納米銅/石墨烯-殼聚糖復合膜修飾電極及其對葡萄糖的直接測定

潘芊秀，程遠征，王江云，張鳳蓮，鄧樹娥

(濰坊醫(yī)學院 化學教研室，山東 濰坊 261053)

納米銅/石墨烯-殼聚糖復合膜修飾電極及其對葡萄糖的直接測定

潘芊秀*，程遠征，王江云，張鳳蓮，鄧樹娥

(濰坊醫(yī)學院 化學教研室，山東 濰坊 261053)

以石墨烯-殼聚糖復合膜修飾玻碳電極，并在此復合膜上電沉積納米銅，用于葡萄糖的無酶檢測。以掃描電鏡、傅立葉紅外光譜及電化學交流阻抗譜對該復合膜微觀形態(tài)進行表征，以循環(huán)伏安法、計時電流法對該電極的電化學行為進行研究。實驗結果表明，在0.1 mol/L NaOH溶液中修飾電極對葡萄糖具有良好的催化氧化作用，該電極對葡萄糖的檢測線性范圍為5.6×10-5～1.2×10-3mol/L，檢出限(S/N=3)為2.3×10-5mol/L。該修飾電極對樣品的檢測具有良好的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性。

納米銅；石墨烯-殼聚糖復合膜；修飾電極；葡萄糖

葡萄糖的檢測在臨床診斷及工業(yè)生產(chǎn)等方面具有重要意義，酶基葡萄糖傳感器的制備在數(shù)十年間獲得了長足發(fā)展[1-3]。酶傳感器一般需在固體電極表面固定葡萄糖氧化酶，由于固定化酶易失活，因此需要較苛刻的制備條件，且傳感器的有效使用壽命往往很短。納米材料因具有較高表面活性，獨特的催化性質(zhì)和光電化學性質(zhì)而被廣泛用于修飾電極的制備，尤其是近年來各種貴金屬納米材料如銀[4]、金[5]、鉑[6]等被廣泛使用，無酶傳感器的研制已引起人們越來越廣泛的興趣，現(xiàn)已實現(xiàn)了無酶葡萄糖傳感器的制備及檢測[7-10]。

石墨烯是一種具有二維結構的新型碳納米材料，具有較大的比表面積、良好的導電性、無毒以及優(yōu)良的生物相容性，被廣泛用于電極的修飾及生物傳感器的制備[11-16]。相比于其它貴金屬材料，納米銅具備低電阻、高催化性、價格低及制備簡單等優(yōu)異特性而被嘗試用于電極修飾[17]。本文將石墨烯分散于殼聚糖中，在玻碳電極表面形成導電性良好的復合膜，再以殼聚糖-石墨烯復合膜為載體電沉積納米銅，充分發(fā)揮納米銅的納米尺寸和電催化效應增強對葡萄糖的催化氧化，從而實現(xiàn)對葡萄糖的直接測定。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

高純石墨烯(GH，純度>98%)和殼聚糖(CS，脫乙酰度>95%)購自上海阿拉丁試劑有限公司；鐵氰化鉀(K3[Fe(CN)6])和亞鐵氰化鉀(K4[Fe(CN)6])購自西隴化工有限公司；氯化鈉(NaCl)、氯化銅(CuCl2·2H2O)、磷酸二氫鉀(KH2PO4)、磷酸氫二鉀(K2HPO4·3H2O)、氯化鉀(KCl)、葡萄糖(C6H12O6·H2O)和氫氧化鈉(NaOH)等均為分析純，購于國藥集團；實驗用水為去離子水。

傅立葉變換紅外光譜儀(Nicolet iS10，美國)，電化學分析儀(VersaSTAT3，美國)，掃描電子顯微鏡(Hitachi S-4800，日本)，超聲波清洗機(SB25-120,寧波新芝)，CHI660E電化學工作站(上海辰華)，三電極體系：玻碳電極(GCE,5.0 mm)及其修飾電極作為工作電極，鉑絲電極為對電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極。

