枝晶狀納米銅修飾激光誘導(dǎo)石墨烯電化學(xué)傳感器的制備及其在葡萄糖檢測(cè)中的應(yīng)用

梅正方， 姚夢(mèng)婷， 陳榮生*， 胡成國(guó)

(1.武漢科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，湖北武漢 430081；2.武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430072)

糖尿病是一種由代謝紊亂引起的、難以治愈的疾病，近年來(lái)成為世界上導(dǎo)致病人死亡和殘疾的重要原因之一[1 - 4]，因此，準(zhǔn)確檢測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)控人體中葡萄糖濃度就顯得至關(guān)重要。迄今為止，已經(jīng)報(bào)道了許多用于葡萄糖含量分析的技術(shù)，如液相色譜、表面等離振子共振、熒光光譜、化學(xué)發(fā)光等[5 - 8]。盡管這些技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)，但存在成本高昂、純化步驟多、檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)和需要經(jīng)常維護(hù)等不足。電化學(xué)分析由于其高靈敏度和出色的選擇性，已成為一種快速、實(shí)時(shí)檢測(cè)葡萄糖濃度的有效方法[9 - 12]。此外，與傳統(tǒng)的分析技術(shù)相比，它們更便宜、更簡(jiǎn)單、分析時(shí)間更短，因此電化學(xué)葡萄糖傳感器自開發(fā)以來(lái)便獲得了巨大成功[13]。酶具有專一性，目前普遍采用酶修飾的電極用于測(cè)定葡萄糖含量。但是酶對(duì)環(huán)境條件非常苛刻，極易失活[14 - 18]，因此穩(wěn)定性高、成本低、靈敏度高和重復(fù)性強(qiáng)的非酶葡萄糖傳感器受到人們廣泛的關(guān)注。

基于Cu納米材料的修飾電極對(duì)葡萄糖的氧化具有催化作用，可以用來(lái)代替葡萄糖氧化酶，因此被人們廣泛研究[19]。在本文中，我們采用激光雕刻技術(shù)，在柔性聚酰亞胺(PI)薄膜表面構(gòu)筑激光誘導(dǎo)石墨烯(LIG)三電極陣列，然后通過(guò)電沉積方法，分別制備Ag/AgCl參比電極和枝晶狀納米銅修飾的工作電極，發(fā)展出低成本、高性能的柔性非酶型葡萄糖電化學(xué)傳感器。該傳感器工作電極上高比表面的LIG不但為Cu的生長(zhǎng)提供了大量附著位點(diǎn)，還可以加快電荷傳輸速度。同時(shí)，以LIG作為對(duì)電極，所構(gòu)建的三電極體系，三個(gè)電極均在同一基底上制備，無(wú)需額外引入電極，為檢測(cè)過(guò)程提供了極大的方便。并且，整個(gè)器件都具備柔性，因此有望應(yīng)用于可穿戴式葡萄糖傳感器。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器及試劑

Y7WDKJ激光雕刻機(jī)(上海雕途實(shí)業(yè)有限公司)；CHI660E電化學(xué)工作站(上海辰華有限公司)；FEI Nova 400 Nano場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)(美國(guó)，F(xiàn)EI有限公司)；Thermo DXR拉曼光譜儀(美國(guó)，Thermo Fisher公司)；Thermo Scientific K-Alpha+ X射線光電子能譜儀(美國(guó)，Thermo Fisher公司)；Philips X’Pert Pro X射線衍射儀(荷蘭，Philips公司)。

聚酰亞胺(PI)薄膜(昌達(dá)盛電子有限公司)；AgNO3(上海凌峰化學(xué)試劑有限公司)；鹽酸多巴胺(阿拉丁試劑有限公司)；尿酸、5-羥基色胺鹽酸鹽(薩恩化學(xué)技術(shù)有限公司)；丙酮、無(wú)水乙醇、NaNO3、K3[Fe(CN)6]、HCl、CuCl2·2H2O、葡萄糖、NaOH、KCl和抗壞血酸，均購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。水為蒸餾水。

