CN102435649A - Pt-Ag合金纳米颗粒无酶葡萄糖传感器电极的制备及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种Pt-Ag合金纳米颗粒无酶葡萄糖传感器电极及制备和应用。该电极制备方法如下：将不锈钢针灸针在兽皮上打磨抛光，经二次蒸馏水反复冲洗、在功率为100-150瓦的超声波清洗器中超声5～10分钟后，置于pH为7的磷酸盐缓冲溶液中经循环伏安扫描活化10～15圈；然后将49～60mg的壳聚糖溶于80～120ml的0.05mol/L醋酸溶液中，配置成0.4～0.6％壳聚糖溶液；在将制备的Pt～Ag合金纳米颗粒溶于0.5ml的0.4～0.6％壳聚糖溶液中，超声分散后，取40～60μl滴涂与Au电极上，室温下干燥。Pt-Ag合金纳米颗粒电极具有良好的催化活性，对葡萄糖氧化也具有良好的电催化活性，宽的线性响应范围以及高的灵敏度和选择性。

Description

Pt-Ag合金纳米颗粒无酶葡萄糖传感器电极的制备及应用

技术领域

本发明涉及一种Pt-Ag合金纳米颗粒无酶葡萄糖传感器电极的制备及应用。

背景技术

电化学葡萄糖生物传感器具有选择性高、快速、简便等特点，是检测葡萄糖浓度最重要的方法。近年来，糖尿病的发病率持续增高，为了给糖尿病人提供更为高效的检测血糖手段，新型葡萄糖传感器的开发受到广泛的关注。尽管酶基传感器在监测过程中有着良好的选择性和灵敏度，但是酶在固定化的过程极为容易失活、变性，因此酶基传感器最大的一个问题就是稳定性不佳；其次就是固定化酶量无法准确控制，从而使得制备的传感器重复性不能保证。纳米材料及结构以其优异的表面效应、体积效应等多种特性，可作为电极的修饰材料，并且纳米颗粒在电极表面的吸附能力强、催化效率高、生物兼容性好，使得其修饰的电极在构建生物传感器方面有着很好的潜力。因此，对无酶传感器引起了广大研究者的重视。

对无酶传感器的研究，主要以电流型无酶传感器为主，该类型传感器最早使用的电极材料有稀有金属(如铂、金)、过渡金属(如铜、镍)及其氧化物和合金。然而，大多数无酶电极都存在着灵敏度低，选择性差，高成本及易失活等缺陷。电流置换是根据溶液中金属原子电化学势的不同而制备合金，其制备方法简单，并且在制备金属纳米合金中，具有高度可调控性，可以减少贵金属的使用量，降低成本。利用电流置换的方法制备无酶传感器电极，具有潜在的应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种Pt-Ag合金纳米颗粒无酶葡萄糖传感器电极的制备及应用，它是利用电流置换制备Pt-Ag合金纳米颗粒无酶葡萄糖传感器电极的方法。Pt-Ag合金纳米颗粒电对葡萄糖氧化具有良好的电催化活性，宽的线性响应范围以及高的灵敏度和选择性。本发明在血糖监测方面有很好的应用前景。

本发明Pt-Ag合金纳米颗粒无酶葡萄糖传感器电极制备方法包括的步骤：

(1)Ag纳米颗粒的制备

首先，将0.7～0.9ml的0.04×10^-3mol/LAgNO3与6～10ml的0.1mol/L聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶于20ml的蒸馏中，搅拌20～40分钟后，再加入0.6～1.0ml的1mol/L的抗坏血酸(AA)中，搅拌使之充分反应。在转速为10000～15000r/min，离心10～15分钟，反复用蒸馏水清洗，使之除去剩余PVP。

(2)Pt-Ag合金纳米颗粒的制备

采用电流置换的方法制备Pt-Ag合金纳米颗粒，即将上述制备的Ag纳米颗粒溶于0.5ml的蒸馏水中，取50μl分别溶于3.2～5.4ml的0.1×10^-3mol/L氯铂酸中，室温下反应60～80小时。

