CN102128868A - 一种SnO2/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种SnO2/Au修饰的玻碳电极,包括SnO2/Au复合纳米粒子和玻碳电极;其中,所述SnO2/Au复合纳米粒子修饰在所述玻碳电极上。本发明还公开了一种所述SnO2/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极及其制备方法和应用。本发明具有响应时间短,线性范围宽,灵敏度高等优点,适用于临床诊断领域快速检测人体血糖浓度。
Description
技术领域
本发明涉及医学检测技术领域,具体涉及一种SnO2/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极及其制备方法和应用。
背景技术
糖尿病是继心血管病和肿瘤之后的第三大非传染性疾病,已成为严重威胁人类健康的世界性公共卫生问题。因而,简单、迅速地检测和诊断血液中葡萄糖含量对糖尿病的预防和治疗有着重要的意义。是否患有糖尿病,主要是根据病人血液中葡萄糖的浓度水平来判断的,因此如何快速准确地测试葡萄糖浓度是需要解决的关键问题。
目前,测试血液葡萄糖浓度的方法主要有3种:显色法、酶电极法和荧光方法。三种方法各有优点,酶电极法由于速度快、检测方法简单,正被越来越多地使用。它的工作原理是基于对固定在特定载体上的葡萄糖氧化酶(Glucose Oxidase,GOD)催化氧化葡萄糖时产生的过氧化氢电流的检测。因此,酶的固定化是传感器制备过程中最关键的步骤.。
SnO2作为一种重要的宽能级半导体金属氧化物,具有独特的光学,电学性能,已应用到太阳能电池、气体传感器、电极材料、场效应管等诸多领域,受到了各国科学家极大的关注。到目前为止,SnO2纳米线制备方法主要有:氧化铝模板法、化学气相沉积法和自蔓延高温合成-喷射法等。氧化铝模板法是通过多孔氧化铝模板(AAO)来限制所需材料生长的介质环境,即在有纳米尺度的孔穴衬底上淀积生长纳米线材料。其最大的优点在于所制备出的SnO2纳米线排列高度有序,构成阵列。此方法的缺点是二次阳极氧化制备AAO模板时,电能消耗较大,整个工艺操作较为繁锁,限制了其应用。化学气相沉积法(CVD)是利用含有所需制备元素的一种或几种气相化合物或单质在衬底表面上进行化学反应而获得纳米材料的方法。其材料的制备包括:气体扩散、反应气体在衬底表面的吸附、表面反应、成核和生长以及气体解吸、扩散挥发等步骤。化学沉淀法的优点是工艺比较简单,纯度较高;缺点是沉积时间长, 生长速度慢,产量比较小。
本发明克服现有技术的制备复杂、响应速度慢等缺点,提供一种SnO2/Au 修饰的葡萄糖氧化酶电极及其制备方法和应用,具有制备简单、灵敏度高、响应速度快等优点,适合工业化推广使用。
金纳米粒子具有比表面积大、表面反应活性高、表面活性中心多、吸附能力强以及有比较良好的稳定性和催化性能等特点。在酶传感器中使用纳米材料,不仅可以增加酶的吸附量和稳定性,而且还可以提高酶的催化活性,使酶电极的电流响应灵敏度得到显著提高。SnO2/Au复合纳米粒子制备方法简单,其修饰的酶电极电响应信号好,适合工业化推广使用。
发明内容
本发明提供了一种SnO2/Au修饰的玻碳电极,其特征在于,包括SnO2/Au复合纳米粒子,玻碳电极;其中,所述SnO2/Au复合纳米粒子修饰在所述玻碳电极上。
本发明提供了一种SnO2/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极,其特征在于,包括葡萄糖氧化酶,和如权利要求1所述SnO2/Au修饰的玻碳电极;其中,所述葡萄糖氧化酶采用交联法固定在SnO2/Au复合纳米粒子修饰的玻碳电极的表面。
本发明还提供了一种SnO2/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极的制备方法,其特征在于,依次包括以下步骤:
步骤一:玻碳电极进行预处理:
先将所述玻碳电极用氧化铝粉末抛光,然后用二次蒸馏水进行冲洗,再依次在丙酮、硝酸溶液、NaOH溶液和二次蒸馏水进行超声清洗;
步骤二:制得SnO2/Au修饰的玻碳电极:
将SnO2/Au复合纳米粒子分散于pH值为6-8的PBS溶液,取3-10μL滴加到经预处理的玻碳电极表面之后,用高纯氮气将玻碳电极吹干,得到SnO2/Au修饰的玻碳电极;
步骤三:制得SnO2/Au修饰的葡萄糖氧化酶玻碳电极:
将葡萄糖氧化酶溶液、戊二醛、Nafion溶液混合均匀后,取混合液3-10μL滴加到经SnO2/Au修饰的玻碳电极表面,于室温中自然晾干。
本发明中,所述步骤二中的SnO2/Au复合纳米粒子是通过以下方法制得:
