Pt－Pd／UCNTs無酶生物傳感器的研制與葡萄糖檢測的應用

易 靜， 吳 絨， 南俊民， 劉玉英， 葉 翠， 胡建強＊，3

（1.華南師范大學 化學與環境學院，廣東 廣州 510006；2.華南理工大學 化學與化工學院，廣東 廣州 510640；3.華南理工大學 制漿造紙國家重點實驗室，廣東 廣州 510640）

Pt－Pd／UCNTs無酶生物傳感器的研制與葡萄糖檢測的應用

易 靜1，2， 吳 絨2， 南俊民＊1， 劉玉英2， 葉 翠2， 胡建強＊2，3

（1.華南師范大學 化學與環境學院，廣東 廣州 510006；2.華南理工大學 化學與化工學院，廣東 廣州 510640；3.華南理工大學 制漿造紙國家重點實驗室，廣東 廣州 510640）

研究了鉑－鈀／裂解碳納米管（Pt－Pd／UCNTs）無酶生物傳感器的研制及其對葡萄糖的電催化性能。掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線光電子能譜（XPS）和循環伏安法（CV）分析發現，沉積的Pt－Pd金屬納米粒子顆粒均勻，且很好地分散在UCNTs修飾電極的表面上；與UCNTs、Pd／UCNTs和Pt／UCNTs修飾電極相比，Pt－Pd／UCNTs復合修飾電極對葡萄糖氧化具有更強的催化活性（如催化響應快和催化電流大），對葡萄糖檢測有更好的選擇性。

鉑－鈀／裂解碳納米管；無酶葡萄糖生物傳感器；電沉積

自Clark教授等人［1］首次報道酶電極以來，酶型生物傳感器的研制和應用一直成為研究的熱點［2－3］。作為生物體內主要的能源成份，葡萄糖的檢測是非常重要的。目前最常用于檢測葡萄糖的方法是基于葡萄糖氧化酶傳感器，它具有專一性高、反應速度快等特點。但由于酶本身固有的不穩定性和沒有有效固定酶的方法，如酶活性會隨時間和溫度的變化而變化［4－5］，一定程度上限制了酶傳感器的應用。最近，發展的無酶型葡萄糖電化學傳感器能夠較好地解決這些問題［6－8］。

研制無酶型葡萄糖電化學傳感器的關鍵在于如何研制靈敏度高、選擇性好、費用低、穩定性好和能夠有效避免電極表面中毒的現象。目前，多種材料被用于無酶型葡萄糖傳感器的研制，特別是基于鉑（Pt）等貴金屬材料的應用［9－11］。但使用單一金屬納米材料仍然無法制備出靈敏度高和選擇性好的無酶葡萄糖傳感器。為了無酶葡萄糖傳感器的靈敏度和選擇性，雙金屬納米材料如鉑－金（Pt－Au）［12］、鉑－鉛 （Pt－Pb）［13］、鉑－釕 （Pt－Ru）［14］、鉑－鉍（Pt－Bi）［15］和鉑－鈦（Pt－Ti）［16］等作為無酶葡萄糖電化學傳感器的電極材料已經被廣泛使用。研究發現，雙金屬納米材料制備的無酶型傳感器對葡萄糖的檢測靈敏度和選擇性也有了很大的提高。為了進一步提高無酶型傳感器對葡萄糖的催化性能，碳納米管、碳纖維、介孔碳等多種材料常被作為基底負載于電極表面［17－21］。裂解的碳納米管（UCNTs）作為碳材料中的一員，具有比表面積大、優異的電學性能等優點，是一種很好的基底材料。但據我們所知，目前為止仍然沒有鉑－鈀（Pt－Pd）雙金屬材料用于研制無酶生物傳感器及其葡萄糖檢測的報道。作者通過電化學沉積的方法將Pt－Pd雙金屬納米粒子沉積在裂解碳納米管（UCNTs）修飾的電極表面上，并用掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線光電子能譜（XPS）等手段對制備的UCNTs、Pd／UCNTs、Pt／UCNTs和Pt－Pd／UCNTs不同修飾電極進行表征，用循環伏安（CV）法測量了這些電極對葡萄糖電催化性能的研究與檢測。

