CN102621207A - 一种葡萄糖传感器及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种葡萄糖传感器，本发明的葡萄糖传感器的工作电极表面被葡萄糖氧化酶与三角银纳米颗粒复合膜所覆盖。本发明通过将三角银纳米颗粒用于葡萄糖传感器，有效提高了葡萄糖传感器的灵敏度，使其检测限达到3-20μmol/L。
Description
技术领域
本发明涉及一种葡萄糖传感器，具体涉及通过三角银纳米颗粒增强灵敏度的电流型葡萄糖传感器，属于电化学传感器领域。
背景技术
葡萄糖传感器是一种利用葡萄糖氧化酶作为敏感元件来快速、准确、方便的测量葡萄糖含量的生物传感器。
由于纳米材料特殊的物理和化学性质以及其在光学、电子学、磁性元件以及催化领域的潜在应用前景，使得纳米材料受到了越来越多的关注。三角银纳米颗粒因为具有对结构和环境依赖的光学性质而受到人们的注目(化学进展2009，21(9)，1847-1856.)。Yu等人利用三角银纳米颗粒溶液的表面等离子共振的变化来检测卤族离子、H2PO4-和SCN-(Langmuir.2008，24，4300.)；Wu等人发现半胱氨酸能够导致三角银纳米颗粒的偶极等离子共振吸收峰发生蓝移并用于半胱氨酸的检测(Chin.Chem.Lett.2009，20，611.)；Van Duyne等人利用纳米球平版印刷方式制备的三角银纳米颗粒构建出一种检测抗生蛋白链菌素的光学传感器(J.Am.Chem.Soc.2002，124，10596.)；Mirkin等人引入二氧化硅壳来保护三角银纳米颗粒，并利用其检测DNA(Adv.Mater.2007，19，4071.)。但是到目前为止还没有将溶胶-凝胶法制备的三角银纳米颗粒用于电化学生物传感器的报道。目前传统的医院广泛采用的血糖检测技术，对葡萄糖的检测限在100μmol/L，而这样的检测限还不能完全满足市场需求。
本发明首次将溶胶-凝胶法制备的三角银纳米颗粒直接用于增强电流型葡萄糖传感器的检测灵敏度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种葡萄糖传感器，从而解决现有葡萄糖传感器检测限不能满足市场需求的缺陷。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种葡萄糖传感器，包括工作电极、对电极和参比电极，其特征在于，
所述工作电极表面覆盖有葡萄糖氧化酶与三角银纳米颗粒复合膜。
其中，所述三角银纳米颗粒的粒径为40-80nm。
所述葡萄糖氧化酶与三角银纳米颗粒复合膜是通过溶胶-凝胶法制备的。
本发明所述葡萄糖传感器的固定基质是壳聚糖。
所述对电极是铂电极。
所述工作电极是铂丝电极、铂片电极、铂柱电极或铂盘电极。
所述参比电极为饱和甘汞电极或饱和氯化钾Ag/AgCl电极。
本发明葡萄糖传感器的检测限为3-20μmol/L。
本发明的另一目的在于提供一种制备所述葡萄糖传感器的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)工作电极的制备：将葡萄糖氧化酶水溶液与三角银纳米颗粒水溶液混合，通常混合5-10分钟，即可得到葡萄糖氧化酶/三角银纳米颗粒复合物，然后在所得复合物中添加壳聚糖水溶液和戊二醛水溶液，形成成膜复合物；将铂电极插入所得成膜复合物中，然后将铂电极取出晾干，得到被葡萄糖氧化酶与三角银纳米颗粒复合膜覆盖的工作电极；
(2)葡萄糖传感器的组成：将步骤(1)所得的工作电极与参比电极、对电极和固定基质组合，作为葡萄糖传感器。
其中，所述葡萄糖氧化酶水溶液的浓度为1-100mg/mL。
所述三角银纳米颗粒水溶液在最大可见吸收峰波长下的吸光度为3-5。
本发明所述吸光度都是在粒径对应的最大吸收波长下测得的。例如，40nm的三角银纳米颗粒的最大可见吸收波长为450nm，50nm的三角银纳米颗粒的最大可见吸收波长为550nm，60nm的三角银纳米颗粒的最大可见吸收波长为700nm，80nm的三角银纳米颗粒的最大可见吸收波长为850nm。
本发明的三角银纳米颗粒是参照文献Adv.Mater.(2005，17，413.)而制备的。
所述壳聚糖水溶液的浓度为0.5-2wt％。
所述戊二醛水溶液的浓度为1-5wt％。
所述葡萄糖氧化酶水溶液∶所述三角银纳米颗粒水溶液∶所述壳聚糖水溶液∶所述戊二醛水溶液的体积比为0.01-0.1∶0.01-0.5∶0.2-1.0∶0.01-0.03。
步骤(1)中所述铂电极插入所得成膜复合物的时间为10-30秒。
本发明的又一目的在于提供一种所述葡萄糖传感器的使用方法，其特征在于，包括：
在30～40℃的恒温条件下，在pH为6.5-7.0的缓冲溶液中对葡萄糖进行电化学检测。
