基于Pd納米粒子/聚苯胺的葡萄糖電化學傳感器研究

黃新花 王琳惠 文穎 楊海峰

摘 ?要： 采用靜電紡絲技術結合化學原位還原沉積方法構建鈀納米粒子（Pd NPs）修飾的聚苯胺（PANI）空心管復合材料（Pd/PANI/GCE）.首先通過靜電紡絲法制備聚苯乙烯（PS）纖維膜基底，然后在纖維膜基底上修飾苯胺單體，并進行原位聚合，獲得磺化聚苯乙烯@聚苯胺（SPS@PANI）復合纖維膜.采用四氫呋喃（THF）溶解去除磺化聚苯乙烯（SPS）內芯后獲得高導電性、高比表面積的PANI空心管材料，再通過化學原位還原法在PANI空心管表面均勻沉積Pd NPs，并由此構建了無酶葡萄糖傳感器.實驗結果表明：該傳感器對葡萄糖檢測的線性范圍包括0.1～44.0 μmol·L-1和44.0～3 423.0 μmol·L-1兩段線性，最低檢測限為0.06 μmol·L-1.該傳感器能夠直接應用于實際唾液樣品中對于葡萄糖的檢測.

關鍵詞： 靜電紡絲; 聚苯乙烯（PS）; 聚苯胺（PANI）; 鈀納米粒子（Pd NPs）; 電化學傳感器; 葡萄糖

中圖分類號： O 647.3 ? ?文獻標志碼： A ? ?文章編號： 1000-5137（2021）06-0653-10

Abstract： In this work， palladium nanoparticles（Pd NPs） modified polyaniline（PANI） tubes（Pd/PANI/GCE） were prepared by using the in-situ chemical deposition and the electrospinning technology for glucose detection. The PANI was firstly modified on the surface of sulfonated polystyrene fiber membrane through the charge interaction between the positively charged aniline monomers and the sulfonatedunits， and the following polymerization. The polystyrene was extracted from the polystyrene@polyaniline composite fiber （SPS@PANI） by using the tetrahydrofuran （THF） to thus form the PANI hollow tube， which was then deposited with palladium nanoparticles （Pd NPs） to form the catalytic composite membrane for the sensor fabrication. The linear range of the sensor for glucose detection includes 0.1-44.0 μmol·L-1 and 44.0-3 423.0 μmol·L-1， and the detection limit of 0.06 μmol·L-1. The sensor has been applied to determine the concentration of glucose in saliva samples.

Key words： electrospinning; polystyrene（PS）; polyaniline（PANI）; palladium nanoparticles（Pd NPs）; electrochemical sensors; glucose

0 ?引 言

糖尿病是一種代謝性疾病，人體中由于血糖異常引起的糖尿病是現代最具挑戰(zhàn)性的健康問題之一，慢性高血糖癥會導致嚴重疾病發(fā)生風險的增加，例如腎衰竭、肥胖、中風、冠心病和神經性疾病等并發(fā)疾病的發(fā)生.為了人們的身體健康，人體中的葡萄糖的分析測定對于糖尿病和它引起的相關并發(fā)癥的診斷和治療是非常重要的，并且具有重要的實際意義.

