基于納米鐵氰化鎳修飾二氧化鈦納米管陣列電極的非酶葡萄糖傳感器

摘 要 以二氧化鈦納米管陣列（TNTs）為基底，利用脈沖電沉積的方法將Ni納米粒子沉積在TNTs管內，通過循環伏安法將Ni轉化為鐵氰化鎳（NiHCF），構造了新型的非酶型葡萄糖生物傳感器 （NiHCF/TNTs修飾電極）。在優化的實驗條件下，傳感電極的靈敏度為663

SymbolmA@ A/（mmol cm2）；響應電流與葡萄糖濃度在1～23 mmol/L范圍內呈現良好的線性關系。在低濃度檢測下，線性范圍為2×10－3～1.0 mmol/L；檢出限為0.5

SymbolmA@ mol/L。本傳感電極具有靈敏度高、穩定性好和抗干擾能力強等特點。

關鍵詞 二氧化鈦納米管陣列； 納米鐵氰化鎳； 葡萄糖傳感器； 非酶

1 引 言

傳統的葡萄糖生物傳感器是利用固載了葡萄糖氧化酶的酶電極實現對葡萄糖，高選擇性和高靈敏度的檢測。但是由于酶本身受溫度、pH值等的影響，在一些特殊的化學環境中， 酶易喪失活性而使電極不穩定。人們已對各種電流型非酶型傳感電極對葡萄糖的直接氧化進行了廣泛的研究。各種金屬電極，例如Pt， Au等在高的過電勢下對葡萄糖有高的催化作用。然而，這些電極表面易受到毒害和污染，價格比較昂貴。此外，許多研究報道了包括Ni\\， Cu\\， 金屬氧化物（MnO2， Cr3O4）\\、金屬鐵氰化物\\等修飾電極具有良好的電子轉移速率，對葡萄糖有高的響應。其中金屬鐵氰化物修飾電極具有制備方法簡單、化學性質穩定、良好的電催化性能及電色效應、價格低廉等優點， 因而成為電分析化學的研究熱點\\。

陽極氧化法制備的二氧化鈦納米管列陣（TNTs）電極具有價格低、生物兼容性、良好電導性和有序的孔道結構\\。因此，TNTs電極可作為一種負載納米顆粒的良好支持電極。本研究利用陽極氧化法制備TNTs電極，將該電極焙燒后沉積納米鎳粒子，并通過循環伏安法將Ni納米粒子轉化為納米鐵氰化鎳（NiHCF）。這種修飾電極制備方法簡單、價格低廉，對葡萄糖具有高的靈敏度、良好的重現性和穩定性。2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

YJ44型直流穩壓電源（上海滬光儀器廠）；Autolab PGSTAT30 電化學工作站（荷蘭AutoLab公司）；CHl660A型電化學工作站（上海辰華儀器公司）；JSM5600LV型掃描電子顯微鏡（日本電子公司）。

純鈦片（純度99.6%）；葡萄糖（Sigma公司）；其它試劑均為分析純。實驗用水均為二次去離子水。

2.2 修飾電極的制備

2.2.1 TiO2納米管陣列（TNTs）電極的制備 將1 cm×1 cm的鈦片用金剛砂紙打磨光亮后，依次用18% HCl溶液、乙醇和純水各超聲10 min，再用二次蒸餾水清洗，晾干。在室溫下，以預處理的鈦片為陽極，Pt電極為對電極，電極間距保持約3 cm。0.15 mol/L HF為電解質，以穩壓穩流電源提供直流電源，在20 V電壓下陽極氧化2 h后，取出樣品用去離子水清洗，晾干，并在400 ℃氮氣氣氛中焙燒3 h。

2.2.2 納米鎳/TiO2納米管陣列（Ni/TNTs）修飾電極的制備

將焙燒好的TiO2納米管陣列電極作為工作電極，鎳板為輔助電極，電解質組成為300 g/L NiSO4#8226;6H2O， 45 g/L H3BO3溶液，采用脈沖電化學沉積法將鎳納米顆粒負載于二氧化鈦納米管孔道內得到納米鎳/TiO2納米管陣列修飾電極\\。