(1)在乙醇和水的混合溶液中加入SnCl2,然后加入NaOH溶液调节pH值至9.0-14.0,经搅拌、超声,将所得混合物置于180℃下加热,取出后依次用蒸馏水、无水乙醇清洗,得到单晶SnO2;
(2)将上述步骤得到的单晶SnO2,经超声清洗后分散于柠檬酸钠溶液中,得到SnO2 和柠檬酸钠的混合液;
(3)将HAuCl4溶解于蒸馏水中,并将其逐滴滴入SnO2 和柠檬酸钠的混合液中;
(4)将HAuCl4、SnO2 和柠檬酸钠的混合液在80℃下加热,搅拌后,得到SnO2/Au复合纳米粒子。
其中,所述步骤三中的葡萄糖氧化酶溶液、戊二醛、Nafion溶液的混合液为:浓度为500-2000 units/mL的葡萄糖氧化酶溶液100.0 μL,质量百分比浓度为2.5%的戊二醛50.0 μL,质量百分比浓度为0.5%的Nafion溶液50.0μL。
本发明还提供了一种SnO2/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极在血糖检测中的应用,其特征在于,首先通过将葡萄糖溶液逐步加入基底溶液中,测定并记录电流值,建立响应电流-葡萄糖浓度曲线;然后在相同条件下,在基底溶液中加入待测样品并记录电流值,将该电流值代入所述电流-葡萄糖浓度曲线中,从而确定待测样品的葡萄糖浓度。
其中,所述基底溶液是磷酸缓冲溶液,其pH为6-8。
本发明创新地提出一种SnO2/Au复合纳米材料的合成方法,并以此制备SnO2/Au复合纳米材料修饰的酶电极以及葡萄糖氧化酶电极。本发明首次提出的“SnO2/Au修饰的玻碳电极”以及“SnO2/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极”,至目前尚未见文献报道。本发明的方法简单,条件易控,具有良好的导电、负载等功效,便于批量生产,具有很好的应用前景。且在葡萄糖检测中,具有响应速度快、灵敏度高、可以直接测定浓度等优点。
本发明提供一种利用SnO2/Au修饰电极安培分析法快速检测血糖浓度的方法。为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案,是利用水热法合成单晶SnO2,在SnO2溶液中用柠檬酸钠还原氯金酸制得纳米Au,用SnO2/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极作为安培分析的电化学检测器,在PBS中对血清中的葡萄糖进行检测。区别于现有技术的是,本发明采用新的合成SnO2/Au的技术并利用以该技术合成的材料修饰葡萄糖氧化酶,以取得了很好的响应。
本发明中,葡萄糖在葡萄糖氧化酶的催化作用下产生葡萄糖酸和H2O2,在一定的工作电压下,电极对H2O2响应产生电流,通过电流信号与H2O2的线性关系,间接测得葡萄糖的浓度。反应过程如下:
本发明SnO2/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极在血糖检测中的应用,与背景技术相比所具有的优点:检测所需时间短,仅为3秒钟,操作简单;检测灵敏度高,检测限达到2.0×10-5,线性范围宽(1.0×10-4~4.1×10-2),能够满足现代社会快速检测的需求,对于公共卫生事业,临床诊断的血糖浓度的检测有着重要的意义。本发明检测的血糖浓度与传统的葡萄糖氧化酶电极法进行比较,具有响应时间短,线性范围宽,灵敏度高等优点。本发明能满足现代社会快速检测的需求,特别适用于临床诊断领域快速检测人体血糖浓度。
附图说明
图1是本发明SnO2/Au复合纳米粒子的TEM图。
图2是本发明SnO2/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极用在血糖检测时,确定的响应电流与葡萄糖浓度之间的依存关系。
具体实施方式
现通过实施例详细说明本发明的技术方案。所有的实施例均完全按照“发明内容”所述的具体操作步骤进行操作。因此,为避免重复,每个实施例仅罗列步骤的关键技术数据。
实施例1 单晶SnO2的制备
将12 mM SnCl2加入40mL 的乙醇和水的混合溶液(体积比1:3),然后加入0.4 M 的NaOH溶液调节pH值为14.0,迅速搅拌。以上混合物搅拌2小时,再超声(型号:KQ-2100DA,40 kHz,100 W)30分钟。最后将超声后混合物置于180℃烘干箱中加热12小时,取出。分别用蒸馏水,无水乙醇清洗,得到纯净的SnO2。图1所示为SnO2/Au复合纳米粒子的TEM图。
实施例2 SnO2/Au复合纳米粒子的制备
金纳米粒子直接生长于SnO2上。利用超声的方法将洗净的SnO2 (0.40 mM) 重新分散于50 mL 稀释的柠檬酸钠(0.015 M)溶液中。将0.2 mL 的HAuCl4 (0.01 M) 溶解于10mL的蒸馏水中,并将其逐滴滴入SnO2 和柠檬酸钠的混合液中。此混合液加热(80℃)搅拌12小时,即可得SnO2/Au复合纳米粒子。再用二次蒸馏水和无水乙醇各洗三次,真空烘干,待用。
