基于SiO₂@BiOI/PANI的光电化学传感器超灵敏检测葡萄糖

Ultra-Sensitive Detection of Glucose of the Photoelectrochemical Sensor Based on SiO₂@BiOI/PANI

摘要: 目的：本研究通过水热法合成碘氧化铋(BiOI)，采用一步混合溶剂热法制备SiO₂@BiOI，将其修饰在聚苯胺(PANI)上，制备SiO₂@BiOI/PANI复合材料，从而对葡萄糖进行特异性光电化学检测。在可见光照射下，具有高比表面积且表面带有微小的空隙结构的SiO₂微球可以有效地吸收光能并产生激发态，逐层堆叠的BiOI纳米花材料能够将光能产生光生电子–空穴对，两者进行复合有助于将产生的电子–空穴对有效分离和传输，提高光电流响应。PANI具有优异的导电性能，能够促进电子转移，有效抑制电子–空穴对的复合，从而实现对葡萄糖的超灵敏检测。该光电传感器检测葡萄糖时的浓度范围为5~200 μmol/L，检出限为1.67 μmol/L，表明SiO₂@BiOI/PANI对葡萄糖具有较好的检测效果。该SiO₂@BiOI/PANI光电化学传感器具有选择性良好、响应时间快、灵敏度高等优点，对葡萄糖的检测具有重要意义，期待其成为葡萄糖检测领域中一种具有潜力的新型传感器技术。

Abstract: Purpose: In this study, bismuth iodide (BiOI) was synthesised by a hydrothermal method, and SiO₂@BiOI was prepared by a one-step hybrid solvothermal method, and then modified on polyaniline (PANI) to prepare SiO₂@BiOI/PANI composites for the specific photoelectrochemical detection of glucose. Under visible light irradiation, SiO₂ microspheres with high specific surface area and tiny void structure on the surface can effectively absorb light energy and generate excited states, and the layer-by-layer stacking of BiOI nanoflowers can generate photogenerated electron-hole pairs from light energy, and the composite of the two can help to efficiently separate and transport the generated electron-hole pairs to improve the response to photocurrent. PANI has excellent electrical conductivity, which can promote electron transfer and effectively inhibit the complexation of electron-hole pairs, thus achieving ultra-sensitive detection of glucose. The photoelectric sensor detected glucose in the concentration range of 5~200 μmol/L with a detection limit of 1.67 μmol/L, indicating that SiO₂@BiOI/PANI has a good detection effect on glucose. The SiO₂@BiOI/PANI photoelectrochemical sensor has the advantages of good selectivity, fast response time, high sensitivity, etc., which is of great significance for the detection of glucose, and is expected to become a new sensor technology with potential in the field of glucose detection.

1. 引言

继癌症和心血管疾病之后，糖尿病已成为威胁人类健康的第三大慢性非传染性疾病[1]。在糖尿病患者中，血糖水平异常或不稳定与葡萄糖的代谢有直接关联[2]。葡萄糖作为一种关键的单糖分子，在生物体内参与能量代谢、细胞信号传导等多种生理过程，并且是许多生物体内的主要能量来源之一[3] [4]。因此，准确测定葡萄糖含量对于人类健康和医学诊断具有重要意义。例如，在糖尿病患者的血液监测中，葡萄糖浓度的变化可以反映患者的病情和治疗效果，因此需要及时进行血糖监测[5]。此外，葡萄糖的测定还广泛应用于食品工业、环境监测等领域，如食品质量检测、土壤和水体污染监测等[6] [7]。

传统的葡萄糖检测方法主要包括化学分析法、酶法、光学法等[8]-[10]，但这些方法存在着操作复杂、耗时长、需要专业设备和昂贵试剂等缺点，限制了其在实际应用中的推广和应用[11] [12]。因此，开发一种简单、快速、灵敏的葡萄糖检测技术具有重要意义。近年来，电化学传感器技术以其操作简便、灵敏度高、响应快速等优点成为葡萄糖检测领域的研究热点[13]。基于光电化学传感器的葡萄糖检测技术具有检测快速、样品消耗少、操作简便等优势，逐渐受到人们的关注和青睐。

