TiO2/CB-NiCo2O4修飾玻碳電極的制備及其對葡萄糖的電化學測定

呂蒙蒙，蔡文靜，莊 晨，祝寧寧

（上海師范大學化學與材料科學學院，上海 200234）

0 引言

葡萄糖（glucose）是人體內(nèi)的重要物質(zhì)，為人類正常活動提供能量［1］.血糖水平過高可導致糖尿病及其并發(fā)癥.因此，開發(fā)一種簡單、可靠、靈敏的葡萄糖測定方法具有重要意義.電流型葡萄糖傳感器是一種有效、快速的葡萄糖測定方法.其中非酶葡萄糖傳感器具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、成本低等優(yōu)點.基于新型納米材料修飾電極用于葡萄糖檢測的非酶葡萄糖傳感器已被廣泛報道［2-4］.

近年來，具有不同納米結(jié)構(gòu)的鎳鈷雙金屬氧化物（NiCo2O4）在電化學領(lǐng)域的應用吸引了研究者的興趣［5-7］.NiCo2O4納米結(jié)構(gòu)具有潛在的應用前景，但由于其雙金屬氧化物的缺陷，導電率低和活性位暴露差，NiCo2O4納米結(jié)構(gòu)在電化學領(lǐng)域的應用仍然具有一定限制.為了解決該問題，使用石墨烯、碳納米管、碳纖維和其他碳材料與NiCo2O4混合來增強NiCo2O4的電化學活性和穩(wěn)定性［8-9］.本文作者使用低溫下的水化學生長法合成NiCo2O4納米針，因自組裝而表現(xiàn)出立方晶相，再用二氧化鈦/炭黑（TiO2/CB）對NiCo2O4表面進行了改性，均勻分散在NiCo2O4納米針表面，合成了TiO2/CB-NiCo2O4針簇狀復合納米材料，之后用此復合材料修飾玻碳電極，用于對葡萄糖的電化學測定.實驗發(fā)現(xiàn)該修飾電極對葡萄糖的氧化有良好的電催化活性，這是由于NiCo2O4具有電催化性能和大的比表面積，加上TiO2/CB優(yōu)異的電荷轉(zhuǎn)移性能產(chǎn)生了協(xié)同效應，使TiO2/CB-NiCo2O4修飾電極對葡萄糖的測定響應時間快，檢測限低.

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

實驗儀器：CHI 660B電化學工作站（上海辰華），在該儀器中，電化學測定采用三電極體系，以玻碳電極（GCE，直徑3 mm）作為工作電極，鉑（Pt）絲作為輔助電極，飽和甘汞電極（SCE，飽和氯化鉀）作為參比電極；掃描電子顯微鏡（SEM，S-4800型，日本Hitachi公司）；X射線光電子能譜儀（XPS，ULVCA，美國PE公司）；能量色散X射線光譜儀（EDX，EDX 8300，3V儀器公司）馬弗爐（QSX-15-14，西尼特公司）；數(shù)控超聲波清洗儀（KQ-100DE，昆山市超聲儀器有限公司）；恒溫磁力攪拌器（95-I，上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司）；離心機（TGL-16C，上海安亭科學儀器廠）.除非另有說明，所有實驗均在室溫下進行.

實驗試劑：炭黑納米粒子（CB NPs）購自CABOT公司，異丙醇鈦、N-N二甲基甲酰胺（DMF）購自阿拉?。ㄉ虾＃┯邢薰?；葡萄糖、尿素、NiCl2·6H2O、CoCl2·6H2O、Na2HPO4、NaH2PO4來自上海泰坦科技股份有限公司.所有其他試劑均為分析純，實驗中均使用去離子水（電阻率為18 MΩ·cm）.

1.2 TiO2/CB-NiCo2O4納米復合材料的合成以及修飾電極的制備

NiCo2O4的制備：將2.37 g六水氯化鈷、1.185 g六水合氯化鎳和2 g尿素溶于75 mL去離子水中，攪拌30 min，然后將該盛有生長溶液的燒杯用鋁箔完全覆蓋，放入95℃預熱的烤箱中5 h后，再過濾，用去離子水洗滌.在室溫下對樣品進行干燥，然后在500℃退火3 h，制得NiCo2O4納米結(jié)構(gòu).

TiO2/CB復合材料的制備：把200 mg CB NPs在異丙醇中分散，室溫下超聲2 h.將體積為39.8 μL的異丙醇鈦加入到懸浮液中，混合1 h，加入1 mL的去離子水制備TiO2納米顆粒.于室溫下攪拌24 h.然后將樣品在100℃下加熱以除去異丙醇溶劑，再用去離子水洗滌，室溫下真空干燥.

