基于CoP納米籠的高效無酶葡萄糖電化學傳感器

呂雪義 劉俊果＊, 朱艷艷

(1河北科技大學生物科學與工程學院，石家莊 050018)

(2河北醫科大學藥學院，石家莊 050017)

0 引 言

糖尿病是威脅人類健康的一大殺手，是世界上導致殘疾和死亡的十大疾病之一。糖尿病對患者的健康、壽命和生活質量有重大影響，且糖尿病患者數量逐年增加[1-2]。人體血糖水平是診斷糖尿病的關鍵指標，因此，快速、靈敏檢測人體血糖水平對糖尿病的診斷和治療具有重要意義[3]。電化學傳感器具有制備簡單、成本低和分析速度快等優勢，是檢測葡萄糖的有效手段[4]。目前，基于葡萄糖氧化酶的酶基電化學傳感器是檢測人體血糖的常用方法。然而，酶在電極表面固定程序復雜，易受溫度、pH值、濕度和有毒化學物質的影響，其長期穩定性差[5-8]。

近年來研究學者致力于研究基于無機納米材料的無酶葡萄糖電化學傳感器，該傳感器具有成本低、穩定性高和制備簡單等優勢[9]。例如，學者們在貴金屬及其合金(如 Au[10]、Pt-Au[11]、Pt-Pd[12]等)、過渡金屬(如 Ni[13])及其氧化物(如 NiO[14]和 Co3O4[15])、氫氧化物(如Ni(OH)2[16])、硫化物(CuS[17])和磷化物(Ni2P[18]和CoP[19])做了一些工作。其中，CoP具有高的催化活性和優異的導電性，在電化學傳感領域吸引了學者的關注。例如，Sun等[19]采用CoP納米棒構建的無酶電化學傳感器對葡萄糖表現出優異的電催化氧化特性，其檢測限為9 μmol·L-1。另外，無酶電化學傳感器是基于納米材料對葡萄糖分子的電催化活性，其電催化活性與結構緊密相關。中空納米結構材料可以暴露更多的催化活性位點，并且該結構可促進電子/離子的運輸，從而加快催化反應動力學過程，提高催化劑對葡萄糖的電催化性能[20-24]。

基于此，我們采用合成的具有中空納米結構的CoP納米籠，構建無酶的葡萄糖電化學傳感器。該傳感器具有高的靈敏度、低的檢測限、寬的檢測范圍及良好的選擇性，可以實現人體血清中的葡萄糖快速檢測。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

所用試劑有氯化銅(CuCl2·2H2O)、氫氧化鈉(NaOH)、聚乙烯吡咯烷酮(C6H9NO)n、氯化鈷(CoCl2·6H2O)、硫代硫酸鈉 (Na2S2O3·5H2O)、次亞磷酸鈉(NaH2PO2)、乙醇、葡萄糖、果糖、乳糖、多巴胺、尿酸、抗壞血酸。

場發射掃描電子顯微鏡(FESEM，JEM-7001F，加速電壓為10 kV)和高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM，JEM-2010，加速電壓為200 kV)、掃描透射電子顯微鏡(STEM，JEM-2010，加速電壓為200 kV)用于表征材料的形貌和結構。采用X射線衍射(XRD，德國Bruker D8 advance CuKα輻射源，波長為0.154 18 nm，在工作電壓40 kV和工作電流40 mA條件下進行，掃描范圍2θ為20°～80°)和X射線光電子能譜(XPS，Thermo ESCALAB 250XI，AlKα輻射源，工作電壓為15 kV，工作電流為10 mA)表征材料的結構和組成。CHI 650E電化學工作站(上海辰華)用于表征材料的電化學性能。所用水來自超純水系統(HFNW 10-UV)。

