NiCo2O4/CC納米復合材料的制備及其作為無酶型葡萄糖傳感器的研究*

羅家俊，羅潤桐，關高明，柳曉俊，蔣遼川

（廣東第二師范學院，廣東廣州 510730）

近年來，全球糖尿病的發病率在逐年上升。糖尿病是一種嚴重損害人體主要器官和神經的代謝性疾病［1］，在臨床醫學上，能準確監測和嚴格控制血糖水平使提前預防和治療糖尿病必不可少的。因此，開發一種高效、靈敏、便捷的血糖傳感器對精確檢測血糖水平及降低疾病并發癥具有重要意義。隨著科技的發展，現在檢測葡萄糖濃度的方法主要分為三大類，第一類是色譜法［2-3］；第二類是光譜法［4-6］；第三類是電化學方法［7-8］。而電化學方法具有操作簡便、成本低、便捷等優點，因而成為當前葡萄糖檢測方法的熱點。

酶基葡萄糖傳感器也存在較為明顯的缺陷［9-10］，例如具有成本高、固載復雜、氧化酶需要過高的電壓、酶分子活性的不穩定等缺點，大部分科學家繼而轉向對無酶型葡萄糖傳感器的廣泛研究［11］。無酶型葡萄糖生物傳感器的活性材料也存在一定缺陷，比如材料本身為半導體導電性差和作用于催化氧化的活性位點少等。解決的方法之一就是選擇比表面積大和導電性優異的基底材料。盡管碳納米管和石墨烯等被用作葡萄糖電活性材料的載體，研究者為提高基于CuO納米結構的無酶葡萄糖生物傳感器的靈敏度，對 CuO/CNT［12］、CuO/OMC［13］、CuO/rGO［14］、CuO/CNT/rGO［15］、矩形片狀介孔NiCo2O4［16］催化劑復合材料開展了廣泛細致的研究。但是這些粉體材料具有堆積效應或者沒有有效的多孔通道結構，無法提高提供足夠多的活性位點與葡萄糖充分接觸。此外，制備這種基于粉末電極不僅制備時間長，而且過程十分繁瑣，不利于電解液與電極表面的電子傳輸和離子擴散，形成一種類似保護膜的結構，不利于活性位點的暴露和催化氧化的進行。

因此，探索一種新的高導電性的、具備利于電荷傳輸的多孔通道型的基底材料是研究重點內容，通過有效合成方式能在基底上直接生長電活性材料，從而獲得不同結構的材料形成更多的表面活性位點。碳纖維布是由圓柱狀結構的碳纖維以一定的排列方式相互編制而成的網格結構，碳基材料本身的獨特物理性質使得其具有有利于離子擴散的多孔通道，從而增加活性材料的接觸和生長面積。這使其可以作為柔性葡萄糖傳感器的電極，由于其是電子的良導體，可加快電催化反應速率。綜合來看，柔性碳布作為基底負載納米材料，在電催化葡萄糖領域具有潛在的應用價值。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑及儀器

六水合硝酸鈷、六水合硝酸鎳來自于廣東翁江化學試劑有限公司；鹽酸多巴胺、抗壞血酸、葡萄糖、果糖、蔗糖來自于阿拉丁試劑（上海）有限公司；其它所有試劑均為分析純。

粉末X射線衍射儀(XRD，D8 ADVANCES)，Bruker公司；場發射掃描電鏡(FE-SEM，MIRA 3 LMU)，TESCAN公司；CS350電化學工作站(武漢科斯特儀器有限公司)。

1.2 實驗

1.2.1 碳布的預處理

將碳布（臺灣碳能）依次浸入無水乙醇、丙酮、蒸餾水中，分別超聲震蕩20min；移取30mL濃硝酸，將碳布完全浸入濃硝酸中，超聲震蕩30min后，靜置2h。完成浸漬后，用蒸餾水沖洗3次，并放置在60℃的鼓風干燥箱中進行干燥處理。此操作的目的是為了除去碳布表面的雜質，通過強氧化劑氧化碳布表面的羥基官能團，提高其親水性能，有助于納米材料的生長。

1.2.2 NiCo2O4/CC納米復合材料的制備

準確稱量2mmol六水合硝酸鎳、4mmol六水合硝酸鈷和6mmol尿素于燒杯中，然后準確移取30mL 的蒸餾水，在磁力攪拌器下攪拌30min，得到均勻澄清的粉紅色混合溶液。再將混合后的溶液轉移到水熱反應釜中，并將已經預處理后的碳布放入反應釜中，再將反應釜放入烘箱中120℃反應8h。等反應完成后，待反應釜冷卻至室溫，取出碳布，并用蒸餾水和無水乙醇沖洗3次，置于60℃真空干燥箱進行干燥處理。最后將碳布置于馬弗爐中，以2℃/min的升溫速率升至350℃，恒溫反應2 h。得到NiCo2O4/CC納米復合材料。