在過去的幾十年中，許多技術已用于檢測葡萄糖，包括電化學發(fā)光法、傅里葉變換紅外光譜法、微透析法、超聲滲析法、反離子電滲療法和熒光法[1-2].然而，這些技術通常受到以下問題的制約，包括成本高、抗干擾性弱、制造工藝復雜、保質期短和再現性低.因此，為了解決這些問題，已經進行了許多嘗試來構建便宜、靈敏，且選擇性高的非酶葡萄糖傳感器[3-4].電化學技術因其響應速度快、可靠性高、檢測實時、檢測限低、操作簡便、選擇性出色、可行性良好、響應靈敏、成本低、特異性強等特點，在葡萄糖傳感領域引起了廣泛關注，并已成為一種非常有前途的檢測方法[5].值得注意的是，高質量的電化學葡萄糖傳感器在很大程度上取決于電極上修飾的材料，這些材料在確定葡萄糖傳感器的傳感性能中起著關鍵作用.近年來，在葡萄糖生物傳感器的研發(fā)中，已經廣泛研究了貴金屬基納米材料，例如鉑（Pt）、金（Au）、鈀（Pd）和銀（Ag）納米粒子（NPs），以及金屬合金NPs復合材料、金屬氧化物NPs和氫氧化物.這些傳感器具有出色的電化學性能，已被廣泛用作無酶葡萄糖檢測的傳感材料[6].其中Pd納米粒子（Pd NPs）是金屬Pt族的一部分，在可用的過渡金屬中，經常選擇Pd來修飾電極，它們在電極修飾過程中具有特殊的性能、出色的電催化活性和防污性，并且相對便宜，Pd NPs修飾的電極已用于各種類型的電化學傳感器[7-8].為解決Pd分散性的問題，經常向電化學傳感器中加入導電聚合物，如聚苯胺（PANI）.與傳統的PANI相比，納米結構的PANI具有比表面積大、反應能力高以及納米纖維之間存在許多微間隙的獨特優(yōu)點.隨著PANI納米纖維的引入，基于PANI的電化學傳感器可以顯示出出色的靈敏度和選擇性[9-10].基于以上考慮，本工作采用靜電紡絲工藝結合原位聚合法和原位還原法，構建了Pd NPs修飾的PANI空心管復合材料（Pd/PANI/GCE）修飾電極（其中GCE為玻碳電極）.把對葡萄糖有優(yōu)異催化氧化作用的貴金屬Pd NPs均勻修飾在PANI微管上，成功制備了性能優(yōu)異的無酶葡萄糖傳感器，同時在實際應用中探討了傳感器在唾液中檢測較低濃度的葡萄糖的可行性.

1 ?實 驗

1.1 實驗儀器與試劑

實驗儀器：場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM），JEOL，JSM-6700F;能量色散X射線光譜儀（EDX），Hitachi，S-4800;透射電子顯微鏡（TEM），JEOL，分析型透射電子顯微鏡，JEM-2000 FX;恒溫磁力攪拌器，上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司，H01-1B;超聲清洗器，上海科導超聲儀器有限公司，SK2200H.

實驗藥品：鹽酸（HCl）、苯胺（ANi）、四氯鈀酸鈉（Na2PdCl4）、抗壞血酸（AA）和過硫酸銨（APS）均購自于國藥集團化學試劑有限公司.

實驗中所涉及的化學試劑沒有任何的純化處理，均是直接使用的.實驗過程中用到的水都是去離子水（DI），為電阻率18.25 MΩ·cm的超純水.唾液實際樣品取自于上海師范大學校醫(yī)院.

1.2 制備纖維膜

1.2.1 靜電紡絲PS纖維

1） 配制前驅液：首先將2.25 g的聚苯乙烯（PS）試劑放在8 mL N，N-二甲基甲酰胺（DMF）和2 mL四氫呋喃（THF）組成的混合溶液中.THF和DMF混合溶液在室溫下，用650 r·min-1轉速攪拌，一邊攪拌一邊緩慢加入PS，加入完成后攪拌約2 h.直至形成了均一穩(wěn)定且有一定黏性的電紡前驅液.

2） 電紡：注射器流速0.05 mL·h-1，電紡正負極工作電壓分別為10 kV正電壓和-10 kV負電壓，在15 cm的工作距離（接收裝置與針頭的距離）條件下進行電紡，采用長寬為10 cm×10 cm的鋁箔紙來接收電紡的PS纖維.

1.2.2 制備磺化聚苯乙烯（SPS）纖維

首先在2 mL 98%（質量分數）濃硫酸中放入長寬為6 cm×6 cm左右的PS纖維膜，然后在室溫條件下用超聲清洗儀超聲處置20 s，可得到纖維表面帶負電荷的SPS纖維膜.最后將制得的SPS纖維膜用去離子水漂洗3次，并在空氣中自然晾干.在SPS纖維原位聚合修飾PANI，得到磺化聚苯乙烯@聚苯胺（SPS@PANI）復合纖維.制備過程如下：將SPS磺化纖維膜放入用1.0 mol·L-1 HCl配成的0.25 mol·L-1 ANi溶液中2 h，讓帶正電的ANi與帶負電的磺化纖維膜靜電吸附，然后加入同樣用1.0 mol·L-1 HCl配成的引發(fā)劑APS來引發(fā)ANi聚合，5 min后可以看到纖維膜慢慢由白色透明變成紫紅色，最終變成具有光澤的墨綠色，說明SPS纖維外已修飾上了PANI，然后取出纖維膜用蒸餾水漂洗3次，室溫下自然晾干，得到SPS@PANI復合纖維.晾干后用THF浸泡12 h，去除SPS@PANI復合纖維的內芯部分SPS，然后離心3次，用去離子水漂洗，分散定容得到PANI微管備用.

