CN101603941A - 镍纳米颗粒/碳纳米纤维复合材料制备非酶葡萄糖传感器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及镍纳米颗粒/碳纳米纤维复合材料制备非酶葡萄糖传感器的方法,属于电化学传感器技术领域。通过电纺技术合成了镍纳米颗粒/碳纳米纤维复合材料,并利用该材料制备了非酶葡萄糖传感器。该制备方法成本低、简单快捷且无需任何酶的介入。制得的传感器灵敏度高、响应迅速、稳定性好且具有一定的抗干扰能力,对葡萄糖检测的线性范围为2.0μM-2.5mM,检测限为1.0μM。该方法制备的非酶葡萄糖传感器在糖尿病诊断和食品工艺监测中有广泛应用。
Description
技术领域
本发明涉及镍纳米颗粒/碳纳米纤维复合材料制备非酶葡萄糖传感器的方法。
背景技术
葡萄糖传感器在糖尿病的诊断和食品工艺的监控中具有广泛应用。数十年来,人们对灵敏度高、响应快速、稳定性好且成本低的葡萄糖传感器的需求与日俱增。自从1962年酶电极首次问世以来(ClarkJr.et al.,Ann.N.Y.Acad.Sci.,1962,102,29-45.),将葡萄糖氧化酶固定于电极表面从而构建电化学生物传感器的方法一直在该领域占据着主导地位。此类酶传感器具有较好的选择性和较高的灵敏度,然而,由于酶自身的化学和热稳定性较差,加之酶的固定过程相对繁琐,使其应用具有一定的局限性。为此,人们开始研究在非酶条件下,在铂、金以及合金电极上对葡萄糖进行直接检测(Sun,Y.et al.,Anal.Chem.,2001,73,1599-1604.)。尽管贵金属电极对于直接检测葡萄糖表现出了很高的催化活性,但该类电极表面容易吸附化学反应中间体以及溶液中的氯离子,因此导致其在检测过程中稳定性较差。此外,电极材料的高成本也限制了贵金属电极的商业化推广,毕竟低成本批量生产是满足市场需求的重要条件。可见,开发具有高灵敏度和稳定性、抗污染能力强且成本低的非酶葡萄糖传感器具有重要意义。
电纺作为一种连续制备纤维材料的有效方法,引起了学术界和工业界的广泛关注,该方法制备的纤维直径范围为几十纳米至几十微米(Greiner,A.et al.,Angew.Chem.Int.Ed.,2007,46,5670-5703.)。近年来,随着电纺技术在合成过程方面的快速发展,其应用领域也逐渐扩展到光电、催化、过滤和医学研究,然而,电纺材料在电化学传感器方面的应用研究仍处于初级阶段。由于电纺技术具备连续生产和通用性强等特点,因而此类材料在电化学传感领域具有潜在的应用价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用镍纳米颗粒/碳纳米纤维复合材料制备非酶葡萄糖传感器的方法。
所述的镍纳米颗粒/碳纳米纤维复合材料,是由粒径为20-80nm的镍纳米颗粒和直径为100-700nm的碳纳米纤维组成;
本发明所涉及的镍纳米颗粒/碳纳米纤维复合材料的制备方法,包括如下步骤:
1)电纺溶液的制备:将8-12wt.%聚丙烯腈和3-7wt.%乙酰丙酮镍溶于溶剂二甲基甲酰胺中,从而得到均一的混合溶液;
2)电纺:将步骤1)中所得的均一的混合溶液在80-120kV/m电场强度下进行电纺,喷丝头和收集板的间距为20-40cm,施加的电压为20-40kV,从而制得聚丙烯腈/乙酰丙酮镍复合纤维;
3)将步骤2)中所得的复合纤维在200-250℃退火2-4h,从而部分氧化聚丙烯腈纤维;
4)以1-3℃/min的速度升温至200-400℃,在该温度下氮气环境中保持1-3h,从而稳定纤维形貌;
