CuS/RGO納米復(fù)合物的制備及對葡萄糖的無酶電化學(xué)傳感

CuS/RGO納米復(fù)合物的制備及對葡萄糖的無酶電化學(xué)傳感

焦守峰

(淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院 醫(yī)學(xué)系， 安徽 淮北235000)

摘要：以L-半胱氨酸作為硫的供應(yīng)體、還原劑、聯(lián)接劑采用一鍋法合成了硫化銅修飾的還原石墨烯納米復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)此納米復(fù)合物修飾電極對葡萄糖有良好的電催化效果，并且表現(xiàn)出很高的抗干擾能力、優(yōu)良的選擇性，適用于人體中血清的檢測有很好的準(zhǔn)確性，有望應(yīng)用于葡萄糖的無酶傳感。

關(guān)鍵詞：納米復(fù)合物； 修飾電極； 電催化氧化； 無酶傳感器

收稿日期：2015-07-05

基金項(xiàng)目：本文系國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“單一納米電極的制備與應(yīng)用”(編號：21375002)的研究成果。

作者簡介：焦守峰( 1974-)，男，安徽濉溪人，淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院醫(yī)學(xué)系講師，分析化學(xué)博士，研究方向?yàn)樯锘瘜W(xué)、藥理學(xué)。

中圖分類號：O657.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-8275(2015)04-0137-03

Abstract:One-pot synthesis of CuS nanoparticle-decorated reduced graphene oxide (CuS/RGO) nanocomposites was prepared with the use of L-cysteine, an amino acid, as a reducing agent, sulfur source, and linker to anchor CuS nanoparticles onto the surface of RGO sheets. It was found that the CuS nanoparticles decorated reduced graphene exhibit a remarkable catalytic performance for glucose oxidation. The proposed sensor also showed high anti-interference ability, excellent selectivity and was successfully used for glucose detecting in human serum with good accuracy and satisfactory recovery. It is believed that CuS/RGO composites show good promise for further application on non-enzymatic glucose biosensors.

0引言

糖尿病是影響人類健康的一種常見病，葡萄糖的檢測對糖尿病診斷和治療有重要的實(shí)際意義。葡萄糖酶傳感器具有高度的選擇性和靈敏度，但由于酶自身的特點(diǎn)，使其在使用中最普遍和突出的問題是缺乏持久性和穩(wěn)定性，且易受溫度、酸堿度和有毒化學(xué)物質(zhì)的影響。

本文采用了環(huán)境友好的合成方法，以L-半胱氨酸作為硫的供體，同時又作為還原劑用一步水熱法合成了石墨烯-硫化銅納米復(fù)合物。對所制備的材料經(jīng)過掃描電鏡、EDS表征，發(fā)現(xiàn)硫化銅納米顆粒均勻地分布在石墨烯表面，然后把制得的納米復(fù)合物制備成修飾電極，研究其對葡萄糖的無酶傳感。結(jié)果表明，運(yùn)用該方法制備的傳感器與以前報道的無酶傳感器相比，顯示出更高的敏感性，并且能避免多巴胺、尿酸、抗壞血酸的干擾。在實(shí)際樣品的測定中效果良好，有望運(yùn)用于人體血漿中葡萄糖的測定。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1藥品與儀器

藥品：氧化石墨烯,氯化銅，L-半胱氨酸，過氧化氫(30 wt %)，葡萄糖，萘酚(5 wt%水溶液)，其它所有藥品均為分析純，實(shí)驗(yàn)前不需要進(jìn)一步提純。每次電化學(xué)實(shí)驗(yàn)前通氮除氧20分鐘，并保持在氮?dú)猸h(huán)境中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)中使用水全部為二次水。

儀器：日立S-4800掃描電化學(xué)顯微鏡(操作電壓為10千伏)；電化學(xué)實(shí)驗(yàn)在CHI 660C電化學(xué)分析儀(上海辰華儀器公司)上進(jìn)行。玻碳電極(3mm內(nèi)徑)或其修飾電極作為工作電極，飽和甘汞電極和鉑絲電極分別作為參比電極和對電極。

