CN101598697A - 钛基底上镍-铝水滑石纳米片阵列无酶葡萄糖传感器电极 - Google Patents

钛基底上镍-铝水滑石纳米片阵列无酶葡萄糖传感器电极 Download PDF

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Abstract

钛基底上镍－铝水滑石纳米片阵列无酶葡萄糖传感器电极。该电极为钛基底上镍－铝水滑石纳米片阵列构成，其单个镍－铝水滑石纳米片厚度20～40纳米、直径200～400纳米，垂直、均匀、致密地分布在钛金属表面，呈现阵列形式。制法：将钛金属用稀氢氟酸溶液浸泡、清水冲洗后置入六水硝酸镍、九水硝酸铝和尿素配置的水溶液中；然后在高压釜内的聚四氟乙烯内胆中密封加热到70℃以上，保持36小时以上；自然冷却后将钛金属取出，即得电极样品，其中六水硝酸镍浓度为2.036克/70－140毫升水、九水硝酸铝浓度为1.313克/70－140毫升水，尿素浓度为4.200克/70－140毫升水。该电极应用于生物、医学、电子仪器类产品中。探测葡萄糖灵敏度高、探测极限低、反应速度快、线性范围大、工作性能稳定。

Description

钛基底上镍-铝水滑石纳米片阵列无酶葡萄糖传感器电极
技术领域
发明涉及无酶葡萄糖传感器电极，具体为一种钛基底上镍-铝水滑石纳米片阵列无酶葡萄糖传感器电极。属于生物、医学、分析化学、电子仪器、电子信息等领域，主要用于生物、临床医学、化学、化工等类产品的电化学分析仪器中。
背景技术
在普通的电化学葡萄糖探测电极上，需要用壳聚糖或者Nafion将起电化学反应作用的葡萄糖氧化酶固定在电极上。由于葡萄糖氧化酶价格昂贵，不易保存，必须低温冷藏，容易失活，如果保存不当，葡萄糖氧化酶就会失去催化活性，失去葡萄糖浓度探测的作用，因此，这种电极的廉价、方便和普及使用就存在着难以克服的困难；同时，固定葡萄糖氧化酶的壳聚糖或者Nafion都有微溶于水的性质，于是，起电化学反应作用的葡萄糖氧化酶就会随着壳聚糖或者Nafion慢慢溶于水，即长时间或者多次的使用，电极上的葡萄糖氧化酶就会变得越来越少，其电化学性能就会越来越差。
发明内容
本发明的目的是通过纳米技术实现二价镍化合物[Ni1-xAlx(OH)2]x+[Am-]x/m·nH2O在具有电化学稳定性和生物相容性的钛基底上均匀、可控和纳米结构生长，得到一种性价比高和通用性强的葡萄糖无酶传感器电极，服务于人体血糖的简单、方便、廉价和快速检测，保障人们身心健康，促进社会稳定、和谐与发展。
本发明的原理是：应用在电化学过程中，二价镍化合物在碱性溶液中氧化成三价镍(在本发明中的二价镍化合物为镍-铝水滑石材料[Ni1-xAlx(OH)2]x+[Am-]x/m·nH2O，其中Am-为阴离子碳酸根[CO3]-，硝酸根[NO3]2-等)，又由于溶液中存在的葡萄糖的还原作用，使得三价镍还原成为二价镍，从而可以探测到电化学过程溶液中葡萄糖的存在及其多少，即无酶葡萄糖传感器电极的工作原理。
本发明的关键是，在具有电化学稳定性和生物相容性的钛基底上制备镍-铝水滑石材料纳米结构片状阵列，由于材料的纳米结构阵列，可以达到同时保障传感器的整体均匀性和大的表面积及高灵敏度的目的。
实施本发明的目的方案是：
一种无酶葡萄糖传感器电极，其特征在于，该电极为钛基底上镍-铝水滑石纳米片阵列构成，其单个镍-铝水滑石纳米片厚度20～40纳米、直径200～400纳米，垂直、均匀、致密地分布在钛金属表面，呈现阵列形式。
本发明的一种无酶葡萄糖传感器电极制备方法包括：将钛金属用稀氢氟酸溶液浸泡、清水冲洗后置入六水硝酸镍、九水硝酸铝和尿素配制的蒸馏水溶液中；然后将所述的水溶液连同钛金属置于高压釜内的聚四氟乙烯内胆中密封加热到70℃以上，优选75℃-95℃，保持36小时以上，优选36-72小时；自然冷却后将钛金属取出，得到钛基底上镍-铝水滑石纳米片阵列无酶葡萄糖传感器电极样品，其中六水硝酸镍浓度为2.036克/70-140毫升水、九水硝酸铝浓度为1.313克/70-140毫升水，尿素浓度为4.200克/70-140毫升水。
其中，所述的钛金属根据需要，可为钛片、钛棒或钛丝。