5)以1-3℃/min的速度升温至400-600℃,在该温度下通入氢气和氮气的混合气体中保持1-3h,其中,氢气∶氮气=1∶2,从而还原镍离子;
6)以4-6℃/min的速度升温至800-900℃以碳化复合物纳米纤维,在该温度下保持20-40min然后在氮气中冷却到室温,得到镍纳米颗粒/碳纳米纤维复合材料;
7)将步骤6)中制得的镍纳米颗粒/碳纳米纤维复合材料与液体石蜡以质量比为50∶50-70∶30的比例混合均匀,得到糊状物;
8)将步骤7)中得到的糊状物填入内径为0.5-1.5mm,高度为3-4cm的玻璃管中,填实压紧,玻璃管的一端插入铜丝当导线,从而制得非酶葡萄糖传感器。
本发明所涉及的非酶葡萄糖传感器的电化学测试,包括如下步骤:
1)葡萄糖溶液的配制
葡萄糖储备液的浓度为50-100mM,储备液在4℃冰箱中放置过夜以消旋化。
2)葡萄糖的电化学检测
葡萄糖的电化学检测在浓度为0.05-0.1M的氢氧化钠溶液中进行。电化学实验在CHI 832电化学分析仪上进行,采用传统三电极体系:Pt丝作为辅助电极,Ag/AgCl作为参比电极,制备的葡萄糖传感器作为工作电极。在搅拌条件下,向检测池中加入1.0μM-1.0mM葡萄糖,记录稳定后的电化学信号。
有益效果
本发明采用电纺技术制备了镍纳米颗粒/碳纳米纤维复合材料,该材料是由粒径为20-80nm的镍纳米颗粒和直径为100-700nm的碳纳米纤维组成。我们利用制得的镍纳米颗粒/碳纳米纤维复合材料直接制备了非酶葡萄糖传感器,此传感器灵敏度高、响应迅速、稳定性好,并且具有一定的抗干扰能力,对葡萄糖检测的线性范围为2.0μM-2.5mM,检测限为1.0μM。基于上述测试结果,本发明在实际分析检测方面具有较好的应用前景。
附图说明
图1为镍纳米颗粒/碳纳米纤维复合物的扫描电镜图片;
图2为传感器对于连续加入相应浓度葡萄糖的电流-时间曲线,插图a为葡萄糖浓度在0.1-1mM范围内的线性回归曲线,插图b为葡萄糖浓度分别为2μM、4μM、8μM时的电流-时间曲线;支持电解质:0.1M氢氧化钠溶液;检测电位:0.6V。
具体实施方式
实施例1、镍纳米颗粒/碳纳米纤维复合物制备非酶葡萄糖传感器
1)电纺溶液的制备:将8wt.%聚丙烯腈和3wt.%乙酰丙酮镍溶于溶剂二甲基甲酰胺中,从而得到均一的混合溶液;
2)电纺过程:将步骤1)中所得的均一的混合溶液在80kV/m电场强度下进行电纺,喷丝头和收集板的间距为20cm,施加的电压为20kV,从而制得聚丙烯腈/乙酰丙酮镍复合纤维;
3)将步骤2)中所得的复合纤维在200℃退火2h,从而部分氧化聚丙烯腈纤维;
4)以1℃/min的速度升温至200℃,在该温度下氮气环境中保持1h,从而稳定纤维形貌;
5)以1℃/min的速度升温至400℃,在该温度下通入氢气和氮气的混合气体(氢气∶氮气=1∶2)中保持1h,从而还原镍离子;
6)以4℃/min的速度升温至800℃以碳化复合物纳米纤维,在该温度下保持20min然后在氮气中冷却到室温。从而得到镍纳米颗粒/碳纳米纤维复合材料,其扫描电镜图如图1;
7)将步骤6)中制得的镍纳米颗粒/碳纳米纤维复合材料与液体石蜡以质量比为50∶50的比例混合均匀,得到糊状物;
8)将步骤7)中得到的糊状物填入内径为0.5mm,高度为3cm的玻璃管中,填实压紧,将一段长度为5cm的铜丝插入玻璃管的一端当导线当导线,从而制得非酶葡萄糖传感器。
非酶葡萄糖传感器的电化学测试包括如下步骤:
1)葡萄糖溶液的配制
葡萄糖储备液的浓度为50mM,储备液在4℃冰箱中放置过夜以消旋化。
2)葡萄糖的电化学检测
葡萄糖的电化学检测在浓度为0.05M的氢氧化钠溶液中进行。
