2. 中驭(北京)生物工程有限公司, 北京 100101;
3. 北京化工大学 理学院 电化学研究所, 北京 100029
2. ZhongYu(Beijing) Biologic Engineering Technology Co. Ltd., Beijing 100101;
3. Institute of Applied Electrochemistry, Faculty of Science, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China
葡萄糖浓度的检测与监控在食品工业、医疗卫生行业(如血糖、腹膜透析液分析)中具有重要的意义。目前葡萄糖的分析方法包括液相色谱法、分光光度法、液相色谱-质谱联用法以及电化学法等[1-3],其中电化学传感器法因响应快、设备体积小、成本合理的优点而备受关注。
自1962年Jr Clark等[4]发明了第一代酶基型葡萄糖传感器以来,酶基传感器已经取得了长足的发展,成为当前商用传感器的主要选择。酶基传感器因基于生物酶的专一性而具有较好的选择性,但相对于无酶传感器其制作条件更加苛刻,且探头一般为一次性使用,需要频繁更换。无酶传感器通过电催化剂、媒介来直接/间接电催化氧化葡萄糖,虽然选择性偏低,但稳定性良好、灵敏度高、检测范围宽、制作简便[5-7],成为近年来葡萄糖传感器电极材料发展的重要方向。
常见的无酶葡萄糖传感器材料有贵金属Pt、Pd及其合金[8-10],过渡金属Co、Mn、Ni、Cu及其氧化物、氢氧化物等[11-15]。在众多的无酶葡萄糖传感器材料中,镍基电极材料因其良好的稳定性、低廉的价格和较高的灵敏度而备受研究者青睐。当前关于葡萄糖电化学的定量研究多着重于恒定电位(计时电流法)下葡萄糖电催化氧化过程中葡萄糖浓度与响应电流的线性关系,而对动电位(线性极化、循环伏安)下葡萄糖的氧化行为,尤其是数学定量分析的报道并不多见。
本文首先采用一种简便易行的电化学循环伏安法构建了Ni(OH)2/NiOOH/Niw电极,然后连续逐个周期改变葡萄糖浓度下的循环伏安特征,考察了其电化学氧化葡萄糖的动力学特征和电催化机理,详细分析了动态电位下响应电流与葡萄糖浓度的数学关系,优化了基于循环伏安法检测葡萄糖的灵敏度、线性范围和最佳检测电位等。
1 实验部分 1.1 原料与仪器 1.1.1 实验原料镍丝(d=300 μm,99.99%),常州市特震德有限公司;氯化钙,氯化钠,分析纯,天津市津科精细化工研究所;氯化钠,乙醇,葡萄糖,氢氧化钾,分析纯,北京化工厂;乳酸钠,分析纯,天津市福晨化学试剂厂;尿素,尿酸,优级纯,安耐吉化学;实验用水为去离子水。
1.1.2 实验仪器辰华电化学工作站(CHI660C),上海辰华仪器有限公司;电化学工作站(PARSTAT 2273),美国AMETEK;超声波清洗仪(KQ3200DV), 昆山市超声仪器有限公司。
1.2 电极制备首先用不同目数的砂纸(300#,500#和1200#)逐级打磨镍丝,直到表面光滑,然后用丙酮和水超声清洗镍丝至洁净、无油渍。通过涂胶(聚酰胺树脂与环氧树脂质量比1:2) 对干净的镍丝进行封装,得到露出一定长度(L=5 mm)的金属镍电极。然后以此镍电极为工作电极,钛网镀钌为辅助电极,通过盐桥过渡的饱和甘汞(SCE)为参比电极,在7 mol/L KOH电解质中进行循环伏安处理。扫描电位范围0~0.4 V (vs.SCE),扫描速率20 mV/s,周期数为50。处理结束后得到Ni(OH)2/NiOOH/Niw电极。
1.3 循环伏安法电催化氧化葡萄糖采用1.2节制备的三电极体系(Ni(OH)2/NiOOH/Niw为工作电极,钛网镀钌为辅助电极,盐桥过渡的饱和甘汞(SCE)为参比电极),电解液为50 mL的7 mol/L KOH溶液。先在该电解液中扫描10~15个周期至电流曲线重合后,再接下来在每个周期的电位扫描至低电位端时向电解液中加入100 μL的5、50或500 mmol/L葡萄糖溶液,分别对应电解液中葡萄糖浓度逐周期增加约10 μmol/L、100 μmol/L或1 mmol/L。
2 结果与讨论 2.1 Ni(OH)2/NiOOH/Niw的循环伏安特征Ni金属单质在碱性溶液中通过自发的氧化和水合过程(Ni→NiO→Ni(OH)2)能够在电极上形成Ni(OH)2[16]。多周期电化学循环伏安处理有助于加速该过程并形成相对平衡的Ni(OH)2/NiOOH活性层,得到Ni(OH)2/NiOOH/Niw电极。本文首先考察了制备的Ni(OH)2/NiOOH/Niw电极在不同扫描速率(5、10、20、50、100、200和500 mV/s)下的循环伏安特征。如图 1所示, 在0.28 V和0.18 V附近,分别出现了两组氧化峰和还原峰,对应于Ni(OH)2/NiOOH的特征氧化还原峰,如式(1) 和(2) 所示。从图 1(b)可以看出,该氧化/还原峰电流峰值与扫描速率平方根成线性关系,表明Ni(OH)2/NiOOH的氧化还原转化过程主要受扩散控制,这与文献报道的其他镍基材料是相符的[17-18]。
