Cu@NC作为无酶型葡萄糖传感器的研究

周生洁¹ 魏椰¹ 翟苏星¹ 王玥¹ 张思聪^2* 李清^1*

（1扬州大学广陵学院，2扬州大学化学与材料学院）

摘要：通过室温水相合成法制备了Cu-ZIF8材料，并在氩气氛围下煅烧形成材料Cu@NC。X射线测试结果证明Cu@NC材料的成功制备；电化学测试结果表明，葡萄糖传感性能检测过程中，Cu@NC-4电极的电化学性能表现卓越：检出限低至0.44 μM，灵敏度达6.79 mA·mM^-1·cm^-2，重复性误差控制在4.08%，稳定性在经历了8小时的测试后电流密度维持在初始值的81.4%，同时具备出色的抗干扰能力。本实验为优化血糖监测技术、开发高性能铜基MOF电化学传感材料提供了新思路

关键词：电化学葡萄糖氧化；ZIF8；电催化剂；氮碳掺杂

基金项目：2025年江苏省大学生创新创业训练计划项目 “铜基氧化物纳米材料的设计及其在葡萄糖电化学传感中的研究”(S202513987020)。

作者简介：李清，扬州大学广陵学院，化工与医药系副教授，博士。主要从事能源化学的教育教学研究。

引言：

葡萄糖（GLU）是细胞供能关键物质之一，关乎生命活动。因食品工业的迅速发展，人们对糖分的摄入过量，糖尿病患病风险骤增^[1-2]。因此，科学监测人体血糖水平，可助力糖尿病的早期筛查与病程追踪，更为药物研发过程中活性成分筛选及药效动力学研究提供数据支撑。近年来，为克服传统血糖监测技术的不足，研发兼具经济性与实用性的新型传感器，科研人员不断探索各类新型传感材料。根据不同的催化和信号转换机制，可分为磁传感器、光学传感器、声学传感器和电化学传感器四类^[3-4]。其中，电化学传感技术凭借其在GLU检测领域的显著优势备受关注。该技术体系依托特异性识别元件催化GLU氧化过程，并通过信号转换装置将反应产生的化学信息转化为电流、电压或阻抗等可量化电学参数，最终实现GLU浓度的精确解析。从技术原理维度划分，非酶依赖型传感器通过电极材料直接催化GLU氧化反应，从根本上规避了酶活性衰减问题，展现突出的技术优势。

尽管如此，由于涉及多电子转移，深层电化学葡萄糖氧化反应受到动力学限制，导致低电流响应，因此迫切需要高效稳定的电催化剂来加速深层GOR中缓慢的多电子转移动力学。金属有机框架材料（MOFs）是一类由无机金属离子/团簇和有机配体通过配位键作用自组装而成的多孔配位聚合物材料^[5]。由于其较大的表面积和有序的多孔结构，能够提供丰富的活性位点和大量的离子通道，有利于传感性能。MOFs的比表面积较大，大的比表面积和多孔结构意味着它们能够暴露出许多活性位点，使其具有目标分子吸附和渗透能力，有利于GLU氧化。MOFs材料在化学反应中显现出的良好的催化选择性使它们成为电化学传感器界面的优选活性材料，确保了其高效的电化学反应。在众多的MOFs之中，Cu以其高的固有电子导电性、活性位点明确等特点区别于其他材料，Cu-MOFs在GLU检测方面展现出更高的灵敏度，并且在成本和毒性方面也具备更多的优势^[6]。由于MOFs中的配位Cu²⁺更容易形成Cu²⁺/Cu³⁺氧化还原对，使得Cu-MOFs能够充分利用MOF活性位点，因此作为GLU传感催化剂更具吸引力，让电解质和催化位点之间实现充分接触，所以Cu-MOF材料近年来备受关注。例如，Zheng团队^[7]合成了CuO-MOF-Pt，将其用作GLU氧化碱性条件下的有效催化电极，表现出了比其他材料更好的GLU传感性能。因此，Cu-MOF成为制备无酶GLU电化学传感器的热门选择。

本文采用室温水相合成法将乙酸锌、乙酸铜与2-甲基咪唑进行混合，在水溶剂体系中反应，成功制备了Cu-ZIF8材料，并在氩气条件下煅烧，形成Cu@NC材料。通过循环伏安法（CV）、计时电位法（i-t）的电化学手段对Cu@NC材料的电化学GLU传感性能进行评估。实验结果表明，Cu@NC-4在电化学GLU传感性能检测中表现尤为突出：低检出限（044 μM），高灵敏度（6.79 mA·mM-1·cm-2），低重复性（4.08%），高稳定性（81.4%）以及良好的抗干扰性。其材料性能优势为新型GLU电化学传感器的研发提供核心支撑，在临床血糖监测市场中展现出了一定的潜力，有望成为糖尿病诊疗体系检测方案的创新思路，推动临床检测技术发展。

