Au2Pt1Cu1三元纳米合金的制备及其在无酶葡萄糖传感器中的应用

张晓月，梁新义，2，*

（1.天津商业大学天津市食品生物技术重点实验室，天津300134；2.天津商业大学生物技术与食品科学学院应用化学系，天津300134）

葡萄糖的精确和快速检测在临床医学、食品、药品生产及发酵过程具有重要价值[1-4]。葡萄糖检测方法包括比色法、菲林滴定法、高效液相色谱法和电化学传感器法等。其中，最具快速在线检测应用价值的是电化学传感器法。

Clark 和Updike 在1962 年最先研发出酶电极和测量的酶生物传感器[5]。然而，酶基葡萄糖传感器使用存在较多且复杂的固定步骤，同时酶固有的不稳定性和低重现性等问题使传感器性能受到很大限制[6]。在2005 年，Park 等首次发表了一篇关于无酶葡萄糖传感器发展的权威性综述[7]。近年来，科研工作者已经在无酶葡萄糖传感器领域取得不菲地成绩，使用无酶葡萄糖传感器检测葡萄糖时，其表现出良好的电催化活性，总体来看，优点主要有检测线性范围广，检测限低，灵敏度高，选择性好，同时兼顾很好的可重现性以及高稳定性[8-9]。

近年来，纳米材料由于拥有更大的比表面积，能够增强的电子传递作用，被广泛应用到无酶葡萄糖传感器中。纳米材料的催化性能受其形态，相位和粒子尺寸的强烈影响，学者们通过优化纳米材料的合成工艺，达到使无酶葡萄糖传感器拥有良好再现性的目的[10]。需要强调的是，许多纳米材料是由于它们的优异性能和内在的电催化活性而逐渐被研究的。例如基于金属——包括贵金属（Au、Ag、Pt、Pd）和其他金属（Ni、Co、Cu）的纳米材料：金属合金、金属化合物、双金属纳米材料和碳基化合物纳米材料[11-16]。

双金属纳米结构是一种新型的纳米材料，具有较好的技术用途，比单一金属纳米材料更具有独特的特性。双金属纳米材料在电子、光学和催化性能方面的表现优于单一金属纳米材料[17-18]。Chen 等[19]研发了一种双金属Pt 壳和棒状Au 核的葡萄糖传感器，固定在Nafion 膜和玻碳电极上。试验数据表明，电催化性能的显著提高是由于从Au 核到枝状Pt 的净电子转移，提高了Pt 的活性位点，因而加速了葡萄糖氧化中间体和氯离子的弱吸附。Gang Wang 等[20]合成AuCu@Cu 核壳结构的细长的五角双锥体纳米合金，AuCu 合金壳对Cl-，H3-xPO4x-和O2具有良好的抗中毒和抗干扰性能。Tee S Y 等[21]合成AuCu 纳米管结构，具有高导电率的Au 和高比例的Cu，形成较高的比表面活性面积。Wang 等[22]采用电沉积法在Au 电极上还原了石墨烯氧化物和Cu 纳米粒子，制备了电化学无酶葡萄糖传感器。该传感器催化性能是由于铜纳米粒子和Au 的协同作用。

二元合金纳米材料修饰的无酶葡萄糖传感器在葡萄糖催化氧化过程中展现出的良好性能，为多元合金纳米材料的研究提供的可能性。本论文在25 ℃下采用反向微乳液法制备了三元合金纳米粒子Au2Pt1Cu1，表征其形貌和结构特征。并构筑无酶葡萄糖传感器，进行电化学测试表征其催化性能，立足揭示纳米粒子的构—性关联。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

2-乙基己基琥珀酸酯磺酸钠：Acros 试剂公司；HAuCl4、H2PtCl6：Sigma 公司；CuSO4：上海泰瑞尔化学有限公司；环己烷：天津市风船化学试剂科技有限公司；水合肼：天津市赢达稀贵化学试剂厂；无水乙醇：天津市杰尔正化贸易有限公司；甲醇：天津市科密欧化学试剂有限公司。以上试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

CHI760 电化学工作站：上海辰华仪器公司；H1650-W 台式高速离心机：长沙湘仪离心机仪器有限公司；D-8401 型多功能调速器：天津市兴华科学仪器厂；KQ218 超声波清洗器：昆山市超声仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 Au2Pt1Cu1三元合金纳米粒子的制备方法

