CN103983675A - 以不锈钢针为基底的铂和聚苯胺复合纳米纤维三维功能结构葡萄糖传感器及制备方法 - Google Patents

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王沧
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Abstract

本发明公布了一种以不锈钢针为基底的铂和聚苯胺复合纳米纤维三维功能结构葡萄糖传感器及制备方法，该传感器的制备方法包括：(1)有序金电极的制备；(2)电化学沉积法制备铂和聚苯胺复合的纳米纤维三维功能结构薄膜；(3)葡萄糖氧化酶的吸附与交联；(4)生物相容性薄膜涂覆；有益效果：本发明所述的以不锈钢针为基底的铂和聚苯胺复合纳米纤维三维功能结构葡萄糖传感器不仅具有良好的物理与化学稳定性，而且具有较大的检测范围以及较高的灵敏度，可用于生物体内血糖浓度的检测。

Description

以不锈钢针为基底的铂和聚苯胺复合纳米纤维三维功能结构葡萄糖传感器及制备方法
技术领域
本发明涉及聚合物功能材料领域以及电化学传感器领域，尤其涉及以不锈钢针为基底的铂和聚苯胺复合纳米纤维三维功能结构葡萄糖传感器及制备方法。 
背景技术
导电聚合物由一些具有π键的聚合物经化学或电化学手段掺杂后形成，由于其独特的导电性能、可逆的掺杂过程、可控的物理化学性质以及优良的可加工性，可广泛应用于电致变色材料、电磁屏蔽等方面。其中，导电聚苯胺作为导电聚合物中的一种，由于其物理化学性质良好、制备简单，在葡萄糖生物传感器上得到了广泛应用。 
铂金属由于其良好的化学稳定性以及催化活性，被广泛在导电聚苯胺葡萄糖生物传感器上作为表面催化剂。然而，现有技术铂在作为表面催化剂使用时均以纳米颗粒的形式离散地分布在聚苯胺纤维表面，其量不足，影响对酶的整体催化能力；还有的是以铂薄膜的形式镀复在整个表面，使得聚苯胺三维纤维结构被复盖而影响到其三维纤维结构优势的发挥。为要克服这些问题，所以如何获得一种铂和聚苯胺复合纳米纤维三维功能结构葡萄糖传感器及制备方法是非常有必要的。 
发明内容
本发明为克服上述的不足之处，目的在于提供一种以不锈钢针为基底的铂和聚苯胺复合纳米纤维三维功能结构葡萄糖传感器，其采用铂和聚苯胺复合的纳米纤维三维结构，其拥有比平面电极大2-3个数量级的比表面积，可容纳更多的酶和固定化环境，能够与酶密切接触催化，有效地发挥葡萄糖传感器的整体性能； 
本发明另一目的在于提供一种该葡萄糖传感器的制备方法，该方法能够制造出更稳定、高效的葡萄糖传感器。 
本发明是通过以下技术方案达到上述目的：一种以不锈钢针为基底的铂和聚苯胺复合纳米纤维三维结构葡萄糖传感器，包括不锈钢针1、有序纳米金层2、铂和聚苯胺复合纤维薄膜3和生物保护性膜4，有序纳米金层2修饰在不锈钢针1的外层，铂和聚苯胺复合纤维薄膜3修饰在有序纳米金层2的外层，生物保护性膜4修饰在铂和聚苯胺复合纤维薄膜3外层，上述的不锈钢针1、有序纳米金层2、铂和聚苯胺复合纤维薄膜3和生物保护性膜4依次呈阶梯状。 
作为优选，所述的铂和聚苯胺复合纳米纤维薄膜孔径为100-300纳米，纤维直径约为100-300纳米。 
作为优选，所述的铂和聚苯胺复合纳米纤维薄膜中的铂以完全包裹单根聚苯胺纤维的方式存在。 
作为优选，所述的生物保护性膜的主要成分是葡萄糖氧化酶。 
一种以不锈钢针为基底的铂和聚苯胺复合纳米纤维三维结构葡萄糖传感器，其制备方法的步骤如下： 