1 实验

1.1 仪器与试剂

GL224-1SCN分析天平，Mettler-Toledo仪器有限公司；85-2A磁力搅拌器，上海司乐仪器有限公司；KH2200E超声波清洗器，昆山禾创超声仪器有限公司；DHG-9036A恒温鼓风干燥箱，上海精宏实验设备有限公司；DH7000D电化学工作站，江苏东华分析仪器有限公司。

乙酸锌，国药集团化学试剂有限公司；2-甲基咪唑，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；乙酸铜，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 Cu@NC纳米材料的制备

将乙酸锌溶于水中，将2-甲基咪唑和CTAB溶于水中，并与乙酸铜混合，室温搅拌12 h，静置2 h，得到产物Cu-ZIF8。产物用去离子水洗涤，干燥后在氩气条件下800 ℃煅烧1 h，得到产物Cu@NC。

1.2.2 ZIF8-Cu/GCE的制备

取5 mg样品研磨，加入水和乙醇混合溶液和50 l萘酚溶液超声，随后滴加5 μl样品至GCE电极表面

1.2.3 ZIF8-Cu/GCE的电化学性能研究

电解液的配置：称取1.000 g的NaOH于500 mL烧杯中，加入250 mL的去离子超声溶解后倒入250 mL的容量瓶定容至刻度线，这样配制好0.100 mol·L^-1 NaOH电解液。使用分析天平（精度0.0001 g）称取D-葡萄糖0.1080 g，再用6 mL去离子水充分溶解后转移至10 mL容量瓶，配制好0.100 mol·L^-1 GLU储备液，现配现用。测试前将工作电极用去离子水冲洗，随后进行电化学测试。

以Cu@NC/GCE为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝电极作为对电极，在电解池里加入20 ml mol·L^-1 NaOH电解液，利用DH7000D电化学工作站进行测试。采用线性循环伏安法测试，扫描速度设定为50 mV·s^-1。

2 结果与讨论

2.1 扫描电子显微镜(SEM)测试

图1a为ZIF8的SEM图，由图1a可以看出ZIF-8的形貌为均匀的立方体结构。图1b-d为ZIF-8-Cu的SEM图，其中Cu掺杂浓度递增。由图像可知Cu²⁺的引入并未改变ZIF-8的特征形貌，这可归因于Cu²⁺与Zn²⁺相似的离子半径以及原始方钠石(SOD)沸石咪唑酯骨架结构的保留。图1e-h为四种材料在氩气氛围下煅烧后的SEM图。从图1e中我们可以明显发现，ZIF-8材料在煅烧后完全转化为NC。从图1f-h中发现经氩气煅烧后，低浓度Cu掺杂的ZIF-8因Zn²⁺的挥发及缺乏足够的金属物种支撑框架，导致形貌坍塌为无定形聚集体；中浓度Cu掺杂的ZIF-8中，Cu物种在热解过程中原位转化为稳定的氧化物/碳复合材料，有效支撑了原有骨架；而高浓度Cu掺杂则因内外扩散速率的差异引发柯肯达尔效应，促使中空结构的形成。这可以暴露出更多的电催化活性位点，有利于溶液中的分子在电极表面反应, 从而提高电化学葡萄糖氧化的性能。

图1 （a）ZIF-8、（b）CuZIF-8-2、（c）CuZIF-8-3、（d）CuZIF-8-4、（e）NC、（f）Cu@NC-2、（g）Cu@NC-3和（h）Cu@NC-4的扫描电子显微镜（SEM）图像

2.2 X射线衍射(XRD)测试

图2a为ZIF-8，CuZIF8材料的XRD图。可以看出不同浓度Cu引入前后，ZIF-8的XRD衍射峰均未发生明显变化，表明Cu²⁺的掺入并未破坏ZIF-8的方钠石(SOD)拓扑骨架。这可归因于Cu²⁺与Zn²⁺具有相似的离子半径和配位构型，使其能够通过同晶取代方式进入ZIF-8节点而不引起长程有序结构的畸变。图2b为四种材料在氩气条件下煅烧后的XRD图。可以明显看出，氩气煅烧后，ZIF-8的特征衍射峰完全消失，同时金属Cu的衍射峰强度显著增强，与Cu标准卡(PDF#00-004-0836)中的43.514°(111)、50.678°(200)、74.403°(220)相匹配。表明有机骨架已彻底热解碳化，而掺杂的Cu离子被还原为金属态并发生聚集生长；这一物相转变过程与前述不同浓度诱导的形貌演化规律相吻合。