取2-乙基己基琥珀酸酯磺酸钠2.7 g 加入50 mL圆底烧瓶中，加入磁子，同时用移液枪取15 mL 环己烷置于圆底烧瓶中，搅拌均匀至澄清透明无固体剩余；加入360 μL HAuCl4、180 μL H2PtCl6溶液与180 μL CuSO4溶液混合，然后在25 ℃机械搅拌下逐滴滴加200 μL 水合肼；继续搅拌1 h 后装瓶。Au2Pt1Cu1纳米粒子即制备而成。

1.3.2 Au2Pt1Cu1三元合金纳米粒子的结构和电化学性能表征

场发射透射电子显微镜使用飞利浦Tecnai G2F20型进行形貌、尺寸和表面结构表征。玻碳电极的处理：将3 mm 玻碳电极（glassy carbon electrode，GCE）依次使用1.0、0.3、0.05 μm 的Al2O3粉抛光，每次抛光后在去离子水中超声清洗30 s，最后在无水乙醇中超声1 min，在25 ℃下自然晾干后备用。将制备好的纳米粒子滴加在处理好的玻碳电极上，晾干后待测。电化学试验检测采用三电极系统：Au2Pt1Cu1/GCE 电极为工作电极，饱和甘汞电极（saturated calomel eletrode，SCE）为参比电极，铂丝电极为对电极。

2 结果与讨论

2.1 Au2Pt1Cu1 三元合金纳米粒子的形貌表征

Au2Pt1Cu1三元合金纳米粒子的透射电镜（trans－mission electron microscopy，TEM）图和高分辨透射电镜（high resolution transmission electron microscopy，HRTEM）图如图1 所示。

图1 Au2Pt1Cu1 合金纳米粒子的透射电镜图像Fig.1 The TEM and HRTEM images of Au2Pt1Cu1 ternary alloy nanoparticles

从图1（A）中可以看出，合成的合金纳米粒子颗粒分明且分布较均匀，纳米颗粒粒径为7 nm 左右。其中，图1（C）中5 白线对应的是五重孪晶对称轴，图1（D）标注了合金颗粒的位错，图1（E）中用箭头指向的白色圆圈标注的为空位缺陷。图1 显示合成的三元合金纳米粒子中具有丰富的表面缺陷，这是由于三者的电负性不同，促使合金产生协同作用，电子在金属中转移，形成d 轨道空位，达到改变表面结构的效果。同时又因为Au、Pt 和Cu 三者粒径的差异，在粒子排列过程中，空位和缺陷更容易形成。这一现象为三元合金粒子的性能研究提供了有力支撑。

2.2 Au2Pt1Cu1 三元合金纳米粒子的电化学性能测试

不同扫速下的循环伏安曲线和线性拟合曲线如图2 所示。

图2 不同扫速下的循环伏安曲线和线性拟合曲线Fig.2 Cyclic voltammetry curves and linear fitting curves at different sweep rates

为研究三元合金构筑电极的电化学性能，将制备的电极分别置于0.01 mol/L KOH 溶液和含有5 mmol/L葡萄糖的0.01 mol/L KOH 溶液中进行循环伏安曲线（cyclic voltammetry curves，CV）扫描，扫描速率分别为10、30、50、70、100 mV/s，扫描结果如图2 A 和图2 C 所示，氧化峰位不变，氧化电流随着扫速的提升而增加。根据CV 曲线，将氧化峰电流与所对应扫速的平方根进行线性拟合，图2 B 和图2 D 是拟合结果。从线性拟合结果来看，不同扫描速率下的CV 曲线中的氧化峰电流与其相应扫速的平方根构成线性关系，由此说明电极催化反应是由扩散控制的，即电极表面的葡萄糖分子吸附影响电化学催化过程。

为进一步研究Au2Pt1Cu1/GCE 催化葡萄糖的机理，将构筑电极在0.01 mol/L KOH 溶液与含有5 mmol/L葡萄糖的0.01 mol/L KOH 溶液中扫描循环伏安曲线对比，对比结果如图3 所示。