本发明的无酶葡萄糖传感器电极的应用，其特征在于，用于生物、医学、化学、化工、电子仪器、电子信息类产品中。
将得到的样品，用场发射扫描电子显微镜(日本电子公司生产，型号：JEOL 6700F)观察其表面生长的纳米片阵列状况，并做X射线衍射晶体结构分析(丹东奥龙射线仪器有限公司，型号：Y2000)。试验结果表明，镍-铝水滑石纳米片厚度20～40纳米、直径200～400纳米，垂直、均匀、致密地分布在钛金属表面，呈现阵列形式。
镍-铝水滑石纳米片阵列无酶葡萄糖传感器电极的性能应用电化学工作站测试(上海辰华公司，型号：CHI660C)，钛基底上镍-铝水滑石纳米片阵列做工作电极，铂丝做辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，结果表明，该工作电极灵敏度高、探测极限低、反应速度快、线性范围大、工作性能稳定。
本发明与现有相关技术相比有如下优点和积极效果：
1、钛基底作为镍-铝水滑石纳米片阵列载体，其在电化学过程中的化学稳定性和生物相容性保障了电极工作的稳定性。
2、镍-铝水滑石纳米片阵列电极直接探测葡萄糖溶液的浓度，不但省去了价格昂贵的葡萄糖氧化酶(电极呈几十倍价格降低)，而且易于保存，室温、空气环境中保存、可以长期、重复多次稳定使用。因为在普通的电化学葡萄糖探测电极上，需要用壳聚糖或者Nafion将起电化学反应作用的葡萄糖氧化酶固定在电极上，但是，壳聚糖或者Nafion都有微溶于水的性质，于是，起电化学反应作用的葡萄糖氧化酶就会随着壳聚糖或者Nafion慢慢溶于水，即长时间或者多次的使用，电极上的葡萄糖氧化酶就会变得越来越少，其电化学性能就会越来越差。但是，在镍-铝水滑石纳米片阵列无酶葡萄糖传感器电极上，不需要使用葡萄糖氧化酶作为电化学作用反应物，这时起电化学反应作用的是纳米镍-铝水滑石材料中本身的二价镍与三价镍之间的转换。从理论上讲镍-铝水滑石材料不会溶解在水中，因为该纳米结构材料是在水热过程中生长在钛基底上的，镍离子数不会减少，因此传感器的性能不会因为长期或者多次使用而变差。具有灵敏度高(大于35.0微安·每毫摩尔每升(浓度)·每平方厘米(电极面积))、探测极限低(葡萄糖浓度为0.005毫摩尔每升时，传感器电极能反应出人可以辨别到的电流差别)、反应快(小于5秒)、线性范围大(在葡萄糖浓度为0.005～10毫摩尔每升范围内，工作电极的电流-浓度曲线保持线性)、工作性能稳定、价格低廉、方便适用等优点。
3、镍-铝水滑石纳米片阵列是在水热过程中生长在钛基底上的，由于该材料制备方法的简单性、易控性、能耗低、成本低和材料生长环境的均匀性，极易实现低成本、大批量、大面积、均匀工业化量产。
附图说明
图1实施例1制备的样品的显微镜照片
图2实施例1制备的样品的X射线衍射图
图3实施例2制备的样品的显微镜照片
图4实施例2制备的样品的X射线衍射图
图5实施例3制备的样品的显微镜照片
图6实施例3制备的样品的X射线衍射图
图7实施例1制备的样品的测试工作电极的电流-浓度曲线
具体实施方式
具体配方、工艺参数和性能测试实例如下：
实例中工艺参数范围，六水硝酸镍浓度为2.036克/70-140毫升水、九水硝酸铝浓度为1.313克/70-140毫升水，尿素浓度为4.200克/70-140毫升水；高压釜加热到70℃以上，更好加热到75℃-95℃；加热保持时间36小时以上，更好保持36-72小时。
实施例1
镍-铝水滑石纳米片阵列电极制备：将2.036克六水硝酸镍(Ni(NO3)2·6H2O)、1.313克九水硝酸铝(Al(NO3)3.9H2O)、4.200克尿素(CON2H4)溶于70.0毫升水中，用磁力搅拌器搅拌，使其充分溶解，混合均匀，配成混合溶液；将厚度0.2毫米、宽度2.0毫米、长度60.0毫米的钛金属片用稀氢氟酸(HF)溶液浸泡、清水冲洗后置入已经配置的溶液中；然后将所述的溶液连同钛金属置于高压釜内的聚四氟乙烯内胆中密封加热到95℃，保持36小时；自然冷却后将钛金属片取出，得到钛基底上镍-铝水滑石纳米片阵列无酶葡萄糖传感器电极样品。将样品做扫描电子显微镜(图1)和X射线衍射(图2)观察。结果表明，镍-铝水滑石纳米片垂直、均匀、致密地分布在钛金属片表面，呈现纳米片状阵列结构，单个纳米片的厚度为20-40纳米，直径为200-400纳米。