1.2 LIG的制備

將厚度為125 μm的PI薄膜用剪刀剪成6 cm×6 cm的小片，置于超聲波清洗器中依次用丙酮、乙醇和蒸餾水各超聲清洗3 min，以除去薄膜表面的雜質(zhì)，并用氮?dú)獯蹈伞Ｈ缓髮⑻幚砗玫腜I薄膜平放在激光焦點(diǎn)下，并固定四周，設(shè)計(jì)圖案，調(diào)整激光參數(shù)為：功率5 W，掃描速度230 mm/s。完成后的樣品依次用乙醇和蒸餾水沖洗數(shù)秒，以除去碳化后樣品表面雜質(zhì)，然后用氮?dú)獯蹈伞ｋS后在LIG相應(yīng)區(qū)域涂抹銀膠增強(qiáng)導(dǎo)電性，并用環(huán)氧樹脂絕緣膠封裝，將傳感區(qū)域和導(dǎo)電區(qū)域分隔開。其中，工作電極面積為0.26 cm2，參比電極面積為0.29 cm2，對(duì)電極面積為0.61 cm2。

1.3 Ag/AgCl修飾參比電極的制備

稱取0.4247 g的AgNO3和0.425 g的NaNO3，加入50 mL的蒸餾水?dāng)嚢枞芙猓渲瞥?.05 mol/L的AgNO3和0.1 mol/L的NaNO3混合溶液。隨后用電極夾夾住LIG的參比電極導(dǎo)電區(qū)域，將傳感區(qū)域在上述溶液中浸泡30 min，使LIG的多孔結(jié)構(gòu)與電解液充分接觸。以LIG作為工作電極，Ag/AgCl作為參比電極，鉑片作為對(duì)電極，在攪拌下以電流密度為5 mA/cm2的陰極電流下電沉積2 400 s，然后用蒸餾水沖洗30 s并用氮?dú)獯蹈桑吹玫紸g/LIG。將上述制備的Ag/LIG作為工作電極，保持參比電極和對(duì)電極不變，以50 mL 2 mol/L HCl作為電解液，在電流密度為5 mA/cm2的陽(yáng)極電流下電沉積2 400 s，然后用蒸餾水沖洗30 s，并用氮?dú)獯蹈桑?0 ℃的干燥箱中干燥12 h，即得到Ag/AgCl修飾LIG參比電極(Ag/AgCl/LIG)。

1.4 枝晶狀納米銅修飾工作電極的制備

稱取0.0341 g的CuCl2，加入50 mL的蒸餾水超聲溶解，配制成4 mmol/L的CuCl2溶液，同時(shí)取2 mol/L的HCl 50 μL，加入到配制好的CuCl2溶液中并攪拌混合均勻。用電極夾夾住LIG的工作電極導(dǎo)電區(qū)域，將傳感區(qū)域在上述溶液中浸泡30 min，以LIG作為工作電極，飽和甘汞電極(SCE)作為參比電極，鉑片作為對(duì)電極，在-1.5 V的電位下進(jìn)行恒電位電沉積600 s，然后用蒸餾水沖洗30 s并用氮?dú)獯蹈桑?0 ℃的干燥箱中干燥12 h，即得到枝晶狀納米銅修飾LIG工作電極(Cu/LIG)。

電沉積時(shí)間優(yōu)化：保持其他條件不變，選擇電沉積時(shí)間分別為300 s、600 s、900 s、1 200 s、1 500 s。在0.1 mol/L NaOH和0.1 mol/L KCl的混合溶液中進(jìn)行恒電位階躍曲線(i-t)測(cè)試，通過(guò)比較電流響應(yīng)確定最優(yōu)電沉積時(shí)間。