(3)电极处理

将Au电极在兽皮上打磨抛光，经二次蒸馏水反复冲洗、在功率为100～150瓦的超声波清洗器中超声5～10分钟后，置于pH为7.0的PBS中经循环伏安扫描活化10～15圈。

(4)Pt-Ag合金纳米颗粒电极的制备

首先，将40～60mg的壳聚糖溶于80～120ml的0.05mol/L醋酸溶液中，配置成0.4～0.6％壳聚糖溶液(CS)。在将(2)制备的Pt-Ag合金纳米颗粒溶于0.5ml的0.4～0.6％CS溶液中，超声分散后，取40～60μl滴涂与Au电极上，室温下干燥。

本发明采用电流置换方法在金电极上制备了Pt-Ag合金纳米颗粒无酶葡萄糖传感电极。Pt-Ag合金纳米颗粒修饰的金电极能显示出良好的直接电化学行为，在室温25±2℃，pH＝7.0的磷酸盐缓冲溶液，工作电压为+0.45V vs SCE的实验条件下，Pt-Ag合金纳米颗粒修饰的金电极(Pt-Ag/Au电极)表现出良好的传感性能，其对葡萄糖的传感器灵敏度为7μA(cm^-2*mM^-1)，线性监测范围为1～12mM，检测限为1.3×10^-5M(S/N＝3)；此外，该无酶葡萄糖传感器还具有良好的重复性和稳定性。基于以上测试结果，本发明在血糖监测方面有很好的应用前景。

附图说明

图1实施例1制备的Pt-Ag合金纳米颗粒样品的扫描电镜图片。

图2实施例2制备的电极在电极在pH＝7.0PBS缓冲液中的CV曲线(扫速为10mV*s^-1)。

图3实施例2制备的电极在电极在含有20mM葡萄糖的pH＝7.0PBS缓冲液中的不同扫描速率下的循环伏安曲线：扫速从内到外依次为10，30，50，70，90mV*s^-1。

图4为实施例3制备的电极在含有5mM[Fe(CN)₆]^3-/4-的1MKCl溶液中的阻抗曲线。

图5为实施例3制备的电极在含5mMK₃[Fe(CN)₆]的1MKCl溶液中不同扫描速率下的循环伏安曲线：扫速从内到外依次为10，30，50，70，90mV*s^-1。

图6为实施例3制备的电极的电流-浓度响应曲线。

具体实施方式

1)葡萄糖溶液的配置：

配置1.5mol/L的葡萄糖溶液，置于4℃冰箱中保存。

2)电化学测试：

在一定的电压范围内，利用循环伏安法(CV)测定Pt-Ag/Au电极构建无酶葡萄糖传感器的线性检测范围。具体方法如下：设定电压范围，并在在空白的pH＝7.0的PBS缓冲溶液扫速为10mV*S^-1进行CV扫描；然后在搅拌条件下依次加入特定量的葡萄糖溶液，并在每次加入葡萄糖溶液后重新进行CV扫描，直到CV峰电流不再随加入葡萄糖溶液浓度的增加而增大后，停止加入葡萄糖溶液；取每次CV扫描曲线的峰电流对相应的葡萄糖浓度作图，即得到电极催化葡萄糖氧化的线性浓度范围。

实施例1

将0.8ml的0.04×10^-3mol/LAgNO3与8ml的0.1mol/L聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶于20ml的蒸馏中，搅拌30分钟后，再加入0.8ml的1mol/L的抗坏血酸(AA)中，搅拌使之充分反应。在转速为10000r/min，离心15分钟，反复用蒸馏水清洗，使之除去剩余PVP。将上述制备的Ag纳米颗粒溶于0.5ml的蒸馏水中，取50μl分别溶于4.8ml的0.1×10^-3mol/L氯铂酸中，室温下反应72小时。将Au电极在鹿皮上打磨抛光，经二次蒸馏水反复冲洗、在功率为100瓦的超声波清洗器中超声5分钟后，置于pH为7.0的PBS中经循环伏安扫描活化10圈备用。将50mg的壳聚糖溶于100ml的0.05mol/L醋酸溶液中，配置成0.4％壳聚糖溶液(CS)。在将(2)制备的Pt-Ag合金纳米颗粒溶于0.5ml的0.4％CS溶液中，超声分散后，取60μl滴涂与Au电极上，室温下干燥。将制得的Ag和Pt-Ag做扫描电子显微镜(SEM)分析，如图1所示，电流置换后的Pt-Ag合金纳米颗粒的直接大约为250±10nm。

