CN103267786A - 微型针式无酶葡萄糖传感器电极及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型针式无酶葡萄糖传感器电极及其制备方法，其特征在于该电极是由石墨烯纳米纤维负载的Pt-Pb纳米花组成。该电极的制备过程包括以下步骤：静电纺丝法在微型针电极表面制备氧化石墨烯/壳聚糖/金属盐纳米纤维，然后利用超声间歇震荡恒电流电沉积法制备石墨烯纳米纤维负载的Pt-Pb纳米花微型针电极。本发明的优点在于可在微型针电极表面构筑无酶葡萄糖传感器电极，该电极对葡萄糖具有很好的电催化氧化性能，构建的微型针式无酶葡萄糖传感器对葡萄糖具有宽线性范围，高响应灵敏度、低检测限以及高稳定性，在实时在线动态血糖检测方面有很好的应用前景。

Description

微型针式无酶葡萄糖传感器电极及其制备方法

技术领域

本发明涉及生物传感器领域，尤其涉及一种微型针式无酶葡萄糖传感器电极及其制备方法。 

背景技术

血糖连续监测对于糖尿病患者的治疗、儿童早期糖尿病的筛查等具有重要的临床意义。然而，目前血糖检测的主要手段包括有创血糖检测仪和动态血糖监测系统，有创血糖检测仪操作频繁，不能对血糖浓度进行连续监测；现有的动态血糖监测系统微分析探头外径较大，植入佩戴者体内时需要借助注射器。为满足实时在线监测血糖仪对植入式葡萄糖传感器精确化、小型化的需求，以及对传感器稳定性、重复性及选择性的要求，微型针式葡萄糖传感器的构建具有的重要的研究意义。 

不锈钢是一种抗腐蚀高强度的金属材料，原料易得，价格便宜。不锈钢针灸针电极用于构建植入式葡萄糖传感器，具有面积较小、容易植入和携带的优点，能够满足实时在线监测血糖仪对传感器小型化的要求，但是由于裸不锈钢针电极的表面积非常小，同时不锈钢本身的电活性也很小，因此要构建具有高灵敏度的葡萄糖传感器必须对不锈钢针电极进行表面修饰。石墨烯具有良好的电化学性能，用石墨烯修饰不锈钢针电极能够大幅度提高电极的电活性面积，但是针灸针电极的直径很小，且与Au电极、玻碳电极等相比，难以用传统的电极表面膜修饰的方法在微型针电极表面制备葡萄糖分子敏感膜。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种微型针式无酶葡萄糖传感器电极及其制备方法，以克服不锈钢针电极表面难以成葡萄糖分子敏感检测膜的困难。 

为了达到发明目的，本发明采用了如下技术方案：一种微型针式无酶葡萄糖传感器电极，该电极是由石墨烯纳米纤维负载的Pt-Pb纳米花组成，且所述石墨烯纳米纤维插入所述Pt-Pb纳米花结构中。进一步地，所述石墨烯纳米纤维直径在30nm-100nm之间。 

进一步地，所述Pt-Pb纳米花直径在300nm-900nm之间。 

一种微型针式无酶葡萄糖传感器电极的制备方法，包括以下步骤： 

在微型针电极表面制备氧化石墨烯/壳聚糖/金属盐纳米纤维； 

将所述氧化石墨烯/壳聚糖/金属盐纳米纤维插入到Pt-Pb纳米花结构中，制备得到石墨烯纳米纤维负载的Pt-Pb纳米花微型针电极。 

进一步地，采用静电纺丝法制备所述氧化石墨烯/壳聚糖/金属盐纳米纤维。 

进一步地，采用超声间歇震荡恒电流电沉积法将所述氧化石墨烯/壳聚糖/金属盐纳米纤维插入到Pt-Pb纳米花结构中。 

进一步地，所述静电纺丝溶液的组分包括浓度为25mg/ml-50mg/ml的氯铂酸、质量浓度为0％-12％为聚乙烯醇、浓度为50mg/ml-100mg/ml的醋酸铅、浓度为5mg/ml-10mg/ml为氧化石墨烯、质量浓度为0.5％-2％为壳聚糖。 

