氢氧化铜纳米线用于无酶葡萄糖传感器的研究

李 宁，徐伟航，张瑞瑞，舒 婷

(湖北科技学院医学部药学院，湖北 咸宁 437100)

近年来，全球糖尿病患病率有明显增长趋势，已成为严重威胁人类健康的慢性疾病之一，早期预防和诊断引起了广泛的关注。根据2021年国际糖尿病联盟(IDF)发布的数据显示，2021年全球成年糖尿病患者已达到5.37亿(10.5%)，超十分之一的成年人受到影响。2021年糖尿病造成670万人死亡，平均5秒就有一人因患糖尿病而死亡[1]。血糖水平是糖尿病的重要指标，因此，准确、快速地监测血糖至关重要[2]。目前，商用葡萄糖检测器大多是基于酶的电化学传感器，其关键成分酶受到温度、pH等环境因素的影响容易失活，导致传感器制作成本高、性能不稳定。非酶电化学葡萄糖传感器可以直接催化电极上的电化学活性物质对葡萄糖的氧化，从而避免酶的参与，弥补酶葡萄糖传感器的缺点[3]。因此，探索无酶电催化材料用于葡萄糖的检测倍受研究者关注。目前，有众多贵金属与非贵金属用于无酶葡萄糖传感器的研究。其中，贵金属的催化性能优异，但其成本高、易失活等缺点限制了其应用[4]。相比贵金属和酶，过渡金属[5-6]、过渡金属氧化物[7-9]、过渡金属氢氧化物[10-11]因其自然丰度高、制作成本低、稳定性高等优势引起研究者的重视。Asp等[12]采用化学浴沉积法合成了氧化铜薄膜，研究一些表面活性剂如TritonX-100、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和聚乙二醇(PEG)对氧化铜薄膜结构、形态学和电化学性能的影响。所制备的氧化铜薄膜可作为非酶葡萄糖传感器的活性材料，具有良好的响应。其中用tritonX-100制备的氧化铜薄膜在0.6V工作电压下具有高灵敏度[2.025mA/(mM·cm2)]，响应时间约5s，线性范围为0.003～3mmol/L。CHEN等[13]制备的分层氧化铜构建的葡萄糖传感器灵敏度高达1178.1μA/(mM·cm2)，线性范围为0.002～5.53mmol/L，检测限低至0.4μmol/L。

本实验利用化学沉淀法制备Cu(OH)2NWs，用涂层法将其修饰于泡沫铜(CF)上构建无酶葡萄糖传感器，利用循环伏安法(CV)和时间电流曲线(I-T)测定其对葡萄糖的电化学行为以及传感器性能。将多孔、比表面积大的CF作为基底，增加材料附着面积和提高导电性能，制备纳米级别的Cu(OH)2材料可提高与待测物的接触面积，从而提高催化效应。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

CHI760E电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)；铂片电极作为对电极；银/氯化银作为参比电极；场发射扫描电镜(SU8020，日本日立公司)；X射线衍射仪(日本岛津)。

CuSO4·5H2O(天津市福晨化学试剂厂)；NH3·H2O(国药集团化学试剂有限公司)；NaOH(天津市福晨化学试剂厂)；尿酸(SIGMA公司)；抗坏血酸(天津市福晨化学试剂厂)；多巴胺(瓦西里化工有限公司)；L-半胱氨酸(如吉生物科技公司)。

1.2 Cu(OH)2纳米线的制备与电极制备

1.2.1 Cu(OH)2纳米线的制备

根据文献[14]将30mL 0.15mol/L氨水溶液加入20mL 0.2mol/L CuSO4·5H2O溶液中，溶液呈现浅蓝色，静置15min，再将2.88mL 2.5mol/L NaOH溶液加入CuSO4·5H2O溶液中，溶液呈现深蓝色，静置15min，过滤，备用。

1.2.2 Cu(OH)2NWs/CF电极的制备

将上述适量Cu(OH)2纳米线均匀涂抹于泡沫铜(CF)上，涂抹面积为0.8cm2，得到Cu(OH)2NWs/CF电极，于50℃干燥20min。

1.3 实验方法

电化学测量方法包括循环伏安法(CV)和时间电流曲线(I-T)测试方法，由CHI760E电化学工作站在室温条件下采用三电极系统进行测试。由于Cu2+在碱性条件下对葡萄糖具有良好的催化效应，文献通常使用0.1mol/L氢氧化钠溶液作为葡萄糖检测的电解支持液[15]，故选用20mL 0.1mol/L NaOH溶液作为电解液。Cu(OH)2NWs/CF电极作为工作电极、铂片电极作为辅助电极，银/氯化银电极作为参比电极构成三电极系统浸入电解液中，浸入面积为0.8cm2。循环伏安(CV)实验在静止体系中测定，扫描范围为0～0.8V，时间电流曲线(I-T)实验在匀速搅拌条件下进行测定。