1.2 CoP納米籠的制備

1.2.1 Cu2O立方體的制備

取0.51 g CuCl2·2H2O溶于300 mL重蒸水，并于55℃攪拌30 min。隨后，在上述溶液中緩慢滴加30 mL 2 mol·L-1NaOH溶液，繼續攪拌30 min，再緩慢滴加30 mL 0.6 mol·L-1抗壞血酸，攪拌3 h。將所得產物用蒸餾水和乙醇離心、洗滌，最后于40℃真空干燥箱中干燥24 h。

1.2.2 Co(OH)2納米籠的制備

取200 mg Cu2O分散于200 mL重蒸水和無水乙醇的混合溶劑(水和乙醇的體積比為1∶1)，超聲30 min，加入68 mg CoCl2·6H2O，攪拌30 min。然后，將80 mL 1 mol·L-1Na2S2O3溶液緩慢滴加到上述溶液，攪拌使其充分反應，顏色變成透明綠色后繼續反應30 min。將所得沉淀用蒸餾水和乙醇離心、洗滌，最后于40℃真空干燥箱中干燥24 h。

1.2.3 CoP納米籠的制備

取30 mg Co(OH)2納米籠和450 mg NaH2PO2研磨均勻，在300℃氮氣氣氛中加熱2 h。將磷化后的產物用蒸餾水和乙醇洗滌，最后于40℃真空箱中，干燥24 h。

1.3 CoP納米籠修飾玻碳電極的制備

玻碳電極(直徑3 mm)依次用 1.0、0.3和0.05 μm的氧化鋁粉拋光，并用重蒸水清洗。取15 mg CoP分散于965 μL無水乙醇和35 μL Nafion(5%(w/w))溶液中，超聲 15 min，制得 CoP 混懸液(15 mg·mL-1)。然后取5 μL的15 mg·mL-1CoP混懸液滴于玻碳電極(GCE)表面，于室溫下干燥，制得CoP納米籠修飾的GCE(CoP/GCE)，其中CoP納米籠在GCE表面的負載量為1.062 mg·cm-2。

1.4 電化學性能測試

采用三電極體系評價CoP納米籠的電化學性能。以CoP/GCE為工作電極，Ag/AgCl電極(飽和KCl溶液)為參比電極，鉑柱為對電極(輔助電極)。所有測試均在上海辰華CHI 650E電化學工作站進行。

2 結果與討論

2.1 形貌與結構分析

FESEM用于分析CoP的形貌。由圖1a和1b可以看出所合成的CoP產物具有納米籠狀立方體結構，其尺寸約為750 nm。

TEM用于進一步分析CoP納米籠的微觀結構，如圖2所示。由圖2a的TEM圖可以看出CoP具有中空的納米籠結構，其尺寸約為750 nm。圖2b的HRTEM圖表明CoP的晶格間距分別為0.28和0.25 nm，分別對應(111)和(002)晶面[25]。由圖 2c～2e的高角環形暗場像(HAADF)-STEM圖可以看出，所合成的CoP納米籠結構中Co和P元素均勻地分布于納米籠表面。

由圖 3a的 XRD 圖可見，在 31.79°、32.14°、36.82°、43.26°、46.79°、48.52°、52.51°和 56.96°處分別對應 CoP 的(002)、(011)、(111)、(102)、(112)、(202)、(103)和(301)晶面(PDF No.65-1474)[26-27]。采用 XPS 進一步表征CoP的表面化學組成和電子態。CoP的XPS光譜(圖3b)中顯示存在Co、P、C和O元素，這與文獻報道一致[23]。圖3c和3d分別為Co2p和P2p的XPS高分辨光譜。由圖3c可見，Co2p3/2在778.62和781.35 eV顯示出2個主峰，并在784.85 eV出現伴峰。Co2p1/2在793.53和797.52 eV顯示出2個主峰，并在802.69 eV出現伴峰。另外，圖3d顯示P2p在129.53和130.33 eV的峰分別對應P2p3/2和P2p1/2，同時134.22 eV的寬峰對應PO43-[23]。