電沉積電位優(yōu)化：保持其他條件不變，選擇電沉積電位分別為-0.75 V、-1.0 V、-1.25 V、-1.50 V、-1.75 V。在0.1 mol/L NaOH和0.1 mol/L KCl的混合溶液中進(jìn)行恒電位階躍曲線(i-t)測(cè)試，通過(guò)比較電流響應(yīng)確定最優(yōu)電沉積電位。

整個(gè)制備過(guò)程的圖案設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 柔性自支撐葡萄糖傳感器的制備示意圖Fig.1 Schematic diagram of preparation of flexible free-standing glucose sensor

2 結(jié)果與討論

2.1 枝晶狀Cu/LIG的形貌和結(jié)構(gòu)表征

圖2(a)～2(f)分別是LIG、Cu/LIG -300 s、Cu/LIG -600 s、Cu/LIG -900 s、Cu/LIG -1 200 s和Cu/LIG -1 500 s的掃描電鏡(SEM)圖。由圖2(a)可以看出，LIG表面由許多孔洞和褶皺組成，這種結(jié)構(gòu)具有較大比表面積，可以為Cu的生長(zhǎng)提供大量附著位點(diǎn)。當(dāng)沉積時(shí)間為300 s時(shí)，如圖2(b)所示，LIG表面有許多針狀的Cu，隨著電沉積時(shí)間延長(zhǎng)到600 s，從圖2(c)中可以看出Cu呈現(xiàn)出明顯的枝晶狀，這種結(jié)構(gòu)在各個(gè)方向均有生長(zhǎng)，形成三維結(jié)構(gòu)，比表面積較大。當(dāng)沉積時(shí)間進(jìn)一步增加到900 s，如圖2(d)中所示，枝晶結(jié)構(gòu)變粗，類似于米粒，從而導(dǎo)致比表面積有所下降。當(dāng)繼續(xù)延長(zhǎng)沉積時(shí)間，如圖2(e)和2(f)，枝晶狀結(jié)構(gòu)繼續(xù)變粗，呈現(xiàn)出葉片狀。

圖2 LIG(a)、Cu/LIG -300 s(b)、Cu/LIG -600 s(c)、Cu/LIG -900 s(d)、Cu/LIG -1 200 s(e)和Cu/LIG -1 500 s(f)的掃描電鏡(SEM)圖Fig.2 SEM images of LIG(a),Cu/LIG -300 s(b),Cu/LIG -600 s(c),Cu/LIG -900 s(d),Cu/LIG -1 200 s(e) and Cu/LIG -1 500 s(f)

圖3是Cu/LIG -600 s的X射線衍射(XRD)圖，在2θ為43.4°和50.4°處的衍射峰對(duì)應(yīng)著Cu的(111)和(200)晶面(JCPDF 89-2838)。在電沉積過(guò)程中，生成的Cu結(jié)晶性較差，因此衍射峰的強(qiáng)度較低。

圖3 Cu/LIG -600 s的X射線衍射(XRD)圖Fig.3 XRD pattern of Cu/LIG -600

X射線光電子能譜(XPS)測(cè)試可以用來(lái)分析復(fù)合材料Cu/LIG -600 s的元素種類和化學(xué)價(jià)態(tài)。圖4(a)是該復(fù)合材料的全譜圖，顯示出樣品主要包含C、O、Cu三種元素。圖4(b)為C 1s的高分辨XPS譜圖，在284.7 eV的特征峰對(duì)應(yīng)著C-C鍵，它來(lái)自于基底LIG。O 1s的高分辨XPS譜圖如圖4(c)所示，530.7、532.7 eV兩個(gè)特征峰分別歸因于Cu-O鍵和表面吸附的羥基。在圖4(d)中，933.4、953.6 eV兩個(gè)峰分別對(duì)應(yīng)著Cu 2p3/2和Cu 2p1/2，后者證明了Cu2+的存在，而前者無(wú)法確定是Cu+還是單質(zhì)Cu[20，21]。結(jié)合XRD分析結(jié)果可得，此處應(yīng)該對(duì)應(yīng)著Cu。綜合相關(guān)材料表征可知，該枝晶狀物質(zhì)由Cu和少量的CuO組成。

