基于NiMoO4納米棒的無酶型葡萄糖電化學傳感器

彭 程， 周 同， 魯 青

(華中科技大學同濟醫學院公共衛生學院環境醫學研究所，湖北武漢 430030)

糖尿病是一種胰島素分泌不足，或靶器官胰島素抵抗導致血糖水平升高的慢性疾病。持續的高血糖狀態會導致各種并發癥的出現，如心臟病、失明、腎衰竭等[1]。糖尿病患者通常使用酶型電化學血糖試紙檢測血糖水平，但酶的活性易受環境影響、穩定性相對較差，其應用和發展受限[2,3]。相比之下，無酶型葡萄糖電化學傳感器具有操作簡單、生產成本低、受氧氣干擾小等優勢。目前，應用于無酶型葡萄糖電化學傳感器的材料，主要包括貴金屬及其合金(如Au、Pt-Au和Pt-Pd)、過渡金屬及氧化物(如Cu/CuO、MnO2和Co3O4)和納米碳材料(如石墨烯和碳納米管)等[4 - 6]。與貴金屬和納米碳材料相比，過渡金屬及氧化物不僅具有良好的催化性能和穩定性，應用成本亦更為低廉。在堿性介質中，金屬鎳對葡萄糖的氧化具有良好的催化活性，因此鎳基材料如鎳合金、NiO和Ni(OH)2等均被用于構建無酶型葡萄糖電化學傳感器[7,8]。

雙金屬氧化物是一種重要的功能材料，被廣泛用于氣敏傳感器和電化學儲能裝置等領域[9,10]。雙金屬氧化物不僅具有良好的導電性和結構穩定性，還能產生協同效應。Tang等[11]制備了NiCoO2@CNTs改性電極，將雙金屬氧化物NiCoO2成功用于無酶型葡萄糖電化學傳感器的構建，該傳感器表現出良好的催化性能。本研究通過水熱反應和退火處理制備NiMoO4納米棒(NiMoO4NRs)，通過掃描電鏡和X射線衍射技術對該材料的形貌、成分和結構進行了表征。在此基礎上，使用所制備的NiMoO4NRs構建了無酶型葡萄糖電化學傳感器，并采用循環伏安法和計時電流法研究了傳感器對葡萄糖的傳感性能。

1 實驗部分

1.1 儀器及試劑

掃描電子顯微鏡(SEM，Sirion 200，荷蘭FEI公司)；X射線衍射儀(XRD，x’pert3 powder，荷蘭帕納科公司)；電化學工作站(CHI660C，上海辰華儀器公司)。

Nafion(5%)、多巴胺(分析純，購自Sigma公司)；尿酸(分析純，購自上海麥克林生化科技有限公司)；對乙酰氨基酚(分析純，購自阿拉丁試劑有限公司)；NaOH、Ni(NO3)2·6H2O、NaMoO4·2H2O、葡萄糖、KCl、抗壞血酸(分析純，購自國藥集團化學試劑有限公司)。實驗用水為去離子水。

1.2 實驗步驟

1.2.1 NiMoO4NRs的制備在室溫條件下，稱取4 g葡萄糖溶于40 mL去離子水，然后轉移至內襯為聚四氟乙烯的不銹鋼水熱反應釜(容積為70 mL)中，于180 ℃下連續反應6 h；待反應結束冷卻至室溫后，收集黑色的反應產物，并用去離子水和乙醇洗滌、離心數次；最后在真空干燥箱中在60 ℃干燥12 h，得到納米碳球。

稱取0.8724 g Ni(NO3)2·6H2O和0.7259 g NaMoO4·2H2O，分散于50 mL去離子水中并攪拌30 min；隨后加入0.164 g納米碳球，超聲10 min后再繼續攪拌30 min；然后將混合液轉移至水熱反應釜(容積為100 mL)中，于120 ℃下連續反應10 h。收集反應產物，用去離子水和乙醇各沖洗3次，離心收集沉淀物，置于真空干燥箱中在60 ℃下干燥12 h。最后將馬弗爐升溫至400 ℃后，放入干燥后的產物，退火1 h，得到黃綠色的最終產物，即NiMoO4NRs。

制備過程中不加入納米碳球，其余條件相同，可得到NiMoO4。

1.2.2 NiMoO4NRs/GCE傳感器的構建在絨布上用0.05 μm Al2O3拋光粉將玻碳電極(GCE，直徑3 mm)拋光打磨至鏡面，然后將電極置于1∶1的HNO3、去離子水和乙醇中分別超聲清洗，晾干后備用。稱取5 mg NiMoO4NRs，超聲分散于0.5%的Nafion水溶液中，得到分散均勻的NiMoO4NRs懸濁液(5 mg/mL)。用微量進樣器移取5 μL懸濁液均勻滴涂于打磨好的GCE表面，然后將電極置于60 ℃烘箱中干燥20 min，得到NiMoO4NRs/GCE。

