镍基碳材料的无酶电化学葡萄糖传感器研究的最新进展

THEORIES AND RESEARCH

1前言

碳的导电性和电化学稳定性良好，可提高电极与某些生物分子之间的电子传输效率，可应用于无酶电化学葡萄糖传感器的研究。本文以微晶石墨-掺硼金刚石（MG-BDD ）载体、石墨烯（GE ）载体、碳纤维（PCF ）载体和碳纳米管（CNT ）载体为例。

2微晶石墨-掺硼金刚石（MG-BDD ）载体

Ni 修饰的BDD 复合电极在葡萄糖检测中具有优异的电催化性能、长期的稳定性、较低的背景电流和良好的抗干扰性。

基于上述表征，Zejun Deng 等采用Ni 催化蚀刻BDD 薄膜，制备出镍-微晶石墨-掺硼金刚石（Ni-MG-BDD ）复合电极。不同尺寸的Ni 颗粒沉入BDD 薄膜的晶面和晶界，这不仅增加了电极的比表面积和电化学稳定性，而且在冷却过程中还将sp 3键合的金刚石催化成sp 2键合的微晶石墨。Ni-MG-BDD 复合电极对葡萄糖氧化具有优异的电化学性能，其线性范围覆盖0.002~0.5mM 和0.5~15.5mM ，灵敏度达1010.8μA mM -1cm -2和660.8μA mM -1cm -2，当信噪比为3时，检测限为0.24μA 。此外，电极具有显著的选择性、良好的再现性和长期的稳定性。

3石墨烯（GE ）载体

GE 的表面积大、导电性好且化学稳定

性好，具有独特的2D 结构。虽然合成具有改善传感性能的GE 负载的镍基纳米复合材料取得的进展很大，但是大多数合成方法仍然使用氧化石墨烯（GO ）作为GE 的前驱体。通

常，GO 的制备需要使用大量浓酸和强氧化

剂，这样会在大规模的生产中引起环境问题。此外，衍生自GO 的GE 通常是高度缺陷的，这样会大幅度地降低GE 的固有性质。

为了改良上述缺陷，Zhenyuan Ji 等[7]通过一种独特的一步法热合成策略，以金属油酸盐络合物为前驱体，以硫酸钠为模板，合成Ni 纳米粒子用于修饰GE 片。GE/Ni 纳米复合材料对葡萄糖具有良好的响应，其线性范围覆盖0.01~2.5mM ，灵敏度达388.4μA mM -1cm -2，检测限为0.79μM 。此外，未发现潜在干扰物质对电极的明显干扰。

4碳纤维（PCF ）载体

将碳基质引入金属氮化物是提高其电荷传导性能和电化学催化性能的有效方法。特别是那些具有特征性堆叠结构和分层多孔结构的碳基质，不仅能提高电子的传导性能，而且能促进活性中心的单分散，这样将极大地提高复合材料的电催化性能。

基于上述原因，Tingting Liu 等通过前体的氮化处理成功地将氮化镍纳米片（Ni 3N NSs ）分散在各种碳基质（如GE 、大孔碳、碳纳米管（CNT ）和中空碳纤维）上。与其他对照样品相比，Ni 3N-PCF 具有3D 空心和管状结构、丰富的微孔/大孔和大BET 表面积。由于Ni3N 的金属特性、PCF 的电导率和分级微孔/大孔组成的结构优势具有协同效应，与其他四个样品相比，Ni 3N-PCF 具有最佳的H 2O 2和葡萄糖检测性能。对于H 2O 2的检测，其线性范围覆盖0.001~2.08mM 和2.08~50.5mM ，灵

敏度达51.81μA cm -2mM -1

和38.32μA cm -2mM -1。对于葡萄糖的检测，其响应时间为1.7s ，线性范围覆盖0.001~1.75mM 和1.75~9.18

mM ，灵敏度达1620.31μA cm -2mM -1和856.4μA cm -2mM -1。此外，Ni 3N-PCF 的重复性和稳定性好，对于H 2O 2或葡萄糖检测的选择性显著。Ni3N-PCF 可用于检测血清中的葡萄糖浓度，效果理想。

5碳纳米管（CNT ）载体

CNT 的机械强度显著、化学性能良好、表面积大且导电性好，具有柔性的修复能力，这些性质使金属纳米颗粒（NPs ）与阳极表面之间的电子交换能更快速地进行。传感器的检测效率很大程度上取决于能以高灵敏度和显著的选择性结合目标分析物的活性位点的数量，因此可将CNT 与其他电化学活性材料结合用于葡萄糖检测。而作为催化剂的载体，多壁碳纳米管（MWCNTs ）调节玻璃C-Ni 纳米粒子电极能增强其对葡萄糖的电化学活性。这些NPs 具有广泛的应用，如固体吸附、传感器和生物传感器具有物质依赖性的高效电催化反应。

基于上述原理，Gaye Ba 拶kaya 等通过微波辅助法，合成功能化负载高单分散镍纳米颗粒的MWCNT ，修饰在玻碳电极上（Ni @f-MWCNT/GCE ）。与Ni NPs/GCE 电极的非酶促葡萄糖传感性能相比较，f-MWCNTs 电极增强了Ni 纳米粒子对葡萄糖氧化的电催化性能，其线性范围覆盖0.05~12mM ，检测限为0.021μM ，在第200次循环后，未观察到电极的安培信号有大的变化。

6结束语

镍基碳材料的无酶电化学葡萄糖传感

器具有良好的电化学性能，为新型无酶电化学葡萄糖传感器的制备提供了更广泛的思路。特别是碳纳米管（CNT ）机械强度显著，且可对糖类分子在电极上的催化氧化发挥加速作用，因此碳纳米管载体电极在检测葡萄糖时更加快速、灵敏和

稳定

。

孙思秦1，石晓钟2，胡海龙3，马国华3

（1.西南科技大学生命科学与工程学院，四川绵阳621010）

（2.西南科技大学国防科技学院，四川绵阳621010；3.西南科技大学分析测试中心，四川绵阳621010）

摘要：碳的导电性和电化学稳定性良好，可应用于无酶电化学葡萄糖传感器的研究。本文就微晶石墨-掺硼金刚石（MG-BDD ）载

体、石墨烯（GE ）载体、碳纤维（PCF ）载体和碳纳米管（CNT ）载体研究的最新进展，对镍基碳材料表征和制备方法的优势以及其在葡萄糖检测时的电化学性能进行了分析，为新型镍基碳材料的无酶电化学葡萄糖传感器的制备提供了更广泛的思路。关键词：镍基；碳；电化学；葡萄糖；传感器中图分类号：O657文献标识码：A 文章编号：1671-1602（2019）09-0110-01

第一作者简介：孙思秦（1998-），女，汉族，陕西省西安市，学生，大学本科，西南科技大学生命科学与工程学

院，研究方向：生物学、材料科学与工程。

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