枝晶納米銀的電化學葡萄糖檢測

劉 玲，禚 凱

(太原理工大學 a.信息與計算機學院，b.微納系統研究中心，c.教育部新型傳感器與智能控制系統重點實驗室，山西 晉中 030600)

糖尿病作為一種常見的疾病，對人類健康造成了巨大的影響，定期檢測和控制血糖水平是預防糖尿病的關鍵措施，因此，快速準確地檢測血糖對人類生活具有著重要的意義[1-2]。目前，對于葡萄糖的檢測方法有熒光色譜法﹑液相色譜法﹑紅外光譜法﹑電化學法等[3-4]。在這些方法中，電化學方法由于其分析時間短﹑操作簡便﹑成本較低引起了越來越多的關注[5]。

葡萄糖電化學傳感器基本分為兩種，基于酶的電化學傳感器和無酶電化學傳感器[6]。含酶電化學傳感器憑借其專一性強﹑靈敏度高﹑反應迅速等特點，在葡萄糖檢測領域得到了廣泛應用；但因在檢測過程中易受環境影響，其發展受到了一定的限制[7-9]。相比之下，無酶電化學葡萄糖傳感器主要依賴于電極表面直接氧化葡萄糖的電流響應，可以避免酶電極易氧化的缺點，表現出了更高的穩定性。

根據修飾電極材料類型，無酶電化學傳感器可以分為納米材料和非納米材料兩大類。近年來，納米材料由于自身獨特的結構和優良的表面性質而備受關注，被越來越多地用于制備高靈敏度和低檢測限的電化學傳感器。特別是金屬納米粒子，它們具有大比表面積﹑快速電子轉移能力和高密度的活性位點，表現出了顯著的電化學敏感性[9-11]。值得注意的是，納米銀作為其中的一種，與其他的納米金屬相比較，具有化學性質穩定﹑成本相對較低﹑結構性能多變的特點[12]。本研究采用電沉積方法制備枝晶結構的銀納米材料用以修飾玻碳電極，以制備高靈敏度的無酶葡萄糖電化學傳感器。

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

CS2350H電化學工作站(中國，武漢科思特公司)；掃描顯微鏡(FESEM，日本，Hitachi公司)；ULUP優普系列超純水器(中國，西安優普儀器設備有限公司)；FX550超聲波破碎儀(美國，BRANSON公司)；SFA2204B電子天平(中國，上海精科天美科學儀器有限公司)；KQ-300DE數控超聲波清洗機(中國，超聲儀器有限公司)。

銅網﹑硝酸銀(AgNO3)﹑葡萄糖(C6H12O6)﹑硝酸﹑乙醇﹑NaOH﹑KCl﹑K4[Fe(CN)6]·3H2O﹑K3[Fe(CN)6]﹑拋光粉粉末(0.3 μm和0.05 μm Al2O3粉末)，所有試劑均為分析級以上。使用去離子水、KCl、K4[Fe(CN)6]·3H2O和K3[Fe(CN)6]配制[Fe(CN)6]3-/4-(0.05 mol/L)溶液。配制0.1 mol/L的NaOH溶液和0.01 mol/L的AgNO3溶液。

1.2 制備枝晶結構的納米銀

用去離子水和硝酸銀配制0.1 mol/L的AgNO3溶液，通過電沉積合成枝晶結構的納米銀。利用電化學工作站，采用三電極體系，銅網作為工作電極(WE)、Ag/AgCl為參比電極(RE)、鉑絲為對電極(CE)，通過恒電位沉積方式，選擇合適的沉積條件(沉積電壓為-0.7 V，-0.8 V，沉積時間360 s)制備枝晶結構的銀。將沉積了枝晶納米銀的銅網加入盛有10 mL去離子水的25 mL燒杯中，將燒杯放置在FX550超聲波破碎儀中超聲15 min(超聲頻率40 Hz)，得到超聲震落的納米銀枝晶懸濁溶液。