实施例3 制备SnO2/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极
将玻碳电极用平均粒径0.05μm的氧化铝粉末抛光,用二次蒸馏水冲洗,一次在丙酮、硝酸溶液、NaOH溶液和二次蒸馏水超声清洗。其中,所使用的丙酮为分析纯。硝酸溶液中,硝酸与水的体积比为1:1;NaOH与水的重量比为1:1。超声(型号:KQ-2100DA)清洗30分钟,超声条件为40 kHz,100 W。以玻碳电极为工作电极,Ag/AgCl电极为参比电极,铂丝电极为辅助电极。将SnO2/Au复合纳米分散于pH值7.4的PBS中,取5 μL滴加到预处理的玻碳电极表面,高纯氮气吹干。葡萄糖氧化酶采用交联法固定到电极表面:将100.0 μL 浓度为500-2000 units/mL的GOx溶液(葡萄糖氧化酶溶液), 50.0 μL (2.5%) 戊二醛和50.0 μL (0.5%) Nafion溶液混合均匀,取以上混合液5.0 μL 滴加到玻碳电极GCE/ SnO2/Au电极表面,于室温中自然晾干,制得SnO2/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极。
该SnO2/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极在不使用时,可放置于4.0 °C 的PBS溶液中。
实施例4 SnO2/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极的电化学响应
确定葡萄糖浓度与SnO2/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极响应电流的关系:是通过安培分析法快速检测葡萄糖浓度,以SnO2/Au修饰的酶电极、Ag/AgCl电极和铂丝电极分别为工作电极、参比电极和辅助电极,基底溶液为pH7.4的磷酸缓冲溶液。待基线稳定后,将一定体积和浓度的葡萄糖溶液,每隔三分钟逐步加入基底溶液中,记下每个进样时SnO2/Au修饰的酶电极的响应电流值,将全部进样的每一个及其对应响应电流的电流值对应的坐标点描绘在直角坐标纸上。本发明中,一定体积的葡萄糖溶液是指5μL葡萄糖溶液,一定浓度的葡萄糖溶液是指以下表一所示的浓度。其中,直角坐标中的两个坐标中纵坐标为SnO2/Au修饰的酶电极响应电流的电流值,直角坐标中的横坐标为葡萄糖的浓度,逐步连接直角坐标纸上的所有坐标点,得到响应电流-葡萄糖浓度的曲线,该曲线是一条直线,确定葡萄糖浓度与SnO2/Au修饰的酶电极响应电流的依从关系为线性关系。如图2所示。
其中,上述直角坐标的两个坐标中的横坐标为葡萄糖的浓度,直角坐标的纵坐标为SnO2/Au修饰的酶电极的响应电流值。上述响应电流-葡萄糖浓度曲线为一直线,用于拟合表达响应电流与葡萄糖浓度之间依从关系的公式,拟合得到的公式为I=aX+b,其中I为响应电流,单位是A,即安培,a,b为常数,X为葡萄糖浓度,单位为mol/L,即摩尔/升。
本实施例中电化学实验采用CHI-660C 型电化学分析仪(美国CH仪器公司),基底溶液为0.1 M pH 7.4的磷酸缓冲溶液(KH2PO4/Na2HPO4)。工作电位为0.5~0.8 V,温度为室温,整个安培检测是在搅拌状态下进行的。5μL不同已知浓度的葡萄糖溶液加入5mL的PBS中,检测所得的结果示于表一,在拟合公式中,a=3.7668E-6,b=7.7972E-6(R2=0.9993),最低检测限为2.0×10-5 mol/L,线性范围为0.01~41 mmol/L。而现有技术中,比如使用罗康全血糖仪检测血糖时,通常能够达到的检测限为6.0×10-4,线性范围为0.06~33 mmol/L。
表一 SnO2/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极的电化学响应
实施例5 利用SnO2/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极检测样品血糖浓度
利用本发明SnO2/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极,以及实施例4中确立的响应电流-葡萄糖浓度的线性关系,快速检测血液中的葡萄糖的浓度,操作步骤:(1)修饰电极安培分析法快速检测血糖浓度,电流分析的分析条件:电极、底液、工作电位与实施例4相同。待基线稳定后,将待测血样加入基底溶液中,记下SnO2/Au修饰的酶电极的电流响应的电流值;(2)利用实施例4得到的响应电流-葡萄糖浓度的曲线和上述步骤(1)得到的电流值,读出该电流值对应的葡萄糖浓度,该葡萄糖浓度就是待测血样中的血糖浓度。
