基于鎳基堿式碳酸鹽修飾電極的無酶葡萄糖電化學傳感器構建

劉 麗，張智鋒，王松磊,*，李海峰，李懇懇，馬 亮，魏培媛，張 也，武康寧

（1.寧夏大學食品與葡萄酒學院，寧夏 銀川 750021；2.華中農業大學食品科學技術學院，湖北 武漢 430000；3.寧夏華信達健康科技有限公司，寧夏 靈武 751400）

目前，葡萄糖含量已經成為飲料產品的一項重要指標，然而不同人群對葡萄糖的攝入量要求不同[1-2]。當人體出現低血糖時，可以適量攝入葡萄糖含量較高的飲品，以滿足機體的需求，但當人體處于正常生理狀態時，如果在短時間內攝入過多的葡萄糖，可能會對人體產生一些不良的后果，特別是患有糖尿病或肥胖癥的病人，后果則會非常的嚴重。因此，為了滿足不同人群對葡萄糖的需求，對飲料中葡萄糖含量的監測評估十分必要。

目前，許多技術已用于食品中葡萄糖含量的檢測，如比色法[3]、熒光法[4-5]、色譜分析法[6-7]、質譜法[8]、毛細管電泳法[9]和電化學方法[10-12]等，前幾種方法有其自身的優點，但也有設備昂貴、操作復雜等不足，使其在實際應用中受到一定程度的限制。電化學方法因高靈敏度、低成本、高選擇性而廣泛的用于電催化氧化葡萄糖，電化學葡萄糖傳感器根據有無酶的參與可分為酶基傳感器和無酶傳感器[13-15]，酶基傳感器由于制備工藝復雜、成本高和穩定性差而阻礙了其進一步的發展[16]。相比之下，穩定、低成本且高靈敏度的無酶葡萄糖傳感器引起了廣大研究人員的關注[17]。近年來，過渡金屬氧化物和氫氧化物被認為是構建無酶葡萄糖傳感器的有效材料[18-20]，特別是極具前景的金屬鎳，由于其具有數量多、低毒性和高的電催化氧化葡萄糖活性的優點，被廣泛用于構建無酶葡萄糖傳感器[21-23]。此外，利用碳基材料作為過渡金屬納米顆粒的基底可以有效改善電子傳導速率并增加活性位點的暴露數量。

本實驗通過一步水熱法制備了Ni2(CO3)(OH)2納米材料并將其原位生長于碳紙上，構建無酶葡萄糖傳感器。以期成功用于2 款市售飲料中葡萄糖的檢測，為飲料中葡萄糖的檢測提供新思路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

涼茶、功能飲料 市購。

碳紙 蘇州晟爾諾科技有限公司；硝酸鎳（Ni(NO3)2g6H2O）、葡萄糖、無水乙醇、乙二醇、丙酮 國藥集團化學試劑有限公司；果糖、檸檬酸、乳糖、蔗糖、尿素、氫氧化鈉、抗壞血酸 上海瑞安有限公司；實驗中所用試劑均為分析純，實驗用水均為去離子水。

1.2 儀器與設備

CHI-660E電化學工作站 上海辰華儀器有限公司；SQP分析天平 賽多列斯科學儀器有限公司；FCH-202數顯加熱磁力攪拌器 上海弗魯克有限公司；TGL-16M高速離心機 上海盧湘儀離心機儀器有限公司；DHG-9036A電熱恒溫鼓風干燥箱、DZF-6020真空干燥箱上海精宏有限公司；JP-040ST超聲波清洗器 深圳市浩盟牌清洗設備有限公司；FYF01水熱反應釜 艾析五金專營店；Smart Lab X射線衍射儀、SU4800場發射掃描電子顯微鏡 日本日立公司。

1.3 方法

1.3.1 工作電極的制備

碳紙預處理：將整張一頁紙大小的碳紙裁剪成2 cmh3 cm，分別用丙酮、無水乙醇和去離子水對碳紙進行超聲清洗20 min，然后在60 ℃真空干燥箱中烘干，備用。

用分析天平準確稱取1.163 2 g硝酸鎳，0.900 9 g尿素，加入15 mL溶劑（乙二醇-水，5∶5，V/V），磁力攪拌20 min，將溶液轉移至50 mL的聚四氟乙烯內襯高溫反應釜中，將預處理的碳紙移入反應釜，密閉后放入烘箱，160 ℃高溫下連續反應6 h。待反應釜自然冷卻至室溫后，將碳紙取出用無水乙醇和去離子水清洗，沖洗掉附著于碳紙表面的沒有完全生長的材料，反應釜中的溶液經離心干燥后用于后續實驗材料的表征。將碳紙放入真空干燥箱中60 ℃條件下6 h，得到Ni-CHs/CP電極（圖1）。