1.3 葡萄糖的檢測

首先依次采用不同規格(0.3 μm和0.05 μm)的氧化鋁(Al2O3)對玻碳電極表面進行拋光，然后分別采用體積分數約為30%的硝酸、乙醇、去離子水在超聲波作用下洗滌電極10 min，自然環境中干燥。用移液槍吸取10 μL的超聲震落的枝晶納米銀水溶液 (1 mg/mL)，滴到純凈的玻碳電極表面并在空氣中干燥，得到枝晶納米銀修飾的玻碳電極。采用三電極體系(修飾枝晶納米銀的玻碳電極(GCE)作為工作電極、Ag/AgCl為參比電極(RE)、鉑絲為對電極(CE))，通過計時電流測試方法在0.1 mol/L NaOH中進行葡萄糖的檢測設置(電壓參數為+0.35 V，測試時間600 s).

2 實驗結果與討論

2.1 枝晶納米銀的形貌表征

圖1(a)和(b)分別為沉積電壓為-0.7 V和-0.8 V時在銅網上沉積的枝晶納米銀的SEM圖，(c)和(d)分別為沉積電壓為-0.7 V和-0.8 V的超聲震落后的枝晶納米銀的SEM圖。通過電鏡圖可以觀察到沉積的銀具有多層分枝的結構，在每個主干上形成一級枝晶，在一級枝晶的基礎上又形成多級枝晶納米銀。與銀納米粒子相較，該結構在一定程度上增加了比表面積，實驗過程中有利于加快電子在電極表面的轉移。

2.2 枝晶納米銀的電化學性能表征

圖2(a)為不同的電極表面在5 mmol/L的[Fe(CN)6]3-/4-溶液中的循環伏安掃描結果，裸玻碳電極、修飾枝晶納米銀(沉積電壓為-0.7 V制備的枝晶納米銀記為S1，沉積電壓為-0.8 V制備的枝晶納米銀記為S2)的電極在檢測過程中均出現了良好的氧化還原峰。修飾枝晶納米銀后，氧化還原電流的峰值增大了，表明枝晶納米銀加快了電極表面的電子轉移速率，且修飾沉積電壓為-0.8 V的枝晶納米銀的電子轉移速率更快。圖2(b)為電化學阻抗測試(EIS)結果。在典型的奈奎斯特圖中，半圓部分表示高頻范圍內的電子轉移電阻，而線性部分對應于發生擴散限制過程的低頻范圍。由圖2(b)可知，裸GCE的電子轉移電阻為75 Ω，修飾沉積電壓為-0.8 V的枝晶級納米銀和修飾沉積電壓為-0.7 V的枝晶納米銀的電子轉移電阻分別是100 Ω和125 Ω.修飾后的電極與裸GCE相比，阻抗都有一定的增大，但修飾了沉積電壓為-0.8 V的枝晶納米銀的電極的電化學阻抗更小，表明其上的電子轉移速率較快。

(a)(b)為沉積在銅網上的樣品，(a)沉積電壓-0.7 V，(b)沉積電壓-0.8 V，(c)(d)為超聲震落后的樣品，(c)沉積電壓-0.7 V，(d)沉積電壓-0.8 V圖1 枝晶納米銀的SEM圖像Fig.1 SEM images of dendritic nano-silver

圖2 樣品的電化學表征Fig.2 Electro-chemical characterization of samples

2.3 修飾電極對葡萄糖的電化學響應

為了考察修飾電極對葡萄糖的電催化特性，將裸電極和修飾后的電極置于含有5 mmol/L葡萄糖的0.1 mol/L的NaOH溶液中以50 mV/s的掃描速率進行循環伏安掃描，掃描范圍為-0.2 V～0.6 V，結果如圖3所示。從圖中可以觀察到裸玻碳電極的循環伏安圖沒有氧化還原峰，證明裸玻碳電極對葡萄糖基本上沒有電催化性質。而修飾枝晶納米銀的玻碳電極有明顯的氧化還原峰出現，并且沉積電壓為-0.8 V的枝晶銀比沉積電壓為-0.7 V的枝晶銀的氧化還原電流峰值明顯增大。該結果表明修飾枝晶納米銀的電極對葡萄糖有電催化活性，且沉積電壓為-0.8 V的枝晶納米銀對葡萄糖的電催化活性更好。這可能由于在-0.8 V的沉積電壓下生長的枝晶納米銀有更長的枝晶長度和更多的枝晶數量，從而對葡萄糖有更好的電催化活性，故而采用-0.8 V沉積的枝晶納米銀修飾玻碳電極對葡萄糖進行檢測。