1 材料與方法

1.1 試劑與材料

多壁碳納米管（CNTs）：購于深圳納米港有限公司，裂解碳納米管 （UCNTs）按照文獻［22］制得；D－（＋）－葡萄糖：購于Sigma公司；氯化鈀（PdCl2）和氯鉑酸（H2PtCl6）：購于天津大茂化學試劑公司；其它試劑均為分析純，且使用前未經任何處理；實驗用水溶液均用超純水配制。

1.2 儀器

掃描電子顯微鏡：德國Leo 1530 VP；X射線光電子能譜：英國Axis Ultra DLD；CHI660電化學分析工作站：上海辰華儀器公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 Pt－Pd／UCNTs修飾電極的制備首先用微量注射器吸取6μL的 UCNTs（0.5 mg／L）溶液滴加在GCE表面，并在室溫下置于空氣中干燥，待溶劑揮發完全后，即制得UCNTs修飾GC電極（UCNTs／GCE）。然后，在－1.0～ ＋1.0 V的區間內用循環伏安法電化學氧化還原UCNTs／GCE置于PBS緩沖溶液。最后，將還原好的UCNTs／GCE放在含0.8 mmol／L H2PtCl6和0.8 mmol／L PdCl2的0.5 mol／L硫酸溶液中，用電位階躍的方法（電位從－0.6～ ＋0.5 V，階躍時間1 s）進行電化學沉積，所得修飾電極用超純水清洗，干燥待用。

1.3.2 Pt－Pd／UCNTs無酶生物傳感器的葡萄糖電化學檢測電化學實驗采用三電極體系。Pt－Pd／UCNTs無酶生物傳感器為工作電極，鉑絲為對電極，銀／氯化銀電極（內充液為氯化鉀飽和液）為參比電極，工作溶液為不同濃度的葡萄糖＋0.1 mol／L氫氧化鈉溶液。葡萄糖電化學檢測用循環伏安法、線性伏安法和電位階躍的方法。在電化學測量前，緩沖溶液先通高純氮氣至少30 min，以使電化學測試都保持在氮氣氛圍中進行。所有實驗均在室溫條件下進行（25℃）。

2 結果與分析

2.1 UCNTs和Pt－Pd／UCNTs修飾電極的SEM 表征

圖1a是UCNTs的SEM圖。從圖1a可以看出，CNTs幾乎全部被解開成帶狀的石墨烯納米帶，寬約為70～90 nm，長從幾微米到十幾微米。圖1b是Pt－Pd雙金屬納米粒子電沉積在UCNTs上的SEM圖。從圖1b可以看出，Pt－Pd雙金屬納米粒子成功地沉積在UCNTs修飾電極的表面上，且顆粒相對均勻，其平均尺寸約為175 nm。

圖1 （a）UCNTs和 （b）Pt－Pd／UCNTs修飾在電極表面的掃描電子顯微鏡圖Fig.1 SEM images of（a）UCNTs and（b）Pt－Pd／UCNTs

為了進一步說明是Pt－Pd雙金屬納米粒子已成功地沉積到玻碳電極表面上，我們用XPS對Pt－Pd／UCNTs復合納米材料進行了表征，見圖2。從圖2可知，71 e V 和74.35 eV 分別是Pt 4f7／2和Pt 4f5／2的特征譜，而340.7 e V 和335.4 e V 分別是 Pd 3d3／2和Pd 3d5／2的特征譜［20］，說明通過電位階躍沉積的方法能夠將Pt－Pd雙金屬共同沉積在UCNTs修飾電極的表面上。

圖2 Pt－Pd／UCNTs復合納米材料（a）鉑4f軌道和 （b）鈀3d軌道的X射線光電子能譜圖Fig.2 XPS spectra of（a）Pt 4f and（b）Pd 3d in Pt－Pd／UCNTs composite nanomaterials

