CN102636536B - Pt-Cu合金中空纳米颗粒无酶葡萄糖传感器电极的制备和应用 - Google Patents
Pt-Cu合金中空纳米颗粒无酶葡萄糖传感器电极的制备和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种Pt-Cu合金中空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的磷酸盐缓冲溶液中经循环伏安扫描活化10～15圈；然后将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；在将制备的Pt～Cu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-Cu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
技术领域
本发明涉及Pt-Cu合金中空纳米颗粒无酶葡萄糖传感器电极的制备和应用
背景技术
葡萄糖是人类生命过程中最基本的特征化学物之一，在人类的健康与疾病的诊断、治疗以及控制方面，葡萄糖的检测和分析具有至关重要的意义。因此，如何发展快速、准确、低成本、方便地和有效地技术检测葡萄糖已经成为研究的热点。最常见的检测葡萄糖的生物传感器是葡萄糖酶生物传感器，其利用酶的专一性高和反应速度快等特点，使得传感器具有较好的选择性和高的灵敏性。然而，由于酶固有的性质，葡萄糖氧化酶的催化活性易受到环境条件(温度、适度、pH、有毒化学药品等)影响。因此，酶传感器稳定性差，而使得其在实际应用中受到了一定条件的限制。无酶葡萄糖传感器为血糖检测提供了一条新途径。
铂(Pt)是无酶葡萄糖传感器中最常使用的电极材料之一，但Pt电极在相同的电位下，可以催化氧化很多碳水化合物，而对葡萄糖的催化氧化的选择性差；Pt电极很容易受到氯离子的毒化而丧失对葡萄糖的电催化氧化活性。人们研究发现具有较大电活性面积的纳米铂可以有效的改善上述的不足之处。
纳米材料作为电极的制备方法有很多种，其中电流置换的方法可以节省原材料，减少贵金属的使用量，降低成本；制备的贵金属纳米颗粒具有粒子大小的可调控性；并且电流置换的方法所需要的仪器简单，反应过程中产生较少的废弃物。
发明内容
本发明的目的是提供一种Pt-Cu合金中空纳米颗粒无酶葡萄糖传感器电极的制备和应用。本发明以铜(Cu)纳米颗粒为模板，采用电流置换的方法制备中空的Cu-Pt合金纳米颗粒，很多研究者已制备出比表面积较大、表面反应活性较高、对葡萄糖有直接电催化性能的Ag-Pt中空纳米颗粒无酶葡萄糖传感器电极，使其具有好的选择性，稳定性和重复性以及高的灵敏度。然而Cu2+还原为Cu的标准还原电位为0.34V，比Ag+/Ag的标准还原电位0.80V vs.SHE要低很多，使得电流置换反应更易发生，且反应过程中不会产生不能溶解的副产品，样品后处理步骤简单。另外，Cu纳米颗粒的成本较低，更适于在实际中大规模生产。
本发明以中空的Pt-Cu合金中空纳米颗粒为电极，研究了Pt-Cu中空合金中空纳米颗粒(Pt-Cu HBNPs)电极的电化学行为，及其构建无酶葡萄糖传感器对葡萄糖的催化能力和性能研究。通用的酶传感器稳定性差，而使得其在实际应用中受到了一定条件的限制。无酶葡萄糖传感器为血糖检测提供了一条新途径。Pt-Cu合金中空纳米颗粒具有比表面积较大、表面反应活性较高、对葡萄糖有直接电催化性能。本发明以中空的Pt-Cu合金纳米颗粒为电极，研究了Pt-Cu中空合金纳米颗粒电极的电化学行为，及其构建无酶葡萄糖传感器对葡萄糖的催化能力和性能研究。
本发明的一种Pt-Cu合金中空纳米颗粒无酶葡萄糖传感器电极制备方法，采用电流置换的方法制备Pt-Cu合金中空纳米颗粒，用Pt-Cu合金中空纳米颗粒修饰金电极。
所述的Pt-Cu合金中空纳米颗粒的制备方法是：
(1)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3-5次、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的磷酸盐缓冲液PBS中经循环伏安扫描活化10～15圈；
(2)Cu纳米颗粒的制备
按摩尔比1∶1-1∶1.2将0.1mol/L CuCl2与的1mol/L柠檬酸钠溶于二次蒸馏水中，搅拌5-10分钟后，然后继续搅拌下，注入1ml-1.5ml的0.025mol/L硼氢化钠溶液，搅拌15-25分钟；
(3)Pt-Cu中空合金纳米颗粒的制备
采用电流置换的方法制备Pt-Cu合金纳米颗粒，即将上述制备的Cu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；然后搅拌反应20min后，溶液在室温14±2°下静止反应12-36h；在转速为12000-15000r/min，离心15-25分钟，反复用二次蒸馏水清洗，使之完全除去剩余未反应物。
将Au电极在兽皮上打磨抛光，经二次蒸馏水反复冲洗3-5次、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；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)；在将制备的Pt-Cu合金纳米颗粒溶于的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。
本发明的Pt-Cu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。