1.2CuS/RGO納米復(fù)合物的制備

合成過程：首先，將氧化石墨烯溶解到水里超聲1小時制成0.2 mg/mL的溶液。然后把23mg L-半胱氨酸加入到6 mL上述制備好的石墨烯水溶液里繼續(xù)超聲5分鐘，接下來20 μL 1 M的氯化銅溶液滴加到石墨烯-L-半胱氨酸混合液中，攪拌15分鐘，溶液的顏色明顯由棕黃色變成深藍(lán)棕色。最后，將上述溶液轉(zhuǎn)移到反應(yīng)釜中160°C加熱12小時。所得產(chǎn)品為棕黑色，過濾，去離子水洗滌，然后再分散到水里供進(jìn)一步表征、使用。

1.3CuS/RGO納米復(fù)合物修飾電極的制備

在進(jìn)行電極修飾前，玻碳電極先在麂皮上分別用0.3和0.05μm的鋁粉先后對裸玻碳電極進(jìn)行打磨拋光處理，然后用乙醇和二次水對其進(jìn)行超聲清洗，最后再用N2進(jìn)行干燥處理。為了制備石墨烯-硫化銅納米復(fù)合物修飾電極，將0.5%的萘酚溶液與4.0 mg mL-1石墨烯-硫化銅納米復(fù)合物溶液混合，之后超聲5min。通過微量注射器，將5μL的石墨烯-硫化銅納米復(fù)合物的萘酚溶液滴加到處理干凈的玻碳電極表面，然后置于室溫空氣中晾干備用。

2結(jié)果與討論

2.1CuS/RGO納米復(fù)合物的表征

為了證明石墨烯-硫化銅納米復(fù)合物的形貌特征，它們的掃描電鏡如圖1所示。可以明顯地看到反應(yīng)生成的硫化銅顆粒比較均勻，粒徑大約在80納米左右，并且在石墨烯表面上的分散程度很好，這說明采用的方法完全可以制取理想的石墨烯-硫化銅納米復(fù)合物。

圖1　CuS/RGO掃描電鏡圖

2.2CuS/RGO納米復(fù)合物修飾電極對葡萄糖的電催化

圖2所示的是在4.0 mM葡萄糖存在情況下裸電極、氧化石墨烯/萘酚修飾電極和石墨烯-硫化銅納米復(fù)合物/萘酚修飾電極的循環(huán)伏安曲線。當(dāng)葡萄糖不存在時，裸玻碳電極上沒有任何氧化還原峰。而在石墨烯-硫化銅納米復(fù)合物/萘酚修飾電極上有Cu (II)/Cu(III)轉(zhuǎn)換的特征峰。如圖中看到，一個很寬的還原峰出現(xiàn)因?yàn)镃u(III)轉(zhuǎn)變成了Cu (II)，但是Cu (II)轉(zhuǎn)化成Cu(III)的氧化峰沒有明顯看到，這可能是因?yàn)樗姆纸庋趸灏阉谏w住了。隨著4.0 mM葡萄糖的加入，因?yàn)槠咸烟堑牟豢赡骐娀瘜W(xué)氧化，一個明顯的不可逆的氧化峰出現(xiàn)在石墨烯-硫化銅納米復(fù)合物/萘酚修飾電極上，而裸電極和氧化石墨烯/萘酚則無氧化峰出現(xiàn)。這些現(xiàn)象說明在葡萄糖的氧化過程中，硫化銅起著關(guān)鍵作用。其催化過程可能如下：

圖2　對葡萄糖的電化學(xué)響應(yīng) (a)GCE;(b) GO-PDDA/GCE; (c) CuS/RGO-PDDA/GCE (d，10 mM Glucose)

(1)

(2)

2.3CuS/RGO納米復(fù)合物修飾電極對葡萄糖的計(jì)時電流測量

圖3是石墨烯-硫化銅納米復(fù)合物修飾電極在0.15M NaOH溶液中隨著葡萄糖的連續(xù)加入等到的計(jì)時電流曲線，所用電壓為+0.4V，間隔時間為20秒。可以看出隨著葡萄糖的不斷加入，電流強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。電流強(qiáng)度的大小與加入葡萄糖的濃度成線性關(guān)系(如圖4所示)，在0.2 μM到12 mM范圍內(nèi)，線性方程為：Ipa(μA) = -18.85 + 3118.5c (mM) (R2= 0.998)。在信噪比為3 的情況下，檢測限為0.05μM。