(1)取苯胺单体溶液，加入无机酸作为水解催化剂在低温下搅拌， 搅拌至溶液重新澄清，得到掺杂苯胺单体溶液； 
(2)采用不锈钢针为基底，进行纳米化沟槽修饰，再对该基底采用化学电镀的方法修饰有序纳米金，制得有序纳米金电极； 
(3)将步骤(1)制得的掺杂苯胺单体溶液在有序金电极基底上进行电化学沉积，采用恒压法，调节电化学电压，在正电极得到固化的本征态聚苯胺； 
(4)将步骤(2)制得的本征态聚苯胺在磷酸盐溶液中电化学掺杂，烘干，得到固化的导电态聚苯胺薄膜； 
(5)将步骤(3)制得的导电聚苯胺薄膜在铂盐镀液中电化学掺杂，调节电化学电压，烘干，得到铂和导电聚苯胺复合纤维薄膜； 
(6)将步骤(4)制得的电极在配置好的葡萄糖氧化酶溶液中静电吸附，温度为15-25摄氏度，时间为0.75小时-1.25小时，静电吸附时间与薄膜厚度相关； 
(7)将步骤(5)制得的电极进行化学交联，交联剂为戊二醛； 
(8)将步骤(6)制得的电极进行生物相容性溶剂浸泡，室温干燥8-10小时，得到葡萄糖传感器。 
作为优选，所述的无机酸为硝酸、硫酸其中的一种或两种。 
作为优选，所述的低温为0-10摄氏度。 
作为优选，所述步骤(3)中的调节电化学电压范围为-1—-5V。 
作为优选，所述步骤(5)中的调节电化学电压范围为-0.5—-2V。 
作为优选，所述的葡糖糖氧化酶溶液包含0-24mmol/L的葡萄糖氧化酶、生物活性剂和保护剂。 
本发明的有益效果在于：(1)制备过程统一采用电化学手段，制备方法简单、操作方便、可控性强，可用于大规模制备。(2)以铂和聚苯胺复合纳米纤维为基底的葡萄糖生物传感器的灵敏度和响应速度高。(3)提供的铂和聚苯胺复合纳米纤维不仅具有微纳效应，同时，由于其复合纤维表现为被铂完全包裹，该膜具有较稳定的物理化学性质和更好的催化性质。(4)制得的有序纳米金电极表现为电极表面具有有序纳米金沟槽。 
附图说明
图1是本发明所述的铂和聚苯胺复合纳米纤维三维结构葡萄糖传感器； 
图2是本发明所述的有序纳米金电极图； 
图3是本发明所述的铂和聚苯胺复合纳米纤维图； 
图4是本发明所述的铂和聚苯胺复合纳米纤维的能谱图； 
图5是本发明所述的铂和聚苯胺复合纳米纤维三维结构葡萄糖传感器灵敏度曲线图； 
图6是本发明所述的铂和聚苯胺复合纳米纤维三维结构葡萄糖传感器响应速度曲线图； 
图7是本发明所述的铂和聚苯胺复合纳米纤维三维结构葡萄糖传感器灵敏度曲线以及纯铂基底的葡萄糖生物传感器灵敏度曲线图。 
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此： 
实施例1：本发明所述的铂和聚苯胺复合纳米纤维三维结构葡萄糖传感器其结构如图1所示：由不锈钢针1、有序纳米金层2、铂和聚苯胺复合纤维薄膜3和生物保护性膜4四部分构成，有序纳米金层2修饰在不锈钢针1的外层，铂和聚苯胺复合纤维薄膜3修饰在有序纳米金层2的外层，生物保护性膜4修饰在铂和聚苯胺复合纤维薄膜3外层，上述的不锈钢针1、有序纳米金层2、铂和聚苯胺复合纤维薄膜3和生物保护性膜4依次呈阶梯状。 
制备过程如下： 
(1)取苯胺单体溶液，加入硝酸作为水解催化剂在低温下搅拌，搅拌至溶液重新澄清，得到掺杂苯胺单体溶液； 
(2)采用不锈钢针为基底，进行纳米化沟槽修饰，再对该基底采用化学电镀的方法修饰有序纳米金，制得有序纳米金电极，其中，有序纳米金电极如图2所示 
(3)将步骤(1)制得的掺杂苯胺单体溶液在有序金电极基底上进行电化学沉积，采用恒压法，调节电化学电压为-1V，在正电极得到固化的本征态聚苯胺； 