电化学实验在CHI 832电化学分析仪上进行,采用传统三电极体系:Pt丝作为辅助电极,Ag/AgCl作为参比电极,制备的葡萄糖传感器作为工作电极。在搅拌条件下,向检测池中加入0.1mM葡萄糖,记录稳定后的电化学信号,如图2。
实施例2、镍纳米颗粒/碳纳米纤维复合物制备非酶葡萄糖传感器
1)电纺溶液的制备:将10wt.%聚丙烯腈和5wt.%乙酰丙酮镍溶于溶剂二甲基甲酰胺中,从而得到均一的混合溶液;
2)电纺过程:将步骤1)中所得的均一的混合溶液在100kV/m电场强度下进行电纺,喷丝头和收集板的间距为30cm,施加的电压为30kV,从而制得聚丙烯腈/乙酰丙酮镍复合纤维;
3)将步骤2)中所得的复合纤维在230℃退火3h,从而部分氧化聚丙烯腈纤维;
4)以2℃/min的速度升温至300℃,在该温度下氮气环境中保持2h,从而稳定纤维形貌;
5)以2℃/min的速度升温至500℃,在该温度下通入氢气和氮气的混合气体(氢气∶氮气=1∶2)中保持2h,从而还原镍离子;
6)以5℃/min的速度升温至850℃以碳化复合物纳米纤维,在该温度下保持30min然后在氮气中冷却到室温。从而得到镍纳米颗粒/碳纳米纤维复合材料,其扫描电镜图如图1;
7)将步骤6)中制得的镍纳米颗粒/碳纳米纤维复合材料与液体石蜡以质量比为60∶40的比例混合均匀,得到糊状物;
8)将步骤7)中得到的糊状物填入内径为1.0mm,高度为3.5cm的玻璃管中,填实压紧,将一段长度为7cm的铜丝插入玻璃管的一端当导线当导线从而制得非酶葡萄糖传感器。
非酶葡萄糖传感器的电化学测试包括如下步骤:
1)葡萄糖溶液的配制
葡萄糖储备液的浓度为70mM,储备液在4℃冰箱中放置过夜以消旋化。
2)葡萄糖的电化学检测
葡萄糖的电化学检测在浓度为0.08M的氢氧化钠溶液中进行。电化学实验在CHI 832电化学分析仪上进行,采用三电极体系:Pt丝作为辅助电极,Ag/AgCl作为参比电极,制备的葡萄糖传感器作为工作电极。在搅拌条件下,向检测池中加入2.0μM葡萄糖,记录稳定后的电化学信号,如图2插图b。
实施例3、镍纳米颗粒/碳纳米纤维复合物制备非酶葡萄糖传感器
1)电纺溶液的制备:将12wt.%聚丙烯腈和7wt.%乙酰丙酮镍溶于溶剂二甲基甲酰胺中,从而得到均一的混合溶液;
2)电纺过程:将步骤1)中所得的均一的混合溶液在120kV/m电场强度下进行电纺,喷丝头和收集板的间距为40cm,施加的电压为40kV,从而制得聚丙烯腈/乙酰丙酮镍复合纤维;
3)将步骤2)中所得的复合纤维在250℃退火4h,从而部分氧化聚丙烯腈纤维;
4)以3℃/min的速度升温至400℃,在该温度下氮气环境中保持3h,从而稳定纤维形貌;
5)以3℃/min的速度升温至600℃,在该温度下通入氢气和氮气的混合气体(氢气∶氮气=1∶2)中保持3h,从而还原镍离子;
6)以6℃/min的速度升温至900℃以碳化复合物纳米纤维,在该温度下保持40min然后在氮气中冷却到室温。从而得到镍纳米颗粒/碳纳米纤维复合材料;
7)将步骤6)中制得的镍纳米颗粒/碳纳米纤维复合材料与液体石蜡以质量比为70∶30的比例混合均匀,得到糊状物;
8)将步骤7)中得到的糊状物填入内径为1.5mm,高度为4cm的玻璃管中,填实压紧,将一段长度为10cm的铜丝插入玻璃管的一端当导线当导线,从而制得非酶葡萄糖传感器。
非酶葡萄糖传感器的电化学测试包括如下步骤:
1)葡萄糖溶液的配制
葡萄糖储备液的浓度为100mM,储备液在4℃冰箱中放置过夜以消旋化。
2)葡萄糖的电化学检测
葡萄糖的电化学检测在浓度为0.1M的氢氧化钠溶液中进行。电化学实验在CHI 832电化学分析仪上进行,采用三电极体系:Pt丝作为辅助电极,Ag/AgCl作为参比电极,制备的葡萄糖传感器作为工作电极。在搅拌条件下,向检测池中加入8.0μM葡萄糖,记录稳定后的电化学信号,如图2插图b。