2.2 Pt－Pd／UCNTs無酶生物傳感器的電化學與葡萄糖檢測

圖3中的紅線分別是 UCNTs、Pd／UCNTs、Pt／UCNTs和Pt－Pd／UCNTs不同修飾電極在0.1 mol／L NaOH溶液中的催化電流響應。與UCNTs修飾的電極比（很弱的氧化還原峰），Pd／UCNTs或Pt／UCNTs修飾電極有可逆的氧化還原峰（圖3b或c）。而當Pt－Pd沉積在UCNTs上時，它的催化電流大大增強（圖3d），說明它具有很好的電催化性能，是一個好的無酶生物傳感器。葡萄糖是一種碳水化合物，在堿性條件下容易被催化氧化。圖3中的黑線分別是 UCNTs、Pd／UCNTs、Pt／UCNTs和Pt－Pd／UCNTs不同修飾電極在0.1 mol／L NaOH溶液中對葡萄糖的催化電流響應。從圖3可見，加入20 mmol／L葡萄糖后，UCNTs、Pd／UCNTs、Pt／UCNTs和Pt－Pd／UCNTs修飾電極分別表現出不同的催化性能。從圖3a可以看出，UCNTs電極對葡萄糖催化氧化的電流響應很小。不過，當Pd或者Pt納米粒子沉積到UCNTs后（圖3b和3c），出現了多個氧化峰，特別是Pt納米粒子修飾的電極有較大的催化電流。有趣的是，當Pt－Pd納米粒子被共沉積到UCNTs修飾電極的表面上時，其氧化峰電流顯著增大，表明與單金屬修飾的UCNTs電極相比Pt－Pd／UCNTs修飾電極有更好的葡萄糖催化響應。正向掃描時，與其它修飾電極催化氧化葡萄糖相比，Pt－Pd／UCNTs復合納米材料修飾電極具有更負的電位，大約在－0.76 V出現第一個葡萄糖氧化峰。這大大降低了葡萄糖的催化氧化電位，從而可以避免一些物質的干擾，提高電極對葡萄糖檢測的選擇性。

圖3 （a）UCNTs、（b）Pd／UCNTs、（c）Pt／UCNTs和（d）Pt－Pd／UCNTs電極在0.1 mol／L NaOH 溶液中沒有20 mmol／L葡萄糖（紅線）和有（黑線）的循環伏安圖（掃速：10 mV／s）Fig.3 Cyclic voltammograms of（a）UCNTs，（b）Pd／UCNTs，（c）Pt／UCNTs，and（d）Pt－Pd／UCNTs modified elec－trodes in 0.1 mol／L NaOH solution without（red line）and with 20 mmol／L glucose（black line）

為了進一步研究Pt－Pd納米粒子和UCNTs在催化葡萄糖中的作用和機理，我們研究了UCNTs、Pt－Pd和Pt－Pd／UCNTs不同修飾電極對葡萄糖溶液的電催化性能，見圖4。從圖4可以看出，UC－NTs修飾電極對葡萄糖的催化電流很小，而在Pt－Pd／UCNTs和Pt－Pd修飾電極的催化電流較大。后兩種修飾電極在正向掃描過程中出現了多個氧化峰，這主要是因為他們在葡萄糖的催化氧化過程中產生了中間體；而在負向掃描過程中，沒有還原峰出現，取而代之的是在－0.3 V附近出現另一個氧化峰，這應該是Pt－Pd氧化物又被還原，從而得到新的Pt－Pd納米粒子，即新的催化氧化位點催化葡萄糖引起的［4］。其次，Pt－Pd／UCNTs復合納米材料修飾電極在堿性條件下催化氧化葡萄糖的電流明顯大于Pt－Pd修飾電極，說明當UCNTs作為載體時，電極對葡萄糖有更好的催化效果。這可能是UCNTs具有好的導電性能和大的比表面積，有利于更多Pt－Pd納米粒子沉積到UCNTs電極的表面上。

圖4 （a）UCNTs（紅線）、（b）Pt－Pd（綠線）和（c）Pt－Pd／UCNTs（黑線）修飾電極在除空氣的20 mmol／L葡萄糖 ＋0.1 mol／L氫氧化鈉溶液中的循環伏安曲線（掃速：10 m V／s）Fig.4 Cyclic voltammograms of UCNTs （red line），Pt－Pd nanocomposite （green line），and Pt－Pd／ UCNTs nano－composite （black line）modified electrodes in deaerated 20 mmol／L glucose ＋ 0.1 mol／L NaOH solution