图3 不同试验条件下的循环伏安曲线Fig.3 Cyclic voltammetry curves under different test conditions

从图3 可以明显看出构筑电极对5 mmol/L 葡萄糖的两个催化氧化峰。CV 曲线正扫时，在-0.4 V 到0.4 V 之间，出现较宽范围的氧化峰，对应葡萄糖在Au2Pt1Cu1/GCE 上的脱氢吸附和进一步氧化成为中间产物。随着电位的升高，纳米颗粒被氧化成为金属氧化物致使峰电流降低。CV 曲线回扫时，在0.1 V到-0.35 V 之间，随着金属氧化物还原成为纳米颗粒，重新氧化葡萄糖，出现了电流较小且明显的氧化峰。由此，Au2Pt1Cu1/GCE 在碱性环境中可以催化氧化葡萄糖，具有第一次氧化更充足的特点。三元合金的协同作用削弱有机分子在电极表面的吸附力，提升了正扫时合金颗粒对葡萄糖的催化性能。

不同浓度下的循环伏安曲线和线性拟合曲线如图4 所示。

图4 不同浓度下的循环伏安曲线和线性拟合曲线Fig.4 Cyclic voltammetry curves and linear fitting curves at different concentration

从图4 中可以看出，随着葡萄糖浓度的增加，Au2Pt1Cu1/GCE 的循环伏安曲线中的氧化还原峰愈加明显，氧化峰电流的响应值提高，氧化峰的位置基本无偏移。图4（B 和C）展示了氧化峰电流和葡萄糖浓度负对数在电位为-0.1 V 和0.1 V 时具有良好的线性关系（R2分别为0.983 和0.979），该结果证实了Au2Pt1Cu1/GCE 在试验范围葡萄糖浓度进行检测时仍保持良好的性能，说明其具有广阔的应用前景。

为了检测电极催化葡萄糖的灵敏度，测试了其计时电流曲线，结果如图5 所示。

图5 Au2Pt1Cu1/GCE 的计时电流曲线Fig.5 Current-time curve of Au2Pt1Cu1/GCE

Au2Pt1Cu1/GCE 对葡萄糖良好的催化性能离不开纳米粒子中三元合金的协同作用和纳米颗粒的表面缺陷。在0.1 V 采用计时电流响应曲线检测葡萄糖，表征Au2Pt1Cu1/GCE 对葡萄糖催化氧化的电化学性能。如图5 所示，随着葡萄糖每隔30 s 的连续注入，响应电流值快速呈现阶梯状变化。嵌图是时间电流曲线中的响应电流值和葡萄糖浓度的线性拟合（R2=0.987），经过计算Au2Pt1Cu1无酶葡萄糖传感器的灵敏度为116 μA/（mmol/L cm2），检出限为0.36 μmol/L（S/N=3）。Au2Pt1Cu1/GCE 具有较高的灵敏度和非常低的检出限，这是因为三元合金纳米颗粒表面丰富的缺陷，为氧化葡萄糖提供了大量的电化学反应活性位点[19]。

衡量催化性能的另一指标是选择性，图6 是对主要的抗干扰物质进行检测的结果。

图6 Au2Pt1Cu1/GCE 选择性的计时电流曲线Fig.6 Current-time curve of the selectivity in Au2Pt1Cu1/GCE

在发酵过程中，常伴有果糖、抗坏血酸和尿酸等物质与葡萄糖共存，易产生干扰电流影响着葡萄糖浓度的检测。因此，抗干扰性是衡量传感器性能的重要指标之一。经过连续添加1 mmol/L 抗坏血酸（ascorbic acid，AA）、2 mmol/L 尿酸（uric acid，UA）、10 mmol/L 果糖（fructose，Fru）和1 mmol/L 葡萄糖（glucose，Glu），响应电流曲线如图6 所示，当加入2mmol/LUA，1mmol/L AA，10 mmol/L Fru 时，响应电流仅有微弱变化，而加入1 mmol/L 葡萄糖后，响应电流出现明显的阶梯变化。此结果表明Au2Pt1Cu1无酶葡萄糖传感器对葡萄糖的选择性良好[20]。

3 结论

在25 ℃下，采用反相微乳液法制备Au2Pt1Cu1三元合金纳米粒子。形貌表征出纳米颗粒粒径小且分散均匀，具有高密度的表面缺陷。研究Au2Pt1Cu1无酶葡萄糖传感器的电化学催化氧化性能显示：其检测范围为1 mmol/L 至8 mmol/L，灵敏度为116 μA/（mmol/L cm2），检出限为0.36 mmol/L，同时具有较好的抗干扰性。