(4)将步骤(2)制得的本征态聚苯胺在磷酸盐溶液中电化学掺杂，烘干，得到固化的导电态聚苯胺薄膜； 
(5)将步骤(3)制得的导电聚苯胺薄膜在铂盐镀液中电化学掺杂，调节电化学电压为-0.5V，烘干，得到铂和导电聚苯胺复合纤维薄膜；其形貌表现为铂纳米纤维网状结构薄膜，如图3扫描电镜照片所示(该图所示，该复合膜孔洞直径为100-300纳米，纤维直径为100-300 纳米)。在金基底上对该薄膜做能谱测试，如图4所示，借此可证明该薄膜被大量铂沉积在表面，甚至完全包裹。 
(6)将步骤(4)制得的电极在8mmol/L葡萄糖氧化酶溶液中静电吸附，温度为15摄氏度，时间为0.75小时； 
(7)将步骤(5)制得的电极进行化学交联，交联剂为戊二醛； 
(8)将步骤(6)制得的电极进行生物相容性溶剂浸泡，室温干燥8小时，得到葡萄糖传感器。 
传感器性能测试： 
制备的葡萄糖生物传感器在体外磷酸缓冲液试剂溶液中测试，测试电压正负极电压差为0.55V，在200rpm磁力搅拌条件下，向测试液中逐步添加高浓度葡萄糖溶液，使测试液浓度逐步提升，获得的葡萄糖传感器灵敏度曲线如图5。 
在同样条件下，向被测液中添加微量葡萄糖溶液，获得传感器响应速度曲线，如图6所示。 
为了充分说明以铂和导电态聚苯胺复合纳米纤维为基底的葡萄糖生物传感器性能，还对纯铂基底葡萄糖生物传感器进行了对比测试，测试结果如图7所示(a表示纯铂基底的葡萄糖生物传感器灵敏度曲线，b表示铂和聚苯胺复合纳米纤维三维结构葡萄糖生物传感器灵敏度曲线)。 
实施例2：本发明所述的铂和聚苯胺复合纳米纤维三维结构葡萄糖传感器制备过程如下： 
(1)取苯胺单体溶液，加入硫酸作为水解催化剂在低温下搅拌，搅拌至溶液重新澄清，得到掺杂苯胺单体溶液； 
(2)采用不锈钢针为基底，进行纳米化沟槽修饰，再对该基底采用化学电镀的方法修饰有序纳米金，制得有序纳米金电极； 
(3)将步骤(1)制得的掺杂苯胺单体溶液在有序金电极基底上进行电化学沉积，采用恒压法，调节电化学电压为-3V，在正电极得到固化的本征态聚苯胺； 
(4)将步骤(2)制得的本征态聚苯胺在磷酸盐溶液中电化学掺杂，烘干，得到固化的导电态聚苯胺薄膜； 
(5)将步骤(3)制得的导电聚苯胺薄膜在铂盐镀液中电化学掺杂，调节电化学电压为-1.25V，烘干，得到铂和导电聚苯胺复合纤维薄膜； 
(6)将步骤(4)制得的电极在12mmol/L葡萄糖氧化酶溶液中静电吸附，温度为20摄氏度，时间为1小时； 
(7)将步骤(5)制得的电极进行化学交联，交联剂为戊二醛； 
(8)将步骤(6)制得的电极进行生物相容性溶剂浸泡，室温干燥9小时，得到葡萄糖传感器。 
实施例3：本发明所述的铂和聚苯胺复合纳米纤维三维结构葡萄糖传感器制备过程如下： 
(1)取苯胺单体溶液，加入硝酸和硫酸作为水解催化剂在低温下搅拌，搅拌至溶液重新澄清，得到掺杂苯胺单体溶液； 
(2)采用不锈钢针为基底，进行纳米化沟槽修饰，再对该基底采用 化学电镀的方法修饰有序纳米金，制得有序纳米金电极； 
(3)将步骤(1)制得的掺杂苯胺单体溶液在有序金电极基底上进行电化学沉积，采用恒压法，调节电化学电压为-5V，在正电极得到固化的本征态聚苯胺； 
(4)将步骤(2)制得的本征态聚苯胺在磷酸盐溶液中电化学掺杂，烘干，得到固化的导电态聚苯胺薄膜； 
(5)将步骤(3)制得的导电聚苯胺薄膜在铂盐镀液中电化学掺杂，调节电化学电压为-2V，烘干，得到铂和导电聚苯胺复合纤维薄膜； 