$ {\rm{ 氧化峰 Ni}}{\left( {{\rm{OH}}} \right)_{\rm{2}}}{\rm{ + O}}{{\rm{H}}^{\rm{-}}} \to {\rm{NiOOH + }}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O + }}{{\rm{e}}^{\rm{-}}} $ | (1) |
$ {\rm{还原峰NiOOH + }}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O + }}{{\rm{e}}^{\rm{-}}} \to {\rm{Ni}}{\left( {{\rm{OH}}} \right)_{\rm{2}}}{\rm{ + O}}{{\rm{H}}^{\rm{-}}} $ | (2) |
对Ni(OH)2/NiOOH/Niw进行循环伏安扫描,扫描速率20 mV/s,10周期后伏安曲线基本重合,如图 2(a)中曲线0所示。在接下来的每个周期扫描至低电位端时,加入固定浓度的葡萄糖溶液,使电解液中葡萄糖浓度每周期递增约1 mmol/L,16次加入后,所记录的电流曲线如图 2(a)中曲线1、2、3…15、16所示。由图可以看出,在加入葡萄糖后,当电位正向扫描至高于0.2 V,电流迅速增加且随葡萄糖加入次数的增加而变大。0.2 V电位对应曲线0中Ni(OH)2→NiOOH氧化电流的出现,表明葡萄糖的电催化氧化与NiOOH的出现是相关的。电流增加幅度与葡萄糖浓度成正相关表明,葡萄糖越多时重新产生的Ni(OH)2→NiOOH电化学氧化电流越高。在电位达到0.3~0.32 V时,电流达到该扫描方向上的最高值。当电位继续正向扫描时,电流反而下降,这一方面是由于电极自身Ni(OH)2氧化为NiOOH的电流下降;另一方面是由于高电位下,水分子或阴离子在镍电极上的竞争吸附造成葡萄糖氧化电流下降[17]。电位扫描至高于0.38 V后电流上升,是由于发生副反应析氧过程导致的。负方向扫描时,在电位低于0.38 V后,响应电流随电位负移反而显著上升,这与电位负移时水分子竞争吸附减弱有关。在0.28 V时,响应电流达到峰值,而在电位低于0.22 V后电流开始急剧下降。0.22 V后对应NiOOH→Ni(OH)2过程的发生,表明NiOOH的减少是葡萄糖响应电流急剧下降的主要原因。综上分析,本文认为镍电极上电化学氧化葡萄糖的机理主要是基于NiOOH的化学氧化过程(式(3))和Ni(OH)2→NiOOH的电化学再生氧化过程(式(1))的耦合,且借此带来的电流响应与葡萄糖浓度有一定的数学关系。
$ 葡萄糖氧化 {\rm{NiOOH}} + 葡萄糖 \to {\rm{Ni}}{\left( {{\rm{OH}}} \right)_{\rm{2}}} + 葡萄糖酸内酯 $ | (3) |
图 2(a)中,正向扫描和负向扫描时电流的急剧增加和急剧减少表明该过程非扩散控制,而是受电化学控制。为此,提取图 2(a)曲线0正向扫描电位范围(0.2~0.23 V)的数据进行Tafel拟合分析,如图 2(b)中曲线a所示,用以研究无葡萄糖时Ni(OH)2→NiOOH氧化过程。同时,提取图 2(a)中曲线10正向扫描电位范围(0.21~0.24 V)以及负向扫描电位范围(0.18~0.15 V)的数据进行Tafel拟合分析,分别如图 2(b)中曲线b、c所示,用以研究葡萄糖的电化学氧化过程。后者的研究中扣除了来自于电极自身氧化还原反应的背景电流(曲线0)。从图 2(b)可以看出,3种条件下,电位与电流对数值均呈良好的线性关系(R2>0.99),为典型的电化学控制特征,且三者斜率基本一致,表明葡萄糖的加入并未改变基元步骤,均是基于Ni(OH)2→NiOOH电化学氧化过程产生的NiOOH作为媒介来催化氧化葡萄糖。同时,负向扫描与正向扫描的Tafel曲线相比,电位整体负移且电流对数值增加,这与在正向扫描后期得到了更多的NiOOH活性点是直接相关的,与图 2(a)中观察到的负扫过程电流大于正扫过程电流也是相符合的。