TiO2/CB-NiCo2O4修飾電極的制備：稱取1.0 mg TiO2/CB和2.0 mg NiCo2O4共3.0 mg（質(zhì)量比為1∶2），加1 mL DMF超聲30 min，制得TiO2/CB-NiCo2O4溶液，質(zhì)量濃度為3 mg·mL-1.用移液槍往拋光好的裸玻碳電極表面滴涂8 μL前述的懸濁液，室溫自然晾干，制得TiO2/CB-NiCo2O4.

1.3 電化學測定

循環(huán)伏安法（CV）：分別將NiCo2O4/GCE，CB-NiCo2O4/GCE，GCE和TiO2/CB-NiCo2O4/GCE作為工作電極在5.0 mmol·L-1鐵氰化鉀溶液和1 mmol·L-1葡萄糖溶液中，在-0.2～0.6 V電勢范圍內(nèi)進行掃描測定（掃速為100 mV·s-1）.

電流-時間（i-t）曲線法：TiO2/CB-NiCo2O4/GCE在含不同物質(zhì)的量濃度葡萄糖的0.1 mol·L-1NaOH溶液中進行測定（施加電壓為0.4 V）.

2 結(jié)果與討論

2.1 TiO2/CB-NiCo2O4的形貌及XPS表征

利用SEM對合成的材料NiCo2O4以及TiO2/CB-NiCo2O4進行了形貌表征，如圖1所示.從圖1（a）可以看出，該法合成的NiCo2O4呈納米針狀結(jié)構(gòu)，這些納米針是由納米粒子組裝而成的.由于TiO2/CB負載在NiCo2O4上，TiO2/CB-NiCo2O4復合材料整體呈納米針簇狀結(jié)構(gòu)，其直徑約為2 μm，如圖1（b）所示.圖1（c）為TiO2/CB-NiCo2O4納米復合物的EDX映射圖，可以發(fā)現(xiàn)該納米復合材料由氧（O）、碳（C）、鈷（Co）、鎳（Ni）和鈦（Ti）元素組成.同時，用XPS對TiO2/CB-NiCo2O4納米復合材料的化學成分進行了表征，如圖2（a）所示（紅色曲線），進一步證實了TiO2/CB-NiCo2O4納米復合材料中鎳（Ni）、鈷（Co）、氧（O）、碳（C）和鈦（Ti）元素的存在.其中，位于285.1 eV的C1s圖譜對應C—C鍵，結(jié)合能位于465.5 eV和59.8 eV的2個峰分別對應于Ti 2p1/2和Ti 2p3/2，而位于795.4 eV和780 eV的2個峰分別對應于Co 2p1/2和Co 2p3/2，873.0 eV和855.9 eV對應于Ni 2p1/2和Ni 2p3/2.

圖1 TiO2/CB-NiCo2O4的形貌表征以及對應元素的能量映射圖.

圖2 各元素及對應特征峰的XPS能譜圖.

2.2 葡萄糖在不同修飾電極的電化學行為

圖3為各種不同修飾電極（裸GCE，NiCo2O4，CB，CB/NiCo2O4和TiO2/CB-NiCo2O4）修飾的GCE在含1 mmol·L-1葡萄糖的0.2 mol·L-1NaOH溶液中的CV曲線.裸GCE（曲線a）在-0.2～0.6 V電位范圍內(nèi)對該物質(zhì)的量濃度的葡萄糖幾乎無電化學響應.NiCo2O4/GCE（曲線b）對葡萄糖的響應也很弱，這是由于NiCo2O4的導電性較差所導致.而相對于CB/GCE（曲線c）和CB/NiCo2O4/GCE（曲線d），TiO2/CB-NiCo2O4/GCE（曲線e）對葡萄糖的氧化呈現(xiàn)顯著增強的電催化活性.其中CB/NiCo2O4材料由于具有NiCo2O4雙金屬氧化物的Ni和Co協(xié)同催化作用［10］，以及CB材料優(yōu)異的導電性，從而展現(xiàn)出良好的氧化還原特性，其響應電流值遠高于單獨的NiCo2O4/GCE（曲線b）和CB/GCE（曲線c）.此外，與單個NiCo2O4/GCE（曲線b）相比，TiO2/CB-NiCo2O4/GCE（曲線e）表現(xiàn)出更高的響應電流和更大的封閉面積，說明其電化學反應性能更好.進一步證實TiO2/CB和NiCo2O4的又一協(xié)同效應使TiO2/CB-NiCo2O4/GCE對葡萄糖產(chǎn)生更好的電催化性能.圖3的內(nèi)插圖為TiO2/CB-NiCo2O4/GCE在0.2 mol·L-1的NaOH溶液中不含（曲線a）和含有（曲線b）1 mmol·L-1葡萄糖溶液的CV圖.當溶液中不含葡萄糖時，在0.42 V和0.20 V出現(xiàn)的氧化還原峰（曲線a）對應于Ni2+/Ni3+和CO2+/Co3+的轉(zhuǎn)化；當溶液中存在1 mmol·L-1的葡萄糖溶液時，0.42 V的氧化峰電流顯著增強（曲線b），表明TiO2/CB-NiCo2O4納米復合材料對葡萄糖的電化學氧化具有良好的電催化活性.

