基于TiO2/CNTs纳米复合物增敏作用电致化学发光法检测葡萄糖的研究
王永红+李发良+王元清+吴顺+何晓晓+王柯敏
摘 要 利用二氧化钛/碳纳米管（TiO2/CNTs）纳米复合物对鲁米诺电致化学发光信号的增敏作用发展了一种检测葡萄糖的方法。通过溶胶-凝胶法合成TiO2/CNTs纳米复合物，将其修饰在玻碳电极表面后，发现其能够很好地增强反应体系的电致化学发光强度，H2O2能与鲁米诺发生反应产生电致化学发光信号，结合葡萄糖在葡萄糖氧化酶作用下所产生的H2O2对发光体系具有良好的响应特性， 可以实现葡萄糖的检测。本方法检测葡萄糖的线性范围为1.0×107～5.0×10 6 mol/L，检出限为5.2×10 8 mol/L。本研究为葡萄糖的检测提供了一种灵敏、快速、简便、经济的方法。同时，TiO2/CNTs纳米复合物修饰电极为电致化学发光信号增强提供了一种新材料。
关键词 TiO2/CNTs纳米复合物； 鲁米诺； 电致化学发光法； 葡萄糖
1 引 言
葡萄糖是生命活动中不可缺少的碳水化合物，也是人体新陈代谢的重要营养物质。许多的慢性疾病比如心血管疾病、高血糖、肥胖症、糖尿病都与葡萄糖密切相关 [1，2]。因此，葡萄糖含量检测对于评估人体健康状况具有非常重要的意义[3]。葡萄糖氧化酶对葡萄糖具有高的选择性和灵敏度，常被用于制备各种生物传感器， 以满足葡萄糖检测的需要[4～7]。鲁米诺作为一种典型的有机发光试剂，具有氧化电位低、价格低廉以及发光范围宽等优点，被广泛用于构建电致化学发光传感器[8～11]。当葡萄糖氧化酶与葡萄糖发生催化反应时，可以产生过氧化氢； 当溶液中有过氧化氢存在时，给工作电极施加合适的电压即可诱发鲁米诺的电致化学发光（ECL），并且发光强度与催化产生的过氧化氢的量成正比。因此，通过间接检测过氧化氢含量可用于电致化学发光法检测葡萄糖含量。
纳米材料由于其粒径尺寸及结构不同而表现出非常优良独特的催化性质，可以有效增敏电致化学发光信号[12～14]。同时，纳米材料大的比表面积、良好的生物亲和性、特异的光学特性和高的催化活性，使其在电致化学发光研究领域应用非常广泛 [15～17]。作为一种新型纳米材料，碳纳米管（CNTs）由于具有良好的传热性能、导电性能、大的比表面积等特性，已经成为一种优良的电极修饰材料，被广泛应用于化学生物传感器[18，19〗。纳米二氧化钛（TiO2）是一种应用前景广阔的半导体材料，其良好的光敏、气敏、压敏等特性，特别是光催化特性，使得TiO2在化学生物传感领域同样具有非常重要的应用[20，21]。利用纳米材料的特性可以活化电极表面，增大信号响应，降低检出限，提高检测灵敏度，目前，利用纳米复合物增敏鲁米诺电致化学发光用于葡萄糖等物质检测的研究却报道相对较少。
本研究利用碳纳米管良好的导电能力和TiO2光催化特性，发展了一种灵敏、简单、快速的电致化学发光方法。TiO2/CNTs纳米复合物修饰在玻碳电极表面后不仅能增加电极的表面区域，而且能加快溶液与电极表面之间的电子传递速率。因此，结合葡萄糖与葡萄糖氧化酶作用产生的H2O2对鲁米诺电致化学发光体系良好的响应特性以及纳米复合物信号的增敏作用，可实现葡萄糖的灵敏检测。
2 实验部分
2.1 仪器与试剂
Labram-010激光拉曼散射光谱（法国JY公司）； 高倍透射电子显微镜（TEM，日本电子光学研究所）； 高速离心机（日本Hitachi公司）； MPI-E型电致化学发光分析系统（西安瑞迈分析仪器有限公司）； 玻碳电极（=3 mm，天津艾达恒晟科技发展有限公司）作为工作电极、铂丝电极作为对电极、Ag/AgCl电极作为参比电极形成三电极体系。
