基于CoP纳米笼的高效无酶葡萄糖电化学传感器

吕雪义 刘俊果 朱艳艳

引用本文: 吕雪义, 刘俊果, 朱艳艳. 基于CoP纳米笼的高效无酶葡萄糖电化学传感器[J]. 无机化学学报, 2020, 36(9): 1675-1682. doi: 10.11862/CJIC.2020.193 shu
Citation:  LÜ Xue-Yi, LIU Jun-Guo, ZHU Yan-Yan. CoP Nanocage-Based Efficient Non-enzymatic Glucose Electrochemical Sensor[J]. Chinese Journal of Inorganic Chemistry, 2020, 36(9): 1675-1682. doi: 10.11862/CJIC.2020.193 shu

基于CoP纳米笼的高效无酶葡萄糖电化学传感器

    通讯作者: 刘俊果, E-mail:1308676013@qq.com; 朱艳艳, E-mail:zhuyanyan@hebmu.edu.cn
  • 基金项目:

    河北省自然科学基金(No.B2019206437)和河北省高等学校青年拔尖人才计划项目(No.BJ2020034)资助

摘要: 采用水热法和煅烧结合的方法制备过渡金属磷化钴(CoP)纳米笼,并利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、扫描透射电子显微镜(STEM)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)表征CoP的形貌、结构和元素组成。研究发现,所合成的CoP具有中空纳米笼的结构,该结构有利于提供更多可接触的催化活性位点,促进电子或离子的传输,加快催化反应过程。采用循环伏安法(CV)和计时电流法研究表明CoP纳米笼对葡萄糖具有优异的电催化氧化活性。基于CoP纳米笼修饰的玻碳电极构建的无酶葡萄糖电化学传感器显示出优异的性能。该传感器具有宽的线性范围(0.04~3 mmol·L-1和3~8 mmol·L-1)、低的检测限(3.8 μmol·L-1)和高的灵敏度,以及良好的选择性、重复性、重现性和稳定性。另外,该传感器能够实现人体血清中葡萄糖的快速检测。

English

  • 糖尿病是威胁人类健康的一大杀手,是世界上导致残疾和死亡的十大疾病之一。糖尿病对患者的健康、寿命和生活质量有重大影响,且糖尿病患者数量逐年增加[1-2]。人体血糖水平是诊断糖尿病的关键指标,因此,快速、灵敏检测人体血糖水平对糖尿病的诊断和治疗具有重要意义[3]。电化学传感器具有制备简单、成本低和分析速度快等优势,是检测葡萄糖的有效手段[4]。目前,基于葡萄糖氧化酶的酶基电化学传感器是检测人体血糖的常用方法。然而,酶在电极表面固定程序复杂,易受温度、pH值、湿度和有毒化学物质的影响,其长期稳定性差[5-8]

    近年来研究学者致力于研究基于无机纳米材料的无酶葡萄糖电化学传感器,该传感器具有成本低、稳定性高和制备简单等优势[9]。例如,学者们在贵金属及其合金(如Au[10]、Pt-Au[11]、Pt-Pd[12]等)、过渡金属(如Ni[13])及其氧化物(如NiO[14]和Co3O4[15])、氢氧化物(如Ni(OH)2[16])、硫化物(CuS[17])和磷化物(Ni2P[18]和CoP[19])做了一些工作。其中,CoP具有高的催化活性和优异的导电性,在电化学传感领域吸引了学者的关注。例如,Sun等[19]采用CoP纳米棒构建的无酶电化学传感器对葡萄糖表现出优异的电催化氧化特性,其检测限为9 μmol·L-1。另外,无酶电化学传感器是基于纳米材料对葡萄糖分子的电催化活性,其电催化活性与结构紧密相关。中空纳米结构材料可以暴露更多的催化活性位点,并且该结构可促进电子/离子的运输,从而加快催化反应动力学过程,提高催化剂对葡萄糖的电催化性能[20-24]

    基于此,我们采用合成的具有中空纳米结构的CoP纳米笼,构建无酶的葡萄糖电化学传感器。该传感器具有高的灵敏度、低的检测限、宽的检测范围及良好的选择性,可以实现人体血清中的葡萄糖快速检测。

    所用试剂有氯化铜(CuCl2·2H2O)、氢氧化钠(NaOH)、聚乙烯吡咯烷酮(C6H9NO)n、氯化钴(CoCl2· 6H2O)、硫代硫酸钠(Na2S2O3·5H2O)、次亚磷酸钠(NaH2PO2)、乙醇、葡萄糖、果糖、乳糖、多巴胺、尿酸、抗坏血酸。