1.3 Pd/PANI/GCE傳感器的構建

取一定量PANI微管轉移到20 mL 0.02 mol·L-1 Na2PdCl4的溶液中.溶液持續(xù)攪拌加熱到60 ℃，保持10 min，然后再加入一定量的物質的量濃度為0.1 μmol·L-1的還原劑AA溶液.持續(xù)加熱30 min，待充分還原成Pd NPs后，冷卻到室溫，將制備的Pd/PANI溶液用蒸餾水洗滌，在轉速為6 000 r·min-1 條件下離心6 min，離心3次，洗滌定容到1 mL，超聲10 min后得到均一的Pd/PANI溶液，取10 μL溶液滴在打磨好洗干凈的GCE上，在室溫下自然晾干，得到最終Pd/PANI/GCE修飾電極.以上制備過程如圖1所示.

2 ?結果與討論

2.1 Pd/PANI的形貌表征

PANI管和Pd/PANI的FE-SEM圖如圖2所示.由圖2（a）可以清楚地看到PANI微米管材料粗細較為均勻，平均直徑在1～2 μm左右，表面粗糙呈空心管狀結構.由圖2（b）的Pd/PANI的FE-SEM圖可以看出，PANI管表面附著均勻分散的NPs，證明Pd NPs的合成成功，Pd NPs的修飾讓復合材料產生了更大的比表面積和更多的活性位點，從而改善了材料的催化活性.

2.2 不同修飾電極的電化學表征

在奈奎斯特（EIS）圖中，高頻區(qū)域中的典型半圓圖對應于一個動態(tài)過程，而低頻區(qū)域中的下降線對應于一個擴散過程，半圓越大表明界面電子傳遞阻力也越大[11].如圖3（a）所示，在5 mmol·L-1 K3[Fe（CN）6] / K4[Fe（CN）6]（1∶1）包含0.1 mol·L-1 KCl的混合溶液中測量不同修飾電極（GCE，PANI/GCE，Pd/PANI/GCE）的電化學阻抗譜圖結果.裸GCE的半圓最大，電子傳遞阻力最大，隨著電極層層修飾，電極阻抗逐漸減小，導電的PANI管的加入使電阻變小，在PANI管上修飾了Pd NPs的電極材料，使阻值達到最小，加速了電子轉移，產生了最小的電子傳遞阻力，這有可能是兩者的協同作用促成的[12-13].圖3（b）顯示了GCE和Pd/PANI/GCE電極在0.1 mol·L-1 NaOH含有10-3 mol·L-1葡萄糖的溶液以及在不含葡萄糖的0.1 mol·L-1 NaOH溶液中的循環(huán)伏安（CV）曲線圖.由圖3（b）可以看出在加入葡萄糖前后，裸GCE的CV響應基本沒有變化，說明GCE電極對葡萄糖沒有電催化性能.最終修飾電極（Pd/PANI/GCE）在不含葡萄糖的NaOH溶液中的CV曲線，在-0.3 V附近的峰可歸因于Pd氧化物的形成，而-0.55 V附近的峰則歸因于Pd氧化物的剝離[14-15];當加入10-3 mol·L-1葡萄糖后，可在-0.2 V處觀察到一個新的氧化峰，這歸因于電極表面葡萄糖的氧化[16].同時，-0.3和-0.55 V處的峰電流值都增加了，這些現象表明葡萄糖不可逆的電化學氧化過程[17].圖3（c）表示了不同電極（GCE，PANI/GCE，Pd/PANI/GCE）在0.1 mol·L-1 NaOH含有10-3 mol·L-1葡萄糖溶液中的CV圖，可以看出Pd/PANI/GCE對于葡萄糖氧化有電催化作用，而PANI管和GCE電極對葡萄糖氧化沒有明顯的催化作用，證明了Pd NPs和PANI材料的協同作用可以大大提高復合材料對葡萄糖的電催化氧化活性[18].