圖4 Cu/LIG -600 s的X射線光電子能譜(XPS)全譜圖(a)以及C 1s(b)、O 1s(c)和Cu 2p(d)的高分辨譜圖Fig.4 XPS spectra of Cu/LIG -600 s(a) and core -level spectra of C 1s(b),O 1s(c),Cu 2p(d)

2.2 枝晶狀Cu/LIG的電化學(xué)測(cè)試

圖5(a)是以LIG為工作電極，鉑片為對(duì)電極，分別以自制Ag/AgCl(參比電極1)和商用Ag/AgCl(參比電極2)(3 mol/L KCl)為參比電極，在5 mmol/L K3[Fe(CN)6]和0.1 mol/L KCl混合溶液中，于掃描速率為20 mV/s時(shí)得到的循環(huán)伏安(CV)曲線。圖中顯示不同參比電極的CV曲線形狀一致，兩個(gè)參比電極的氧化峰和還原峰電位差值相等，說(shuō)明自制的Ag/AgCl可以作為參比電極使用。0.1 mol/L NaOH溶液為Cu基葡萄糖傳感器測(cè)試提供了堿性環(huán)境，而0.1 mol/L KCl則為自制Ag/AgCl參比電極的穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。葡萄糖傳感器后續(xù)的電化學(xué)測(cè)試均在0.1 mol/L NaOH和0.1 mol/L KCl的混合溶液中進(jìn)行。圖5(b)的CV曲線顯示，LIG在有無(wú)2 mmol/L的葡萄糖的溶液中曲線幾乎重合，說(shuō)明LIG對(duì)葡萄糖沒有響應(yīng)，而Cu/LIG在含2 mmol/L葡萄糖溶液中出現(xiàn)明顯的氧化峰，說(shuō)明復(fù)合電極對(duì)葡萄糖的響應(yīng)來(lái)源于負(fù)載的Cu。圖5(c)表明Cu/LIG對(duì)葡萄糖的響應(yīng)隨著其濃度增加而增加。

圖5 (a)5 mmol/L K3[Fe(CN)6] 和0.1 mol/L KCl混合溶液中在不同參比電極上得到的循環(huán)伏安(CV)曲線(掃描速率為20 mV/s)；(b)LIG和Cu/LIG在有、無(wú)2 mmol/L葡萄糖的CV曲線；(c)Cu/LIG在含有0、0.5、1.0、1.5、2.0 mmol/L葡萄糖溶液中的CV曲線(掃描速度均為50 mV/s)Fig.5 (a) CV curves recorded with different reference electrodes in 5 mmol/L K3[Fe(CN)6] and 0.1 mol/L KCl(Scan rate:20 mV/s);(b) CV curves of LIG and Cu/LIG in the absence and presence of 2.0 mmol/L glucose；(c) CV curves of Cu/LIG in the presence of 0,0.5,1.0,1.5 and 2.0 mmol/L glucose in 0.1 mol/L NaOH and 0.1 mol/L KCl(Scan rate:50 mV/s)