    场发射扫描电子显微镜(FESEM,JEM-7001F,加速电压为10 kV)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM,JEM -2010,加速电压为200 kV)、扫描透射电子显微镜(STEM,JEM-2010,加速电压为200 kV)用于表征材料的形貌和结构。采用X射线衍射(XRD,德国Bruker D8 advance Cu 辐射源,波长为0.154 18 nm,在工作电压40 kV和工作电流40 mA条件下进行,扫描范围2θ为20°~80°)和X射线光电子能谱(XPS,Thermo ESCALAB 250XI,Al 辐射源,工作电压为15 kV,工作电流为10 mA)表征材料的结构和组成。CHI 650E电化学工作站(上海辰华)用于表征材料的电化学性能。所用水来自超纯水系统(HFNW 10-UV)。

    1.2.1   Cu2O立方体的制备

    取0.51 g CuCl2·2H2O溶于300 mL重蒸水,并于55 ℃搅拌30 min。随后,在上述溶液中缓慢滴加30 mL 2 mol·L-1 NaOH溶液,继续搅拌30 min,再缓慢滴加30 mL 0.6 mol·L-1抗坏血酸,搅拌3 h。将所得产物用蒸馏水和乙醇离心、洗涤,最后于40 ℃真空干燥箱中干燥24 h。

    1.2.2   Co(OH)2纳米笼的制备

    取200 mg Cu2O分散于200 mL重蒸水和无水乙醇的混合溶剂(水和乙醇的体积比为1:1),超声30 min,加入68 mg CoCl2·6H2O,搅拌30 min。然后,将80 mL 1 mol·L-1 Na2S2O3溶液缓慢滴加到上述溶液,搅拌使其充分反应,颜色变成透明绿色后继续反应30 min。将所得沉淀用蒸馏水和乙醇离心、洗涤,最后于40 ℃真空干燥箱中干燥24 h。

    1.2.3   CoP纳米笼的制备

    取30 mg Co(OH)2纳米笼和450 mg NaH2PO2研磨均匀,在300 ℃氮气气氛中加热2 h。将磷化后的产物用蒸馏水和乙醇洗涤,最后于40 ℃真空箱中,干燥24 h。

    玻碳电极(直径3 mm)依次用1.0、0.3和0.05 μm的氧化铝粉抛光,并用重蒸水清洗。取15 mg CoP分散于965 μL无水乙醇和35 μL Nafion (5%(w/w))溶液中,超声15 min,制得CoP混悬液(15 mg·mL-1)。然后取5 μL的15 mg·mL-1 CoP混悬液滴于玻碳电极(GCE)表面,于室温下干燥,制得CoP纳米笼修饰的GCE (CoP/GCE),其中CoP纳米笼在GCE表面的负载量为1.062 mg·cm-2

    采用三电极体系评价CoP纳米笼的电化学性能。以CoP/GCE为工作电极,Ag/AgCl电极(饱和KCl溶液)为参比电极,铂柱为对电极(辅助电极)。所有测试均在上海辰华CHI 650E电化学工作站进行。

    FESEM用于分析CoP的形貌。由图 1a1b可以看出所合成的CoP产物具有纳米笼状立方体结构,其尺寸约为750 nm。

    图 1

    图 1.  (a、b) CoP纳米笼的SEM图
    Figure 1.  (a, b) SEM images of CoP nanocages

    TEM用于进一步分析CoP纳米笼的微观结构,如图 2所示。由图 2a的TEM图可以看出CoP具有中空的纳米笼结构,其尺寸约为750 nm。图 2b的HRTEM图表明CoP的晶格间距分别为0.28和0.25 nm,分别对应(111)和(002)晶面[25]。由图 2c~2e的高角环形暗场像(HAADF)-STEM图可以看出,所合成的CoP纳米笼结构中Co和P元素均匀地分布于纳米笼表面。

    图 2

    图 2.  CoP纳米笼的(a) TEM图、(b) HRTEM图、(c) HAADF-STEM图及其对应的(d) Co和(e) P的元素分布
    Figure 2.  (a) TEM image, (b) HRTEM image, (c) HAADF-STEM image and corresponding element distributions of (d) Co and (e) P for CoP nanocages

    图 3a的XRD图可见,在31.79°、32.14°、36.82°、43.26°、46.79°、48.52°、52.51°和56.96°处分别对应CoP的(002)、(011)、(111)、(102)、(112)、(202)、(103)和(301)晶面(PDF No.65-1474)[26-27]。采用XPS进一步表征CoP的表面化学组成和电子态。CoP的XPS光谱(图 3b)中显示存在Co、P、C和O元素,这与文献报道一致[23]图 3c3d分别为Co2p和P2p的XPS高分辨光谱。由图 3c可见,Co2p3/2在778.62和781.35 eV显示出2个主峰,并在784.85 eV出现伴峰。Co2p1/2在793.53和797.52 eV显示出2个主峰,并在802.69 eV出现伴峰。另外,图 3d显示P2p在129.53和130.33 eV的峰分别对应P2p3/2和P2p1/2,同时134.22 eV的宽峰对应PO43- [23]