2.2.3 納米鐵氰化鎳/TiO2納米管陣列（NiHCF/TNTs）修飾電極的制備 將制備的電極在10 mmol/L K3Fe（CN）6和0.5 mol/L Na2SO4溶液中掃描直至峰電流達到平衡，電壓范圍0～0.8 V，掃描速率為50 mV/s，得到NiHCF/TNT電極。

2.3 測試方法

以修飾電極為工作電極，Ag/AgCl（飽和KCl）電極為參比電極，鉑電極為輔助電極，電壓范圍為0～0.6 V，利用循環伏安法在1 mol/L NaOH溶液中研究了葡萄糖在修飾電極上的電化學行為。在恒電位分別為0.4 和0.6 V的條件下，通過安培響應曲線測定電極的線性范圍。電極每次使用后，用水沖洗，然后置于1 mol/L NaOH溶液中，于0～0.8 V之間循環掃描30圈，消除吸附在電極表面的葡萄糖和再生電極。

3 結果與討論

3.1 修飾電極的表征

圖1a為焙燒后的二氧化鈦納米管的表面形貌，納米管的管徑約為100 nm，管壁為15 nm左右。通過脈沖電沉積的方法將納米鎳粒子沉積在TNTs電極的表面和管壁上。從圖1b可見，沉積的鎳納米粒子直徑約為40 nm，插圖中可以看出納米鎳顆粒高度分散在二氧化鈦管壁上，具有高的比表面積。為了得到納米NiHCF修飾TNTs 電極，利用電化學的方法將納米鎳轉化為NiHCF\\。圖1c為得到的NiHCF/TNTs 電極，電極表面的粒子尺寸與圖1b基本一致。

3.2 修飾電極的電化學行為

圖2A 是不同電極在PBS（pH 7.0）緩沖溶液中的循環伏安圖。TNTs電極和Ni/TNTs電極未出現氧化還原峰，而NiHCF/TNTs電極呈現一對可逆的氧化還原峰。這是由于在TNTs上形成的納米NiHCF的Fe3＋/Fe2＋ 的氧化還原\\。為研究修飾電極上的納米NiHCF在堿性溶液中的電化學性質，圖2B示出了NiHCF/TNTs電極在1 mol/L NaOH溶液中不同掃速下的循環伏安圖。氧化還原峰不是Fe3＋/Fe2＋所引起的，而歸因于電極表面的NiHCF中的Ni2＋和Ni3＋之間的相互轉化。該氧化還原反應表示如下\\：

Ni（OH）2＋OH－NiO（OH）＋H2O＋e

在10～300 mV/s的掃描速率下，對應的峰電流與掃描速率的平方根成良好的正比關系，這表明電極表面的電化學過程是受擴散控制，而不是表面控制。隨著掃速的增加，陰極峰電位負移，陽極峰電位正移，峰的分離電壓逐漸增大，標志著電極表面是準電子轉移動力學過程。另外，NiHCF在堿性支持電解質中具有良好的， 可再生的響應。當NiHCF處于不同的氧化還原狀態時，NiHCF的組成結構會通過溶液中置入和置出堿金屬離子來維持電極表面NiHCF的電中性。因此，NiHCF是一種良好的電子媒介體。

3.3 NiHCF/TNTs電極對葡萄糖的電催化氧化

圖3為NiHCF/TNTs電極上不同濃度葡萄糖的循環伏安圖。當加入一定濃度的葡萄糖后，該電極的陽極峰電流明顯增加，表明了電極表面的NiHCF對葡萄糖有良好的電催化氧化作用。隨著葡萄糖濃度的增加，對應的氧化峰電流也逐步增加，還原峰電流逐漸降低，且氧化峰電位不斷向正電位方向移動，這是典型的媒質介導氧化行為。葡萄糖濃度在1～5 mmol/L的范圍內，氧化峰電流與葡萄糖濃度呈良好的線性關系。該電極對葡萄糖的催化機理如下所示\\：