进一步地，所述采用静电纺丝法制备所述氧化石墨烯/壳聚糖/金属盐纳米纤维的纺丝时间为50min-100min。 

进一步地，所述超声间歇震荡恒电流沉积法的电沉积的沉积时间为15min-30min，沉积电流为10mA-50mA，超声波功率为45W-100W，超声震荡间歇时间为1min-3min。 

与已有技术相比，本发明的有益成果体现在： 

本发明的特色之一在于利用静电纺丝技术在微型针电极表面制备氧化石墨烯/壳聚糖/金属盐纳米纤维薄膜，解决了石墨烯/金属盐难以在电极表面直接成纳米膜的问题，且纳米纤维具有大的比表面积，有利于电极电催化性能的提高。 

本发明的特色之二在于利用超声间歇震荡恒电流原位电沉积技术在微型针电极表面制备了石墨烯纳米纤维负载的Pt-Pb纳米花微型针电极，通过超声间歇震荡技术在金属离子沉积的同时将氧化石墨烯纤维插入金属纳米花中，利用石墨烯纳米纤维作为Pt-Pb纳米花的载体，纳米纤维和纳米花结构大的比表面积有利于传感器电化学性能的提高。 

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 

图1是实施例1制备的电极样品的扫描电镜图片； 

图2是实施例2制备的电极的电流-浓度响应曲线； 

图3是实施例3制备的电极的电流-浓度响应曲线； 

图4是实施例4制备的电极的电流-浓度响应曲线。 

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图具体说明微型针式无酶葡萄糖传感器电极及其制备方法。 

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。 

实施例1 

将不锈钢针电极用丙酮浸泡，并超声清洗以除去表面油污，然后用乙醇反复清洗、超声，在空气中干燥后，置于pH值为7.0的PBS溶液中经电化学循环伏安扫描活化10圈。然后，将氧化石墨烯分散在质量浓度为0.5％的壳聚糖溶液中，室温磁力搅拌4h后，将聚乙烯醇、氯铂酸和醋酸铅添加到上述溶液中，混合溶液中氯铂酸的浓度为25mg/ml，醋酸铅的浓度为50mg/ml，聚乙烯醇浓度为8％，氧化石墨烯浓度为7mg/ml。最后，将上述溶液注入带有针头(10号，内径0.6mm，长度为15mm，尖端磨平)的注射器，将注射器固定在注射泵上。在距离针头15cm处放置接地接收屏(铝箔)，在铝箔中央开孔，孔的直径与针电极直径相当。 

将预处理过的电极穿过该孔并固定好，使电极端面与铝箔平齐。电极与接地相连，将针头与高压电源相连，打开注射泵开关，设定流量为0.1ml/h。随 着注射泵的步进挤压，纺丝液在针头形成半球状液滴，此时打开高压电源并调整电压为10kV，在接收屏上和电极上收集纺丝纤维。通过卤钨灯观察纺丝过程，纺丝时间为60min。实验结束后，关闭高压电源，把针头、接收屏以及针电极放电，并将铝箔与电极取下，置于冰箱中(4℃)备用。然后将上述电极置于浓度组成为1％的盐酸溶液中，以铂电极为辅助电极、饱和甘汞电极为参比电极，通过超声间歇震荡恒电流电沉积法将氯铂酸和醋酸铅原位沉积在电极表面制备Pt-Pb纳米花膜。所述的电化学沉积时间为15min，电化学沉积电流为10mA，超声震荡功率为50W，超声震荡间歇时间为1min。然后将上述电极置于含有NaBH₄或者水合肼的溶液中反应96h后，将其置于90℃的干燥箱中真空干燥3h，得到石墨烯纳米纤维负载的Pt-Pb纳米花膜微型针电极。将上述电极进行扫描电镜分析，图1结果表明针电极表面是石墨烯纳米纤维负载的Pt-Pb纳米花组成，纳米纤维直径为40nm，Pt-Pb纳米花直径为600nm。上述案例在氧化石墨烯浓度为5mg/ml-10mg/ml范围内均可实施。 