1.2 實驗過程

將直徑5 mm的玻碳電極在0.05 μm Al2O3粉上打磨光滑，用水沖洗干凈，高純N2吹干備用。將殼聚糖溶于稀醋酸(0.8%，體積分數(shù))，攪拌2 h得10 mg/L的殼聚糖溶液。再將石墨烯超聲分散于殼聚糖溶液中，得到石墨烯-殼聚糖溶液(CS-GH，1 mg/mL)。

取5 μL制備好的CS-GH溶液滴涂到玻碳電極表面，室溫過夜晾干，得GCE/CS-GH電極。將GCE/CS-GH電極置于由0.01 mol/L NaCl和0.01 mol/L CuCl2組成的沉積液中，以飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，沉積電位-1.0 V，沉積700 s后以水沖洗電極，得GCE/CS-GH/Cu電極。所有電化學實驗均通N2除氧，且實驗過程中保持N2氣氛圍。

2 結果與討論

2.1 殼聚糖膜(CS)與殼聚糖-石墨烯膜(CS-GH)的紅外光譜

實驗以傅立葉紅外光譜法考察了殼聚糖膜與殼聚糖-石墨烯復合膜的區(qū)別(圖1)。相比于純殼聚糖膜(圖1a)，殼聚糖-石墨烯復合膜的紅外光譜圖(圖1b)中，殼聚糖的羥基(—OH)、氨基(—NH2)特征峰分別向長波長方向發(fā)生偏移且強度減小，說明石墨烯顆粒已分散結合于殼聚糖溶液中，形成均勻的殼聚糖-石墨烯復合膜。

圖1 殼聚糖膜(a)與殼聚糖-石墨烯復合膜(b)的紅外光譜圖Fig.1 Infrared spectra of chitosan film(a) and chitosan-graphene film(b)

2.2 電極表面形態(tài)的表征

實驗中通過掃描電鏡圖(SEM)對電沉積納米Cu的形貌進行了直觀表征(圖2)。其中圖2A為殼聚糖-石墨烯復合膜在玻碳電極表面的SEM圖，由圖可知殼聚糖-石墨烯復合膜提供了一個巨大、較粗糙的表面，更有利于Cu顆粒的沉積。圖2B為在殼聚糖-石墨烯復合膜表面電沉積納米Cu顆粒后的SEM圖。由圖可清晰看到Cu顆粒已成功在電極表面沉積，且在電極表面呈樹枝狀結構，使得修飾電極具有更大的表面積，沉積的納米Cu顆粒也將極大改善復合膜的導電能力。

2.3 電極表面的交流阻抗

在0.1 mol/L 磷酸鹽緩沖溶液(PBS)中，以5 mmol/L K3[Fe(CN)6]和5 mmol/L K4[Fe(CN)6]組成的氧化還原電對為探針分子，以電化學交流阻抗法考察了修飾電極的表面性質(zhì)(圖3)。其中曲線a是裸玻碳電極的阻抗圖，曲線b和c分別代表GCE/CS-GH和GCE/CS-GH/Cu修飾電極的阻抗行為。如圖所示，GCE/CS-GH電極在高頻區(qū)的半圓直徑比裸玻碳電極大幅增加，由此可見修飾殼聚糖-石墨烯膜后電極的導電性變差，這可能是因為雖然石墨烯具有良好的導電性，但殼聚糖的存在使導電性變差。而在GCE/CS-GH電極表面沉積納米Cu之后，所得電極的阻抗譜圖中半圓直徑大幅減小，說明納米Cu極大改善了復合膜的導電性。

圖3 裸GCE(a)、GCE/CS-GH(b)與GCE/CS-GH/Cu(c)的交流阻抗圖 Fig.3 Electrochemical impedance spectroscopy of bare GCE(a),CS-GH(b) and CS-GH/Cu(c) modified electrodes 0.1 mol/L PBS(pH 7.0) with 5 mmol/L K3 [Fe(CN)6]+ 5 mmol/L K4 [Fe(CN)6]

圖4 不同修飾電極的循環(huán)伏安圖Fig.4 Cyclic voltammograms of different electrodes by sweeping potential from -0.2 V to 0.6 Va.GCE/CS, b.GCE/CS-GH, c.GCE/CS/Cu, d.GCE, e.GCE/CS-GH/Cu;scan rate：100 mV/s，solution：0.1 mol/L KCl with 1 mmol/L K3 [Fe(CN)6]