圖1 (a、b)CoP納米籠的SEM圖Fig.1 (a,b)SEM images of CoP nanocages

圖2 CoP納米籠的(a)TEM圖、(b)HRTEM圖、(c)HAADF-STEM圖及其對應的(d)Co和(e)P的元素分布Fig.2 (a)TEM image,(b)HRTEM image,(c)HAADF-STEM image and corresponding element distributions of(d)Co and(e)P for CoP nanocages

圖3 (a)CoP的XRD圖；(b)CoP的XPS圖；(c)Co2p和(d)P2p的高分辨XPS圖Fig.3 (a)XRD pattern of CoP；(b)XPS spectrum of CoP；High-resolution XPS spectra of(c)Co2p and(d)P2p

2.2 CoP/GCE的電化學表征

CoP/GCE對葡萄糖的電催化性能，采用CV曲線表征分析，測試范圍為0～0.8 V，掃速為50 mV·s-1。圖4為CoP/GCE和裸電極在無葡萄糖或含4 mmol·L-1葡萄糖的0.1 mol·L-1NaOH電解液中的CV曲線。由圖4可見，在無葡萄糖時，與裸電極相比，CoP/GCE在0.30和0.33 V表現出一對明顯的氧化還原峰，可歸因于Co（Ⅱ）和Co（Ⅲ）的相互轉換[28]。結合這些結果可知，在堿性電解液中，CoOx/Co(OH)x和CoO(OH)發生了氧化還原反應。該過程可表示為：

圖4 (a)裸GCE、CoP/GCE在無葡萄糖和含有4 mmol·L-1葡萄糖的0.1 mol·L-1NaOH溶液中的CV曲線；(b)裸GCE在(a)中的CV曲線放大圖Fig.4 (a)CV curves of bare GCE,CoP/GCE in 0.1 mol·L-1NaOH solution in the absence and presence of 4 mmol·L-1glucose；(b)Enlargement of CV curves of bare GCE in(a)

當加入 4 mmol·L-1葡萄糖后，CoP/GCE 的氧化峰電流明顯增加，但是裸電極的電流信號基本沒有變化，表明CoP納米籠對葡萄糖具有很好的電化學催化活性。氧化電流的增加是由于CoOOH把葡萄糖分子氧化為葡萄糖酸內酯，同時Co（Ⅲ）變為Co（Ⅱ）[28]，該過程可表示為：

圖5a為CoP/GCE在含有4 mmol·L-1葡萄糖的0.1 mol·L-1NaOH溶液中不同掃速下(10～100 mV·s-1)的CV曲線。由圖5a可見，氧化峰電流隨著掃速的增加不斷增大。圖5b顯示氧化峰電流與掃速的平方根具有良好的線性關系(相關系數R2為0.996 3)，表明葡萄糖在CoP的電催化反應過程是受擴散反應控制[28-29]。上述研究結果表明CoP納米籠對葡萄糖分子具有優異的電催化活性。

圖5 (a)CoP/GCE電極在含有4 mmol·L-1葡萄糖的0.1 mol·L-1NaOH溶液中不同掃速(10～100 mV·s-1)下的CV曲線；(b)氧化峰電流與掃速平方根的關系曲線Fig.5 (a)CV curves of CoP/GCE in 0.1 mol·L-1NaOH solution with 4 mmol·L-1glucose at scan rates from 10 to 100 mV·s-1；(b)Corresponding plots of current density vs the square root of scan rate

2.3 基于CoP/GCE的傳感器電化學性能評價

為了進一步評價CoP納米籠的電化學傳感特性，采用計時電流法研究其性能。圖6a是CoP/GCE在電壓為0.5 V下對連續加入不同濃度葡萄糖的電流響應曲線。如圖6a所示，葡萄糖在CoP/GCE電極表面的響應時間很短，即電流在5 s內可達到穩態。葡萄糖在CoP納米籠電極表面的快速響應應該與CoP納米籠的中空結構有關。該結構能夠增強葡萄糖分子與CoP納米籠活性位點的接觸，加快葡萄糖分子在CoP納米籠修飾電極上的反應[23,27]。該結果與SEM和TEM分析結果一致。圖6b是CoP/GCE電極的電流響應隨葡萄糖濃度的變化關系。通過線性擬合發現，CoP/GCE電極對葡萄糖的線性范圍分別為 0.04～3 mmol·L-1和 3～8 mmol·L-1，在該線性范圍具有良好的線性關系，R2分別為0.992 1和0.991 1。基于CoP納米籠的傳感器具有高的靈敏度，分別為 5 870.9和1913.0 μA·mmol-1·L·cm-2，檢測限為3.8 μmol·L-1。