本发明采用电流置换方法在金电极上制备了Pt-Cu合金中空纳米颗粒无酶葡萄糖传感电极。Pt-Cu合金中空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-Cu合金中空纳米颗粒修饰的金电极(Pt-Cu/Au电极)表现出良好的传感性能。Cu-PtHBNPs/CS/Au电极制备的Cu-Pt HNPs/CS/Au传感器的线性范围较宽，灵敏度较大，检测限较低，在构建无酶葡萄糖传感器中具有更高的性能。所制备的Cu-Pt中空合金纳米颗粒具有更大的比表面积，且合金纳米颗粒Cu与Pt之间具有电子协同作用，从而制备的电极具有更高的电催化活性。Cu-Pt HBNPs/CS/Au电极构建无酶葡萄糖传感器制备方法简单易行，且具有很高灵敏度(8μA/mM)，检测下限低(11.25μM(S/N＝3))和检测线性范围较宽(0.5～14mM)的优点；同时，该电极对抗坏血酸(AA)的电流响应不大，氯离子的毒素作用小，具备一定的抗干扰作用。因此，该修饰电极可以作为一种很有应用前景的无酶葡萄糖电化学传感器，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-Cu合金中空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制备的电极的电流-浓度响应曲线。
图6为实施例3制备的Cu-Pt HBNPs/CS/Au电极在5mM葡萄糖(a)、0.1mM抗坏血酸(b)的pH＝7.0PBS溶液中的CV曲线：扫描速率为10mV/s。
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：
采用三电极测试体系对样品进行电化学测试：工作电极、辅助电极和参比电极分别为Cu-Pt HBNPs/CS/Au电极、Pt丝电极(直径1mm)和饱和甘汞电极，设定电压范围在-0.3～0.8V内，在pH为7.0的磷酸盐缓冲溶液(PBS)中进行循环伏安扫描；
以K3[Fe(CN)6]为电化学探针，在溶液为含有5mM K3[Fe(CN)6]的0.1M KCl溶液中，对Cu-Pt HBNPs/CS/Au电极进行循环伏安扫描(CVs)测试。
对Cu-Pt HBNPs/CS/Au电极进行阻抗分析(EIS)，其测试溶液为含有5mM的K3[Fe(CN)6]和5mM的K4[Fe(CN)6]的0.1M KCl溶液；
在-0.3～0.8V电压范围内，利用CV测定Cu-Pt HBNPs/CS/Au电极构建无酶葡萄糖传感器的线性检测范围。具体方法为：在空白的pH＝7.0的PBS缓冲溶液中进行CV扫描，扫速为50mV/s；然后依次加入一定量的葡萄糖溶液，搅拌均匀后，进行CV扫描，当循环伏安的峰电流值不再随加入葡萄糖溶液浓度的增加而发生变化时，不再加入葡萄糖溶液；将每次测得的循环伏安曲线的峰电流对其相应的葡萄糖浓度进行作图，该图即为Cu-PtHBNPs/CS/Au电极对葡萄糖检测的催化氧化的线性检测范围图。
实施例1
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。首先，将50μl的0.1mol/L CuCl2与50μl的1mol/L柠檬酸钠(C6H5O7Na3·2H2O)溶于20ml的二次蒸馏水中，搅拌5分钟后，然后继续搅拌下，快速注入1ml 0.025mol/L硼氢化钠(NaBH4)，搅拌15分钟。采用电流置换的方法制备Cu-Pt合金纳米颗粒，即将上述制备的Cu纳米颗粒溶液中加入3.2ml的0.1×10-3mol/L氯铂酸。然后搅拌反应20min后，溶液在室温(14±2°)下静止反应24h。在转速为12000r/min，离心15分钟，反复用二次蒸馏水清洗，使之完全除去剩余未反应物。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)。在将上述制备的Cu-Pt合金纳米颗粒溶于0.5ml的0.5％CS溶液中，超声分散后，取50μl滴涂与Au电极上，室温下干燥。将制得的Cu和Pt-Cu做扫描电子显微镜(SEM)分析，如图1所示，电流置换后的Pt-Cu合金中空纳米颗粒的直接大约为30-70nm。
实施例2
首先，将50μl的0.1mol/L CuCl2与60μl 0.1mol/L柠檬酸钠(C6H5O7Na3·2H2O)溶于25ml的二次蒸馏水中，搅拌6分钟后，然后继续搅拌下，快速注入1.25ml 0.025mol/L硼氢化钠(NaBH4)，搅拌10分钟。采用电流置换的方法制备Cu-Pt合金中空纳米颗粒，即将上述制备的Cu纳米颗粒溶液中加入4.8ml的0.1×10-3mol/L氯铂酸。然后搅拌反应15min后，溶液在室温(14±2°)下静止反应36h。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。在转速为12000r/min，离心20分钟，反复用二次蒸馏水清洗，使之完全除去剩余未反应物。将50mg的壳聚糖溶于100ml的0.05mol/L醋酸溶液中，配置成0.5％壳聚糖溶液(CS)。在将上述制备的Cu-Pt合金纳米颗粒溶于0.5ml的0.5％CS溶液中，超声分散后，取50μl滴涂与Au电极上，室温下干燥。采用三电极测试体系对样品进行电化学测试：工作电极、辅助电极和参比电极分别为Cu-Pt HBNPs/CS/Au电极、Pt丝电极(直径1mm)和饱和甘汞电极，设定电压范围在-0.3～0.8V内，在pH为7.0的磷酸盐缓冲溶液(PBS)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-Cu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-Cu合金纳米颗粒具有良好的电催化活性。Pt-Cu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-Cu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