卤氧化铋(BiOX, X = Cl, Br, I)具有显著的化学稳定性、独特的层状结构和合适的带隙，在光电化学应用中越来越受到关注[14] [15]。BiOI作为其中的典型代表，其特殊的花瓣状结构赋予它更大的比表面积和更多的活性位点，有助于光生–电子空穴分离[16]。此外，BiOI还表现出最窄的带隙(约1.6~1.9 eV)和最强的可见光吸收能力，这使得它在光电化学领域中备受瞩目。然而，纯BiOI的性能受到光生载流子的限制，使其在光电化学领域的应用较窄[17] [18]。因此，通常设计出带隙相匹配的异质结来提高电子–空穴对的分离效率[19]。二氧化硅作为一种优秀的半导体材料，以多种形式存在于自然界中，其化学稳定性、丰富的表面活性位点以及可调控的表面形貌和结构能够提供良好的载流子分离和传输通道。将二氧化硅与碘氧化铋复合，可以充分利用二者的优势[20]。首先，二氧化硅作为载体可以提供更多的活性位点和表面反应中心，而碘氧化铋则可以提高光吸收和光催化性能。此外，二氧化硅与碘氧化铋的复合还可以改善材料的稳定性和可控性，进一步拓展其在光电化学中的应用[21]。

聚苯胺(PANI)是研究最广泛的导电聚合物之一，以其良好的导电性能、低廉的价格、简单的合成方法在电化学和光电化学领域备受关注[22]。在光电化学传感器中，PANI可以用作电极材料或者与其他材料复合，以增强传感器的性能。例如，PANI与金纳米颗粒、碳纳米管、石墨烯等纳米材料的复合，可以提高传感器的表面积，增强光吸收能力，从而提高传感器对目标分析物的响应速度和灵敏度[23]。因此，通过对PANI的表面进行功能化处理，可以进一步提高其特异性和选择性，使其更适用于复杂样品中的目标分析物检测。

本课题通过水热法合成BiOI，采用一步混合溶剂热法制备SiO₂@BiOI，结合PANI，制备SiO₂@BiOI/PANI复合材料，应用于对葡萄糖的光电化学检测。如图1所示，在可见光照的辅助下，具有高比表面积且表面带有微小的空隙结构的SiO₂微球可以有效地吸收光能并产生激发态，逐层堆叠的BiOI纳米花材料能够将光能产生光生电子–空穴对，两者进行复合有助于将产生的电子–空穴对有效分离和传输，提高光电流响应。PANI具有优异的导电性能，能够促进电子转移，有效抑制电子–空穴对的复合，在这三者的协同作用下，将实现对葡萄糖的超灵敏光电化学检测。

Figure 1. Detection mechanism diagram of the photoelectrochemical sensor

图1. 光电化学传感器的检测机理图

2. 实验部分

2.1. 实验试剂

本实验中使用的所有试剂均为分析级。无水柠檬酸钠(Na₃Cit))购买自国药集团化学试剂有限公司；磷酸二氢钠二水合物(NaH₂PO₄∙2H₂O)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、铁氰化钾(K₃[Fe(CN)₆])、碘化钾(KI)、氨水、五水合硝酸铋(Bi(NO₃)₃∙5H₂O)购买自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；无水柠檬酸(H₃Cit)、硅酸四乙酯(TEOS)、苯胺购买自南通飞宇生物科技有限公司；十二水合磷酸氢二钠(Na₂HPO₄∙12H₂O)、过硫酸铵、月桂基硫酸钠(SDS)购买自广东省西陇化工股份有限公司；盐酸(HCl)、尿酸(UA)、乙二醇(C₂H₆O₂)、氯化钠(NaCl)、无水葡萄糖(GlU)、亚铁氰化钾三水合物(K₄[Fe(CN)₆]∙3H₂O)购买自上海麦克林生化科技有限公司。