圖1 Ni-CHs/CP電極制備流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of Ni-CHs/CP electrode preparation process

1.3.2 電化學測試

電化學測試使用三電極系統，Ni-CHs/CP為工作電極，鉑絲為對電極，甘汞電極為參比電極。設置電位窗口為0～0.7 V，掃描速率為0.1 V/s，在 0.1 mol/L的NaOH電解液中，對Ni-CHs/CP電極進行電化學測試。

1.4 數據處理

實驗數據采集自CHI660E電化學工作站，由Origin 2018繪圖，由Office制表。

2 結果與分析

2.1 Ni-CHs/CP電極材料的表征

由圖2a可知，裸碳紙表面比較光滑，呈三維交織結構。由圖2b、c可知，Ni-CHs納米顆粒將碳紙完全包裹使碳紙表面比較粗糙，增大了與電解液的接觸面積，其結構是由大量小顆粒組成，具有許多納米級孔隙，增加了活性位點暴露的數量，從而提升了工作電極的電化學性能。由圖2d可知，Ni-CHs為顆粒狀，顆粒尺寸相對均一，約為100～150 nm。

圖2 裸碳紙（a）和不同放大倍數下的Ni-CHs/CP電極（b～d）掃描電鏡圖Fig.2 SEM images of bare carbon paper (a) and Ni-CHs/CP at different magnifications (b-d)

由于碳紙自身的衍射峰強度過高，而無法明顯觀察到Ni-CHs的衍射峰，因此為了消除碳紙基體對測試結果的影響，對Ni-CHs粉末進行X射線衍射分析，如圖3所示，在14.7°、17.5°、24.2°和34.7°處可觀察到4個強衍射峰，與鎳的堿式碳酸鹽Ni2(CO3)(OH)2的（020）、（120）、（130）、（-201）晶面（JCPDS No.35-0501）相對應。表明所合成的材料為Ni-CHs。

圖3 Ni-CHs粉末的X射線衍射譜圖Fig.3 XRD spectrum of Ni-CHs powder

Ni-CHs是通過一步水熱法合成的，根據文獻[24]推斷其合成機理如下：

首先，尿素在加熱條件下水解，形成NH3·H2O和CO2（反應1），隨后二者轉化為OH-和（反應2和3），OH-、和Ni2+又形成Ni2(CO3)(OH)2（反應4），這與所測的X射線衍射圖譜一致。

2.2 無酶葡萄糖傳感器的電化學表征

2.2.1 循環伏安曲線

在電化學工作站中，采用三電極體系考察所制備電極的電化學行為。分別在0.1 mol/L NaOH電解液和含有5 mmol/L葡萄糖的0.1 mol/L NaOH電解液中進行Ni-CHs/CP電極的循環伏安掃描。

由圖4可知，裸碳紙在葡萄糖加入前后循環伏安曲線并無明顯的變化，而當負載了Ni-CHs納米粒子后，可觀察到一對明顯的氧化還原峰。這是由于Ni-CHs在堿性溶液中二價鎳離子與溶液中OH-結合生成三價鎳離子，即：Ni2(CO3)(OH)2被氧化為NiOOH[25]（反應5），此過程中有電子的轉移，所以會產生峰電流。在加入5 mmol/L葡萄糖時氧化峰電流響應有明顯提高，電流強度為9.56 mA/cm2，是沒加葡萄糖時的1.9 倍。這是因為在堿性介質中，葡萄糖的氧化通常伴隨著一個多步驟的過程，高價態的NiOOH參與葡萄糖的氧化，將葡萄糖轉化為葡萄糖酸內酯，同時自身又被還原為Ni2+（反應6），這部分Ni2+在通電條件下在此又被氧化為Ni3+，產生一定的響應電流，從而導致Ni2+/Ni3+氧化峰響應電流強度的增加。

圖4 裸碳紙（a）和Ni-CHs/CP（b）在有/無葡萄糖存在下的循環伏安曲線Fig.4 CV curves of bare carbon paper (a) and Ni-CHs/CP (b) in the presence or absence of glucose