圖3　CuS/RGO-PDDA/GCE 對葡萄糖的 計(jì)時電流測定

圖4　電流強(qiáng)度與葡萄糖濃度的線性關(guān)系

2.4CuS/RGO納米復(fù)合物修飾電極的的再現(xiàn)性和穩(wěn)定性和抗干擾性測定

在本文中，通過對1 mM的葡萄糖的電流響應(yīng)考察了所制傳感器的的表現(xiàn)。10次連續(xù)平行測定當(dāng)中，修飾電極顯示出極好的穩(wěn)定性能，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.4% 。8根不同的修飾電極分別適用同一種溶液，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.6%，此結(jié)果表明所制備傳感器有優(yōu)良的再現(xiàn)性。室溫下每3天間隔時間測量1 mM的葡萄糖溶液，連續(xù)3周電流響應(yīng)能保持在93%，這足以說明該傳感器穩(wěn)定性良好。另外，抗干擾能力是衡量電化學(xué)生物傳感器的另外一個重要因素。各種易被氧化的干擾物如尿酸、多巴胺、抗壞血酸和碳水化合物都共存于人體的血漿中，該修飾電極也經(jīng)過了類似的干擾物研究，實(shí)驗(yàn)通過連續(xù)加入0.10 mM混合干擾物(蔗糖、多巴胺、尿酸、抗壞血酸)到正在測定的葡萄糖溶液里，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對葡萄糖的響應(yīng)幾乎沒有任何影響。總的來看，利用該方法制備的修飾電極具有很好的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

2.5實(shí)際樣品分析

為進(jìn)一步證實(shí)該修飾電極的可靠性，其被用于測定實(shí)際人體血漿樣品中的葡萄糖濃度。將預(yù)先處理好的20.0μL血漿樣品加入到10.0 ml 0.15M的氫氧化鈉底液中，通氮除氧后，持續(xù)加上0.4V的電壓，葡萄糖的回收率通過標(biāo)準(zhǔn)添加純葡萄糖溶液來考察，所得結(jié)果如表1所示。可以看到回收率達(dá)到99%以上，結(jié)果再一次證明石墨烯-硫化銅納米復(fù)合物修飾電極可用于生物樣品中葡萄糖的測定。

表1　對人血清中葡萄糖的測定

3小結(jié)

我們采用一鍋法合成了CuS/RGO納米復(fù)合物，在這個反應(yīng)體系中，L-半胱氨酸起三種作用：還原劑、硫供體、聯(lián)接劑。在加熱的過程中，L-半胱氨酸能夠釋放出硫化氫氣體，既提供硫又有還原性，促進(jìn)金屬硫化物納米顆粒的形成并使氧化石墨烯還原成還原石墨烯，然后把合成的納米復(fù)合物通過萘酚固定修飾到玻碳電極上，發(fā)現(xiàn)該修飾電極對葡萄糖有很好的電催化作用。此傳感器檢測葡萄糖的靈敏度高，檢測限低，抗干擾能力強(qiáng)，能夠用于實(shí)際樣品中葡萄糖的測定。

參考文獻(xiàn)：

[1]S.Wild,G.Roglic,A.Green,R.Sicree,H.King.Global prevalence of diabetes estimates for the year 2000 and projections for 2030[J].Diabetes Care,2004(27):1047-1053.

[2] J.C.Pickup,F.Hussain,N.D.Evans,N.Sachedina.In vivo glucose monitoring: the clinical reality and the promise[J].Biosen Bioelectron.2005(20):1897-1902.

[3] L.C.J.Clark,C.Lyons.Electrode systems for continuous monitoring in cardiovascular surgery[J].Annals of the New York Academy of Sciences,1962(102):29-45.

[4] J.W.Huang,Z.P.Dong,Y.D.Li,J.Li,J.Wang,H.D.Yang,S.W.Li,S.J.Guo,J.Jin,R.Li.High performance non-enzymatic glucose biosensor based on copper nanowires-carbon nanotubes hybrid for intracellular glucose study[J].Sens Actuators,B:Chem,2013(182):618-624.

[5] X.H.Niu,M.B.Lan,H.L.Zhao,C.Chen.Highly sensitive and selectivenonenzymatic detection of glucose using three-dimensional porous nickelnanostructures[J].Anal.Chem,2013(85):3561-3569.

[6] K.Chang,W.X.Chen.l-Cysteine-assisted synthesis of layered MoS2/graphene composites with excellent electrochemical performances for Lithium ion Batteries[J].ACS Nano 2011(5):4720-4728.

責(zé)任編輯：之者

The Fobrication of Cus/RGO Nanocomposite and

Its Electrochemical Non-enzyme Sensing of Glucose

JIAO Shou-feng

Key words:nanocomposites; modified electrode; electrocatalytic oxidation; non-enzymatic biosensors