    图 3

    图 3.  (a) CoP的XRD图; (b) CoP的XPS图; (c) Co2p和(d) P2p的高分辨XPS图
    Figure 3.  (a) XRD pattern of CoP; (b) XPS spectrum of CoP; High-resolution XPS spectra of (c) Co2p and (d) P2p

    CoP/GCE对葡萄糖的电催化性能,采用CV曲线表征分析,测试范围为0~0.8 V,扫速为50 mV·s-1图 4为CoP/GCE和裸电极在无葡萄糖或含4 mmol· L-1葡萄糖的0.1 mol·L-1 NaOH电解液中的CV曲线。由图 4可见,在无葡萄糖时,与裸电极相比,CoP/ GCE在0.30和0.33 V表现出一对明显的氧化还原峰,可归因于Co(Ⅱ) Co(Ⅲ)相互转换[28]。结合这些结果可知,在碱性电解液中,CoOx/Co(OH)x和CoO(OH)发生了氧化还原反应。该过程可表示为:

    $ \mathrm{CoO}_{x} / \mathrm{Co}(\mathrm{OH})_{x}+\mathrm{OH}^{-}-\mathrm{e}^{-} \rightarrow \mathrm{CoOOH} $

    (1)

    图 4

    图 4.  (a) 裸GCE、CoP/GCE在无葡萄糖和含有4 mmol·L-1葡萄糖的0.1 mol·L-1 NaOH溶液中的CV曲线; (b)裸GCE在(a)中的CV曲线放大图
    Figure 4.  (a) CV curves of bare GCE, CoP/GCE in 0.1 mol·L-1 NaOH solution in the absence and presence of 4 mmol·L-1 glucose; (b) Enlargement of CV curves of bare GCE in (a)

    当加入4 mmol·L-1葡萄糖后,CoP/GCE的氧化峰电流明显增加,但是裸电极的电流信号基本没有变化,表明CoP纳米笼对葡萄糖具有很好的电化学催化活性。氧化电流的增加是由于CoOOH把葡萄糖分子氧化为葡萄糖酸内酯,同时Co(Ⅲ)变为Co(Ⅱ)[28],该过程可表示为:

    $ \mathrm{Co}(\mathrm{III})+\mathrm{Glucose} \rightarrow \mathrm{Co}(\mathrm{II})+\mathrm{Gluconolactone} $

    (2)

    图 5a为CoP/GCE在含有4 mmol·L-1葡萄糖的0.1 mol·L-1 NaOH溶液中不同扫速下(10~100 mV·s-1)的CV曲线。由图 5a可见,氧化峰电流随着扫速的增加不断增大。图 5b显示氧化峰电流与扫速的平方根具有良好的线性关系(相关系数R2为0.996 3),表明葡萄糖在CoP的电催化反应过程是受扩散反应控制[28-29]。上述研究结果表明CoP纳米笼对葡萄糖分子具有优异的电催化活性。

    图 5

    图 5.  (a) CoP/GCE电极在含有4 mmol·L-1葡萄糖的0.1 mol·L-1 NaOH溶液中不同扫速(10~100 mV·s-1)下的CV曲线; (b)氧化峰电流与扫速平方根的关系曲线
    Figure 5.  (a) CV curves of CoP/GCE in 0.1 mol·L-1 NaOH solution with 4 mmol·L-1 glucose at scan rates from 10 to 100 mV·s-1; (b) Corresponding plots of current density vs the square root of scan rate

    为了进一步评价CoP纳米笼的电化学传感特性,采用计时电流法研究其性能。图 6a是CoP/GCE在电压为0.5 V下对连续加入不同浓度葡萄糖的电流响应曲线。如图 6a所示,葡萄糖在CoP/GCE电极表面的响应时间很短,即电流在5 s内可达到稳态。葡萄糖在CoP纳米笼电极表面的快速响应应该与CoP纳米笼的中空结构有关。该结构能够增强葡萄糖分子与CoP纳米笼活性位点的接触,加快葡萄糖分子在CoP纳米笼修饰电极上的反应[23, 27]。该结果与SEM和TEM分析结果一致。图 6b是CoP/GCE电极的电流响应随葡萄糖浓度的变化关系。通过线性拟合发现,CoP/GCE电极对葡萄糖的线性范围分别为0.04~3 mmol·L-1和3~8 mmol·L-1,在该线性范围具有良好的线性关系,R2分别为0.992 1和0.991 1。基于CoP纳米笼的传感器具有高的灵敏度,分别为5 870.9和1 913.0 μA·mmol-1·L·cm−2,检测限为3.8 μmol·L-1