具体操作方法如下:
本实施例中电化学实验采用CHI-660C 型电化学分析仪(美国CH仪器公司),基底溶液为0.1 M pH 6~8的磷酸缓冲溶液(KH2PO4/Na2HPO4)。工作电位为0.5~0.8 V,温度为室温,整个安培检测是在搅拌状态下进行的。
将5 μL的待测静脉血样加入5mL的PBS中,检测所得的结果示于表二,记下其所对应的响应电流值。本实施例中,本发明SnO2/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极仅需3秒钟即可完成样品血糖浓度的快速检测,而通常现有技术进行血糖浓度的检测则需要5-15秒钟。
利用实施例4得到的响应电流-葡萄糖浓度的曲线和上述步骤(1)得到的电流值,读出该电流值对应的葡萄糖浓度,该葡萄糖浓度就是待测血样中的血糖浓度。本实施例中,本发明SnO2/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极检测所需时间短且操作简单。
根据本实施例如表二所示实验结果可以看出,本发明SnO2/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极可以实现在血样中进行血糖浓度的检测,具有良好的实际应用价值。
表二 利用SnO2/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极及传统方法检测样品血糖浓度
Claims (7)
1.一种SnO2/Au修饰的玻碳电极,其特征在于,包括SnO2/Au复合纳米粒子,玻碳电极;其中,所述SnO2/Au复合纳米粒子修饰在所述玻碳电极上。
2.一种SnO2/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极,其特征在于,包括葡萄糖氧化酶,和如权利要求1所述SnO2/Au修饰的玻碳电极;其中,所述葡萄糖氧化酶采用交联法固定在SnO2/Au复合纳米粒子修饰的玻碳电极的表面。
3.如权利要求2所述葡萄糖氧化酶电极的制备方法,其特征在于,依次包括以下步骤:
步骤一:玻碳电极进行预处理:
先将所述玻碳电极用氧化铝粉末抛光,然后用二次蒸馏水进行冲洗,再依次在丙酮、硝酸溶液、NaOH溶液和二次蒸馏水进行超声清洗;
步骤二:制得SnO2/Au修饰的玻碳电极:
将SnO2/Au复合纳米粒子分散于pH值为6-8的PBS溶液,取3-10μL滴加到经预处理的玻碳电极表面之后,用高纯氮气将玻碳电极吹干,得到SnO2/Au修饰的玻碳电极;
步骤三:制得SnO2/Au修饰的葡萄糖氧化酶玻碳电极:
将葡萄糖氧化酶溶液、戊二醛、Nafion溶液混合均匀后,取混合液3-10μL滴加到经SnO2/Au修饰的玻碳电极表面,于室温中自然晾干。
4.如权利要求3所述葡萄糖氧化酶电极的制备方法,其特征在于,所述步骤二中的SnO2/Au复合纳米粒子是通过以下方法制得:
(1)在乙醇和水的混合溶液中加入SnCl2,然后加入NaOH溶液调节pH值至9.0-14.0,经搅拌、超声,将所得混合物置于180℃下加热,取出后依次用蒸馏水、无水乙醇清洗,得到单晶SnO2;
(2)将上述步骤得到的单晶SnO2,经超声清洗后分散于柠檬酸钠溶液中,得到SnO2 和柠檬酸钠的混合液;
(3)将HAuCl4溶解于蒸馏水中,并将其逐滴滴入SnO2 和柠檬酸钠的混合液中;
(4)将HAuCl4、SnO2 和柠檬酸钠的混合液在80℃下加热,搅拌后,得到SnO2/Au复合纳米粒子。
5.如权利要求3所述葡萄糖氧化酶电极的制备方法,其特征在于,所述步骤三中的葡萄糖氧化酶溶液、戊二醛、Nafion溶液的混合液为:浓度为500-2000units/mL的葡萄糖氧化酶溶液100.0 μL,质量百分比浓度为2.5%的戊二醛50.0 μL,质量百分比浓度为0.5%的Nafion溶液50.0μL。
6.如权利要求2所述葡萄糖氧化酶电极在血糖检测中的应用,其特征在于,首先通过将葡萄糖溶液逐步加入基底溶液中,测定并记录电流值,建立响应电流-葡萄糖浓度曲线;然后在相同条件下,在基底溶液中加入待测样品并记录电流值,将该电流值代入所述电流-葡萄糖浓度曲线中,从而确定待测样品的葡萄糖浓度。
7.如权利要求6所述的应用,其特征在于,所述基底溶液是磷酸缓冲溶液,其pH为6-8。
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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: 20110720 |