上述实施例所述的制备方法是将壳聚糖分散的氧化石墨烯以及含Pt和Pb的金属盐溶液通过共同静电纺丝技术结合超声间歇震荡恒电流原位电沉积的方法在微型针电极表面制备葡萄糖分子敏感膜。该方法制备的电极具有纳米纤维插入的花状结构，制备的敏感膜可牢固地结合在微型针电极表面，且对葡萄糖具有很好的电催化氧化性能，构建的微型针式无酶葡萄糖传感器具有宽的线性响应范围，高的灵敏度、选择性以及稳定性，在实时在线动态血糖检测方面有很好的应用前景。 

实施例2 

实施例2操作过程和实验条件与实施例1相同，只是改变超声震荡间歇时间为3min。 

将制备的电极作为工作电极，Pt丝电极为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极。在30ml空白PBS中，依次滴加30μL1.5mol/L的葡萄糖溶液，分别在每次滴加后，进行差分脉冲伏安法(DPV)测定。图2结果表明，制备的传感器灵敏度为5.62μA*(cm^-2mM^-1)，线性监测范围为2-24mM，检测限为1.6μM。与专利ZL201010275952.6中所公开的传感器相比，线性范围宽，检测限低，灵敏度高。 

实施例3 

实施例3操作过程和实验条件与实施例1相同，只是改变氧化石墨烯的浓度为10mg/ml。 

将制备的电极作为工作电极，Pt丝电极为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极。在30ml空白PBS中，依次滴加30μL1.5mol/L的葡萄糖溶液，分别在每次滴加后，进行差分脉冲伏安法(DPV)测定。图3结果表明，制备的传感器灵敏度为6.24μA*(cm^-2mM^-1)，线性监测范围为2-22mM，检测限为1.42μM。与专利ZL201010275952.6中所公开的传感器相比，线性范围宽，检测限低，灵敏度高。 

实施例4 

实施例4的操作过程和实验条件与实施例1相同，只是在纺丝溶液中不加聚乙烯醇，且步骤(2)中的还原剂为水合肼。 

将制备的电极作为工作电极，Pt丝电极为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极。在30m1空白PBS中，依次滴加30μL1.5mol/L的葡萄糖溶液，分别在每次滴加后，进行差分脉冲伏安法(DPV)测定。附图4结果表明，制备的传感器灵敏度为7.6μA*(cm^-2mM^-1)，线性监测范围为2-28mM，检测限为1.18μM。与专利ZL201010275952.6中所公开的传感器相比，线性范围宽，检测限低，灵敏度高。 

以上对本发明所提供的微型针式无酶葡萄糖传感器电极及其制备方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。 

Claims (9)

1.一种微型针式无酶葡萄糖传感器电极，其特征在于，该电极是由石墨烯纳米纤维负载的Pt-Pb纳米花组成，且所述石墨烯纳米纤维插入所述Pt-Pb纳米花结构中。

2.根据权利要求1所述的电极，其特征在于，所述石墨烯纳米纤维直径在30nm-100nm之间。

3.根据权利要求1或2所述的电极，其特征在于，所述Pt-Pb纳米花直径在300nm-900nm之间。

4.一种如权利要求1-3任一项所述的微型针式无酶葡萄糖传感器电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

在微型针电极表面制备氧化石墨烯/壳聚糖/金属盐纳米纤维；

将所述氧化石墨烯/壳聚糖/金属盐纳米纤维插入到Pt-Pb纳米花结构中，制备得到石墨烯纳米纤维负载的Pt-Pb纳米花微型针电极。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，采用静电纺丝法制备所述氧化石墨烯/壳聚糖/金属盐纳米纤维。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，采用超声间歇震荡恒电流电沉积法制备石墨烯纳米纤维负载的Pt-Pb纳米花微型针电极。

7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述静电纺丝溶液的组分包括浓度为25mg/ml-50mg/ml的氯铂酸、质量浓度为0％-12％为聚乙烯醇、浓度为50mg/ml-100mg/ml的醋酸铅、浓度为5mg/ml-10mg/ml为氧化石墨烯、质量浓度为0.5％-2％为壳聚糖。

8.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述采用静电纺丝法制备所述氧化石墨烯/壳聚糖/金属盐纳米纤维的纺丝时间为50min-100min。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述超声间歇震荡恒电流沉积法的电沉积的沉积时间为15min-30min，沉积电流为10mA-50mA，超声波功率为45W-100W，超声震荡间歇时间为1min-3min。

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