其中，所述缓冲溶液为磷酸盐缓冲溶液、HCl-Tris缓冲溶液或Britton-Robinson缓冲溶液。
所述电化学检测是在恒电位下的计时电流法或循环伏安法。
本发明的葡萄糖传感器采用三角银纳米颗粒与葡萄糖氧化酶形成的复合膜来覆盖工作电极，从而提高电流型传感器检测葡萄糖的灵敏度，本发明的葡萄糖传感器具有检测灵敏度高、检测限低、线性范围广等优点，同时，本发明葡萄糖传感器的制备方法简便，重现性好。
附图说明
图1为本发明葡萄糖传感器的制备方法示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，应该理解的是，这些实施例仅用于例证的目的，决不限制本发明的保护范围。
本发明通过将三角银纳米颗粒直接用于提高电流型传感器对葡萄糖的检测灵敏度，得到了本发明的葡萄糖传感器。本发明葡萄糖传感器的工作电极表面覆盖有葡萄糖氧化酶与三角银纳米颗粒复合膜，其中，三角银纳米颗粒的粒径为40-80nm，铂电极可以是铂丝电极、铂片电极、铂柱电极、铂盘电极等。
本发明葡萄糖传感器的制备方法如图1所示，主要包括以下步骤：
1)参照文献Adv.Mater.(2005，17，413.)的办法制备不同尺寸的三角银纳米颗粒，具体包括：室温下，将50mL 0.1mM AgNO3、3mL 30mM的C6H5O7Na3·2H2O、和120μL30wt％H2O2的混合物充分混匀。然后，快速将200～400μL 100mM NaBH4加到上述混合物中，待反应液变成蓝色后，取出反应液快速离心，浓缩成在各自粒径对应的最大可见吸收峰波长下的吸光度为3-5的三角银纳米颗粒浓缩水溶液，其中，40-80nm的三角银纳米颗粒的最大可见吸收峰波长范围为450-850nm，将所得三角银纳米颗粒浓缩水溶液用于下面的实验；
2)取0.01～0.1体积的葡萄糖氧化酶(1～100mg/mL)与0.01～0.5体积的步骤1)中三角银纳米颗粒浓缩水溶液在离心管中混合5～10分钟，使葡萄糖氧化酶吸附在三角银纳米颗粒上形成具有催化活性的复合物；
3)依次将0.2～1.0体积的壳聚糖水溶液(0.5～2wt.％)以及0.01～0.03体积的戊二醛水溶液(1～5wt.％)加入到步骤2)的复合物中，形成具有催化活性的成膜复合物；
4)将铂丝电极插入步骤3)的混合物中10-30秒，取出后在空气中晾干，在铂电极表面形成均匀的复合物膜，即可得到本发明传感器的工作电极；
使用时，将步骤4)中已修饰的铂电极作为工作电极，以饱和甘汞电极或饱和氯化钾Ag/AgCl电极为参比电极，大面积铂片电极为对电极，组成传感器，在30～40℃的恒温条件下，在pH为6.5～7.0的磷酸盐缓冲溶液、HCl-Tris缓冲溶液中或者Britton-Robinson缓冲溶液中对葡萄糖进行电化学检测；
其中，电化学检测手段为应用电压为+0.6V的计时电流法或者循环伏安法。
实施例1：以40nm的三角银纳米颗粒与葡萄糖氧化酶制备成的电流型葡萄糖传感器：
1)参照文献Adv.Mater.(2005，17，413.)的办法制备粒径为40nm的三角银纳米颗粒：室温下，将50mL 0.1mM AgNO3、3mL 30mM的C6H5O7Na3·2H2O、和120μL 30wt％H2O2的混合物充分混匀。然后，快速将400μL 100mM NaBH4加到上述混合物中，待反应液变成蓝色后，取出反应液快速离心，浓缩成在最大可见吸收峰波长450nm下，吸光度为3的三角银纳米颗粒浓缩水溶液，用于下面的实验；
2)取0.01mL的葡萄糖氧化酶(1mg/mL)与0.01mL步骤1)中的三角银纳米颗粒浓缩水溶液在离心管中混合10分钟，使葡萄糖氧化酶吸附在三角银纳米颗粒上形成具有催化活性的复合物；
3)依次将0.2mL壳聚糖水溶液(0.5wt.％)以及0.01mL戊二醛水溶液(1wt.％)加入到上述步骤2)的混合物中，形成具有催化活性的成膜复合物；
4)将铂丝电极插入步骤3)的混合物中10秒，取出后在空气中晾干，在铂电极表面形成均匀的复合物膜；
5)将步骤4)中已修饰的铂丝电极作为工作电极，以饱和氯化钾Ag/AgCl为参比电极、铂电极为对电极，在30～40℃的恒温条件下，在pH为6.5的磷酸盐缓冲溶液中对葡萄糖进行电化学检测。
6)步骤5)中的电化学检测手段为应用电压为+0.6V的计时电流法。
结果显示，对葡萄糖的检测限为3μmol/L。
实施例2：以50nm的三角银纳米颗粒与葡萄糖氧化酶制备成的电流型葡萄糖传感器：
1)参照文献Adv.Mater.(2005，17，413.)的办法制备粒径为50nm的三角银纳米颗粒：室温下，将50mL 0.1mM AgNO3、3mL 30mM的C6H5O7Na3·2H2O、和120μL 30wt％H2O2的混合物充分混匀。然后，快速将350μL 100mM NaBH4加到上述混合物中，待反应液变成蓝色后，取出反应液快速离心，浓缩成在最大可见吸收峰波长550nm下吸光度为5的三角银纳米颗粒浓缩水溶液，用于下面的实验；