2.4 電沉積時間的影響

在5 mL 0.01 mol/L NaCl和0.01 mol/L CuCl2的沉積液中，沉積電位-1.0 V，考察了沉積時間分別為500、600、660、700、760、800 s時所制備的GCE/CS-GH/Cu對葡萄糖催化電流的影響。結果表明當沉積時間由500 s延長至700 s時，響應電流逐漸增大。沉積時間大于700 s時，所制備電極對葡萄糖的催化能力反而降低，這可能是因為過長的沉積時間導致沉積Cu顆粒過大，使修飾電極的電活性面積減小，因而實驗中沉積時間選擇700 s。

2.5 修飾電極的電化學活性

采用循環(huán)伏安法對不同材料修飾電極的電化學活性進行考察(圖4)，檢驗了不同修飾電極在含有1 mmol/L K3[Fe(CN)6]的0.1 mol/L KCl溶液中的循環(huán)伏安行為。由圖可知Fe3+在GCE/CS(圖4a)和GCE/CS/Cu(圖4c)電極上幾乎沒有氧化還原響應，說明純殼聚糖膜的導電性較差。GCE/CS-GH(圖4b)電極的電流信號相比于前兩者有所改善，這得益于石墨烯的高導電性，但電流信號仍比裸GCE電極(圖4d)弱。而在殼聚糖-石墨烯膜上沉積納米Cu后，氧化電流急劇增大，形成明顯的氧化峰。說明在石墨烯與納米Cu協(xié)同作用下，CS-GH/Cu(圖4e)復合膜修飾電極顯示出較強的電化學活性。

2.6 GCE/CS-GH/Cu電極的電化學性質(zhì)

圖5 CS-GH/Cu(a)、CS-GH(b)、CS/Cu(c)修飾電極對葡萄糖響應的循環(huán)伏安圖Fig.5 Cyclic voltammograms of CS-GH/Cu(a), CS-GH(b) and CS/Cu(c) modified electrodes sweeping potential：from 0.0 V to 0.8 V(vs.SCE)；scan rate：100 mV/s；solution：0.1 mol/L NaOH with 6.0×10-4 mol/L glucose

圖6 GCE/CS-GH/Cu對葡萄糖的循環(huán)伏安響應Fig.6 Cyclic voltammograms of GCE/CS-GH/Cusweeping potential：0.0 V to 0.8 V(vs.SCE)；scan rate：100 mV/s；solution：0.1 mol/L NaOH with 4.2×10-4 mol/L glucose (b) and without glucose(a)

在含有6.0×10-4mol/L葡萄糖的0.1 mol/L NaOH溶液中，采用循環(huán)伏安法分別對不同修飾電極的電化學行為進行了考察(圖5)。由圖可知，GCE/CS-GH(圖5b)和GCE/CS/Cu(圖5c)對葡萄糖無電化學響應，而GCE/CS-GH/Cu電極在0.45 V左右對葡萄糖有明顯的催化作用(圖5a)，氧化電流急劇增大。說明沉積Cu對葡萄糖分子在電極表面的催化氧化具有關鍵作用，替代了傳統(tǒng)酶電極中的生物酶。由此可推測，沉積Cu在堿性條件下對葡萄糖的催化氧化機理如下[7]：

Cu+2OH-→Cu(OH)2+2e

Cu(OH)2+OH-→CuOOH+H2O+e

CuOOH+Glucose→Gluconolactone+Cu(OH)2

Gluconolactone→Gluconic acid

圖6為GCE/CS-GH/Cu電極在空白0.1 mol/L NaOH溶液中及葡萄糖濃度為 4.2×10-4mol/L時的循環(huán)伏安圖。當NaOH溶液中不含葡萄糖時，修飾電極沒有發(fā)生明顯的氧化還原反應(圖6a)。而在溶液中加入葡萄糖后，產(chǎn)生明顯可測的氧化電流(圖6b)，由此可知GCE/CS-GH/Cu電極對葡萄糖具有較靈敏的催化氧化作用。