实施例2
镍-铝水滑石纳米片阵列电极制备：将2.036克六水硝酸镍(Ni(NO3)2·6H2O)、1.313克九水硝酸铝(Al(NO3)3.9H2O)、4.200克尿素(CON2H4)溶于140毫升水中，用磁力搅拌器搅拌，使其充分溶解，混合均匀，配成混合溶液；将厚度0.2毫米、宽度2.0毫米、长度60.0毫米的钛金属片用稀氢氟酸(HF)溶液浸泡、清水冲洗后置入已经配置的溶液中；然后将所述的水溶液连同钛金属置于高压釜内的聚四氟乙烯内胆中密封加热到95℃，保持72小时；自然冷却后将钛金属片取出，得到钛基底上镍-铝水滑石纳米片阵列无酶葡萄糖传感器电极样品。将样品做扫描电子显微镜(图3)和X射线衍射(图4)观察。结果表明，镍-铝水滑石纳米片垂直、均匀、致密地分布在钛金属片表面，呈现纳米片状阵列结构，单个纳米片的厚度为20-40纳米，直径为200-400纳米。
实施例3
镍-铝水滑石纳米片阵列电极制备：将2.036克六水硝酸镍(Ni(NO3)2·6H2O)、1.313克九水硝酸铝(Al(NO3)3.9H2O)、4.200克尿素(CON2H4)溶于70.0毫升水中，用磁力搅拌器搅拌，使其充分溶解，混合均匀，配成混合溶液；将厚度0.2毫米、宽度2.0毫米、长度60.0毫米的钛金属片用稀氢氟酸(HF)溶液浸泡、清水冲洗后置入已经配置的溶液中；然后将所述的水溶液连同钛金属置于高压釜内的聚四氟乙烯内胆中密封加热到75℃，保持72小时；自然冷却后将钛金属片取出，得到钛基底上镍-铝水滑石纳米片阵列无酶葡萄糖传感器电极样品。将样品做扫描电子显微镜(图5)和X射线衍射(图6)观察。结果表明，镍-铝水滑石纳米片垂直、均匀、致密地分布在钛金属片表面，呈现纳米片状阵列结构，单个纳米片的厚度为20-40纳米，直径为200-400纳米。
实施例4
采用实施例1制备的样品，做镍-铝水滑石纳米片阵列电极葡萄糖浓度探测性能测试：镍-铝水滑石纳米片阵列无酶葡萄糖传感器电极的工作性能测试，应用的电化学工作站为上海辰华公司，型号为CHI660C的设备，钛基底上镍-铝水滑石纳米片阵列做工作电极，铂丝做辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极。将100毫摩尔每升的葡萄糖溶液滴入0.1摩尔每升的氢氧化钠缓冲液中，在0.9伏工作电压，不同葡萄糖浓度条件下(0.005～10毫摩尔每升)，测试工作电极的电流-浓度曲线结果如图7。结果表明，工作电极具有灵敏度高(大于35.0微安·每毫摩尔每升(浓度)·每平方厘米(电极面积))、探测极限低(葡萄糖浓度为0.005毫摩尔每升时，传感器电极能反应出人可以辨别到的电流差别)、反应快(小于5秒)、线性范围大(在葡萄糖浓度为0.005～10毫摩尔每升范围内，工作电极的电流-浓度曲线保持线性)、工作性能稳定等优点。
实施例5
采用实施例1制备的样品，做镍-铝水滑石纳米片阵列电极对实际人体血浆中血糖浓度探测性能测试：测量用电化学工作站为上海辰华公司，型号为CHI660C的设备，钛基底上镍-铝水滑石纳米片阵列做工作电极，铂丝做辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极。新鲜的血浆样品由华中师范大学校医院提供，血浆样品在医院用自动生化分析仪测定血糖含量，然后再用镍-铝水滑石纳米片阵列做工作电极在电化学工作站上测量。测量时，取1毫摩尔血浆于测量池中，再加入2毫摩尔，0.1摩尔每升的氢氧化钠缓冲液，搅拌均匀后用传感器测量其响应电流；样品中葡萄糖含量通过传感器的浓度校正曲线计算，其结果列于下表1中。人体血浆中血糖的正常含量一般在4-8毫摩尔每升范围，低于这个范围或者高于这个范围可能属于低血糖或者高血糖。实际样品的测量表明，1到4号样品血浆中血糖浓度在正常值，5号样品属于高血糖含量血浆。测量结果与自动生化分析仪测定的一致。
表1
  血浆样品   测量值(毫摩尔每升)   对照值(毫摩尔每升)
  1   5.88   5.78
  2   6.34   6.23
  3   6.54   6.33
  4   6.66   6.58
  5   14.32   14.55