C16H36O i（国药集团化学试剂有限公司）； CNTs（深圳市纳米港有限公司）； 鲁米诺（Fluka公司）； 葡萄糖与葡萄糖氧化酶（上海生工生物工程股份有限公司）； 乙醇，H2O2等（北京鼎国公司）。实验用水均为超纯水（18.2 MΩ cm），其它试剂均为国产分析纯。
2.2 TiO2/CNTs纳米复合物的合成
TiO2/CNTs纳米复合物采用改进的溶胶-凝胶法[20]合成，使用C16H36O i和羧基化处理的CNTs作为起始原料，无水乙醇为溶剂。将2.5 mL C16H36O i和0.25 mL冰醋酸溶解在11.0 mL无水乙醇中，磁力搅拌30 min；将75 mg CNTs加入到上述溶液中，搅拌混匀；逐滴加入0.072 mL HNO3和0.4 mL水于上述混合液，磁力搅拌反应2～3 h，直到形成均一的胶溶液。胶溶液在室温下老化2天，然后分别用无水乙醇和超纯水清洗3次，离心，收集沉淀，在60 ℃的烘箱中干燥24 h后得到干凝胶，随后将其研磨成粉末，置于450 ℃马弗炉中煅烧2 h，得到TiO2/CNTs纳米复合物。
2.3 TiO2/CNTs纳米复合物修饰电极的制备及其对葡萄糖浓度的响应
电极修饰之前，首先用0.3和0.05 μm的氧化铝粉进行抛光处理，再分别用水、乙醇和水各超声5 min，最后用水冲洗干净以及氮气吹干。为获得TiO2/CNTs纳米复合物修饰的玻碳电极，取10 μL 0.05 mg/mL TiO2/CNTs纳米复合物的乙醇分散液滴加于预处理过的玻碳电极表面，在室温下自然晾干，得TiO2/CNTs纳米复合物修饰的玻碳电极。
摘 要 利用二氧化钛/碳纳米管（TiO2/CNTs）纳米复合物对鲁米诺电致化学发光信号的增敏作用发展了一种检测葡萄糖的方法。通过溶胶-凝胶法合成TiO2/CNTs纳米复合物，将其修饰在玻碳电极表面后，发现其能够很好地增强反应体系的电致化学发光强度，H2O2能与鲁米诺发生反应产生电致化学发光信号，结合葡萄糖在葡萄糖氧化酶作用下所产生的H2O2对发光体系具有良好的响应特性， 可以实现葡萄糖的检测。本方法检测葡萄糖的线性范围为1.0×107～5.0×10 6 mol/L，检出限为5.2×10 8 mol/L。本研究为葡萄糖的检测提供了一种灵敏、快速、简便、经济的方法。同时，TiO2/CNTs纳米复合物修饰电极为电致化学发光信号增强提供了一种新材料。
关键词 TiO2/CNTs纳米复合物； 鲁米诺； 电致化学发光法； 葡萄糖
1 引 言
葡萄糖是生命活动中不可缺少的碳水化合物，也是人体新陈代谢的重要营养物质。许多的慢性疾病比如心血管疾病、高血糖、肥胖症、糖尿病都与葡萄糖密切相关 [1，2]。因此，葡萄糖含量检测对于评估人体健康状况具有非常重要的意义[3]。葡萄糖氧化酶对葡萄糖具有高的选择性和灵敏度，常被用于制备各种生物传感器， 以满足葡萄糖检测的需要[4～7]。鲁米诺作为一种典型的有机发光试剂，具有氧化电位低、价格低廉以及发光范围宽等优点，被广泛用于构建电致化学发光传感器[8～11]。当葡萄糖氧化酶与葡萄糖发生催化反应时，可以产生过氧化氢； 当溶液中有过氧化氢存在时，给工作电极施加合适的电压即可诱发鲁米诺的电致化学发光（ECL），并且发光强度与催化产生的过氧化氢的量成正比。因此，通过间接检测过氧化氢含量可用于电致化学发光法检测葡萄糖含量。
