溶液经氩气吹扫15 min后于油浴中120 ℃加热3 h.以9 500 r/min离心5 min，用去离子水和乙醇洗涤3次，获得CuNWs.将2 mg CuNWs溶于30 mL乙醇中，取10 mL CuNWs溶液在磁力搅拌下加入 1 mL AA (0.02 mol/L) 和1 mL AgNO3(1 mol/L)反应3 min后，以9 500 r/min离心5 min，倒掉上清液，用乙醇洗涤3次，将沉淀在60 ℃下真空干燥12 h获得AgNPs/CuNWs.

1.3 AgNPs/CuNWs电极的制作过程称取2 mg Ag NPs/CuNWs材料溶于980 μL乙醇中，超声分散均匀后加入20 μL Nafion，再超声30 min来得到均匀分散的电极溶液，随后取5 μL滴于玻碳电极上，玻碳电极直径为3 mm，室温干燥12 h后，用于后续无酶葡萄糖传感性能的研究.

1.4 电化学测试电化学实验在CHI 760E型电化学工作站上进行，采用三电极体系:AgNPs/CuNWs修饰的玻碳电极为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂丝电极为对电极.采用循环伏安法检测葡萄糖，扫描电位范围-0.4～0.8 V.制备的电极对葡萄糖的氧化还原反应在0.1 mol/L NaOH溶液中进行.所有电化学实验在室温下进行.

2 结果与讨论

2.1 材料表征

2.1.1 XRD图谱分析 对制备的CuNWs和化学沉积后负载不同银颗粒尺寸的CuNWs进行形貌和结构表征.如图1(A)所示，2θ为43.4°、50.5°和74.2°的3个衍射峰对应于Cu的(111)、(200)和(220)晶面,未观察到关于Cu的氧化峰，可能是由于在空气中发生微弱氧化且氧化的结晶度不高或氧化层为非晶相[16].同时在2θ为38.1o和77.5o出现的衍射峰对应于Ag的(111)和(311)晶面，且随着银纳米颗粒负载量的增大，衍射峰强度增强，表明成功制备了AgNPs/CuNWs[17].

图1 (A)CuNWs和具有不同Ag负载量的AgNPs/CuNWs的XRD图，(B)CuNWs的TEM图和(C～F)具有不同Ag负载量的AgNPs/CuNWs的TEM 图

2.1.2 TEM图谱分析 由图1(B)可知，制备的CuNWs尺寸是均匀的，直径约为24 nm，长度可达几微米.如图1(C～F)所示，是依次添加1 mL含不同浓度AgNO3溶液(0.6、1.0、1.4和2.0 mmol/L)后获得的不同AgNPs尺寸的TEM图，可以看出随着AgNO3浓度的增加，Ag NPs尺寸分别约为1.5、5、20和45 nm.同时由于Cu和Ag之间的晶格适配比较大，当AgNO3浓度大于1 mmol/L时，Ag NPs不仅沉积在Cu NWs表面，在CuNWs之外，还存在单独的AgNPs团聚在一起，甚至会发生置换反应，形成局部空心结构.AgNPs的含量利用EDS进行测量，获得的Ag的质量百分数分别为2.37%、5.57%、6.6%和11.35%.基于对材料的纳米线的形貌保持和AgNPs的均匀附着情况，选择Ag负载量为5.57%进行后续葡萄糖测试.

2.1.3 XPS图谱分析 图2(A)为Cu 2p XPS谱图，其中，953.3 eV和933.3 eV处的主峰是Cu 2p1/2和Cu 2p3/2的特征峰，证明存在Cu(0)或Cu(I)，此外，在935.4 eV和955.4 eV处的两个弱窄峰，以及944.4 eV、941.4 eV和963.2 eV处的卫星峰，表明存在Cu(II)[18].因Cu NWs较活泼，在空气中易被氧化，故AgNPs/CuNWs表面可能含有少量的氧化铜.如图2(B)所示，在374 eV、368.1 eV处的峰是Ag 3d3/2、Ag 3d5/2的特征峰，证明存在Ag(0)[19].以上结果表明，我们成功合成了AgNPs/CuNWs.

图2 Cu 2p(A)和Ag 3d(B)的XPS谱图

2.2 葡萄糖的电催化氧化

2.2.1 CuNWs电极和AgNPs/CuNWs电极对葡萄糖的催化行为 如图3(A)所示，在-0.4～0.8 V范围内，扫描速率为50 mV/s，在0.1 mol/L NaOH溶液中有无1 mmol/L葡萄糖存在的情况下，通过循环伏安法(CV)来测定CuNWs、AgNPs/CuNWs修饰电极对葡萄糖的催化活性.在空白NaOH溶液中,CuNWs在0.3～0.7 V范围内观察到一对宽的氧化还原峰，该曲线归因于碱性溶液中的Cu(II)/Cu(III)的氧化还原对.与CuNWs电极相比，AgNPs/CuNWs修饰电极的背景电流有所提高，这可能是由于Ag(0)氧化成Ag(I)和Ag(II)造成的，表明AgNPs的引入增加了比表面积，提高了导电性.正向扫描时出现的氧化峰中，0.2 V处的氧化峰是由于Ag(0)氧化Ag(I)，而0.64 V处的氧化峰是由于Ag(I)氧化为Ag(II).还原峰中，Ag(II)还原成Ag(I)和Ag(I)还原成Ag(0)的还原峰分别出现在0.31 V和0.02 V.加入1 mmol/L葡萄糖后，氧化峰电流增大，AgNPs/CuNWs修饰电极在0.64 V处的葡萄糖响应信号(116.2 μA)是 Cu NWs修饰电极在0.35 V的葡萄糖响应信号(42.8 μA)的2.7倍左右，表明Ag NPs/Cu NWs修饰具有良好的葡萄糖催化性能.葡萄糖在Ag NPs/Cu NWs修饰电极上催化机理如下[20]：