2.2. 实验仪器

实验所用仪器：SEM-300型扫描电子显微镜，德国CARL ZEISS卡尔蔡司公司生产；UV-3600型紫外分光光度计，日本日立有限公司生产；D8 Advance型X射线衍射仪，德国布鲁克AXS有限公司生产；GY-10型氙灯，天津拓普仪器有限公司生产。所有实验均采用传统的三电极系统进行，CHI660E电化学工作站，上海晨华仪器公司生产；3 mm型玻碳电极(GCE)，10 mm型铂网电极，天津艾达科技有限公司生产；RO232饱和甘汞电极(SCE)，上海Ruosull公司生产。

2.3. 实验方法

SiO₂@BiOI/PANI/GCE的制备

将0.8 mL氨水和2 mL硅酸四乙酯(TEOS)滴加到混合溶液中(去离子水与乙醇的体积比为1:5)，25℃下搅拌16 h，得到的溶液用超纯水和乙醇离心洗涤多次，得到SiO₂粉末[24]。

采用一步混合溶剂热法制备SiO₂@BiOI。将Bi(NO₃)₃∙5H₂O加入到二氧化硅溶液中，超声分散后加入0.4 g PVP搅拌30 min，再加入0.166g KI继续搅拌30 min，将溶液转移到160℃的高压釜中反应3 h，得到的溶液用超纯水和乙醇离心洗涤三次，冻干后得到SiO₂@BiOI粉末。将3.47 mg SiO₂@BiOI溶解在1 mL的超纯水中，超声30 min，得到SiO₂@BiOI复合材料[20]。

采用一步法在室温下合成了PANI纳米管。首先，将30 mg苯胺、1 mL盐酸(HCl, 0.048 M)和3.33 mg月桂基硫酸钠(SDS)溶解于12 mL二次蒸馏水中。搅拌20 min后，将1.3 mL过硫酸铵(0.24 M)倒入上述溶液中，在25℃下缓慢搅拌20 h。沉淀物用二次蒸馏水冲洗两次。最后，将该产品置于10 mL二次蒸馏水中超声90 min，以获得分散的PANI [22]。

先后滴涂10 μL PANI和SiO₂@BiOI溶液至GCE表面，置于50℃的红外灯下烘干，制备SiO₂@BiOI/PANI复合材料。

3. 结果与讨论

3.1. BiOI、PANI、SiO₂@BiOI和SiO₂@BiOI/PANI的形貌表征

采用扫描电子显微镜(SEM)对样品的形貌进行表征。图2(A)为制备的BiOI样品的形貌，BiOI是由层层纳米片堆积而成的纳米花结构[25]，所合成的BiOI尺寸约为1 μm。图2(B)显示了PANI的SEM图，PANI为表面粗糙的管状结构并且具有较大的比表面积。SiO₂与BiOI复合之后的形貌图如图2(C)，可以看出SiO₂微球表面光滑均匀，整体形状规整，直径一般在200 nm左右。其分散在尺寸较大的BiOI纳米花上。图2(D)中SiO₂@BiOI吸附在表面粗糙的PANI上形成复合材料SiO₂@BiOI/PANI。

3.2. SiO₂、BiOI、PANI和SiO₂@BiOI/PANI的物理表征

采用X射线衍射仪对材料的晶体结构进行分析，如图3(A)所示，蓝线展示了SiO₂的XRD峰，由于SiO₂不具有任何晶体结构，因此其图谱中只出现了一条宽的无定形带。黑线显示了PANI的衍射峰在2θ为22˚的特征非晶峰[22]，表明PANI的成功制备。BiOI的衍射峰在2θ为23˚、29˚、31˚、33˚和45˚分别对应于(102)、(110)、(112)、(200)和(212)晶面与标准卡片(JCPDS No. 73-2062)一致[25]。PANI与SiO₂@BiOI复合之后，在SiO₂@BiOI/PANI复合材料的X射线衍射图中能清楚地观察到典型的PANI的特征非晶峰，BiOI的(102)、(110)与(200)晶面，证实SiO₂@BiOI/PANI复合材料制备成功。通过紫外–可见吸收光谱(UV-vis)对材料吸收光的能力进行表征。如图3(B)所示，BiOI在405 nm有一个吸收峰，SiO₂在306 nm处有一个较宽吸收峰，PANI约在437 nm处有一个吸收峰，此吸收峰反映了π-π*电子跃迁，主要由于聚苯胺共轭结构的存在而产生。SiO₂@BiOI/PANI复合材料在405 nm和437 nm有明显的吸收峰，在306 nm有一个较宽的吸收峰，证实材料成功复合[21]。