图2 （a）ZIF-8、CuZIF-8-2、CuZIF-8-3、CuZIF-8-4的XRD图谱。（b）NC、Cu@NC-2、Cu@NC-3、Cu@NC-4的XRD图谱。

2.3 电化学性能测试

2.3.1 循环伏安测试

为检测Cu@NC系列样品在碱性条件下的电化学GLU传感特性，本实验选择了0-0.8 V的CV数据。图3实验数据可知，在20 μM的GLU浓度下对Cu@NC-2、Cu@NC-3、Cu@NC-4材料的响应电流强度进行对比分析。结果显示，Cu@NC-4电极的响应电流显著高于其他两种电极。这一实验现象表明，Cu@NC-4电极对GLU的电化学反应更为敏感，能够产生更强的电信号输出，具有较好的构建GLU传感器的潜质的结论。同时，在碱性环境中使用Cu@NC-4作为活性电极材料，GLU容易被氧化。其机理可以解释为：Cu@NC-4中的Cu²⁺在电化学过程中容易丢失电子，并在施加电压时转化为Cu³⁺。

图3 Cu@NC-2、Cu@NC-3、Cu@NC-4电极在含有20 μM的GLU溶液的0.1 M NaOH溶液中的CV对比图

2.3.2 计时电流测试

为了进一步的测试，本文对三个Cu@NC材料进行最优电压的选择。在图4（a-c）所示的三组电压条件下，电压为0.55 V时， i-t曲线斜率最大，且曲线稳定性更佳。而当电压为0.6 V时，虽有较高的响应电流，但曲线稳定性较差，并且有衰减趋势。这一实验现象充分表明，在0.55 V电位下，电极对GLU的响应达到最优水平，是实现高灵敏度GLU检测的理想工作电位。基于此，为确保后续测试数据的可靠性与一致性，在后续实验中将工作电压统一设定为0.55 V。

图4 不同电位下添加20 μL GLU后的i-t曲线：（a）Cu@NC-2；（b）Cu@NC-3；（c）Cu@NC-4

为了测试样品在葡萄糖传感方面的灵敏度以及确定其检出限，本文在前述确定的最优电压下，统一把稳定时间设定为500秒，于测试开启500秒之后,以50秒为间隔，向20 mL 0.1 M的NaOH溶液中逐次添加不同浓度（0.1-200 μL）的葡萄糖，所测得的I-T曲线呈现出阶梯状的形态，如图5所示。对响应电流和与之对应的葡萄糖浓度实施拟合操作，最终得出线性回归方程。随着葡萄糖浓度的逐步增加，电流呈现不同程度的上升趋势。此外，对该回归方程展开分析，便能获取电极材料针对葡萄糖的检出限以及灵敏度。依据国际纯粹与应用化学联合会的规定，灵敏度通过线性关系中的斜率除以有效面积得出，检出限则依据公式3乘以相对标准偏差再除以线性关系中的斜率来进行计算。

图5 在0.55 V下0.1 M NaOH中Cu@NC样品连续注入不同浓度葡萄糖的i-t曲线：（a）Cu@NC-2；（b）Cu@NC-3；（c）Cu@NC-4

检出限LOD指在样品中能检出的被测组分的最低浓度：

其中，样本标准差为：

S为校准曲线的斜率。

表3-1对比了三种材料的性能参数，Cu@NC-4的灵敏度表现为最佳，Cu@NC-3的灵敏度略逊色于Cu@NC-4。具体为：Cu@NC-3所得到的线性回归方程I（mA）=0.01235 C_Glu（μM）+8.32279，R²=0.9755（其中I是响应电流、C是葡萄糖的浓度），灵敏度6.84 mA·mM^-1·cm^-2，Cu@NC-4在对比表中性能最为优越。检出限为0.39 μM，其检出限值低归因于Cu@NC-4中较高的Cu离子含量，即使处于低浓度环境，它也能够与足量的葡萄糖分子充分发生相互作用，从而产生能够被检测到的电流。对其内部孔道作进一步的优化释放，那么检出限仍存在进一步降低的可能性。当相关性系数R越趋近于1时，表明所测得的葡萄糖浓度数值与实际值相近，说明实验结果具备可靠性。样品Cu@NC-2, Cu@NC-3, Cu@NC-4的相关性系数R均趋近于1，表明Cu@NC展现出优异的生物相容性。