    图 6

    图 6.  CoP/GCE电极在0.1 mol·L-1 NaOH溶液偏压为0.5 V时(a)对不同浓度葡萄糖的电流响应曲线; (b)葡萄糖浓度与电流密度的标准曲线; (c)对葡萄糖和干扰物种的电流响应曲线; (d) 30 d内的初始电流相对分数
    Figure 6.  CoP/GCE at the potential of 0.5 V in 0.1 mol·L-1 NaOH solution of (a) amperometric response to different concentrations of glucose; (b) Calibration plot for concentration of glucose and current density; (c) Amperometric response of glucose and various interfering species; (d) Relative fraction of initial current within 30 days

    表 1为CoP纳米笼与其它无酶葡萄糖传感器的对比数据,可见基于CoP纳米笼的传感器对检测葡萄糖具有高的灵敏度与低的检测限。

    表 1

    表 1  CoP/GCE电极与其他无酶葡萄糖传感器的性能比较
    Table 1.  Comparison of performance between CoP/GCE electrodes and other enzyme-free glucose sensors
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    Electrode Sensitivity/(μA·mmol-1·L·cm-2) Linear range/(mmol·L-1) Low detection limit/(μmol·L-1) Ref.
    Co3O4 nanowires 45.8 0.000 1~1.2 0.026 5 [30]
    Nanoporous Co3O4 nanowires 300.8 0.005~0.57 5 [31]
    CoOOH nanosheets 341 0.03~0.7 30.9 [32]
    CoS@C/GCE 697 0.01~0.96 2 [33]
    Co3O4/PbO2 nanorods 460.3 0.005~1.2 0.31 [34]
    Ni@Pt 66.9 0.1~30.1 30 [35]
    Pd-Ni/Si nanowires 190.72 0~0.02 2.88 [36]
    Co3O4 ultra-nanosheet-Ni(OH)2/GCE 1 089 0.005~0.04 1.08 [37]
    CoP nanowires 5 168.6 0.000 5~1.5 0.1 [38]
    CoP 5 870.9 and 1 913 0.04~3 and 3~8 3.8 This work

    选择性是评价无酶葡萄糖传感器性能的一个主要指标。为评价CoP/GCE电极的选择性,将CoP/ GCE电极依次加入1 mmol·L-1葡萄糖(Glu)和干扰物质(包括0.2 mmol·L-1果糖(Fru)、0.2 mmol·L-1乳糖(Lac)、0.2 mmol·L-1多巴胺(DA)、0.2 mmol·L-1尿酸(UA)、0.2 mmol·L-1抗坏血酸(AA))中。由图 6c可见,当加入葡萄糖时,电流显著增高,但是当其他干扰物质加入时,电流响应基本不变。结果表明基于CoP纳米笼的葡萄糖传感器对葡萄糖具有良好的选择性[39]。此外,对CoP/GCE的重复性、重现性和稳定性进行评价。采用平行测量的方法在含有0.5 mmol·L-1葡萄糖的0.1 mol·L-1 NaOH溶液中测试6个在相同条件下制备的CoP/GCE的电流响应,其相对标准偏差(RSD)为5.6%。同时,评价6组相同CoP/ GCE对相同浓度葡萄糖的电流响应,其RSD为3.6%。另外,将CoP/GCE在空气条件储存30 d,5 d测试一次,发现电流响应仍可达到初始电流的90% (图 6d)。

    上述研究结果表明,基于CoP/GCE电极的无酶萄糖传感器具有较好重复性、重现性和稳定性[23]。最后,评价了CoP/GCE测定人体血清中的葡萄糖的可行性。取200 μL血清样品添加到0.1 mol·L-1 NaOH溶液(20 mL)中,偏压为0.5 V,采用计时电流法测定。结果如表 2所示,该方法与常规的商业传感器所测得结果一致。这表明基于CoP纳米笼的无酶葡萄糖传感器对于人体血清中葡萄糖的检测具有很大的应用潜力。

    表 2

    表 2  人血清样品中葡萄糖的测定
    Table 2.  Determination of glucose in human serum sample (n=3)
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    Sample Concentration/(mmol·L-1) RSD/%
    Blood glucose meter CoP nanocage based sensor
    1 5.40 5.65 3.62
    2 4.72 4.95 3.23
    3 4.35 4.57 2.67