圖3 （a）GCE，（b）NiCo2O4/GCE，（c）CB/GCE，（d）CB-NiCo2O4/GCE，（e）TiO2/CB-NiCo2O4/GCE在含1 mmol·L-1葡萄糖的0.2 mol·L-1 NaOH溶液中的CV圖（內(nèi)插圖是TiO2/CB-NiCo2O4/GCE在不含（A）和含有（B）1 mmol·L-1葡萄糖的0.2 mol·L-1 NaOH溶液中的CV圖，掃描速度均為100 mV·s-1）

2.3 TiO2/CB-NiCo2O4/GCE對葡萄糖檢測的線性范圍和檢出限

圖4（a）是TiO2/CB-NiCo2O4/GCE在施加0.40 V電壓下連續(xù)添加不同物質(zhì)的量濃度葡萄糖時的安培響應，2次連續(xù)添加葡萄糖溶液之間的間隔時間為50 s.注入葡萄糖溶液后，安培響應電流在3 s內(nèi)達到穩(wěn)定電流，這是由TiO2/CB-NiCo2O4大的比表面積和快速的電子轉(zhuǎn)移速率導致.響應電流值與葡萄糖物質(zhì)的量濃度在1 μmol·L-1～1.780 mmol·L-1，呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，如圖4（b），線性回歸方程為I=165.6C+4.123（I為響應電流值，單位為μA；C為物質(zhì)的量濃度，單位為mmol·L-1），相關(guān)系數(shù)R2為0.997 7，檢出限是0.53 μmol·L-1（信噪比S/N=3）.

圖4 不同濃度的葡萄糖注入0.2 mol·L-1 NaOH溶液中后，TiO2/CB-NiCo2O4/GCE的（a）i-t曲線圖以及（b）響應電流與不同物質(zhì)的量濃度葡萄糖的線性關(guān)系圖

2.4 干擾、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性

首先考察了實際樣品血清中潛在的可能干擾物質(zhì)對測定葡萄糖的干擾.在500 μmol·L-1葡萄糖存在下，向0.2 mol·L-1的NaOH溶液中連續(xù)添加50 μmol·L-1的多巴胺（DA）、抗壞血酸（AA）和尿酸（UA），研究TiO2/CB-NiCo2O4/GCE對血清樣品中常見共存物及葡萄糖的響應，結(jié)果如圖5所示.可以看出，連續(xù)添加50 μmol·L-1的DA，AA和UA對葡萄糖的測定沒有明顯干擾，而再次加入葡萄糖后電流再次穩(wěn)定增加.該結(jié)果說明這些物質(zhì)的存在對葡萄糖的檢測幾乎沒有干擾，說明TiO2/CB-NiCo2O4/GCE對葡萄糖的檢測具有良好的選擇性.

圖5 在500 μmol·L-1葡萄糖（glucose）溶液中加50 μmol·L-1各種物質(zhì)的i-t曲線圖

使用3根不同的玻碳電極分別修飾TiO2/CB-NiCo2O4用于500 μmol·L-1葡萄糖溶液檢測，氧化峰電流的相對標準偏差（RSD）為2.9%，表明該修飾電極對葡萄糖的測定具有良好的重現(xiàn)性.TiO2/CB-NiCo2O4修飾電極在500 μmol·L-1葡萄糖溶液運行800 s后電流值維持原來的86.4%.將修飾的電極放置在4℃的冰箱內(nèi)9 d后，發(fā)現(xiàn)其對葡萄糖的峰電流基本保持不變，表明該修飾電極具有良好的穩(wěn)定性.

2.5 樣品分析

為了證實設計的傳感器在實際使用中的有效性，用制得的傳感器對血清中的葡萄糖進行檢測.從表1的結(jié)果中可以看出，回收率為96.37%～102.02%，RSD為1.9%～3.1%，說明該傳感器可以用于實際樣品檢測.

表1 實際樣品中的葡萄糖分析結(jié)果及加標回收率（n=4）

3 結(jié)論

利用低溫水化學生長法合成了NiCo2O4納米針簇，與TiO2/CB混合用于修飾玻碳電極.實驗證明TiO2/CB-NiCo2O4納米復合材料修飾電極對葡萄糖的氧化呈現(xiàn)良好的電催化活性，并對葡萄糖的檢測擁有較寬的線性范圍和良好的選擇性.該研究為葡萄糖的測定提供了簡單可靠的方法，有望將其用于實際樣品的測定，但由于材料催化壽命有限，在商用血糖儀方面的運用還有待開發(fā).