Ni（OH）2＋OH－NiO（OH）＋H2O＋e

NiO（OH）＋GlucoseNi（OH）2 ＋Glucolactone

3.4 線性范圍和檢出限

用電流時間的方法考察了NiHCF/TNTs對葡萄糖的響應性能。圖4為NiHCF/TNTs修飾電極在含有1 mol/L NaOH 溶液中，電位為0.6 V時，連續加入1 mmol/L 葡萄糖的時間電流響應曲線。修飾了NiHCF的TNTs電極對葡萄糖有很高的響應，響應范圍較大，為1～23 mmol/L，

插圖為對應的線性曲線，其線性方程為i（mA）＝0.663C（mmol/L）＋6.352，R2＝0.9976。在用于低濃度檢測時，選擇的電位為0.4 V，得到的線性范圍為2×10－3～1.0 mmol/L。當信噪比為3時，檢出限為0.5

SymbolmA@ mol/L。NiHCF/TNTs電極具有高靈敏度和低的檢出限是由于制備的TNTs電極本身具有良好的導電性、特殊的陣列結構和表面制備了高分散和高比表面積的納米NiHCF增強了對葡萄糖的響應。

3.5 干擾實驗

實際樣品中的電活性物質常常對葡萄糖的準確測定產生影響。在本實驗中，主要考察了抗壞血酸和尿酸對傳感電極的干擾（圖5）。在0.6 V的檢測電位下，0.1 mmol/L抗壞血酸，0.1 mmol/L尿酸對1 mmol/L 葡萄糖干擾較小，表明了傳感電極的選擇性較高。

3.6 重現性和穩定性

將電極分別在含有1 mmol/L葡萄糖的 1 mol/L NaOH溶液中測定了6次，測得的響應值的相對標準偏差為0.9%，說明此傳感電極具有良好的重現性。傳感器不用時保存在4 ℃的純水溶液中。該電極在1 mol/L NaOH溶液中用循環伏安法掃描電極至峰電流恢復平衡。 1星期后發現，電流得到響應同起始相比只降低了約6.5%。因此，該傳感電極具有較好的穩定性， 有望成為測定葡萄糖的一種新方法。

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An Amperometric Nonenzymatic Glucose Sensor by Nickel

Hexacyanoferrate Nanoparticles Modified TiO2 Nanotube Arrays

YU ShuJuan1， ZHANG YunHuai*1， XIAO Peng2， LI XiaoLing1， MENG XiaoQin1， YANG YanNan3



1（College of Chemical Engineering， Chongqing University， Chongqing 400044）

2（College of Physics， Chongqing University， Chongqing 400044）

3（Ziyang Environmental Monitor Station， Ziyang 641300 ）

Abstract A nonenzymatic glucose sensor was developed by nickel hexacyanoferrate nanoparticles modified TiO2 nanotube arrays （TNTs）. Ni nanoparticles were deposited on TNTs by pulsed electrodeposition method. Ni nanoparticles was converted to nickel hexacyanoferrate （NiHCF） nanoparticles by cyclic voltammetry in a solution containing 3－. The electrochemical characteristics of the sensor were studied by cyclic voltammetry （CV）. The nonenzymatic sensor shows significantly higher electrocatalytic activity to the oxidation of glucose in 1 mol/L NaOH alkaline solution The sensor response is highly sensitive （663

SymbolmA@ A/（mmo1#8226;cm2） with a wide linear range （up to 23 mmol/L）. The linear range is 2×10－3－1.0 mmol/L for the low concentration measurement with low detection limit of 0.5

SymbolmA@ mol/L （S/N＝3）.

Keywords Titanium dioxide nanotube arrays; Nickel hexacyanoferrate nanoparticles; Glucose biosensor; Nonenzymatic

（Received 26 June 2011; accepted 6 October 2011）