实施例4、镍纳米颗粒/碳纳米纤维复合物制备非酶葡萄糖传感器
1)电纺溶液的制备:将11wt.%聚丙烯腈和6wt.%乙酰丙酮镍溶于溶剂二甲基甲酰胺中,从而得到均一的混合溶液;
2)电纺过程:将步骤1)中所得的均一的混合溶液在110kV/m电场强度下进行电纺,喷丝头和收集板的间距为35cm,施加的电压为35kV,从而制得聚丙烯腈/乙酰丙酮镍复合纤维;
3)将步骤2)中所得的复合纤维在240℃退火3.5h,从而部分氧化聚丙烯腈纤维;
4)以2.5℃/min的速度升温至350℃,在该温度下氮气环境中保持2.5h,从而稳定纤维形貌;
5)以2.5℃/min的速度升温至550℃,在该温度下通入氢气和氮气的混合气体(氢气∶氮气=1∶2)中保持2.5h,从而还原镍离子;
6)以5.5℃/min的速度升温至850℃以碳化复合物纳米纤维,在该温度下保持35min然后在氮气中冷却到室温。从而得到镍纳米颗粒/碳纳米纤维复合材料;
7)将步骤6)中制得的镍纳米颗粒/碳纳米纤维复合材料与液体石蜡以质量比为65∶35的比例混合均匀,得到糊状物;
8)将步骤7)中得到的糊状物填入内径为1.2mm,高度为3.5cm的玻璃管中,填实压紧,将一段长度为8cm的铜丝插入玻璃管的一端当导线当导线,从而制得非酶葡萄糖传感器。
非酶葡萄糖传感器的电化学测试包括如下步骤:
1)葡萄糖溶液的配制
葡萄糖储备液的浓度为80mM,储备液在4℃冰箱中放置过夜以消旋化。
2)葡萄糖的电化学检测
葡萄糖的电化学检测在浓度为0.1M的氢氧化钠溶液中进行。电化学实验在CHI 832电化学分析仪上进行,采用三电极体系:Pt丝作为辅助电极,Ag/AgCl作为参比电极,制备的葡萄糖传感器作为工作电极。在搅拌条件下,向检测池中加入4.0μM葡萄糖,记录稳定后的电化学信号,如图2插图b。
Claims (1)
1、镍纳米颗粒/碳纳米纤维复合材料制备非酶葡萄糖传感器的方法,其步骤如下:
所述的镍纳米颗粒/碳纳米纤维复合材料,是由粒径为20-80nm的镍纳米颗粒和直径为100-700nm的碳纳米纤维组成;
1)电纺溶液的制备:将8-12wt.%聚丙烯腈和3-7wt.%乙酰丙酮镍溶于溶剂二甲基甲酰胺中,从而得到均一的混合溶液;
2)电纺:将步骤1)中所得的均一的混合溶液在80-120kV/m电场强度下进行电纺,喷丝头和收集板的间距为20-40cm,施加的电压为20-40kV,从而制得聚丙烯腈/乙酰丙酮镍复合纤维;
3)将步骤2)中所得的复合纤维在200-250℃退火2-4h,从而部分氧化聚丙烯腈纤维;
4)以1-3℃/min的速度升温至200-400℃,在该温度下氮气环境中保持1-3h,从而稳定纤维形貌;
5)以1-3℃/min的速度升温至400-600℃,在该温度下通入氢气和氮气的混合气体中保持1-3h,其中,氢气∶氮气=1∶2,从而还原镍离子;
6)以4-6℃/min的速度升温至800-900℃以碳化复合物纳米纤维,在该温度下保持20-40min然后在氮气中冷却到室温,得到镍纳米颗粒/碳纳米纤维复合材料;
7)将步骤6)中制得的镍纳米颗粒/碳纳米纤维复合材料与液体石蜡以质量比为50∶50-70∶30的比例混合均匀,得到糊状物;
8)将步骤7)中得到的糊状物填入内径为0.5-1.5mm,高度为3-4cm的玻璃管中,填实压紧,玻璃管的一端插入铜丝当导线,从而制得非酶葡萄糖传感器。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20091216 |