基于鎳/谷氨酸修飾電極的葡萄糖傳感

張成建,齊曉雯,李婷婷,劉豪杰,楊 妍

(南陽師范學院化學與制藥工程學院，河南 南陽 473061)

葡萄糖的含量對我們的健康有重大的影響，但當其含量長期比血液中的正常值高時，將會引發糖尿病。近年來，糖尿病患者愈來愈多，受到糖尿病影響的人在全球超過2.2億，而且糖尿病患者的數量在20年內預計會翻倍[1]。定量準確測定葡萄糖的原因不僅僅是在糖尿病診斷領域的要求越來越高，而且在臨床醫學、環境保護和食品工業等領域的要求也越來越迫切。近年來，大量工作致力于研究開發快速、穩定、準確檢測葡萄糖的方法[2]。

在過去五十年中，酶葡萄糖傳感器占據了大部分的葡萄糖傳感的研究和開發市場。然而，酶葡萄糖傳感器的許多缺點阻礙了它們的進一步發展。如易受到溫度、濕度、pH以及樣品溶液中離子的影響，且成本較高、穩定性差等缺點，限制了它的普遍應用[3]。為了克服這些缺點，無酶的葡萄糖傳感器已經得到迅速發展。

無酶葡萄糖的電極活性材料是影響電化學傳感器的關鍵性因素，鎳顆粒材料具有傳送物質迅速、電催化活性較高以及生物相容性較好等諸多優點[4]。聚谷氨酸是一種合成氨基酸聚合物，它的構造特點與生物高聚物的模型很類似[5]。本文擬通過電化學沉積的方法的得到了鎳/聚谷氨酸修飾電極(Ni /PGA /GCE電極)。通過采用循環伏安法和計時-電流法考察了Ni /PGA /GCE電極對葡萄糖的電化學催化性能。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

電子天平(FA1004上海天平儀器廠)，移液槍(德國eppendorf)，電化學工作站CHI600A(辰華儀器有限公司)，參比電極(SCE，223型飽和甘汞電極)，輔助電極(對電極，鉑柱電極)，工作電極(谷氨酸和鎳修飾的玻碳電極)，超純水器(GenPure UV-TOC/UF)。

硫酸鎳(天津市風船科技有限公司)，谷氨酸(Glu，上海政翔化學試劑研究所)，葡萄糖(G，國藥集團化學試劑有限公司)D-果糖(F，國藥集團化學試劑有限公司)，抗壞血酸(Vc，華東師范大學化工廠)，鹽酸多巴胺(DA，阿拉丁)，尿酸(UA，國藥集團化學試劑有限公司)，L-賴氨酸(Lys，上海政翔化學試劑研究所)。

1.2 修飾電極的制備

先用少量水將麂皮拋光布潤濕，然后將玻碳電極蘸取少量0.3 μm的氧化鋁拋光粉在其上面垂直畫圈打磨，沖洗干凈后，再重復上述操作用0.05 μm的氧化鋁拋光粉進行打磨，沖洗干凈。將打磨好的玻碳電極吹干備用。

將準備好的玻碳電極，鉑絲電極和飽和甘汞電極先放入配制好的含有1 mL 0.05 mol/L的L-谷氨酸溶液和9 mL 0.1 mol/L pH值=7.0的PBS緩沖溶液的混合溶液中采用循環伏安法(-0.5～2.0V)沉積。然后將上述的三電極體系清洗干凈后放置在配制好的1 mL 0.1 mol/L的NiSO4溶液和9 mL 0.1 mol/L pH值=7.0的PBS緩沖溶液的混合溶液中采用恒電沉積法沉積。將沉積好的玻碳電極用超純水沖洗干凈，記為Ni /PGA /GCE電極備用。

2 結果與討論

2.1 Ni/PGA /GCE電極對有無葡萄糖的電化學響應

圖1 Ni/PGA /GCE電極在無葡萄糖的NaOH溶液中

圖1是Ni /PGA /GCE電極在NaOH溶液中有無葡萄糖的循環伏安曲線圖(CVs)，其中實線a為無葡萄糖的NaOH溶液中的循環伏安曲線，虛線b為有葡萄糖的NaOH溶液中的循環伏安曲線。這是因為在堿性溶液中，Ni的反應如下：

Ni +2 OH-- 2e → Ni(OH)2

Ni(OH)2+ OH--e → NiO(OH)

當堿性溶液中加入葡萄糖溶液后，反應如下：

NiO(OH) + glucose → Ni(OH)2+ glucolactone

該電極可在堿性條件下將葡萄糖電催化氧化成葡萄糖內酯[6]。通過兩條曲線的還原峰的比較，Ni /PGA /GCE電極對含有葡萄糖的NaOH溶液的電化學響應較好。

2.2 Ni /PGA /GCE電極對葡萄糖的掃速研究

圖2 (A)不同掃速下，Ni /PGA /GCE電極在NaOH溶液中的循環伏安曲線圖；(B) Ni /PGA /GCE電極的氧化峰電流與掃速之間的關系曲線圖

圖2(A)是Ni /PGA /GCE電極在不同掃速條件下的循環伏安曲線圖。掃速分別為5 mv/s、10 mv/s、20 mv/s、50 mv/s、70 mv/s、100 mv/s、120 mv/s、150 mv/s、170 mv/s、200 mv/s，由圖A可以看出，隨著掃速的不斷增大，葡萄糖在該電極PGA/Ni/GCE上的氧化峰電流越來越大。由圖B可以看出，葡萄糖在該電極Ni /PGA /GCE上的氧化峰電流與掃速的平方根兩者之間呈線性關系，這可以表明葡萄糖在修飾電極PGA/Ni/GCE表面是擴散控制的[7]。

2.3 Ni/PGA /GCE電極對葡萄糖的電化學檢測

圖3 Ni /PGA /GCE電極的時間-電流曲線(A)；Ni /PGA /GCE電極的濃度-電流曲線(B)

圖3為PGA沉積5圈、Ni沉積60s、電位為0.4 V下，Ni /PGA/GCE電極的時間-電流曲線圖和濃度-電流曲線圖。在0.1 mol/L NaOH溶液中,依次加入不同濃度的葡萄糖溶液并伴隨著磁力攪拌。從圖A可以看出，待葡萄糖加入后，很快就達到響應平臺，響應呈階梯狀。從圖B可以看出，在0.001～1.000 mmol/L 之間葡萄糖的濃度與響應電流呈線性關系，表明Ni/PGA/GCE電極對葡萄糖的檢測有較好的響應,檢出限為0.25 μmol/L(S/N=3)。

3 結論

本文通過簡單電化學沉積的方法得到了鎳/聚谷氨酸修飾電極(Ni /PGA /GCE電極)。通過循環伏安法和計時-電流法對葡萄糖的檢測性能進行了探究。實驗結果表明Ni /PGA /GCE電極對葡萄糖檢測的線性范圍是0.001～1.000 mmol/L，檢測限為0.25 μmol/L。