2.2.2 反應類型的判斷

為考察Ni-CHs/CP的表面動力學過程，在0.1 mol/L NaOH電解液中，設置掃描速率為10 ～100 mV/s，由圖5可知，隨著掃描速率的增加，陽極峰電流（Ipa）和陰極峰電流（Ipc）的絕對值均持續增加。同時，陽極峰電位有一定的正移，陰極峰電位有一定的負移。這是因為葡萄糖及其氧化的中間產物會被Ni-CHs/CP的活性位點吸附，從而占據了工作電極的活性位點使電解質溶液中的葡萄糖不能及時的擴散到工作電極表面，導致電極表面極化，使得峰電位有一定的偏移。為了進一步研究Ni-CHs/CP電極檢測葡萄糖時的電子轉移過程，對氧化峰和還原峰電流值進行數據處理可得二者與掃描速率平方根呈現良好的線性關系（R2=0.998）。表明Ni-CHs/CP在電解質溶液中催化氧化葡萄糖的過程受擴散控制。

圖5 不同掃描速率下5 mmol/L葡萄糖在Ni-CHs/CP的循環伏安圖（A）和峰電流與掃描速率平方根的線性擬合圖（B）Fig.5 CV curves of 5 mmol/L glucose in Ni-CHs/CP at different scanning speeds (A) and linear fitting between peak current and square root of scanning rate (B)

2.2.3 傳感器對葡萄糖的時間-電流曲線

采用時間-電流曲線研究Ni-CHs/CP電極對葡萄糖的檢測性能。對工作電位進行優化，由圖4b可知，葡萄糖發生氧化的電位區間在0.48～0.53 V之間，因此選擇0.48、0.5、0.53 V為工作電壓。在NaOH電解液中從400～1 200 s，每隔100 s加入0.1 mmol/L的葡萄糖溶液，所得不同電位下的時間-電流曲線如圖6所示。

由圖6可知，當電位為0.48 V時，產生的電流比較穩定但電流階梯型最小。電位為0.53 V時，有較好的電流響應，但與0.50 V下的時間-電流曲線相比其電流響應較低，且0.53 V的高電位下，電極表面會發生析氧反應，產生的氧氣堵塞電子的傳輸通道，從而影響Ni-CHs/CP電極對葡萄糖的催化氧化性能[26]。所以最終選擇0.50 V為該電極的最佳工作電位。

圖6 不同電位下連續添加0.5 mmol/L葡萄糖的時間-電流曲線Fig.6 Time-current curves with successive addition of 0.5 mmol/L glucose under different potentials

在最佳的工作電位下，依次向勻速攪拌的電解液中加入一定濃度的葡萄糖溶液，得到的時間-電流曲線如圖7所示。

圖7 Ni-CHs/CP電極的時間-電流曲線Fig.7 Time-current curve with Ni-CHs/CP electrode

由圖7可知，當向體系中加入特定濃度的葡萄糖時，Ni-CHs/CP電極會產生相應的響應電流，葡萄糖濃度為0.95 μmol/L時，傳感器對其產生響應。插圖顯示，加入葡萄糖時電流響應在3.5 s內就可達到穩定狀態，表明Ni-CHs/CP電極對葡萄糖的響應速度較快。對葡萄糖濃度及對應的響應電流強度計算擬合后的線性如圖8所示，擬合方程式為y=0.546 32x+0.720 8（R2=0.994）和y=1.252 8x+0.084 06（R2=0.983）。由此可知Ni-CHs/CP電極催化氧化葡萄糖的線性范圍為0.950 μmol/L～1.023 mmol/L和1.223～2.623 mmol/L，檢測的靈敏度為1 252 μAgmmol/（Lgcm），基于公式[27]：檢出限（limit of detection，LOD）為3σ/S，其中σ為10 組空白樣品度量值的標準偏差，S為線性回歸的斜率。計算出檢測限為0.31 μmol/L（信噪比為3∶1）。

圖8 Ni-CHs/CP電極的電流強度與葡萄糖濃度的線性擬合圖Fig.8 Linear fitting of current intensity of Ni-CHs/CP electrode versus glucose concentration

由表1可知，Ni-CHs/CP電極具有檢測范圍較寬、LOD低和靈敏度高的優點，對葡萄糖的檢測具有較好的應用前景。

表1 Ni-CHs/CP傳感器與其他已報道無酶傳感器的性能對比Table 1 Performance comparison between Ni-CHs/CP sensor and other reported enzyme-free sensors

