銅鎳納米復合結構陣列的無酶葡萄糖特性研究

孫愛鑫　狄文浩　劉晨晨　陳德祥　崔光亮

摘 要：隨著生產經濟的快速發展和社會生活水平的提高，對各種疾病的檢測成為非常重要的課題。葡萄糖是表征生物代謝過程的一種重要化合物，也是能量的重要來源，血液中葡萄糖濃度過高則會引起糖尿病等疾病，從而威脅人體健康。實現對葡萄糖的快速、準確檢測對人體健康和糖尿病等疾病的診斷有著重要意義。本研究希望利用構建銅鎳二維納米復合結構陣列材料，利用其二維納米結構、周期性陣列、大比表面積等特點，實現對葡萄糖濃度檢測的目的，并構建相應的納微傳感器件，最終獲得基于二維納米復合結構陣列的無酶葡萄糖檢測元件與設計方案。

關鍵詞：葡萄糖檢測;生物傳感器;電沉積;納米材料

1 正文

糖尿病是世界性的多發病和常見病，由于其可能引起心臟病、腎衰竭、失明等多種并發癥，已成為僅次于心血管病和癌癥的第三大危險性疾病。目前對糖尿病的治療主要是通過患者頻繁檢測自身的血糖濃度并注射適量的胰島素來實現的。通過這種方法使其血糖濃度保持在4.4-6.6mmol

（80-120mgdL：1）的正常水平，這樣可以大大減輕并發癥的發病程度，甚至不發病。因此，研發一種靈敏度高、選擇性好、使用方法簡單的血糖檢測工具對糖尿病的診新和治療具有十分重要的臨床意義。葡萄糖傳感器的研究一直是化學與生物傳感器領域的研究熱點，特別是無酶葡萄糖傳感器具有穩定性好和成本低，工藝簡單等特點，近些年吸引了越來越多人的關注。酶葡萄糖生物傳感器已經經過了五十年的發展歷程，研究人員積極的探索使酶葡萄糖傳感器經歷了三代變革。

到目前為止，各地的研究者已經報道了很多在電極表面固定酶的方法，其中包括直接吸附法，溶膠--凝膠固定法，交聯法等等。雖然取得了一些很好的效果，但受限于酶自身結構而導致的許多問題，如受氧氣的限制，穩定性較差、重現性較低、容易受到周圍環境影響等，依然沒有得到很好的解決，而無酶葡萄糖生物傳感器很好的克服這些不足。

Li等團隊通過水熱法制備碳量子點（CQDs）/八面體氧化亞銅（Cu2O）納米復合材料的新型納米結構電催化劑，設計了用于葡萄糖檢測的非酶電化學傳感器。該方法制備過程簡單，實現了對葡萄糖的安培檢測，但其線性響應范圍在0.02-4.3mA（人體正常血糖濃度為4.4-6.6mmol），無法正常應用于臨床醫學上的血糖檢測。Yuan等團隊采用電沉積法制備了氧化亞銅/氧化氮/氧化石墨烯（GO）修飾玻碳電極（GC），葡萄糖的檢測線性范圍在0.01-6mmol，也無法覆蓋人體正常的血糖標準。

本研究擬通過利用二維電化學原位組裝方法構建Cu-Ni二維納米有序陣列材料，探究制備過程溫度，頻率，幅度，電壓等對納米結構生長過程的影響，確定最佳制備方案，利用小型真空離子濺射儀濺射電極的方法構建電子元件，通過四探針測試平臺進行葡萄糖檢測的電學特性測試干擾測試特定工作電壓下進行，探究Cu-Ni納米材料對不同濃度的葡萄糖溶液的響應，通過設計實現人體正常血糖濃度的檢測。

2 結果與討論

首先，利用二維電化學原位組裝方法構建特殊結構的納微有序陣列材料，納微有序陣列形貌的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像如圖1所示。圖中可以看到樣品呈竹節樣排列，呈現出均勻的周期長度和良好的長程順序性。

為了進一步證實納微材料中Cu元素和Ni元素的化合價，對納微材料又進行了X射線光電子能譜（XPS）測試，其結果如圖2所示。從圖（a）中可以明顯地看出Cu 2p在952.5 ev和932.7 eV的位置有兩個較強的信號峰，分別對應于Cu的Cu2p1/2和Cu2p2/3，與Cu結合能相一致;從圖（b）中可以看出Ni 2p在858.4 eV的位置處有一個峰，對應于Ni的結合能信號峰，表明該納微材料中含有Ni元素。結果表明異質結構是由銅和鎳構成的，沒有其他雜質。

利用計時電流法測量Cu-Ni無酶葡萄糖傳感器對葡萄糖的線性響應范圍，圖3（a）是Cu-Ni納微材料在0.1 mol/L KOH條件下對5mmol/L的葡萄糖溶液的計時電流反應，可見該材料對葡萄糖溶液的響應靈敏，且響應時間不超過3s。由圖3（b）中的曲線關系為葡萄糖濃度與電流值的線性關系圖。從圖中可以看出該納微結構材料對葡萄糖濃度的線性響應范圍在0.5-20mmol/L之間，響應度與葡萄糖濃度呈現出良好的線性關系，并完全包含人體的正常范圍（4.4-6.6mmol），說明我們制備的材料時可以用于人體葡萄糖檢測的。

3 結論

我們利用二維電沉積法制備了銅-鎳納微結構材料，基于此材料設計制備了葡萄糖檢測元件，并進行了葡萄糖線性敏感特性研究。研究結果表明Cu-Ni納微材料在堿性條件下對葡萄糖氧化具有高的電催化活性，具有優異的性能，可以在較快時間內檢測葡萄糖濃度變化，其線性檢測范圍為0.5-20mmol/L，可以用于人體葡萄糖的檢測。

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作者簡介：

孫愛鑫（1998- ），男，漢族，山東臨沂人，本科，學士，主要研究（工作）方向：低維物理功能器件、物理學。