2 结 果

2.1 Cu(OH)2 NWs/CF表征

从图1a、b可以看出Cu(OH)2形貌呈纳米线条状结构，均匀分布在泡沫铜表面，且表面比较粗糙，可提供更多活性位点，提高催化性能，从而提高峰电流响应。用XRD技术鉴定了合成产物的晶体相，如图1c图所示，从XRD图中可观察到明显的晶体衍射峰，2θ=16.7°、23.8°、33.8°、34.06°、35.89°、39.8°和53.2°分别为Cu(OH)2NWs在(020)、(021)、(040)、(002)、(111)、(130)、(150)晶面的衍射峰，与JCPDS(13-0420)标准的XRD数据基本相符，说明Cu(OH)2制备成功。

a、b：SEM；c：XRD

2.2 Cu(OH)2 NWs/CF电极的电化学行为

为探索Cu(OH)2NWs/CF电极在葡萄糖电化学检测中的应用，使用循环伏安法(CV)测试Cu(OH)2NWs/CF电极加入0.5mmol/L葡萄糖后的氧化峰强度，初步判断其对葡萄糖具有一定催化氧化能力。如图2所示，曲线a为Cu(OH)2NWs/CF电极在未添加葡萄糖时的循环伏安响应，曲线b为加入0.5mmol/L葡萄糖的循环伏安响应。可见在加入葡萄糖后，Cu(OH)2NWs/CF电极对葡萄糖发生催化氧化反应，在+0.4～0.6V电压范围内出现较大的氧化峰，可归因于Cu2+与Cu3+的转换，Cu3+催化氧化葡萄糖生成葡萄糖酸内酯的同时，Cu3+转化为Cu2+，催化机理如下[16]：

a：未添加葡萄糖时的循环伏安响应；b：加入0.5mmol/L葡萄糖的循环伏安响应

Cu(Ⅱ)+OH-↔Cu(Ⅲ)+ H2O +e-

Cu(Ⅲ)+glucose↔Cu(Ⅱ)+H2O+gluconolactone

利用循环伏安法考察了在0.1mol/L氢氧化钠支持液中，扫描范围为0～0.8V、扫描速率(20～120mV/s)对Cu(OH)2NWs/CF电极峰电流的影响。如图3(a)所示，加入0.5mmol/L葡萄糖后，随着扫速的增加峰电流响应也逐渐增大，由图3(b)线性方程可知，氧化峰电流响应与扫速呈正比，线性方程为y=0.01 058x+0.17 896(R2=0.99 471)，说明Cu(OH)2NWs/CF电极电化学反应过程属于表面吸附控制。

a：CV图谱；b：线性方程

2.3 Cu(OH)2 NWs/CF电极实验条件的优化

2.3.1 Cu(OH)2NWs/CF电极测试电压的筛选

初步探究Cu(OH)2NWs/CF电极对葡萄糖具有催化响应，为了得到最佳催化效果，对氧化电位范围内的电压(0.5、0.55、0.6、0.65V)进行了筛选，如图4所示，当施加电位从0.5V增加到0.65V时，电流响应明显增加。但电压过高可能会氧化检测样品如血液中的还原性物质(如抗坏血酸)，影响测定结果的准确性，故选用0.6V作为测试电压。

a：CV图谱；b：线性方程

2.3.2 Cu(OH)2NWs/CF电极修饰剂量的筛选及线性范围的确定

用循环伏安法(CV)研究了泡沫铜上Cu(OH)2NWs修饰剂量分别为1.25、2.5、3.75mg/cm2时的电流响应，如图5(a)所示，Cu(OH)2NWs修饰剂量在1.25～3.75mg/cm2时对葡萄糖催化响应的差别较小。同时利用时间电流曲线分别测定了上述三种修饰剂量的线性范围，在0.6V匀速搅拌条件下，依次加入不同浓度的葡萄糖，间隔时间为50 s，得到的I-T图谱及线性方程分别见图5(b)和5(c)。在1.25～3.75mg/cm2时，修饰剂量对线性范围的影响不大，这与CV曲线的结果一致。当Cu(OH)2NWs修饰剂量为2.5mg/cm2时，葡萄糖浓度在0.005～2.7mmol/L范围内电流响应与浓度具有良好的线性关系，线性方程为y=2.15661x+0.13991(R2=0.99276)，检测限为2.6μmol/L(S/N=3)，灵敏度为2.16 mA/(mM·cm2)。

a：CV图谱；b：I-T图谱；c：线性方程

2.4 Cu(OH)2 NWs/CF电极选择性、重现性与精密度

电极的选择性主要检测了尿酸(UA)、抗坏血酸(AA)、多巴胺(DA)以及L-半胱氨酸(L-Cys)对电极检测葡萄糖时的干扰程度。正常人体血清中葡萄糖含量为3～8mmol/L，而UA、AA、DA、L-Cys等物质为葡萄糖含量的1/10[17]，故该实验采用葡萄糖与干扰物质浓度比为10∶1进行测定。如图6所示，加入0.1mmol/L葡萄糖之后，连续加入0.01mmol/L UA、AA、DA、L-Cys各类干扰物质，再加入0.1mmol/L葡萄糖，检测到Cu(OH)2NWs/CF电极对第2次葡萄糖的电流响应为第1次的104%，该结果说明电极对葡萄糖具有良好的选择性。

图6 Cu(OH)2 NWs/CF电极选择性的I-T曲线

依次制备5片Cu(OH)2NWs/CF电极，同时向电解液中加入0.5mmol/L葡萄糖考察Cu(OH)2NWs/CF电极的精密度，其相对标准偏差(RSD)为4.3%，说明Cu(OH)2NWs/CF电极具有良好的精密度。利用同一片Cu(OH)2NWs/CF电极在含有0.5mmol/L葡萄糖的电解液中平行测定5次，得出重现性结果，相对标准偏差(RSD)为2.5%，说明该电极同样具有良好的重现性，数据如图7所示。

a：精密度；b：重现性

3 结 论

通过制备Cu(OH)2NWs将其修饰于泡沫铜上构建无酶葡萄糖传感器，制备方法简单方便快捷，且电流响应与葡萄糖浓度为0.005～2.7mmol/L时具有良好的线性关系，通过信噪比(S/N=3)得出检测限为2.6μmol/L，灵敏度为2.16mA/(mM·cm2)；同时，Cu(OH)2NWs/CF构建的无酶葡萄糖传感器表现出良好的选择性、重现性与精密度，也为无酶葡萄糖传感器的制备提供了一种简单的方法与思路。