2.3 傳感器的選擇性及穩定性

對于葡萄糖傳感器的進一步實際應用，抗干擾性能和穩定性非常的重要。飲料產品中除含有大量水之外，一般還含有乳糖、果糖、抗壞血酸、檸檬酸、蔗糖、食用香精及其他添加劑等。選擇具有代表性的干擾物質對所制備傳感器的選擇性進行考察。在0.5 V的工作電位下，通過時間-電流法在電解液中邊攪拌邊連續添加乳糖、氯化鈉、抗壞血酸、檸檬酸、蔗糖、果糖和葡萄糖。如圖9a所示，加入葡萄糖時工作電極有明顯的電流響應，加入稀釋100 倍的干擾物質時，產生的電流響應很小，可以忽略不計。加入同等濃度的干擾物質時，乳糖、氯化鈉、抗壞血酸、檸檬酸、蔗糖產生的電流響應非常微弱，果糖的產生的電流響應遠小于葡萄糖的電流響應強度僅為葡萄糖的18%，且再次加入葡萄糖所產生的電流強度與第1次加入等量葡萄糖時產生的電流強度數值相近，表明干擾組分對自支撐Ni-CHs/CP電極的影響較小，由此可知Ni-CHs/CP電極對葡萄糖具有良好的選擇性。

圖9 Ni-CHs/CP電極的選擇性（a）和穩定性（b）測試Fig.9 Selectivity (a) and stability (b) of Ni-CHs/CP electrode

在實際應用中，工作電極的穩定性也是評估傳感器性能的一項重要指標，采用循環伏安法在含有5 mmol/L葡萄糖的0.1 mol/L NaOH電解質溶液中連續循環60次，取第1圈和第60圈作圖，結果如圖9b所示，Ni-CHs/CP電極循環第1圈與循環60圈相比峰值電流強度幾乎保持不變，表明此工作電極對葡萄糖的檢測具有良好的循環穩定性。

2.4 實際樣品的檢測

為了進一步驗證Ni-CHs/CP電極的實用性，對市售的2 款飲料進行檢測。利用加標回收率評估檢測結果的準確性，采用時間-電流曲線進行加標后樣品的電化學檢測。取10 μL 0.12 mmol/L的樣品1加入連續攪拌的0.1 mol/L NaOH電解液中，隨后每隔100 s連續添加10 μL（0.05、0.10、0.15 mmol/L）的葡萄糖，記錄到的電流-時間曲線如圖10a所示，當待測液加入到電解液體系中時在極短的時間內響應電流就可達到穩定狀態。圖10b表明，工作電極表面產生的電流強度和所添加葡萄糖濃度之間呈現較好的線性關系，擬合方程式為y=0.590 92x+0.095 43，相關系數R2=0.990，以同樣的方法對樣品2進行加標回收。表2為根據圖10b的線性曲線計算出的葡萄糖濃度，與GB 5009.8ü2016《食品中果糖、葡糖糖、蔗糖、麥芽糖、乳糖的測定》中高效液相色譜法檢測食品中葡萄糖的測定結果一致，加標回收率為95.65%～105.56%，相對標準偏差為3.12%～5.86%，表明Ni-CHs/CP電極在實際樣品葡萄糖檢測中具有良好的應用前景，為葡萄糖的檢測提供新的思路。

表2 飲料中葡萄糖的檢測Table 2 Results of determination of glucose in beverage samples

圖10 Ni-CHs/CP在實際樣本中連續添加0.05 mmol/L葡萄糖時的電流-時間曲線（a）和電流強度-葡萄糖濃度的線性擬合圖（b）Fig.10 Current-time curve of Ni-CHs/CP when 0.05 mmol/L glucose was continuously added to the actual sample (a) an linear fitting of current intensity versus glucose concentration (b)

3 結 論

基于鎳基堿式碳酸鹽對葡萄糖良好的電催化性能，本研究制備Ni2(CO3)(OH)2納米粒子，通過水熱法原位生長于碳紙基底上成功構建無酶葡萄糖傳感器。在0.950 μmol/L～1.023 mmol/L和1.223～2.623 mmol/L范圍內修飾電極峰電流強度與葡萄糖濃度存在良好的線性關系，LOD可達0.31 μmol/L。利用此法對市售2 款飲料進行檢測，檢測結果與GB 5009.8ü2016《食品中果糖、葡萄糖、蔗糖、麥芽糖、乳糖的測定》中高效液相色譜法檢測食品中葡萄糖的測定結果一致。與已報道的其他葡萄糖檢測方法相比較，該檢測方法電極具有制備簡單、快速、靈敏的特點，為飲料中葡萄糖的檢測提供了新的思路。