2 結果與分析

2.1 XRD分析

圖1(a)為空白碳布、NiCo2(CO3)1.5(OH)3/CC和NiCo2O4/CC納米復合材料的XRD對比圖。由空白碳布的X射線衍射圖可以看出，在28°處有出現一個大包峰，歸屬于石墨碳的衍射峰；水熱反應之后，出現了NiCo2(CO3)1.5(OH)3的特征衍射峰；再經煅燒，最后變為NiCo2O4/CC復合材料。圖1(b)為NiCo2O4/CC納米復合材料不同反應時間的XRD圖。可以看出，所制備材料在2θ為18.906°、31.148°、36.696°、38.404°、44.622°、55.439°、59.094°、64.98°、68.309°處出峰，分別與標準卡NiCo2O4(PDF#20-0781)中(111)、(220)、(311)、(222)、(400)、(422)、(511)、(440)和(531)的晶面一一對應。由此可知，所制備的復合材料有NiCo2O4的衍射峰，即成功制備NiCo2O4/CC納米復合材料。

圖1 空白CC、NiCo2(CO3)1.5(OH)3、NiCo2O4/CC納米復合材料的XRD圖(a)和不同溫度下合成的NiCo2O4/CC納米復合材料的XRD衍射圖(b)Fig. 1 (a)XRD pattern of blank CC, NiCo2(CO3)1.5(OH)3, NiCo2O4/CC nanocomposite;(b)XRD pattern of NiCo2O4/CC nanocomposite synthesized at different temperatures

2.2 SEM表征

由圖2可知，水熱法制備的NiCo2O4已經均勻致密地負載于碳布表面，介觀形貌為納米針狀，長度約為6μm，直徑約為2nm。該材料整體呈現三維陣列結構，具有較大的比表面積，可提供更多的催化活性位點。

圖2 NiCo2O4/CC 納米復合材料的SEM形貌Fig. 2 The SEM morphology of NiCo2O4/CC nanocomposite

2.3 循環伏安曲線測試（CVs）

對電極材料進行循環伏安曲線的測試，可以判斷體系氧化還原過程的動力學相關信息。以NiCo2O4/CC納米復合材料作為工作電極，以Pt片為對電極，Ag/AgCl作為參比電極，電勢窗范圍為-0.20 ~ +0.80 V，掃速為100mV/s。

2.3.1 對NiCo2O4/CC水熱反應溫度和時間的探究

測試的條件是在40mL 0.10mol/L 的NaOH溶液與外加10mmol/L葡萄糖混合溶液進行測試，測試的樣品為水熱反應8h，不同反應溫度(80、100、120、140、160 ℃)，并進行退火處理的NiCo2O4/CC材料，實驗結果如圖3所示。由圖3(a)可以看出，120℃下制備的NiCo2O4/CC材料電極在相同條件下對葡萄糖的響應最高，因此選擇120℃為最佳反應溫度。由圖3(b)可知，當反應溫度為120℃時，8h下制備的NiCo2O4/CC材料電極在相同條件下對葡萄糖的響應最高。因此，選擇反應溫度為120℃，反應時間為8h作為最佳實驗條件。

圖3 不同反應溫度(a)和不同反應時間(b)制備NiCo2O4/CC電極材料的循環伏安線曲線Fig. 3 CVs of NiCo2O4/CC material with different hydrothermal temperatures(a) and times(b)

2.3.2 不同濃度氫氧化鈉的探究

測試采用的樣品為水熱反應8h、120℃，并在馬弗爐中進行退火處理的NiCo2O4/CC，在不同濃度的NaOH溶液(0.10、0.25、0.50、1.0 mol/L)中和進行測試，測試結果如圖4所示。

圖4 (a)不同濃度的NaOH循環伏安曲線和(b)不同濃度NaOH中加入2mM葡萄糖循環伏安曲線Fig. 4 (a) Cyclic voltammetry curve of different concentrations of NaOH;(b) Cyclic voltammetry curve of different concentrations of NaOH added with 2 mM glucose

由圖4可知，在不同濃度的NaOH溶液中氧化峰電位和峰電流表現出不同的變化趨勢。當NaOH溶液的濃度越高，NiCo2O4材料本身的氧化還原峰就越明顯，氧化峰電位逐漸負移，氧化峰電流增大。當加入2mmol/L葡萄糖溶液后，在0.25、0.50、1.0 mol/L的NaOH溶液中響應電流變化不大，而在低濃度0.10mol/L的NaOH溶液中NiCo2O4/CC電極均對葡萄糖的響應電流增幅較大。通過對比可知，在0.10mol/L的NaOH溶液中更有利于NiCo2O4/CC電極電催化氧化葡萄糖。因此，選擇0.10mol/L的NaOH溶液作為最佳電解液濃度。