Claims (5)

1、一种无酶葡萄糖传感器电极，其特征在于，该电极为钛基底上镍-铝水滑石纳米片阵列构成，其单个镍-铝水滑石纳米片厚度20～40纳米、直径200～400纳米，垂直、均匀、致密地分布在钛金属表面，呈现阵列形式。
2、一种无酶葡萄糖传感器电极制备方法，其特征在于，制备方法包括：将钛金属用稀氢氟酸溶液浸泡、清水冲洗后置入六水硝酸镍、九水硝酸铝和尿素配制的蒸馏水溶液中；然后将所述的水溶液连同钛金属置于高压釜内的聚四氟乙烯内胆中密封加热到70℃以上，保持36小时以上；自然冷却后将钛金属取出，得到钛基底上镍-铝水滑石纳米片阵列无酶葡萄糖传感器电极样品，其中六水硝酸镍浓度为2.036克/70-140毫升水、九水硝酸铝浓度为1.313克/70-140毫升水，尿素浓度为4.200克/70-140毫升水。
3、如权利要求2所述的一种无酶葡萄糖传感器电极制备方法，其特征在于，所述的钛金属为钛片、钛棒或钛丝。
4、如权利要求2所述的一种无酶葡萄糖传感器电极制备方法，其特征在于，所述的水溶液连同钛金属置于高压釜内的聚四氟乙烯内胆中密封加热到75℃-95℃，保持36-72小时。
5、权利要求1所述的无酶葡萄糖传感器电极的应用，其特征在于，用于生物、医学、化学、化工、电子仪器、电子信息类产品中。
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