纳米材料由于其粒径尺寸及结构不同而表现出非常优良独特的催化性质，可以有效增敏电致化学发光信号[12～14]。同时，纳米材料大的比表面积、良好的生物亲和性、特异的光学特性和高的催化活性，使其在电致化学发光研究领域应用非常广泛 [15～17]。作为一种新型纳米材料，碳纳米管（CNTs）由于具有良好的传热性能、导电性能、大的比表面积等特性，已经成为一种优良的电极修饰材料，被广泛应用于化学生物传感器[18，19〗。纳米二氧化钛（TiO2）是一种应用前景广阔的半导体材料，其良好的光敏、气敏、压敏等特性，特别是光催化特性，使得TiO2在化学生物传感领域同样具有非常重要的应用[20，21]。利用纳米材料的特性可以活化电极表面，增大信号响应，降低检出限，提高检测灵敏度，目前，利用纳米复合物增敏鲁米诺电致化学发光用于葡萄糖等物质检测的研究却报道相对较少。
本研究利用碳纳米管良好的导电能力和TiO2光催化特性，发展了一种灵敏、简单、快速的电致化学发光方法。TiO2/CNTs纳米复合物修饰在玻碳电极表面后不仅能增加电极的表面区域，而且能加快溶液与电极表面之间的电子传递速率。因此，结合葡萄糖与葡萄糖氧化酶作用产生的H2O2对鲁米诺电致化学发光体系良好的响应特性以及纳米复合物信号的增敏作用，可实现葡萄糖的灵敏检测。
2 实验部分
2.1 仪器与试剂
Labram-010激光拉曼散射光谱（法国JY公司）； 高倍透射电子显微镜（TEM，日本电子光学研究所）； 高速离心机（日本Hitachi公司）； MPI-E型电致化学发光分析系统（西安瑞迈分析仪器有限公司）； 玻碳电极（=3 mm，天津艾达恒晟科技发展有限公司）作为工作电极、铂丝电极作为对电极、Ag/AgCl电极作为参比电极形成三电极体系。
C16H36O i（国药集团化学试剂有限公司）； CNTs（深圳市纳米港有限公司）； 鲁米诺（Fluka公司）； 葡萄糖与葡萄糖氧化酶（上海生工生物工程股份有限公司）； 乙醇，H2O2等（北京鼎国公司）。实验用水均为超纯水（18.2 MΩ cm），其它试剂均为国产分析纯。
2.2 TiO2/CNTs纳米复合物的合成
TiO2/CNTs纳米复合物采用改进的溶胶-凝胶法[20]合成，使用C16H36O i和羧基化处理的CNTs作为起始原料，无水乙醇为溶剂。将2.5 mL C16H36O i和0.25 mL冰醋酸溶解在11.0 mL无水乙醇中，磁力搅拌30 min；将75 mg CNTs加入到上述溶液中，搅拌混匀；逐滴加入0.072 mL HNO3和0.4 mL水于上述混合液，磁力搅拌反应2～3 h，直到形成均一的胶溶液。胶溶液在室温下老化2天，然后分别用无水乙醇和超纯水清洗3次，离心，收集沉淀，在60 ℃的烘箱中干燥24 h后得到干凝胶，随后将其研磨成粉末，置于450 ℃马弗炉中煅烧2 h，得到TiO2/CNTs纳米复合物。
2.3 TiO2/CNTs纳米复合物修饰电极的制备及其对葡萄糖浓度的响应
电极修饰之前，首先用0.3和0.05 μm的氧化铝粉进行抛光处理，再分别用水、乙醇和水各超声5 min，最后用水冲洗干净以及氮气吹干。为获得TiO2/CNTs纳米复合物修饰的玻碳电极，取10 μL 0.05 mg/mL TiO2/CNTs纳米复合物的乙醇分散液滴加于预处理过的玻碳电极表面，在室温下自然晾干，得TiO2/CNTs纳米复合物修饰的玻碳电极。