2.7 葡萄糖檢測

在0.1 mol/L NaOH溶液中，工作電位為0.45 V，不斷加入一定量的2.8×10-2mol/L葡萄糖溶液，采用計時電流法研究了GCE/CS-GH/Cu電極對葡萄糖的檢測。實驗可得，該電極對葡萄糖的響應在5 s內(nèi)可達到穩(wěn)定值。葡萄糖濃度在5.6×10-5～1.2×10-3mol/L范圍內(nèi)與氧化電流呈線性關系，回歸方程為I(μA)=1.94+42.93c(mmol/L)，r=0.994，檢出限(S/N=3)為2.3×10-5mol/L。

2.8 電極的重現(xiàn)性、穩(wěn)定性及選擇性檢測

表1 修飾電極與ACA對于血樣中葡萄糖的檢測結果對比Table 1 Comparative analysis of glucose concentration detected by modified electrode and ACA

將制備好的GCE/CS-GH/Cu電極在含有1.6×10-4mol/L葡萄糖的0.1 mol/L NaOH溶液中，連續(xù)循環(huán)伏安掃描6次，得到基本重合的曲線。將制備好的電極在室溫放置1個月，同樣條件對葡萄糖進行檢測，峰電流仍能達到最初的90%。

在含有1.6×10-4mol/L葡萄糖的0.1 mol/L NaOH溶液中，以循環(huán)伏安法考察了實際樣品中可能存在的干擾物質(zhì)(硝酸鉀、氟化銨、尿酸、半胱氨酸及抗壞血酸)對修飾電極響應信號的影響，且干擾物質(zhì)的濃度為葡萄糖濃度的10倍。實驗結果表明，這5種物質(zhì)對修飾電極的影響可以忽略不計。

2.9 樣品測定

實驗血樣及血糖值由濰坊醫(yī)學院附屬醫(yī)院檢驗科提供，隨機抽取8份血樣進行一定比例的稀釋，使其濃度位于修飾電極的線性范圍內(nèi)，將檢測結果與全自動生化儀(ACA)所測數(shù)據(jù)進行比對，每次測定的相對誤差均低于10.5%(表1)，說明該修飾電極的檢測是可信的。

3 結 論

本實驗采用簡單的滴涂、電沉積等方式在玻碳電極表面修飾了殼聚糖-石墨烯/納米銅復合膜，該修飾電極在NaOH溶液中對葡萄糖有較靈敏的電化學響應，可用于葡萄糖的定量檢測。該修飾電極制備過程簡單，且因未使用生物酶而使其重現(xiàn)性、穩(wěn)定性較好，可為葡萄糖電化學傳感器的制備提供一定的參考。

致謝：本論文的完成得益于山東大學化學化工學院鄒桂征教授課題組的大力支持，在此表示誠摯的感謝。

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Preparation of Nano-copper/Graphene-Chitosan Composite Membrane Modified Electrode and Its Direct Determination of Glucose

PAN Qian-xiu*，CHENG Yuan-zheng，WANG Jiang-yun，ZHANG Feng-lian，DENG Shu-e

(Department of Chemistry,Weifang Medical University,Weifang 261053，China)

The enzyme-free detection of glucose was achieved by using the nano-copper/graphene-chitosan composite matrix modified glass carbon electrode.The microstructure of the composite matrix was characterized by scanning electron microscopy(SEM),FT-IR spectrum and electrochemical impedance spectroscopy(EIS).The electrochemistry behavior of the modified electrode was investigated by cyclic voltammetry and chronoamperometry.The results showed that the modified electrode exhibited a good catalytic oxidation of glucose in 0.1 mol/L NaOH and with a wide linear range of 5.6×10-5-1.2×10-3mol/L and a low detection limit of 2.3×10-5mol/L(at signal/noise ratioS/N= 3).The modified electrode could be used to detect the real samples with a good stability and repeatability.

nano-copper;graphene-chitosan composite membrane;modified electrode;glucose

O657.1；TS245.4

：A

：1004-4957(2017)09-1145-05

2017-04-25；

：2017-06-22

山東省自然科學基金項目(ZR2015BL003)；山東省高等學校科技計劃項目(J14LC19)

*

：潘芊秀，碩士，講師，研究方向：電分析化學，Tel: 0536-8462065，E-mail: pqx2005@wfmc.edu.cn

10.3969/j.issn.1004-4957.2017.09.016