表1為CoP納米籠與其它無酶葡萄糖傳感器的對比數據，可見基于CoP納米籠的傳感器對檢測葡萄糖具有高的靈敏度與低的檢測限。

選擇性是評價無酶葡萄糖傳感器性能的一個主要指標。為評價CoP/GCE電極的選擇性，將CoP/GCE電極依次加入1 mmol·L-1葡萄糖(Glu)和干擾物質(包括 0.2 mmol·L-1果糖(Fru)、0.2 mmol·L-1乳糖(Lac)、0.2 mmol·L-1多巴胺(DA)、0.2 mmol·L-1尿酸(UA)、0.2 mmol·L-1抗壞血酸(AA))中。由圖 6c可見，當加入葡萄糖時，電流顯著增高，但是當其他干擾物質加入時，電流響應基本不變。結果表明基于CoP納米籠的葡萄糖傳感器對葡萄糖具有良好的選擇性[39]。此外，對CoP/GCE的重復性、重現性和穩定性進行評價。采用平行測量的方法在含有0.5 mmol·L-1葡萄糖的 0.1 mol·L-1NaOH 溶液中測試 6個在相同條件下制備的CoP/GCE的電流響應，其相對標準偏差(RSD)為5.6%。同時，評價6組相同CoP/GCE對相同濃度葡萄糖的電流響應，其RSD為3.6%。另外，將CoP/GCE在空氣條件儲存30 d，5 d測試一次，發現電流響應仍可達到初始電流的90%(圖 6d)。

上述研究結果表明，基于CoP/GCE電極的無酶葡萄糖傳感器具有較好重復性、重現性和穩定性[23]。最后，評價了CoP/GCE測定人體血清中的葡萄糖的可行性。取200 μL血清樣品添加到0.1 mol·L-1NaOH溶液(20 mL)中，偏壓為0.5 V，采用計時電流法測定。結果如表2所示，該方法與常規的商業傳感器所測得結果一致。這表明基于CoP納米籠的無酶葡萄糖傳感器對于人體血清中葡萄糖的檢測具有很大的應用潛力。

圖6 CoP/GCE電極在0.1 mol·L-1NaOH溶液偏壓為0.5 V時(a)對不同濃度葡萄糖的電流響應曲線；(b)葡萄糖濃度與電流密度的標準曲線；(c)對葡萄糖和干擾物種的電流響應曲線；(d)30 d內的初始電流相對分數Fig.6 CoP/GCE at the potential of 0.5 V in 0.1 mol·L-1NaOH solution of(a)amperometric response to different concentrations of glucose；(b)Calibration plot for concentration of glucose and current density；(c)Amperometric response of glucose and various interfering species；(d)Relative fraction of initial current within 30 days

表1 CoP/GCE電極與其他無酶葡萄糖傳感器的性能比較Table 1 Comparison of performance between CoP/GCE electrodes and other enzyme-free glucose sensors

表2 人血清樣品中葡萄糖的測定Table 2 Determination of glucose in human serum sample(n=3)

3 結論

綜上所述，研究結果表明CoP納米籠在堿性條件下對葡萄糖氧化具有高的電催化活性。作為無酶葡萄糖傳感器，CoP納米籠具有優異的性能，如低的檢測限、高的靈敏度和良好的選擇性、重復性、重現性和穩定性。同時基于CoP納米籠的電化學傳感器能夠實現人體血清中葡萄糖的直接檢測。該研究為高性能傳感材料的設計提供了新的思路。