Figure 2. (A) SEM images of BiOI; (B) SEM images of PANI; (C) SEM images of SiO₂@BiOI; (D) SEM images of SiO₂@BiOI/PANI

图2. (A) BiOI的扫描电镜图；(B) PANI的扫描电镜图；(C) SiO₂@BiOI的扫描电镜图；(D) SiO₂@BiOI/PANI的扫描电镜图

Figure 3. (A) XDR patterns of SiO₂, BiOI, PANI, and SiO₂@BiOI/PANI; (B) Ultraviolet-visible diffuse reflectance spectra (UV-vis) of SiO₂, BiOI, PANI, and SiO₂@BiOI/PANI

图3. (A) SiO₂、BiOI、PANI和SiO₂@BiOI/PANI的X射线衍射图；(B) SiO₂、BiOI、PANI和SiO₂@BiOI/PANI的紫外–可见吸收光谱图

3.3. BiOI、SiO₂@BiOI、PANI和SiO₂@BiOI/PANI的电化学和光电化学性能

为了制备灵敏高效的光电化学传感器，对单组分材料的浓度进行优化。如图4所示，对不同浓度的SiO₂@BiOI (4 mM、6 mM、8 mM)和PANI (400 μL、600 μL、800 μL)进行循环伏安测试。由图4(A)可以看出，当SiO₂@BiOI浓度为2.47 mg/mL时，光电流达到最高值，可能是由于当SiO₂@BiOI浓度高于6 mM时，电极上修饰的材料会阻碍电子在电极表面的传递，从而降低电流的产生。因此，选用2.47 mg/mL的SiO₂@BiOI作为实验中修饰电极的浓度。图4(B)显示PANI的浓度对光电流响应过程的影响，可以发现光电流在Bi@BiOCl的浓度为400 μL时达到最大值。这是由于随着PANI的增加，电极的有效活性表面积可能减少，降低了电极与电解质之间的接触面积，从而减少了有效的电化学反应区域，导致电流减小。因此，采用600 μL的PANI作为实验浓度。

Figure 4. (A) Effect of optimization of the concentrations of SiO₂@BiOI on the photocurrent responses; (B) Effect of optimization of the concentrations of PANI on the photocurrent responses

图4. (A) 优化SiO₂@BiOI浓度对光电流响应的影响；(B) 优化PANI浓度对光电流响应的影响

通过循环伏安法研究制备不同电极在电化学反应中的电荷转移情况，如图5(A)所示，在5 mmol/L K₃[Fe(CN)₆]/K₄[Fe(CN)₆]和0.1 mol/L KCl溶液中，SiO₂@BiOI电极的氧化峰电流略高于BiOI电极，这主要是因为SiO₂与BiOI形成异质结之后能够促进光生电子–空穴对的分离，经过SiO₂修饰后的电极大大提高了电流。SiO₂@BiOI与PANI复合后，两种材料发生协同效应，使得复合材料SiO₂@BiOI/PANI电极具有最大的氧化峰电流。通过EIS对不同电极的电荷转移能力进行比较，曲线上低频率时出现的直线是由电极反应过程中的扩散过程产生的，高频率时的半圆表示电子传递受阻过程，半圆的直径可以评估出电极的电荷转移电阻(R_ct)的大小[26]。图5(B)是制备的电极的EIS曲线，计算得到BiOI/GCE、SiO₂@BiOI/GCE、PANI/GCE和SiO₂@BiOI/PANI/GCE的R_ct为1771 Ω、1440 Ω、998 Ω和822 Ω。SiO₂@BiOI/PANI/GCE表现为最小的电荷转移电阻，证实复合材料具有较高的电荷转移能力，这与循环伏安法的结果一致。