2)取0.1mL的葡萄糖氧化酶(100mg/mL)与0.5mL步骤1)中的三角银纳米颗粒浓缩水溶液在离心管中混合7分钟，使葡萄糖氧化酶吸附在三角银纳米颗粒上形成具有催化活性的复合物；
3)依次将1.0mL壳聚糖水溶液(2wt.％)以及0.03mL戊二醛水溶液(5wt.％)加入到上述步骤2)的混合物中，形成具有催化活性的成膜复合物；
4)将铂片电极插入步骤3)的混合物中30秒，取出后在空气中晾干，在铂电极表面形成均匀的复合物膜；
5)将步骤4)中已修饰的铂片电极作为工作电极，以饱和氯化钾Ag/AgCl为参比电极、铂电极为对电极，在30～40℃的恒温条件下，在pH为7.0的Britton-Robinson缓冲溶液中对葡萄糖进行电化学检测；
6)步骤5)中的电化学检测手段为循环伏安法。
结果显示，对葡萄糖的检测限为6μmol/L。
实施例3：以60nm的三角银纳米颗粒与葡萄糖氧化酶制备成的电流型葡萄糖传感器：
1)参照文献Adv.Mater.(2005，17，413.)的办法制备粒径为60nm的三角银纳米颗粒：室温下，将50mL 0.1mM AgNO3、3mL 30mM的C6H5O7Na3·2H2O、和120μL 30wt％H2O2的混合物充分混匀。然后，快速将300μL 100mM NaBH4加到上述混合物中，待反应液变成蓝色后，取出反应液快速离心，浓缩成在最大可见吸收峰波长700nm下吸光度为4的三角银纳米颗粒浓缩水溶液，用于下面的实验；
2)取0.03mL的葡萄糖氧化酶水溶液(30mg/mL)与0.3mL步骤1)中的三角银纳米颗粒浓缩水溶液在离心管中混合6分钟，使葡萄糖氧化酶吸附在三角银纳米颗粒上形成具有催化活性的复合物；
3)依次将0.4mL壳聚糖水溶液(1wt.％)以及0.02mL戊二醛水溶液(1.5wt.％)加入到上述步骤2)的混合物中，形成具有催化活性的成膜复合物；
4)将铂柱电极插入步骤3)的混合物中20秒，取出后在空气中晾干，在铂电极表面形成均匀的复合物膜；
5)将步骤4)中的修饰的铂柱电极作为工作电极，以饱和甘汞电极为参比电极、铂电极为对电极，在30～40℃的恒温条件下，在pH为6.8的HCl-Tris缓冲溶液中对葡萄糖进行电化学检测；
6)步骤5)中的电化学检测手段为应用电压为+0.6V的计时电流法。
结果显示，对葡萄糖的检测限为10μmol/L。
实施例4：以80nm的三角银纳米颗粒与葡萄糖氧化酶制备成的电流型葡萄糖传感器：
1)参照文献Adv.Mater.(2005，17，413.)的办法制备粒径为80nm的三角银纳米颗粒：室温下，将50mL 0.1mM AgNO3、3mL 30mM的C6H5O7Na3·2H2O、和120μL 30wt％H2O2的混合物充分混匀。然后，快速将200μL 100mM NaBH4加到上述混合物中，待反应液变成蓝色后，取出反应液快速离心，浓缩成在最大可见吸收峰波长850nm下吸光度为5的三角银纳米颗粒浓缩水溶液，用于下面的实验；
2)取0.06mL的葡萄糖氧化酶水溶液(80mg/mL)与0.07mL步骤1)中的三角银纳米颗粒浓缩水溶液在离心管中混合5分钟，使葡萄糖氧化酶吸附在三角银纳米颗粒上形成具有催化活性的复合物；
3)依次将0.7mL壳聚糖水溶液(1.5wt.％)以及0.02mL戊二醛水溶液(2.5wt.％)加入到上述步骤2)的混合物中，形成具有催化活性的成膜复合物；
4)将铂盘电极插入步骤3)的混合物中25秒，取出后在空气中晾干，在铂电极表面形成均匀的复合物膜；
5)将步骤4)中已修饰的铂盘电极作为工作电极，以饱和氯化钾Ag/AgCl为参比电极、铂电极为对电极，在30～40℃的恒温条件下，在pH为6.6的磷酸盐缓冲溶液中进行电化学检测；
6)步骤5)中的电化学检测手段为循环伏安法。
结果显示，对葡萄糖的检测限为20μmol/L。
对比例1不添加三角银纳米颗粒的葡萄糖传感器与实施例1中的葡萄糖传感器的对比
不添加三角银纳米颗粒的葡萄糖传感器的制备与实施例1相同，但不添加三角银纳米颗粒，具体为：
1)取0.01mL的葡萄糖氧化酶水溶液(1mg/mL)与0.2mL壳聚糖水溶液(0.5wt.％)以及0.01mL戊二醛水溶液(1wt.％)混合10分钟，形成具有催化活性的成膜复合物；
2)将铂丝电极插入步骤1)的混合物中10秒，取出后在空气中晾干，在铂电极表面形成均匀的复合物膜；
3)将步骤2)中的修饰的铂丝电极作为工作电极，以饱和氯化钾Ag/AgCl为参比电极、铂电极为对电极，在30～40℃的恒温条件下，在pH为6.5的磷酸盐缓冲溶液中对葡萄糖进行电化学检测。