首先，将50μl的0.1mol/L CuCl2与70μl的0.1mol/L柠檬酸钠(C6H5O7Na3·2H2O)溶于30ml的二次蒸馏水中，搅拌8分钟后，然后继续搅拌下，快速注入1.5ml 0.025mol/L硼氢化钠(NaBH4)，搅拌15分钟。采用电流置换的方法制备Cu-Pt合金中空纳米颗粒，即将上述制备的Cu纳米颗粒溶液中加入5.4ml的0.1×10-3mol/L氯铂酸。然后搅拌反应20min后，溶液在室温(14±2°)下静止反应32h。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。在转速为12000r/min，离心18分钟，反复用二次蒸馏水清洗，使之完全除去剩余未反应物。将60mg的壳聚糖溶于120ml的0.05mol/L醋酸溶液中，配置成0.5％壳聚糖溶液(CS)。在将上述制备的Cu-Pt合金纳米颗粒溶于1ml的0.5％CS溶液中，超声分散后，取50μl滴涂与Au电极上，室温下干燥。采用三电极测试体系对样品进行电化学测试：工作电极、辅助电极和参比电极分别为Cu-Pt HBNPs/CS/Au电极、Pt丝电极(直径1mm)和饱和甘汞电极，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。从图中可以明显看出，Cu-Pt HBNPs/CS/Au电极的电子传导阻抗远远小于裸金电极的电子传导阻抗，约为80Ω。这可能是由于电流置换后，Cu纳米颗粒被置换为表面积较大的中空Pt纳米颗粒，且Cu与Pt之间电子协同作用，使得电子的传导能力增强。说明Cu-Pt HBNPs/CS/Au电极更有利于电子的传导。
电化学测试采用三电极测试体系：以Pt-Ag合金中空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。采用循环伏安法测试Cu-Pt HBNPs/CS/Au电极在含不同葡萄糖浓度的pH＝7.0的磷酸盐缓冲溶液中循环伏安曲线，从而得到氧化峰的电流值。具体实验方法为：在空白的pH＝7.0的磷酸盐缓冲溶液中依次加入一定量的葡萄糖溶液，搅拌均匀后，进行CV扫描，扫速为50mV/s，当循环伏安的峰电流值不再随加入葡萄糖溶液浓度的增加变化时，停止加入葡萄糖溶液。将氧化峰电流对不同葡萄糖的浓度作图，并对其作线性拟合，得出Cu-Pt HBNP/CS/Au电极构建无酶葡萄糖传感器检测葡萄糖浓度的线性范围0.5～14mM，灵敏度为8μA/mM-1，检测限为11.25μM(S/N＝3)(相关系数为0.9984)。Cu-Pt HBNPs/CS/Au电极与制备的Cu-Pt HNPs/CS/Au传感器的线性范围较宽，灵敏度较大，检测限较低，在构建无酶葡萄糖传感器中具有更高的性能。
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 (3)
1.一种Pt-Cu合金中空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-Cu合金中空纳米颗粒，用Pt-Cu合金中空纳米颗粒修饰金电极；
（1）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3-5次、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的磷酸盐缓冲液PBS中经循环伏安扫描活化10～15圈；
（2）Cu纳米颗粒的制备
按摩尔比1:1-1:1.2将0.1mol/L CuCl2与的1mol/L柠檬酸钠溶于二次蒸馏水中，搅拌5-10分钟后，然后继续搅拌下，注入1ml-1.5ml的0.025mol/L硼氢化钠溶液，搅拌15-25分钟；
（3）Pt-Cu合金中空纳米颗粒的制备
采用电流置换的方法制备Pt-Cu合金中空纳米颗粒，即将上述制备的Cu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；然后搅拌反应20min后，溶液在室温14±2℃ 下静止反应12-36h；在转速为12000-15000r/min，离心分离15-25分钟，反复用二次蒸馏水清洗，使之完全除去剩余未反应物。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于包括的步骤：将Au电极在兽皮上打磨抛光，经二次蒸馏水反复冲洗3-5次、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；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)；再将制备的Pt-Cu合金中空纳米颗粒溶于的0.4～0.6%壳聚糖溶液中，超声分散后，取40～60μl滴涂于Au电极上，室温下干燥。
3.如权利要求1所述的Pt-Cu合金中空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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