NiMoO4/GCE的制備過程與NiMoO4NRs/GCE相同。

2 結果與討論

2.1 形貌與結構分析

我們采用掃描電鏡(SEM)對合成產物進行了形貌表征。圖1(A)和1(B)為NiMoO4NRs的SEM圖。結果顯示，NiMoO4NRs是由納米帶成束組裝形成的納米棒簇，長度從數百納米至3～4 μm，平均直徑約為100～200 nm。此結構有利于增加敏感材料的活性位點，增強電催化時敏感材料對葡萄糖分子的吸附。圖1(C)為NiMoO4的SEM圖。雖然制備得到的NiMoO4也呈納米棒狀，但納米棒大部分聚集成塊，分散較差。可見制備過程中納米碳球的加入較好地避免了納米棒團聚。圖1(D)為NiMoO4NRs的能譜(EDS)圖，顯示NiMoO4NRs樣品中Ni、Mo、O的元素比約為1∶1∶4，與NiMoO4的化學計量比一致，表明我們成功合成了雙金屬氧化物。

圖1 (A)NiMoO4NRs的掃描電鏡(SEM)圖；(B)NiMoO4NRs的SEM放大圖；(C)NiMoO4的SEM圖;(D)NiMoO4NRs的能譜(EDS)圖Fig.1 (A) SEM image of NiMoO4NRs;(B) Enlarged SEM image of NiMoO4NRs;(C) SEM image of NiMoO4;(D) EDS image of NiMoO4NRs

圖2為NiMoO4NRs的X射線衍射(XRD)圖。在該圖中，衍射峰出現在2θ分別為13.5°、22.7°、25.7°、29.4°、32.8°、34.2°、36.9°、45.5°、48.3°、61.8°處，分別對應于NiMoO4的(110)、(021)、(-112)、(220)、(022)、(222)、(-132)、(330)、(204)和(530)晶面，與標準卡片(JCPDS 86-0361)一致，且無其它雜峰。表明制備的NiMoO4NRs為α相的單斜晶體結構，且純度較高。

圖2 NiMoO4NRs的X射線衍射(XRD)譜圖Fig.2 XRD patterns of NiMoO4 NRs

2.2 NiMnO4NRs/GCE電化學表征

采用循環伏安法表征了NiMoO4NRs/GCE的電催化性能。圖3為GCE、NiMoO4/GCE和NiMoO4NRs/GCE在無葡萄糖，或含1 mmol/L葡萄糖的0.1 mol/L NaOH電解質溶液中的循環伏安曲線。GCE在兩種電解質溶液中均無電化學響應。NiMoO4/GCE和NiMoO4NRs/GCE在無葡萄糖的電解質溶液中均表現出一對氧化還原峰，其中NiMoO4/GCE的氧化還原峰在0.41 V和0.51 V處，而NiMoO4NRs/GCE的氧化還原峰在0.37 V和0.47 V處。

圖3 GCE、NiMoO4/GCE和NiMoO4NRs/GCE在無葡萄糖和含有1 mmol/L葡萄糖的0.1 mol/L NaOH電解質溶液中的循環伏安(CV)曲線(掃速50 mV/s)Fig.3 CV curves of GCE,NiMoO4/GCE and NiMoO4NRs/GCE in 0.1 mol/L NaOH solution in the absence and presence of 1 mmol/L glucose(Scan rate 50 mV/s)

據推測，這一對氧化還原峰對應的反應過程可能為：

與NiMoO4/GCE相比，NiMoO4NRs/GCE的氧化峰和還原峰電位均負移，表明NiMoO4NRs的結構更有利于電子傳遞。加入1 mmol/L葡萄糖后，NiMoO4/GCE和NiMoO4NRs/GCE的氧化峰電流均顯著增加，還原峰電流減小，說明GCE表面修飾的NiMoO4對葡萄糖的氧化具有催化作用。該過程可表示為：

與NiMoO4/GCE相比，NiMoO4NRs/GCE修飾電極上氧化還原峰電流的變化更為明顯。其原因是：NiMoO4NRs的納米結構具有更大的比表面積，可以為葡萄糖的氧化提供更多的活性位點。