圖6(a)～6(c)顯示了不同條件制備的傳感器對(duì)葡萄糖的安培響應(yīng)。分別在-0.75、-1.0、-1.25、-1.5 和-1.75 V的電位下電沉積600 s制備的電極，在0.1 mol/L NaOH和0.1 mol/L KCl的混合溶液中，施加0.5 V測(cè)試電位時(shí)，連續(xù)5次加入100 μmol/L葡萄糖的i-t曲線，該曲線呈現(xiàn)明顯階梯狀遞增。圖6(d)為安培響應(yīng)和信噪比(S/N)隨制備電位的變化關(guān)系圖。如圖所示，在電沉積電位為-1.5 V時(shí)兩者均達(dá)到最大值，說(shuō)明該條件為最優(yōu)制備電位。圖6(e)顯示了以上述最優(yōu)沉積電位電沉積600 s制備的樣品，在0.1 mol/L NaOH和0.1 mol/L KCl的混合溶液中，施加測(cè)試電位分別為0.3、0.4、0.5、0.6和0.7 V時(shí)，連續(xù)加入5次100 μmol/L葡萄糖的i-t曲線和響應(yīng)電流、信噪比與檢測(cè)電位的關(guān)系。由圖6(e)可知，在施加0.5 V時(shí)具有最高的響應(yīng)電流和信噪比值，因此后續(xù)電化學(xué)測(cè)試均在此電位下進(jìn)行。為了優(yōu)化電沉積時(shí)間，在上述最優(yōu)沉積電位下分別電沉積300、600、900、1 200和1 500 s，同時(shí)施加上述最優(yōu)測(cè)試電位，在0.1 mol/L NaOH和0.1 mol/L KCl的混合溶液中連續(xù)五次加入100 μmol/L葡萄糖。圖6(f)顯示當(dāng)沉積時(shí)間為600 s時(shí)，具有最高的電流響應(yīng)以及信噪比，因此此條件為最優(yōu)電沉積時(shí)間，在最優(yōu)條件下制備的復(fù)合電極記作Cu/LIG-600 s。綜上所述，枝晶狀Cu/LIG復(fù)合電極的最優(yōu)制備條件為在-1.5 V的電位下電沉積600 s，最優(yōu)的安培檢測(cè)電位為0.5 V。

圖6 連續(xù)向0.1 mol/L NaOH和0.1 mol/L KCl的混合溶液中注入5次100 μmol/L葡萄糖，(a)、(b)、(c)是不同條件的i -t曲線和(d)、(e)、(f)與之對(duì)應(yīng)的安培響應(yīng)(黑色)和信噪比(紅色):(a)、(d)不同電位下沉積600 s制備的Cu/LIG，施加0.5 V測(cè)試電位。(b)、(e)以-1.5 V電位電沉積600 s制備的Cu/LIG，施加不同的測(cè)試電位。(c)、(f)以-1.5 V電位不同沉積時(shí)間制備的Cu/LIG，施加0.5 V測(cè)試電位。Fig.6 Successive injection of 100 μmol/L glucose five times into a mixed solution of 0.1 mol/L NaOH and 0.1 mol/L KCl with continuous stirring:different electrodeposition voltages for 600 s at an applied potential of 0.5 V(a),(d);different applied test potentials with an electrodeposition voltage of -1.5 V for 600 s,(b),(e);different electrodeposition times with an electrodeposition voltage of -1.5 V and an applied potential of 0.5 V(c),(f).

圖7(a)顯示了Cu/LIG -600 s在連續(xù)加入10次20 μmol/L葡萄糖溶液時(shí)的i-t曲線，其電流響應(yīng)呈現(xiàn)出明顯的階梯狀增加，每個(gè)階梯之間的高度近似相等，這一點(diǎn)在圖7(b)的響應(yīng)電流柱形圖中得到印證。同時(shí)計(jì)算可得，10次添加對(duì)應(yīng)的電流響應(yīng)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為2.96%，該結(jié)果表明制備的Cu/LIG -600 s電極具有較高的穩(wěn)定性和良好的重現(xiàn)性。在圖7(c)的插圖中，當(dāng)加入葡萄糖濃度低至0.5 μmol/L時(shí)，依然有明顯的階梯電流響應(yīng)，表明該電極具有高靈敏度。不同濃度葡萄糖對(duì)應(yīng)的響應(yīng)電流如圖7(d)所示，其線性擬合圖表明制備的柔性非酶葡萄糖傳感器線性范圍為0.5～365.5 μmol/L，且具有較高的靈敏度(1 554.5 μA/(mmol/L·cm2))和較低的檢測(cè)限(0.098 μmol/L，S/N=3)。