实施例2

将0.7ml的0.04×10^-3mol/L AgNO3与6ml的0.1mol/L聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶于20ml的蒸馏中，搅拌20分钟后，再加入0.6ml的1mol/L的抗坏血酸(AA)中，搅拌使之充分反应。在转速为12000r/min，离心10分钟，反复用蒸馏水清洗，使之除去剩余PVP。将上述制备的Ag纳米颗粒溶于0.5ml的蒸馏水中，取50μl分别溶于3.2ml的0.1×10^-3mol/L氯铂酸中，室温下反应60小时。将Au电极在鸡皮上打磨抛光，经二次蒸馏水反复冲洗、在功率为120瓦的超声波清洗器中超声8分钟后，置于pH为7.0的PBS中经循环伏安扫描活化12圈备用。将40mg的壳聚糖溶于80ml的0.05mol/L醋酸溶液中，配置成0.5％壳聚糖溶液(CS)。在将(2)制备的Pt-Ag合金纳米颗粒溶于0.5ml的0.5％CS溶液中，超声分散后，取40μl滴涂与Au电极上，室温下干燥。电化学测试采用三电极测试体系：以Pt-Ag合金纳米颗粒无酶葡萄糖电极为工作电极，Pt丝电极(直径1mm)为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，设定电压范围在-0.3～0.8V内，在pH＝7.0PBS缓冲液中进行CV曲线(扫速为10mV*s^-1)，如图2所示，结果表明，制备的Pt-Ag合金纳米颗粒与裸金电极相比，峰电流有了很大的提高，说明Pt-Ag合金纳米颗粒具有良好的电催化活性。Pt-Ag合金纳米颗粒修饰的金电极在含有20mM葡萄糖的pH＝7.0PBS缓冲液中的不同扫描速率下进行循环伏安曲线：扫速从内到外依次为10，30，50，70，90mV*s^-1，如图3所示，结果表明，随着扫描速率的增大，氧化峰电流明显增加。氧化峰电流对扫描速率作图，Pt-Ag合金纳米颗粒电极在催化葡萄糖氧化时的峰电流随着扫描速率的增加而线性增加，说明该电极在催化葡萄糖氧化的过程是典型的表面控制准可逆过程。

实施例3

将0.9ml的0.04×10^-3mol/L AgNO3与10ml的0.1mol/L聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶于20ml的蒸馏中，搅拌40分钟后，再加入1.0ml的1mol/L的抗坏血酸(AA)中，搅拌使之充分反应。在转速为15000r/min，离心8分钟，反复用蒸馏水清洗，使之除去剩余PVP。将上述制备的Ag纳米颗粒溶于0.5ml的蒸馏水中，取50μl分别溶于5.4ml的0.1×10^-3mol/L氯铂酸中，室温下反应80小时。将Au电极在鹿皮上打磨抛光，经二次蒸馏水反复冲洗、在功率为150瓦的超声波清洗器中超声10分钟后，置于pH为7.0的PBS中经循环伏安扫描活化15圈备用。将60mg的壳聚糖溶于120ml的0.05mol/L醋酸溶液中，配置成0.6％壳聚糖溶液(CS)。在将(2)制备的Pt-Ag合金纳米颗粒溶于0.5ml的0.6％CS溶液中，超声分散后，取50μl滴涂与Au电极上，室温下干燥。电化学测试采用三电极测试体系：以Pt-Ag合金纳米颗粒无酶葡萄糖电极为工作电极，Pt丝电极(直径1mm)为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极。在溶液为5mM的[Fe(CN)6]^3-/4-的1MKCl溶液中，对样品电极进行阻抗分析。测定频率范围在10⁵Hz～10^-2Hz。如图4所示，结果表明，Pt-Ag合金纳米颗粒无酶葡萄糖电极的阻抗值仅有100欧姆，远低于裸金电极阻抗值，说明Pt-Ag合金纳米颗粒无酶葡萄糖电极更有利于电子的传导，即制备的Pt-Ag合金纳米颗粒能够大大提高电极表面的电子传导速率。