2.3 分析性能

采用安培法對所構建傳感器的制備及測試條件進行了優化。研究結果表明，當NiMoO4NRs的負載量為6 μg，檢測電位為0.6 V時，該傳感器對葡萄糖具有最靈敏的電化學響應。如圖4(A)所示，在測試溶液中每次加入葡萄糖后，修飾電極上的響應電流快速增加并達到穩態。并且與NiMoO4/GCE相比，NiMoO4NRs/GCE修飾電極上響應電流的增加幅度更為明顯。表明NiMoO4NRs的納米結構更有利于葡萄糖的催化氧化。圖4(B)顯示了葡萄糖在修飾電極上的安培響應電流與其濃度之間的線性關系。NiMoO4NRs/GCE對葡萄糖的線性檢測范圍為0.2 μmol/L～2.633 mmol/L和2.633～10.133 mmol/L，其線性方程分別為：y=21.12x+0.295(R2=0.9980)和y=12.49x+23.660(R2=0.9960)，其靈敏度分別為469.3 μA/(mmol/L·cm2)和277.6 μA/(mmol/L·cm2)。在3倍信噪比(S/N=3)條件下，NiMoO4NRs/GCE的檢出限為0.02 μmol/L。與已報道的各種無酶型葡萄糖電化學傳感器相比(表1)，NiMoO4NRs/GCE具有更高的靈敏度和更低的檢出限，且線性檢測范圍較寬[11 - 16]。

圖4 (A)葡萄糖在NiMoO4NRs/GCE和NiMoO4/GCE上的安培響應；(B)葡萄糖在修飾電極上的安培響應電流與其濃度的線性擬合曲線Fig.4 (A) Amperometric response of glucose at NiMoO4NRs/GCE and NiMoO4/GCE;(B) Calibration plots of current vs concentration of glucose at NiMoO4 NRs/GCE and NiMoO4/GCE

選擇性、重現性和穩定性是評價傳感器分析性能的重要指標。圖5是不同物質在NiMoO4NRs/GCE上的安培響應。測試時，向測試溶液中依次加入1 mmol/L的葡萄糖、0.1 mmol/L的抗壞血酸(AA)、0.1 mmol/L的尿酸(UA)、0.1 mmol/L的對乙酰氨基酚(AP)和0.1 mmol/L的多巴胺(DA)。研究表明，加入葡萄糖時，修飾電極上的響應電流明顯增加；而加入AA、AP、DA和UA后，修飾電極上的響應電流分別為葡萄糖響應電流的5.65%、6.52%、3.04%和1.73%。因此，NiMoO4NRs/GCE對葡萄糖有良好的選擇性，對血液中常見干擾物質具有較好的抗干擾能力。此外，該傳感器還具有良好的重現性。在0.1 mol/L NaOH溶液中，測試0.5 mmol/L葡萄糖在修飾電極上的安培響應，平行測定4次，其相對標準偏差(RSD)為3.27%。與此同時，將NiMoO4NRs/GCE置于4 ℃冰箱10 d后，測試0.5 mmol/L葡萄糖在修飾電極上的安培響應，發現響應電流值仍可達到初始值的94.9%；20 d后，響應電流為初始電流的84.7%。說明NiMoO4NRs/GCE具有較好的穩定性。

圖5 NiMoO4NRs/GCE對葡萄糖和干擾物的安培響應Fig.5 Amperometric response of glucose and various interferences on NiMoO4NRs/GCE

2.4 血糖含量測定

采集了血糖水平高于、低于和處于正常范圍內的三份新鮮血樣，以2 500 r/min的速度進行離心處理，得到血清。采用標準加入進行測定：將同一個血清樣本分成兩份(各為100 μL)，其中一份加入50 μL一定濃度的葡萄糖標準溶液，作為加標試樣。以10 mL 0.1 mol/L NaOH溶液為支持電解質，工作電位0.6 V，利用安培法進行測定。每個試樣進行3次平行測定，計算血糖含量、RSD和加標回收率。三個血樣的血糖濃度分別為7.68、4.19、3.45 mmol/L，與醫院生化分析儀的結果(8.02、4.21、3.31 mmol/L)無顯著性差異。加標回收率在97.4%～99.0%之間，RSD為1.32%～3.48%。說明NiMoO4NRs/GCE能用于人體血清樣品中葡萄糖的檢測。

3 結論

綜上所述，利用水熱反應和退火處理，成功制備了NiMoO4NRs。掃描電鏡、X射線衍射和電化學研究結果顯示，NiMoO4NRs的納米結構能有效催化葡萄糖的氧化，實現葡萄糖的快速測定。與其它無酶型鎳基葡萄糖電化學傳感器相比，NiMoO4NRs/GCE具有靈敏度高、檢出限低、線性范圍寬等優點，同時選擇性、重現性和穩定性良好，可用于人體血糖檢測。