圖7 向0.1 mol/L NaOH和0.1 mol/L KCl的混合溶液中連續(xù)加入10次20 μmol/L葡萄糖的i -t曲線(a)及其對(duì)應(yīng)的響應(yīng)電流柱形圖(b)(測(cè)試電位為0.5 V)，連續(xù)加入不同濃度葡萄糖(0.5、1、2、5、10、20、50、100、200 μmol/L，每組3次)的i -t曲線(c)(插圖為前9次加入的放大圖)，響應(yīng)電流與葡萄糖濃度的線性擬合曲線(d)。圖中誤差棒表示3次平行實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。Fig.7 (a) Amperometric responses of successive injection of 20 μmol/L glucose for ten times into a mixed solution of 0.1 mol/L NaOH and 0.1 mol/L KCl with continuous stirring at an applied potential of 0.5 V,(b) response currents for each addition,(c) amperometric responses in a mixed solution of 0.1 mol/L NaOH and 0.1 mol/L KCl at an applied potential of 0.5 V with successive injection of different concentrations of glucose (0.5,1,2,5,10,20,50,100,200 μmol/L,three times per group).The inset shows the injection of glucose for the first nine times,(d) calibration plot of the responses to concentrations.The error bars represent the standard deviation from three parallel experiments.

與具有良好選擇性的酶基葡萄糖傳感器相比，非酶型葡萄糖傳感器在有共存物質(zhì)的體系中面臨著重大挑戰(zhàn)。人體血液中除了葡萄糖外，還有多巴胺、抗壞血酸、尿酸、5-羥色胺和組胺等生物分子，但是葡萄糖的濃度遠(yuǎn)高于這些干擾物質(zhì)。因此，往0.1 mol/L NaOH和0.1 mol/L KCl的混合溶液中連續(xù)加入100 μmol/L葡萄糖和20 μmol/L上述物質(zhì)的i-t曲線見圖8(a)。圖8(b)顯示出共存物質(zhì)的電流響應(yīng)與葡萄糖相比非常小，說(shuō)明制備的Cu/LIG -600 s電極在葡萄糖檢測(cè)中具有良好的抗干擾性能。

圖8 (a)向0.1 mol/L NaOH和0.1 mol/L KCl的混合溶液中連續(xù)加入100 μmol/L葡萄糖、20 μmol/L多巴胺、20 μmol/L抗壞血酸、20 μmol/L尿酸、20 μmol/L 5-羥色胺和20 μmol/L組胺的i -t曲線。(b)對(duì)應(yīng)物質(zhì)的響應(yīng)電流柱形圖(測(cè)試電位為0.5 V)。圖中誤差棒表示3次平行實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。Fig.8 (a) Amperometric responses of successive injection of 100 μmol/L glucose,20 μmol/L dopamine,20 μmol/L AA,20 μmol/L UA,20 μmol/L serotonin and 20 μmol/L histamine in a mixed solution of 0.1 mol/L NaOH and 0.1 mol/L KCl with continuous stirring at an applied potential of 0.5 V.(b) current responses of 20 μmol/L interfering species and 100 μmol/L glucose.The error bars represent the standard deviation from three parallel experiments.

3 結(jié)論

本文以柔性材料LIG為基底，采用電沉積方法制備了參比電極Ag/AgCl/LIG和工作電極Cu/LIG，構(gòu)建了一種柔性非酶型葡萄糖電化學(xué)傳感器。在最優(yōu)的條件下，傳感器具有優(yōu)異的靈敏度1 554.5 μA/(mmol/L·cm2)以及較低的檢測(cè)限0.098 μmol/L。此外，該傳感器對(duì)葡萄糖的響應(yīng)具有良好的重現(xiàn)性，連續(xù)10次測(cè)量20 μmol/L葡萄糖時(shí)響應(yīng)電流的RSD僅為2.96%。同時(shí)，對(duì)多巴胺、抗壞血酸、尿酸、5-羥色胺和組胺具有良好的抗干擾性能。