2.3.3 對不同濃度的葡萄糖進行催化反應的探究

在40mL 0.10mol/L 的NaOH溶液進行不同濃度葡萄糖的CV測試。在同一反應體系中不斷添加葡萄糖溶液，測試其對葡萄糖的電催化氧化效果。從圖5可以看出NiCo2O4/CC對不同濃度的葡萄糖具有一定的催化效果，在+0.23V開始出現氧化峰，當逐漸增加葡萄糖濃度時，響應電流逐漸增大。說明該納米復合材料對葡萄糖具有電催化氧化能力。

圖5 滴加高濃度的葡萄糖的NiCo2O4/CC材料電極的循環伏安曲線Fig.5 Cyclic voltammetry curve of NiCo2O4/CC electrode with high concentration of glucose

2.3.4 不同電壓下的計時電流對比

圖6顯示了在不同恒電位下，連續向40mL 0.10 mol/L的NaOH溶液中注射0.1mmol/L葡萄糖。可以看出，隨著電位的增加響應電流增大，但當增加到+0.45V時，響應電流達到最大。考慮到較大的工作電位會導致其它干擾物質產生響應電流。因此，選擇在+0.45V作為最佳工作電位。

圖6 不同恒定電位下NiCo2O4/CC的計時電流對比(a)和 線性檢測范圍(b)Fig. 6 The i-t curves response of NiCo2O4/CC under different constant (a)(a)potentials and (b) linear detection limit

2.3.5 電化學阻抗譜（EIS）

圖7為不同電極的交流阻抗對比圖。由Nyquist圖可知， NiCo2O4/CC電極的溶液電阻Rs小于CC的溶液電阻，這有利于電子的快速傳導。兩種電極材料在高頻區都呈現圓弧，說明主要受到傳荷過程控制。在低頻區，NiCo2O4/CC依然為圓弧，這可能是由于存在吸附電阻（Rad）；而CC則為一條直線，說明受到擴散過程控制。

圖7 純CC、NiCo2O4/CC的電化學阻抗譜圖（EIS）Fig. 7 Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) of pure CC and NiCo2O4/CC

2.3.6 葡萄糖的抗中毒測試

在實際人體的血液中存在大量的有機、無機成分，除葡萄糖外，血樣內的其他物質也會干擾傳感器對葡萄糖的檢測，這是因為有機物本身就極易被氧化，產生干擾電流。采用計時電流法，研究該納米復合材料的對這些干擾物抗中毒性能。葡萄糖與抗干擾物質的濃度比為10：1。向0.10mol/L的NaOH溶液中加入0.50mol/L葡萄糖，待響應電流穩定后，依次加入50μmol/L的有機物：多巴胺(DA)、尿酸(UA)、抗壞血酸(AA)、果糖(FA)、麥芽糖(maltose)、50μmol/L的檸檬酸(CA)、檸檬酸鈉(E331)，和50μmol/L的無機鹽：磷酸二氫鈉(MSP)、磷酸二氫鉀(MKP)、氯化鈉溶液(NS)，實驗結果如圖8 所示。由圖可知，干擾物的電流響應小于葡萄糖的響應電流，這說明該材料較為良好的抗干擾性能。

圖8 NiCo2O4/CC電極對葡萄糖選擇性的i-t曲線圖Fig.8 The i-t curve of the selectivity of NiCo2O4/CC electrode to glucose

相比于傳統型的粉末材料，在碳布上負載NiCo2O4/CC的多維復合材料，能使更多有效的催化活性物質與導電基底接觸，并且較穩定的附著性，并且從根本上解決了工作電極不穩定的缺陷，更符合實際生產應用，因此本實驗還探究了NiCo2O4/CC電極作為工作電極的穩定性。

2.3.7 穩定性測試

在+0.45V的工作電壓下，向NaOH溶液滴加1mmol/L葡萄糖，得到該工作電極與葡萄糖的計時電流曲線，將響應電流變化值標記為I0。以兩天作為一個周期，將同一片NiCo2O4/CC電極重復該實驗，并記錄響應電流的對應電流值，如圖9所示。由圖中曲線可知，在20天的重復測試中，該納米復合電極具有較好的穩定性，依然保持初始電流的80%以上，說明電極具有較高的穩定性。

圖9 NiCo2O4/CC電極穩定性測試Fig.9 NiCo2O4/CC electrode stability test

3 結論

通過控制水熱反應溫度和時間，成功制備出三維納米針狀的NiCo2O4/CC復合材料。實驗結果表明該材料對葡萄糖具有較強的電催化作用，線性檢測范圍10~10.4 mmol/L，靈敏度為15.3μA/(mol/L)/cm2。 NiCo2O4/CC具有抗干擾性能，響應速度快等特點，有望發展成為新型的柔性無酶型葡萄糖傳感器。