4)步骤3)中的电化学检测手段为应用电压为+0.6V的计时电流法。
结果显示，对葡萄糖的检测限为50μmol/L。
从实验结果可以看出，采用相同的实验条件，在不添加三角银纳米颗粒的情况下，葡萄糖传感器的检测限要比添加三角银纳米颗粒的葡萄糖传感器高出很多，可见，在葡萄糖传感器中添加三角银纳米颗粒可有效提高检测葡萄糖的灵敏度，大大降低其检测限。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种葡萄糖传感器，包括工作电极、参比电极和对电极，其特征在于，所述工作电极表面覆盖有葡萄糖氧化酶与三角银纳米颗粒复合膜。
2.根据权利要求1所述的葡萄糖传感器，其特征在于，所述三角银纳米颗粒是通过溶胶-凝胶法制备的，其粒径为40-80nm。
3.根据权利要求1所述的葡萄糖传感器，其特征在于，所述葡萄糖传感器的固定基质是壳聚糖。
4.权利要求1-3中任一项所述的葡萄糖传感器，其特征在于，所述工作电极是铂丝电极、铂片电极、铂柱电极或铂盘电极；所述参比电极为饱和甘汞电极或饱和氯化钾Ag/AgCl电极。
5.一种制备以上权利要求所述葡萄糖传感器的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)工作电极的制备：将葡萄糖氧化酶水溶液与三角银纳米颗粒水溶液混合，得到葡萄糖氧化酶/三角银纳米颗粒复合物，然后在所得复合物中添加壳聚糖水溶液和戊二醛水溶液，形成成膜复合物；将铂电极插入所得成膜复合物中，然后将铂电极取出晾干，得到被葡萄糖氧化酶与三角银纳米颗粒复合膜覆盖的工作电极；
(2)葡萄糖传感器的组成：将步骤(1)所得的工作电极与参比电极和对电极组合，作为葡萄糖传感器。
6.根据权利要求5所述的制备葡萄糖传感器的方法，其特征在于，所述葡萄糖氧化酶水溶液的浓度为1-100mg/mL，所述三角银纳米颗粒水溶液在最大可见吸收峰波长下的吸光度为3-5，所述壳聚糖水溶液的浓度为0.5-2wt％，所述戊二醛水溶液的浓度为1-5wt％；
所述葡萄糖氧化酶水溶液∶所述三角银纳米颗粒水溶液∶所述壳聚糖水溶液∶所述戊二醛水溶液的体积比为0.01-0.1∶0.01-0.5∶0.2-1.0∶0.01-0.03。
7.根据权利要求5所述的制备葡萄糖传感器的方法，其特征在于，步骤(1)中所述铂电极插入所得复合膜的时间为10-30秒。
8.一种权利要求1-4所述葡萄糖传感器的使用方法，其特征在于，包括：
在30～40℃的恒温条件下，在pH为6.5-7.0的缓冲溶液中对葡萄糖进行电化学检测。
9.根据权利要求8所述的葡萄糖传感器的使用方法，其特征在于，所述缓冲溶液为磷酸盐缓冲溶液、HCl-Tris缓冲溶液或Britton-Robinson缓冲溶液。
10.根据权利要求8所述的葡萄糖传感器的使用方法，其特征在于，所述电化学检测是循环伏安法或恒电位下的计时电流法。
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| Li et al. | Amperometric cholesterol biosensor based on reduction graphene oxide-chitosan-ferrocene/platinum nanoparticles modified screen-printed electrode | |
| Ma et al. | Electrochemical sensor nanoarchitectonics for sensitive detection of uric acid in human whole blood based on screen-printed carbon electrode equipped with vertically-ordered mesoporous silica-nanochannel film | |
| Veerapandian et al. | Functionalized graphene oxide for clinical glucose biosensing in urine and serum samples | |
| Li et al. | Ionic liquid-functionalized fluorescent carbon nanodots and their applications in electrocatalysis, biosensing, and cell imaging | |