2.3 掃速的影響

為了考察最終修飾電極反應過程的動力學，測定了在0.1 mol·L-1 NaOH含有10-3 mol·L-1葡萄糖溶液中不同掃描速率（v）下的CV曲線.從圖4（a）中可以看出氧化峰電流隨著掃速的增加而逐漸增大，陽極峰電位發(fā)生正移.當掃描速率的平方根（v1/2）在5～600 mV·s-1之間時，其氧化峰電流與掃描速率的平方根呈現良好的線性關系，如圖4（b）所示，說明在電極表面發(fā)生的是一個典型的受擴散控制的過程，這與先前文獻報道的結論一致[19-20].此外，氧化峰電位與掃描速率對數的線性關系圖，如圖4（c）所示.這表明Pd/PANI/GCE電極上的葡萄糖電氧化是不可逆的過程.目前研究條件下的葡萄糖電氧化遵循以下反應方程式[21]：

其中，C表示葡萄糖物質的量濃度.綜上可知，Pd/PANI/GCE修飾電極對測定葡萄糖有著良好的電化學催化氧化活性.

表1中的數據表明，構建的傳感器對葡萄糖的檢測具有較寬的線性范圍和相對較低的檢測限，這意味著Pd/PANI/GCE葡萄糖傳感器在實際葡萄糖檢測中有著潛在的應用價值.

2.6 傳感器的抗干擾性、重現性和穩(wěn)定性考察

Pd/PANI/GCE的電化學干擾分析，在檢測實際唾液樣品里的葡萄糖時，可能會存在產生干擾的生物分子，例如氨基酸、尿酸（UA）、多巴胺（DA）和AA，及其他具有電活性的物質.因此為了探究電極對葡萄糖測定的選擇性，在物質的量濃度為10-3 mol·L-1的葡萄糖溶液中陸續(xù)添加2×10-3 mol·L-1的L-組氨酸、氯化鈉（NaCl）、尿素（Urea）、DA、UA、AA、D-半乳糖、D-果糖和蔗糖，測定相應的I-t響應，結果如圖8（a）所示.由圖8（a）可知：以上干擾物對檢測結果的影響可以忽略不計，說明Pd/PANI/GCE葡萄糖傳感器抗干擾能力強，具有良好的選擇性.

同時，還研究了電極對葡萄糖檢測長期穩(wěn)定性的影響.將電極保存在4 ℃的冰箱里，在36 d的時間內，隔一段時間記錄一次電極對葡萄糖的安培響應.3根Pd/PANI/GCE電極在保存36 d內的電流信號，如圖8（b）所示.結果表明：電極在36 d后仍保持其原始電流信號的83.8%左右，相對標準偏差（RSD）為1.73%.由此可見，Pd/PANI/GCE葡萄糖傳感器有著可接受的穩(wěn)定性和重現性.

2.7 實際樣品的檢測

為了探究所構建的Pd/PANI/GCE無酶電化學葡萄糖傳感器在實際唾液樣品中的實際應用，將1 mL離心處理后的唾液用0.1 mol·L-1 NaOH溶液稀釋5倍，并進行加標檢測.表2是在唾液中測定出的實際實驗結果，唾液來自于上海師范大學校醫(yī)院，可以得出在唾液中檢測葡萄糖的回收率范圍是99.41%～103.28%.樣品中檢測出的唾液中的葡萄糖物質的量濃度為0.26 mmol·L-1，人體唾液中的葡萄糖生理水平范圍為27.8 μmol·L-1～1.11 mmol·L-1之間，檢測結果在此范圍之內.如上所述，證明制備的Pd/PANI/GCE修飾電極可以成功地在唾液里檢測出葡萄糖含量.

3 ?結 論

本工作通過靜電紡絲法、原位聚合法和原位還原法等合成Pd NPs的方法，構建了Pd/PANI/GCE電化學無酶葡萄糖傳感器，展示了對葡萄糖優(yōu)異的電化學催化氧化活性.此傳感器的線性范圍包括0.1～44.0 μmol·L-1和44.0～3 423.0 μmol·L-1兩段線性，檢測限為0.06 μmol·L-1，同時還具備良好的時間穩(wěn)定性，且能夠運用于實際唾液樣品中的葡萄糖檢測，具有良好的應用前景.

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（責任編輯：郁慧，顧浩然）