    综上所述,研究结果表明CoP纳米笼在碱性条件下对葡萄糖氧化具有高的电催化活性。作为无酶葡萄糖传感器,CoP纳米笼具有优异的性能,如低的检测限、高的灵敏度和良好的选择性、重复性、重现性和稳定性。同时基于CoP纳米笼的电化学传感器能够实现人体血清中葡萄糖的直接检测。该研究为高性能传感材料的设计提供了新的思路。


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  • 图 1  (a、b) CoP纳米笼的SEM图

    Figure 1  (a, b) SEM images of CoP nanocages

    图 2  CoP纳米笼的(a) TEM图、(b) HRTEM图、(c) HAADF-STEM图及其对应的(d) Co和(e) P的元素分布

    Figure 2  (a) TEM image, (b) HRTEM image, (c) HAADF-STEM image and corresponding element distributions of (d) Co and (e) P for CoP nanocages

    图 3  (a) CoP的XRD图; (b) CoP的XPS图; (c) Co2p和(d) P2p的高分辨XPS图

    Figure 3  (a) XRD pattern of CoP; (b) XPS spectrum of CoP; High-resolution XPS spectra of (c) Co2p and (d) P2p

    图 4  (a) 裸GCE、CoP/GCE在无葡萄糖和含有4 mmol·L-1葡萄糖的0.1 mol·L-1 NaOH溶液中的CV曲线; (b)裸GCE在(a)中的CV曲线放大图

    Figure 4  (a) CV curves of bare GCE, CoP/GCE in 0.1 mol·L-1 NaOH solution in the absence and presence of 4 mmol·L-1 glucose; (b) Enlargement of CV curves of bare GCE in (a)

    图 5  (a) CoP/GCE电极在含有4 mmol·L-1葡萄糖的0.1 mol·L-1 NaOH溶液中不同扫速(10~100 mV·s-1)下的CV曲线; (b)氧化峰电流与扫速平方根的关系曲线

    Figure 5  (a) CV curves of CoP/GCE in 0.1 mol·L-1 NaOH solution with 4 mmol·L-1 glucose at scan rates from 10 to 100 mV·s-1; (b) Corresponding plots of current density vs the square root of scan rate

    图 6  CoP/GCE电极在0.1 mol·L-1 NaOH溶液偏压为0.5 V时(a)对不同浓度葡萄糖的电流响应曲线; (b)葡萄糖浓度与电流密度的标准曲线; (c)对葡萄糖和干扰物种的电流响应曲线; (d) 30 d内的初始电流相对分数

    Figure 6  CoP/GCE at the potential of 0.5 V in 0.1 mol·L-1 NaOH solution of (a) amperometric response to different concentrations of glucose; (b) Calibration plot for concentration of glucose and current density; (c) Amperometric response of glucose and various interfering species; (d) Relative fraction of initial current within 30 days

    表 1  CoP/GCE电极与其他无酶葡萄糖传感器的性能比较

    Table 1.  Comparison of performance between CoP/GCE electrodes and other enzyme-free glucose sensors

    Electrode Sensitivity/(μA·mmol-1·L·cm-2) Linear range/(mmol·L-1) Low detection limit/(μmol·L-1) Ref.
    Co3O4 nanowires 45.8 0.000 1~1.2 0.026 5 [30]
    Nanoporous Co3O4 nanowires 300.8 0.005~0.57 5 [31]
    CoOOH nanosheets 341 0.03~0.7 30.9 [32]
    CoS@C/GCE 697 0.01~0.96 2 [33]
    Co3O4/PbO2 nanorods 460.3 0.005~1.2 0.31 [34]
    Ni@Pt 66.9 0.1~30.1 30 [35]
    Pd-Ni/Si nanowires 190.72 0~0.02 2.88 [36]
    Co3O4 ultra-nanosheet-Ni(OH)2/GCE 1 089 0.005~0.04 1.08 [37]
    CoP nanowires 5 168.6 0.000 5~1.5 0.1 [38]
    CoP 5 870.9 and 1 913 0.04~3 and 3~8 3.8 This work
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    表 2  人血清样品中葡萄糖的测定

    Table 2.  Determination of glucose in human serum sample (n=3)

    Sample Concentration/(mmol·L-1) RSD/%
    Blood glucose meter CoP nanocage based sensor
    1 5.40 5.65 3.62
    2 4.72 4.95 3.23
    3 4.35 4.57 2.67
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  • 发布日期:  2020-09-10
  • 收稿日期:  2020-02-27
  • 修回日期:  2020-06-15
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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