表1 Cu@NC系列材料的电化学性能对比

电极样品	线性关系	灵敏度（mA·mM-1·cm-2）		检出限（μM）
Cu@NC-2	I（mA）=0.00406 CGlu（μM）+1.93119R2=0.99147		4.06	2.22
Cu@NC-3	I（mA）=0.00628 CGlu（μM）+1.63059R2=0.96899		6.28	1.43
Cu@NC-4	I（mA）=0.00684 CGlu（μM）+2.96787R2=0.97161		6.79	0.44

为了评估Cu@NC系列材料的抗干扰性能，将工作电极置于含有50 μL GLU的0.1 M NaOH电解液中。待体系稳定500 s后，以50 s为时间间隔，依次向电解液中加入浓度为5 μM的DA、UA、AA和NaCl，将其作为干扰物。通过监测电极响应电流的变化情况，发现该电极材料在这些干扰物质存在的条件下，电流响应保持相对稳定，表明其具备较强的抗干扰能力。

图6 连续滴加250 μM GLU、5 μM AA、5 μM UA、5 μM DA、5 μM NaCl和250 μM GLU的i-t曲线图（a）Cu@NC-2电极；（b）Cu@NC-3电极；（c）Cu@NC-4电极

为规避实验结果的偶然性，本研究针对Cu@NC-2、Cu@NC-3、Cu@NC-4均开展了重复性测试。如图3-7所示，相同条件下，对每个电极重复进行10次添加20 μL GLU的操作，实时监测其电流响应情况。由公式：

n为实际测量次数，xi为每次测试的结果，x为多次测量平均值，计算出的相对标准偏差（RSD）：Cu@NC-3电极的RSD为10.56%，电流响应波动相对较大；Cu@NC-2电极的RSD为8.54%，电流响应波动相对较小，重复性优于Cu@NC-3电极；Cu@NC-4电极的RSD为4.08%，是三者中最低的，所以Cu@NC-4电极电流响应稳定性最佳，重复性最优。因此本实验得到Cu@NC-4电极对GLU响应有着良好的重复性，其偏差最小，性能最好。

图7 Cu@NC电极连续10次滴加100 μM GLU的i-t曲线图：（a）Cu@NC-2；（b）Cu@NC-3；（c）Cu@NC-4

为确保Cu@NC电极材料长时间运行过程中能够保持稳定的工作状态，本实验对三个样品进行了稳定性测试。从中图8可以看出Cu@NC-2、Cu@NC-3、Cu@NC-4电极均具有一定的电化学GLU传感稳定性，但电极Cu@NC-2测试8小时后，其电流保留率为60.1%，加入250 μL的GLU后电流衰减明显，稳定性较低；电极Cu@NC-3加入250 μL的GLU后，8小时电流保留率达74.3%，衰减幅度较小；而电极Cu@NC-4在8小时电流保留率高至81.4%，电流衰减最小，稳定性最好。综上，三种材料的电化学稳定性排序为：Cu@NC-4> Cu@NC-3> Cu@NC-2，Cu@NC-4电极因最高的电流保留率展现出最优的稳定性。

图8 Cu@NC电极在0.1 M NaOH溶液中等待500 s后滴加50 μL GLU的i-t曲线图：（a）Cu@NC-2；（b）Cu@NC-3；（c）Cu@NC-4

3 结论

本研究通过室温水相合成法，制备出Cu-ZIF8材料。在合成过程中，通过调控乙酸铜的量，获得了三种不同Cu离子含量的Cu-ZIF8材料。随后在氩气条件下，800摄氏度煅烧1 h，形成Cu@NC材料。为研究其性能特性，对Cu@NC-2、Cu@NC-3及Cu@NC-4的GLU传感性能展开了测试。实验结束后，通过分析整理数据，得到雷达图（如图9）。通过对灵敏度、检出限、稳定性等多个指标的综合评估（详见表4-1）发现，Cu@NC-4电极展现出最优的GLU传感性能。

图9 Cu@NC-2、Cu@NC-3、Cu@NC-4电极的电化学性能对比图

表2 Cu@NC系列电极电化学葡萄糖氧化性能参数表

样品	灵敏度（mA·mM-1·cm-2）	检出限（μM）	重复性（RSD%）	抗干扰性	稳定性
Cu@NC-2	4.06	2.22	8.54	√	60.9%
Cu@NC-3	6.28	1.43	10.56	√	74.3%
Cu@NC-4	6.79	0.44	4.08	√	81.4%

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