| Babaei et al. | A selective simultaneous determination of levodopa and serotonin using a glassy carbon electrode modified with multiwalled carbon nanotube/chitosan composite | |
| Li et al. | Ultra-sensitive determination of epinephrine based on TiO2-Au nanoclusters supported on reduced graphene oxide and carbon nanotube hybrid nanocomposites | |
| Li et al. | Correction to: Magnetic-core@ dual-functional-shell nanocomposites with peroxidase mimicking properties for use in colorimetric and electrochemical sensing of hydrogen peroxide | |
| Zhong et al. | A novel strategy for synthesis of hollow gold nanosphere and its application in electrogenerated chemiluminescence glucose biosensor | |
| Yu et al. | A disposable biosensor for noninvasive diabetic diagnosis rest on the Au/TiO2 nano-composite intensified electrochemiluminescence | |
| Zhang et al. | Amperometric sensing of hydrogen peroxide using a glassy cabon electode modified with silver nanoparticles on poly (alizarin yellow R) | |
| Yu et al. | A disposable indium-tin-oxide sensor modified by gold nanorod–chitosan nanocomposites for the detection of H 2 O 2 in cancer cells | |
| Tian et al. | A novel electrochemiluminescence glucose biosensor based on platinum nanoflowers/graphene oxide/glucose oxidase modified glassy carbon electrode | |
| Habibi et al. | Voltammetric and amperometric determination of hydrogen peroxide using a carbon-ceramic electrode modified with a nanohybrid composite made from single-walled carbon nanotubes and silver nanoparticles | |
| Zhao et al. | Titania nanotubes decorated with gold nanoparticles for electrochemiluminescent biosensing of glycosylated hemoglobin | |
| Stozhko et al. | An electrochemical sensor based on carbon paper modified with graphite powder for sensitive determination of sunset yellow and tartrazine in drinks | |
| Rovina et al. | An electrochemical sensor for the determination of tartrazine based on CHIT/GO/MWCNTs/AuNPs composite film modified glassy carbon electrode |
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: 20120801 |