2.2.2 扫速对葡萄糖检测的影响 设置电压范围为-0.4～0.8 V，在滴加1 mmol/L葡萄糖的0.1 mol/L NaOH电解液中测试AgNPs/CuNWs电极在不同扫描速率下对葡萄糖氧化的CV曲线.如图3(B)所示，当扫描速率从10增加至100 mV/s时，氧化峰电流增大且氧化峰电位正移.在图3(B)左上角插图中，在0.55～0.65 V范围内，可以观察到峰电流与扫描速率的平方根之间具有良好的线性关系，说明葡萄糖在AgNPs/CuNWs电极上的氧化还原反应是表面扩散控制过程[21].

2.2.3 葡萄糖安培传感器 采用电流-时间法(I-t)评估制备的AgNPs/CuNWs电极对葡萄糖检测的灵敏度.在恒定电位为0.4 V的条件下，从500 s开始，每隔100 s，向不断搅动的0.1 mol/L NaOH溶液中依次逐滴加入3次10 μmol/L、3次50 μmol/L、5次200 μmol/L和4次1 μmol/L的葡萄糖溶液，检测电极的电流响应.CuNWs和AgNPs/CuNWs电极对葡萄糖的安培响应曲线如图3(C)所示，当向溶液中加入葡萄糖时，电流急剧增加，在恒电位下显示阶梯式增长.取各个稳态电流值进行线性拟合，如图3(D)所示，CuNWs和AgNPs/CuNWs的线性范围分别为0.01～2.18 mmol/L和0.01～4.18 mmol/L，线性方程分别为y=88.71x+8.46和y=693.10x+82.79，线性相关系数分别为R2=0.999和R2=0.993.葡萄糖检测的灵敏度分别为88.71 μA (mmol/L)-1cm-2和693.1 μA (mmol/L)-1cm-2，检出限为3.6 μmol/L (S/N>3).与其他铜基纳米材料(表1)相比，AgNPs/CuNWs电极具有更高的灵敏度和更宽的线性范围.

2.2.4 抗干扰性能测试 各种无机和有机物质，如多巴胺、抗坏血酸、尿酸等在血液中与葡萄糖共存，严重干扰葡萄糖的测定[22].人体血液中葡萄糖的一般水平为3.0～8.0 mmol/L，比干扰物质(<0.1 mmol/L)高出至少30倍.因此，通过连续向0.1 mol/L NaOH溶液中注入1 mmol/L葡萄糖和0.1 mmol/L干扰物来测试其抗干扰性.如图4(A)所示，AgNPs/CuNWs对葡萄糖有明显的响应，而对干扰物种的响应可以忽略不计，再次加入葡萄糖后电流密度再次增加.测试结果表明，AgNPs/CuNWs对葡萄糖具有很好的选择性.

表1 不同无酶葡萄糖传感器的性能比较

图4 (A)0.1 mol/L NaOH溶液中,AgNPs/CuNWs电极在0.40 V搅拌下，连续加入1 mol/L葡萄糖、0.1 mmol/LDA、Suc、Fru,、Asp、Lac,、AA,、UA、NaCl的安培响应；(B)AgNPs/CuNWs的内阻抗图，插图为AgNPs/CuNWs的高频区阻抗图；(C)在相同的Ag NPs/Cu NWs电极上，在0.1 mol/L NaOH溶液中15 d内对1 mmol/L葡萄糖的电流响应

2.2.5 阻抗测试 为了探讨AgNPs/CuNWs电极催化性能提高的原因，用交流电源在0.01 Hz～100 kHz的频率范围内记录了CuNWs 和AgNPs/CuNWs电极的奈奎斯特(Nyquist)图.如图4(B)所示，AgNPs/CuNWs电极的内阻(31.6 kΩ)明显小于CuNWs电极的内阻(90 kΩ)，这表明AgNPs的修饰提高了电极的电子转移能力以及CuNWs表面的AgNPs也可以为葡萄糖氧化提供更多的活性中心和吸附面积[28]，进一步提高了非酶葡萄糖检测的性能，同时，Cu的存在也有效地阻止了氧化过程中的有毒中间体在修饰电极表面的吸附.

2.2.6 稳定性测试 修饰电极的稳定性是衡量无酶葡萄糖传感性能的重要指标，也是材料是否能实现商业化的重要因素[29].利用CV法，检测 AgNPs/CuNWs修饰电极对1 mmol/L葡萄糖的电流响应强度.如图4(C)所示，AgNPs/CuNWs修饰电极置于室温下放置，每隔3 d检测一次，15 d后对1 mmol/L葡萄糖检测活性仍有93.65%，表明 AgNPs/CuNWs修饰电极具有优异的稳定性.

3 结论

在CuNWs表面利用AA为还原剂成功制备了低Ag含量的双金属AgNPs/CuNWs纳米复合结构材料.这种独特的AgNPs/Cu NWs结构提供了丰富的电化学反应位点，便于催化葡萄糖分子.Ag的负载对于催化结果有着积极的影响，使得AgNPs/CuNWs 修饰电极对葡萄糖氧化的电催化活性相较于CuNWs修饰电极的电催化活性有很大提高.该方法具有高灵敏度(693.1 μA (mmol/L)-1cm-2)、低检出限(3.4 μmol/L)、宽线性范围(0.01～4.18 mmol/L)、选择性好和稳定性高等优点，有效促进了高灵敏度非酶葡萄糖传感器的发展.