通过i-t曲线研究在可见光照射下BiOI/GCE、SiO₂@BiOI/GCE、PANI/GCE和SiO₂@BiOI/PANI/GCE电极在含有0.1 mmol/L ClU的PBS缓冲溶液中的光电化学活性，如图5(C)所示。在光照条件下，SiO₂@BiOI/PANI/GCE (曲线(d))相比于其他电极，光电流密度急剧增加，而在黑暗条件下，光电流密度迅速下降。同样，在图5(D)中SiO₂@BiOI/PANI/GCE在可见光照射下的氧化峰电流(约为28 μA/cm²)比在无光情况下的氧化峰电流(约为19 μA/cm²)高出8 μA/cm²。这主要是因为SiO₂@BiOI与PANI之间的协同作用所产生的，一方面，SiO₂与BiOI复合之后形成异质结，提高了电极的氧化峰电流。另一方面，SiO₂@BiOI微球的引入可能增加了电极的表面积，而PANI的表面粗糙的管状结构也有利于增加有效的比表面积，此外PANI作为导电性优良的材料，能够促进电子在电极中的传输，减小电子传递的阻抗，提高电化学反应的效率，从而增强氧化峰电流的响应。

Figure 5. (A) CVs and (B) EIS of BiOI, SiO₂@BiOI, PANI, and SiO₂@BiOI/PANI electrodes recorded in 5 mmol/L K₃[Fe(CN)₆]/K₄[Fe(CN)₆] + 0.1 mol/L KCI solution; (C) i-t curves of (a) BiOI, (b) SiO₂@BiOI, (c) PANI and (d) SiO₂@BiOI/PANI in PBS (pH = 8.0) containing 0.1 mmol/L GlU; (D) DPVs of SiO₂@BiOI/PANI electrode recorded in PBS (pH = 8.0) containing 0.1 mmol/L GlU under visible light and dark environment

图5. (A) BiOI、SiO₂@BiOI、PANI和SiO₂@BiOI/PANI修饰的电极在5 mmol/L K₃[Fe(CN)₆]/K₄[Fe(CN)₆]和0.1 mol/L KCI溶液中的循环伏安曲线和(B) 阻抗曲线图；(C) (a) BiOI、(b) SiO₂@BiOI、(c) PANI和(d) SiO₂@BiOI/PANI在含有0.1 mmol/L GlU的PBS (pH = 8.0)中的瞬态光电流和时间曲线；(D) 在有光无光条件下，SiO₂@BiOI/PANI在含有0.1 mmol/L GlU的PBS (pH = 8.0)中的差分脉冲伏安曲线图

3.4. SiO₂@BiOI/PANI检测GlU的条件优化

溶液的pH值和工作电极的扫描速率是影响电化学反应过程的关键因素。为了探索SiO₂@BiOI/PANI的光化学反应动力学因素，在可见光照射下研究了扫描速率和溶液的pH值对检测葡萄糖的影响。图6(A)显示了SiO₂@BiOI/PANI在不同pH溶液中的光电流响应。图中可观察到，最大的氧化峰电流出现在pH为8.0处，因此选择pH为8.0进行后续的实验。同时，氧化峰电流密度随pH的增加而负移，说明反应过程中存在质子转移过程[27]，相应的线性方程为E_pa = −0.0548 pH + 0.3892 (R² = 0.9955)，其中斜率接近0.059 V/pH的能斯特值，表明该反应是两个质子和两个电子参与的反应(图6(B))。

图6(C)显示了在0.1 mmol/L GlU中SiO₂@BiOI/PANI在可见光照射下的线扫描伏安曲线，扫描速率范围为20~200 mV∙s⁻¹。可以观察到氧化峰电流随着扫速的增加而增加，线性回归方程为Ipa (μA) = 0.0425v + 0.7282 (R² = 0.9967) (图6(D))，表明过氧化氢在SiO₂@BiOI/PANI/GCE上的电子转移为吸附过程控制[28] [29]。

Figure 6. (A) DPVs of the SiO₂@BiOI/PANI/GCE in PBS solution containing 0.1 mmol/L GlU under visible light illumination at different pH values (pH = 5, 6, 7, 8, 9); (B) Linear relationship diagram between oxidation peak potential and pH values; (C) LSVs of SiO₂@BiOI/PANI/GCE at different scanning rates (20~200 mV∙s⁻¹) under visible light illumination; (D) Linear relationship diagram between the corresponding oxidation peak current and scanning rate