从图 2(a)可以明显看出,在电位高于电化学控制区后,氧化电流都随葡萄糖加入次数的增加而显著增加,且在0.28 V附近呈现出等阶梯增加的趋势,为典型的扩散控制特征。其中在正向扫描(0.22~0.46 V)与负向扫描(0.44~0.18 V)范围内的不同电位值下,葡萄糖响应电流与葡萄糖加入次数的柱状图分别见图 3(a)、(b)。对比可知,正向扫描(0.28、0.30、0.32和0.34 V)和负向扫描(0.32、0.30、0.28、0.26和0.24 V)下响应电流随葡萄糖加入次数的增加梯度增大,展现了良好的线性响应特征。不同电位下响应电流与葡萄糖浓度线性相关性的分析结果如表 1所示。
以上结果表明:(1) 正向扫描0.28~0.42 V和负向扫描0.42~0.18 V产生的电流响应均与葡萄糖浓度呈现良好的线性关系(R2>0.996);(2) 负向扫描对应单位浓度葡萄糖产生的电流响应(灵敏度)高于正向扫描,且在负向扫描0.30~0.24 V时,灵敏度均高于50 μA/(mmol·L-1);(3) 在0.28 V下具有最高的灵敏度(62.7 μA/(mmol·L-1))和较好的线性相关性,可作为定量分析的优选检测电位。在上述研究与讨论中,本文采用逐周期改变葡萄糖浓度的循环伏安法分析了镍基电极电催化氧化葡萄糖的机理和动力学特征,全面分析了其扩散控制区响应电流与葡萄浓度的线性关系、灵敏度并优化了检测电位。
2.3 不同数量级葡萄糖浓度下的CV曲线进一步采用逐周期改变葡萄糖浓度的循环伏安法研究了Ni(OH)2/NiOOH/Niw对10 μmol/L、100 μmol/L和1 mmol/L葡萄糖的电流响应曲线并进行线性检测分析。由图 4可知,即使浓度小幅度增加10 μmol/L、100 μmol/L时,依然可以产生等阶梯的响应电流。如图 4(b)及其插图所示,在优化的负向扫描至+0.28 V电位下对电流响应值与葡萄糖浓度的线性拟合分析表明,无论是在10 μmol/L还是在1 mmol/L,该方法均展现了优良的线性响应(Y=63.8c-7.6,10 μmol/L~5.5 mmol/L,R2=0.9999)。经计算,该方法检测限为2.5 μmol/L(S/N=3)。Ni(OH)2/NiOOH/Niw展现出较好的线性响应与其本身优良的电催化能力以及循环伏安过程中催化层不断地电化学活化、更新是相关的。本文提出的基于逐周期改变葡萄糖浓度的循环伏安法用于检测葡萄糖不仅灵敏度高,且线性相关性较好。
在葡萄糖检测时,需考虑对应体系下共存物的影响,例如对腹膜透析液、血液中葡萄糖分析时,经常有类似于尿素、尿酸、乳酸钠、氯离子、钙离子等共存物干扰测试结果。鉴于这些物质在真实溶液中的浓度远低于葡萄糖浓度[3, 19],本文考察在50 mL电解液中加入100 μL以下不同溶液:尿素(5 mmol/L),尿酸(5 mmol/L),乳酸钠(5 mmol/L)、氯化钠(50 mmol/L),氯化钙(50 mmol/L)以及葡萄糖(50 mmol/L)。Ni(OH)2/NiOOH/Niw电极产生电流响应,葡萄糖与共存物的电流响应值对比如图 5所示。可以看出,尿素、氯化钠、氯化钙产生的电流响应可忽略不计,而乳酸钠、尿酸产生的电流响应也仅为葡萄糖的4.6%、7.5%,表明该Ni(OH)2/NiOOH/Niw电极能对这些常见共存物质的存在具有较好的抗干扰能力。另外,在对于1 mmol/L的葡萄糖标准溶液重复6次的测量中,所测量的结果在0.95~1.02 mmol/L之间,统计学结果为(0.986±0.031) mmol/L(RSD为3.15%),展现了较好的重复性和准确性。
Ni(OH)2/NiOOH/Niw在恒电位+0.28 V下对连续滴加20次葡萄糖时的计时电流曲线如图 6所示。可以看出该传感器产生了快速显著的阶梯式电流响应,相应的线性方程为Y=62.8c+6.2 (R2=0.9997),体现了良好的线性相关性和灵敏度。
(1) 通过多周期的电化学循环伏安法制备了Ni(OH)2/NiOOH/Niw电极。逐个周期改变葡萄糖浓度的循环伏安法表明,0.16~0.24 V为葡萄糖氧化电化学控制区,葡萄糖的电催化氧化是基于NiOOH媒介对葡萄糖的化学氧化和电化学再生NiOOH氧化过程的耦合。
(2) 在0.24~0.36 V之间,电极上响应电流随葡萄糖浓度(1~15 mmol/L)增加呈等阶梯式增加,为典型的扩散控制。
(3) 基于循环伏安法的Ni(OH)2/NiOOH/ Niw电极对葡萄糖检测展现了较好的线性关系(10 μmol/L~5.5 mmol/L,R2=0.9999),灵敏度达到62.7 μA/(mmol·L-1)。
(4) Ni(OH)2/NiOOH/ Niw电极对腹膜透析液、血液中常见的共存物展现了良好的抗干扰能力。所制备的基于电化学原位再生的Ni(OH)2/NiOOH/Niw电极可有望用于葡萄糖的快速、准确分析监测。
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