基于镍/谷氨酸修饰电极的葡萄糖传感

张成建,齐晓雯,李婷婷,刘豪杰,杨 妍

(南阳师范学院化学与制药工程学院，河南 南阳 473061)

葡萄糖的含量对我们的健康有重大的影响，但当其含量长期比血液中的正常值高时，将会引发糖尿病。近年来，糖尿病患者愈来愈多，受到糖尿病影响的人在全球超过2.2亿，而且糖尿病患者的数量在20年内预计会翻倍[1]。定量准确测定葡萄糖的原因不仅仅是在糖尿病诊断领域的要求越来越高，而且在临床医学、环境保护和食品工业等领域的要求也越来越迫切。近年来，大量工作致力于研究开发快速、稳定、准确检测葡萄糖的方法[2]。

在过去五十年中，酶葡萄糖传感器占据了大部分的葡萄糖传感的研究和开发市场。然而，酶葡萄糖传感器的许多缺点阻碍了它们的进一步发展。如易受到温度、湿度、pH以及样品溶液中离子的影响，且成本较高、稳定性差等缺点，限制了它的普遍应用[3]。为了克服这些缺点，无酶的葡萄糖传感器已经得到迅速发展。

无酶葡萄糖的电极活性材料是影响电化学传感器的关键性因素，镍颗粒材料具有传送物质迅速、电催化活性较高以及生物相容性较好等诸多优点[4]。聚谷氨酸是一种合成氨基酸聚合物，它的构造特点与生物高聚物的模型很类似[5]。本文拟通过电化学沉积的方法的得到了镍/聚谷氨酸修饰电极(Ni /PGA /GCE电极)。通过采用循环伏安法和计时-电流法考察了Ni /PGA /GCE电极对葡萄糖的电化学催化性能。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

电子天平(FA1004上海天平仪器厂)，移液枪(德国eppendorf)，电化学工作站CHI600A(辰华仪器有限公司)，参比电极(SCE，223型饱和甘汞电极)，辅助电极(对电极，铂柱电极)，工作电极(谷氨酸和镍修饰的玻碳电极)，超纯水器(GenPure UV-TOC/UF)。

硫酸镍(天津市风船科技有限公司)，谷氨酸(Glu，上海政翔化学试剂研究所)，葡萄糖(G，国药集团化学试剂有限公司)D-果糖(F，国药集团化学试剂有限公司)，抗坏血酸(Vc，华东师范大学化工厂)，盐酸多巴胺(DA，阿拉丁)，尿酸(UA，国药集团化学试剂有限公司)，L-赖氨酸(Lys，上海政翔化学试剂研究所)。

1.2 修饰电极的制备

先用少量水将麂皮抛光布润湿，然后将玻碳电极蘸取少量0.3 μm的氧化铝抛光粉在其上面垂直画圈打磨，冲洗干净后，再重复上述操作用0.05 μm的氧化铝抛光粉进行打磨，冲洗干净。将打磨好的玻碳电极吹干备用。

将准备好的玻碳电极，铂丝电极和饱和甘汞电极先放入配制好的含有1 mL 0.05 mol/L的L-谷氨酸溶液和9 mL 0.1 mol/L pH值=7.0的PBS缓冲溶液的混合溶液中采用循环伏安法(-0.5～2.0V)沉积。然后将上述的三电极体系清洗干净后放置在配制好的1 mL 0.1 mol/L的NiSO4溶液和9 mL 0.1 mol/L pH值=7.0的PBS缓冲溶液的混合溶液中采用恒电沉积法沉积。将沉积好的玻碳电极用超纯水冲洗干净，记为Ni /PGA /GCE电极备用。

2 结果与讨论

2.1 Ni/PGA /GCE电极对有无葡萄糖的电化学响应

图1 Ni/PGA /GCE电极在无葡萄糖的NaOH溶液中

图1是Ni /PGA /GCE电极在NaOH溶液中有无葡萄糖的循环伏安曲线图(CVs)，其中实线a为无葡萄糖的NaOH溶液中的循环伏安曲线，虚线b为有葡萄糖的NaOH溶液中的循环伏安曲线。这是因为在碱性溶液中，Ni的反应如下：

Ni +2 OH-- 2e → Ni(OH)2

Ni(OH)2+ OH--e → NiO(OH)

当碱性溶液中加入葡萄糖溶液后，反应如下：

NiO(OH) + glucose → Ni(OH)2+ glucolactone

该电极可在碱性条件下将葡萄糖电催化氧化成葡萄糖内酯[6]。通过两条曲线的还原峰的比较，Ni /PGA /GCE电极对含有葡萄糖的NaOH溶液的电化学响应较好。

2.2 Ni /PGA /GCE电极对葡萄糖的扫速研究

图2 (A)不同扫速下，Ni /PGA /GCE电极在NaOH溶液中的循环伏安曲线图；(B) Ni /PGA /GCE电极的氧化峰电流与扫速之间的关系曲线图

图2(A)是Ni /PGA /GCE电极在不同扫速条件下的循环伏安曲线图。扫速分别为5 mv/s、10 mv/s、20 mv/s、50 mv/s、70 mv/s、100 mv/s、120 mv/s、150 mv/s、170 mv/s、200 mv/s，由图A可以看出，随着扫速的不断增大，葡萄糖在该电极PGA/Ni/GCE上的氧化峰电流越来越大。由图B可以看出，葡萄糖在该电极Ni /PGA /GCE上的氧化峰电流与扫速的平方根两者之间呈线性关系，这可以表明葡萄糖在修饰电极PGA/Ni/GCE表面是扩散控制的[7]。

2.3 Ni/PGA /GCE电极对葡萄糖的电化学检测

图3 Ni /PGA /GCE电极的时间-电流曲线(A)；Ni /PGA /GCE电极的浓度-电流曲线(B)

图3为PGA沉积5圈、Ni沉积60s、电位为0.4 V下，Ni /PGA/GCE电极的时间-电流曲线图和浓度-电流曲线图。在0.1 mol/L NaOH溶液中,依次加入不同浓度的葡萄糖溶液并伴随着磁力搅拌。从图A可以看出，待葡萄糖加入后，很快就达到响应平台，响应呈阶梯状。从图B可以看出，在0.001～1.000 mmol/L 之间葡萄糖的浓度与响应电流呈线性关系，表明Ni/PGA/GCE电极对葡萄糖的检测有较好的响应,检出限为0.25 μmol/L(S/N=3)。

3 结论

本文通过简单电化学沉积的方法得到了镍/聚谷氨酸修饰电极(Ni /PGA /GCE电极)。通过循环伏安法和计时-电流法对葡萄糖的检测性能进行了探究。实验结果表明Ni /PGA /GCE电极对葡萄糖检测的线性范围是0.001～1.000 mmol/L，检测限为0.25 μmol/L。