2.3 Cl－對Pt－Pd／UCNTs修飾電極的干擾測量

在無酶葡萄糖生物傳感器實際檢測葡萄糖的過程中，常常會受到一些物質的干擾而降低傳感器的活性，如毒性離子（Cl－），小分子有機物等［23－24］。圖5顯示的是在0.1 mol／L NaOH中有或沒有0.15 mol／L NaCl溶液和不同葡萄糖的循壞伏安圖曲線的正掃部分，從圖5可知，在正掃中－0.3 V和＋0.08 V出現了兩個峰，這主要是葡萄糖被多步氧化的結果。然而比較圖5中的a和b，有Cl－存在的條件下，電極對葡萄糖的催化氧化性能有某種程度的降低，但降低很少，幾乎可以忽略。而當掃描到＋0.08 V時，a圖的峰電流要低于b圖，這可能是由于吸附在電極表面上的Cl－不利于葡萄糖氧化為中間產物，然而這時更多的葡萄糖會在電極的表面快速被氧化。因此，Cl－對葡萄糖的電催化氧化的活性影響不大，仍然保持了對葡萄糖好的催化氧化性能。

2.4 Pt－Pd／UCNTs修飾電極的穩定性

Pt－Pd／UCNTs修飾電極在貯存兩個月之后，再用這個傳感器對葡萄糖進行檢測，發現它的催化氧化峰電流的電位和大小幾乎沒變，說明該生物傳感器具有很好的穩定性，可以長期使用。

圖5 Pt－Pd／UCNTs電極在（a）沒有NaCl和（b）有0.15 mol／L NaCl的0.1 mol／L NaOH溶液和不同葡萄糖濃度（0，1，2，5，10，15，20 mmol／L）的循環伏安曲線的正掃部分（掃速：10 mV／s）Fig.5 Positive－going portions of cyclic voltammograms of Pt－Pd／UCNTs electrode at a potential scan rate of 10 mV／s in 0.1 mol／L NaOH solution containing different glucose concentrations（0，1，2，5，10，15，20 mmol／L）and（a）without and（b）with 0.15 mol／L NaCl

3 結語

作者成功地將Pt－Pd雙金屬納米粒子沉積在UCNTs修飾的玻碳電極上，并制備了Pt－Pd／UCNTs無酶葡萄糖傳感器。研究了Pt－Pd／UCNTs無酶葡萄糖傳感器對葡萄糖的電催化性能。結果表明，與 UCNTs、Pd／UCNTs和 Pt／UCNTs修飾的電極相比，Pt－Pd／UCNTs無酶葡萄糖傳感器具有更好的電化學催化性能，這可能是由于Pt－Pd雙金屬的協同作用和好的UCNTs載體共同作用的結果。同時在Cl－等干擾物質的存在下，Pt－Pd／UCNTs仍然表現出了很好的催化性能，有望用于生物體葡萄糖的檢測。

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Fabrication and Its Glucose Detection Application of a Nonenzymatic Pt－Pd／UCNTs Biosensor

YI Jing1，2，WU Rong2，NAN Jun－min＊1，LIU Yu－ying2，YE Cui2，HU Jian－qiang＊2，3

（1.College of Chemistry and Environment，South China Normal University，Guangzhou 510006，China；2.College of Chemistry and Chemical Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China；3.State Key Laboratory of Pulp and Paper Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

Fabrication and its electrocatalytic property on glucose of platinum－palladium／unzipped carbon nanotubes（Pt－Pd／UCNTs）nonenzymatic biosensor were studied in this manuscript.Scanning electron mi－croscopy（SEM），X－ray photoelectron spectroscopy（XPS），and cyclic voltammogram （CV）results indicated Pt－Pd nanoparticles were well－dispersed on the surface of UCNTs／GCE；compared with UCNTs，Pd／UCNTs，and Pt／UCNTs modified electrodes，Pt－Pd／UCNTs modified electrode exhibited strong electro－catalytic activity toward glucose oxidation，such as faster catalytic respond and larger respond current，and had better selectivity.

Pt－Pd／UCNTs，nonenzymatic glucose biosensor，electrodeposition

E－mail：jmnan＠scnu.edu.cn

O 614.82

A

1673－1689（2012）04－0385－06

2011－04－02

國家自然科學基金項目（20773040）；教育部博士點基金新教師項目（20070561005）；廣東省自然科學基金項目（07006555）；制漿造紙國家重點實驗室開放基金項目（200904）。

＊

胡建強（1970－），男，江西贛州人，理學博士，副教授，碩士研究生導師，主要從事納米分析化學研究。

E－mail：jqhusc＠scut.edu.cn

南俊民（1971－），男，河南汝州人，理學博士，教授，博士研究生導師，主要從事廢舊電池回收利用的應用基礎研究。