将制备的电极在含5mMK3[Fe(CN)6]的1MKCl溶液中不同扫描速率下进行循环伏安曲线：扫速从内到外依次为10，30，50，70，90mV*s^-1，如图5所示，结果表明，随着扫描速率的增加，氧化还原峰电位基本没有发生变化，但是氧化峰电流与扫描速率的平方根有良好的线性关系。将峰电流对扫描速率的平方根作图，由Randles-Sevcik方程也可以看出，Pt-Ag/Au电极在K₃[Fe(CN)₆]溶液中的峰电流值越大，其电活性面积也越大，计算可得出Pt-Ag/Au电极的电活性面积A为0.0113cm2。峰电流随扫速的平方根呈线性关系，表明此电极反应过程是由扩散控制的。

电化学测试采用三电极测试体系：以Pt-Ag合金纳米颗粒无酶葡萄糖电极为工作电极，Pt丝电极(直径1mm)为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极。在30ml空白PBS中，依次滴加40μL1.5mol/L的葡萄糖溶液，分别在每次滴加后，进行循环伏安法(CV)测定。将制备的电极的电流对浓度做响应曲线，如图6所示。结果表明，为实施例随着葡萄糖浓度的增加，催化电流升高，其电流可到几百个微安的数量级。且催化氧化电位为-0.2V，因此传感器的抗干扰能力强，选择性好。制备的传感器灵敏度为7μA(cm^-2*mM^-1)，线性监测范围为1-12mM，检测限为1.3×10^-5M(S/N＝3)。

以上实施例仅是为说明本发明而所举，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所做的等同替代和变换，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种Pt-Ag合金纳米颗粒无酶葡萄糖传感器电极制备方法，其特征在于采用电流置换的方法制备Pt-Ag合金纳米颗粒以及Pt-Ag合金纳米颗粒修饰金电极的制备。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于制备Pt-Ag合金纳米颗粒所采用的电流置换方法的时间为60～80小时之间，电流置换0.1×10-3mol/L氯铂酸为3.2ml～5.4ml。

3.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的Pt-Ag合金纳米颗粒的制备方法是：

1)Ag纳米颗粒的制备

首先，将0.7～0.9ml的0.04×10^-3mol/L AgNO₃与6～10ml的0.1mol/L聚乙烯吡咯烷酮溶于20ml的蒸馏中，搅拌20～40分钟后，再加入0.6～1.0ml的1mol/L的抗坏血酸中，在转速为10000～15000r/min，离心10～15分钟，反复用蒸馏水清洗，使之除去剩余聚乙烯吡咯烷酮；

2)Pt-Ag合金纳米颗粒的制备

将上述制备的Ag纳米颗粒溶于0.5ml的蒸馏水中，取50μl溶于3.2～5.4ml的0.1×10^-3mol/L氯铂酸中，室温下反应60～80小时。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于包括的步骤：将不锈钢针灸针在兽皮上打磨抛光，经二次蒸馏水反复冲洗、在功率为100-150瓦的超声波清洗器中超声5～10分钟后，置于pH为7的磷酸盐缓冲溶液中经循环伏安扫描活化10～15圈；然后将49～60mg的壳聚糖溶于80～120ml的0.05mol/L醋酸溶液中，配置成0.4～0.6％壳聚糖溶液；在将制备的Pt-Ag合金纳米颗粒溶于0.5ml的0.4～0.6％壳聚糖溶液中，超声分散后，取40～60μl滴涂与Au电极上，室温下干燥。

5.如权利要求1所述的Pt-Ag合金纳米颗粒无酶葡萄糖传感器电极的应用，其特征在于可用于连续血糖浓度监测的电子设备中。

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