图6. (A) 在光照下，SiO₂@BiOI/PANI/GCE在含有0.1 mmol/L GlU的PBS缓冲液中不同酸碱度下(pH = 5、6、7、8、9)的差分脉冲伏安曲线图；(B) 相应的氧化峰电位和pH之间的线性关系图；(C) 在光照下，SiO₂@BiOI/PANI/GCE在扫描速率不同(20~200 mV∙s⁻¹)时的线性扫描伏安曲线图；(D) 相应的氧化峰电流和扫描速率之间的线性关系图

3.5. 优化检测限、抗干扰性、耐久性的研究

在上述实验参数下，通过差分脉冲伏安法来探究在可见光照射下SiO₂@BiOI/PANI/GCE对不同浓度的葡萄糖的PEC性能。如图7(A)所示，光电流密度随着GlU浓度从5 μmol/L增加到200 μmol/L而增强。图7(B)为氧化峰电流和不同GlU浓度之间的线性关系，线性回归方程为I = 0.0434C + 17.2478 (R² = 0.9915)，计算出检出限为1.67 μmol/L，制备的PEC传感器表现出更宽的检测范围和更低的检出限。

抗干扰性也是电极分析的一个非常重要的标准，它可能受到非特异性吸附的影响。在抗干扰的实验中，选取四种物质作为抗干扰物，分别是多巴胺(DA)、氯化钾(KCl)、抗坏血酸(AA)和尿酸(UA)。用i-t来测定SiO₂@BiOI/PANI/GCE添加干扰物的光电流变化(图7(C))，首先加入0.1 mmol/L所测定的葡萄糖，光电流密度显著增加。随后，依次向溶液中添加1 mmol/L的DA、KCl、AA和UA，发现光电流变化很小，表明添加的干扰物质对葡萄糖的检测几乎没有影响，表明SiO₂@BiOI/PANI/GCE具有优异的抗干扰性。通过CV曲线来研究SiO₂@BiOI/PANI/GCE在含有0.1 μmol/L GlU的PBS缓冲液中的耐久性能。如图7(D)所示，经过50圈的循环后，光电流密度变化很小，说明SiO₂@BiOI/PANI/GCE具有优异的耐久性。

Figure 7. (A) i-t curves of SiO₂@BiOI/PANI/GCE in PBS buffer containing different concentrations of GlU; (B) Corresponding calibration curve; (C) i-t curve of SiO₂@BiOI/PANI/GCE in PBS buffer with different interfering substances; (D) CV curve of BiOI/PANI/GCE in 0.1 mol/L PBS (pH = 8.0) solution containing 0.1 mmol/L GlU under visible light illumination

图7. (A) SiO₂@BiOI/PANI/GCE在含有不同浓度GlU的PBS缓冲液中的i-t曲线图；(B) 相应的校准曲线；(C) SiO₂@BiOI/PANI/GCE在含有不同干扰物质的PBS缓冲液中的i-t曲线图；(D) BiOI/PANI/GCE在可见光照射下含有0.1 mmol/L GlU的PBS (pH = 8.0)溶液中的CV曲线

4. 结论

如上所述，我们构建了基于SiO₂@BiOI/PANI的光电化学传感器，用于对葡萄糖的超灵敏检测。在可见光照射下，SiO₂与BiOBr复合形成异质结，会提高光生电子(e⁻)-空穴(h⁺)对的分离效率以及PANI优异的导电性能，进一步提高光电响应，实现对GlU的超灵敏检测。SiO₂@BiOI/PANI电极检测过氧化氢有明显的光电流响应，检测范围为5~200 μmol/L，检出限为1.67 μmol/L。因此，所建立的PEC传感器为监测葡萄糖开辟了一条全新的途径，具有快速、简便、可重复的识别性能。

致 谢

本项目由国家自然科学基金(批准号：32101215)和南通大学大型仪器开放基金(项目号：KFJN2427)资助。

NOTES

^*通讯作者。