圖3 樣品在0.5 mmol/L葡萄糖、0.1 mol/L NaOH溶液中的循環伏安圖Fig.3 CV curves of samples in 0.5 mmol/L glucose, 0.1 mol/L NaOH solution

2.4 計時電流法檢測葡萄糖

在+0.35 V的電壓下、濃度為0.1 mol/L的NaOH溶液(20 mL)中對修飾沉積電壓為-0.8 V的枝晶納米銀的玻碳電極采用計時電流法進行葡萄糖檢測，繪制了電流-時間曲線如圖4.如圖4(a)所示，隨著葡萄糖的不斷加入，響應電流也隨之增加。圖4(b)為電流與濃度的線性擬合圖，其相關系數為0.995.該檢測方法的靈敏度為823.5 μA/(mmol·L)，檢出限為3.0×10-7mol/L(3倍信噪比條件下).結果表明，枝晶納米銀修飾的玻碳電極對葡萄糖具有高靈敏度、低檢測限的優點，這可能是因為其獨特的結構不僅加快了電子轉移速度而且還增加了電極表面的電催化活性面積，因此對葡萄糖具有較高的電化學檢測性能。

圖4 沉積電壓為-0.8 V枝晶銀修飾的玻碳電極對葡萄糖的電流-時間響應Fig.4 Amperometric response of dentritic nano silver deposited at -0.8 V voltage to glucose

2.5 干擾測試和樣品分析

采用與測葡萄糖相同的實驗條件進行干擾測定，進一步研究傳感器的選擇性。用抗壞血酸(AA)﹑尿酸(UA)﹑酒精(ethanol)和草酸(OA)作干擾物進行測試，干擾物的濃度為葡萄糖的10倍。結果如圖5所示，干擾物在測試時所產生的干擾電流非常微弱，可以忽略不計，表明枝晶銀修飾的玻碳電極對于葡萄糖的檢測具有良好的選擇性。根據血液中的各主要物質的濃度配比，配制了不同濃度的葡萄糖樣品，在上述實驗條件下進行了樣品測定，檢測結果見表1.在線性范圍內，5個標準樣品的回收率在99.80%～102.40%之間。在相同的條件下制備5支電極，測得葡萄糖的穩態電流的相對標準差為4.96%，該結果表明電極具有良好的重現性。對0.5 mmol/L的葡萄糖進行了5次平行測定的相對標準偏差為3.15%，表明檢測的重現性良好。將電極于室溫下放置 3 個月后，其響應電流下降了2.92%，表明電極的穩定性良好。

圖5 抗干擾測試結果Fig.5 The results of anti-interference experiment

標準摩爾濃度/(mmol·L-1)測試結果/(mmol·L-1)回收率/%0.20.199 699.800.50.512 0102.400.80.798 899.851.11.112 4101.131.41.405 0100.36

3 結論

本文首先采用電沉積的方法在銅網上制備了枝晶結構的納米銀，超聲將枝晶納米銀震落并修飾于玻碳電極表面制備葡萄糖傳感器。通過CV﹑EIS進行了電化學表征，結果表明改性的玻碳電極的電化學響應明顯增強。將修飾后的玻碳電極用于電化學檢測葡萄糖，結果表明，枝晶結構的銀具有良好的電催化特性，該葡萄糖傳感器穩定性好﹑抗干擾能力強﹑檢測限度低，具有非常良好的應用前景。