(6)将步骤(4)制得的电极在16mmol/L葡萄糖氧化酶溶液中静电吸附，温度为25摄氏度，时间为1.25小时； 
(7)将步骤(5)制得的电极进行化学交联，交联剂为戊二醛； 
(8)将步骤(6)制得的电极进行生物相容性溶剂浸泡，室温干燥10小时，得到葡萄糖传感器。 
以上的所述乃是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，若依本发明的构想所作的改变，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，仍应属本发明的保护范围。 

Claims (10)

1.一种以不锈钢针为基底的铂和聚苯胺复合纳米纤维三维结构葡萄糖传感器，其特征在于：包括不锈钢针(1)、有序纳米金层(2)、铂和聚苯胺复合纤维薄膜(3)和生物保护性膜(4)，有序纳米金层(2)修饰在不锈钢针(1)的外层，铂和聚苯胺复合纤维薄膜(3)修饰在有序纳米金层(2)的外层，生物保护性膜(4)修饰在铂和聚苯胺复合纤维薄膜(3)外层，上述的不锈钢针(1)、有序纳米金层(2)、铂和聚苯胺复合纤维薄膜(3)和生物保护性膜(4)依次呈阶梯状。
2.根据权利要求1所述的一种以不锈钢针为基底的铂和聚苯胺复合纳米纤维三维结构葡萄糖传感器，其特征在于：所述的铂和聚苯胺复合纳米纤维薄膜孔径为100-300纳米，纤维直径约为100-300纳米。
3.根据权利要求1或2所述的一种以不锈钢针为基底的铂和聚苯胺复合纳米纤维三维结构葡萄糖传感器，其特征在于：所述的铂和聚苯胺复合纳米纤维薄膜中的铂以完全包裹单根聚苯胺纤维的方式存在。
4.根据权利要求1所述的一种以不锈钢针为基底的铂和聚苯胺复合纳米纤维三维结构葡萄糖传感器，其特征在于：所述的生物保护性膜的主要成分是葡萄糖氧化酶。
5.一种制备如权利要求1所述的葡萄糖传感器的方法，其特征在于：其步骤如下：
(1)取苯胺单体溶液，加入无机酸作为水解催化剂在低温下搅拌，搅拌至溶液重新澄清，得到掺杂苯胺单体溶液；
(2)采用不锈钢针为基底，进行纳米化沟槽修饰，再对该基底采用化学电镀的方法修饰有序纳米金，制得有序纳米金电极；
(3)将步骤(1)制得的掺杂苯胺单体溶液在有序金电极基底上进行电化学沉积，采用恒压法，调节电化学电压，在正电极得到固化的本征态聚苯胺；
(4)将步骤(2)制得的本征态聚苯胺在磷酸盐溶液中电化学掺杂，烘干，得到固化的导电态聚苯胺薄膜；
(5)将步骤(3)制得的导电聚苯胺薄膜在铂盐镀液中电化学掺杂，调节电化学电压，烘干，得到铂和导电聚苯胺复合纤维薄膜；
(6)将步骤(4)制得的电极在配置好的葡萄糖氧化酶溶液中静电吸附，温度为15-25摄氏度；
(7)将步骤(5)制得的电极进行化学交联，交联剂为戊二醛；
(8)将步骤(6)制得的电极进行生物相容性溶剂浸泡，室温干燥8-10小时，得到葡萄糖传感器。
6.根据权利要求6所述的一种制备如权利要求1所述的葡萄糖传感器的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的无机酸为硝酸、硫酸其中的一种或两种。
7.根据权利要求6所述的一种制备如权利要求1所述的葡萄糖传感器的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的低温为0-10摄氏度。
8.根据权利要求6所述的一种制备如权利要求1所述的葡萄糖传感器的方法，其特征在于：所述步骤(3)中的调节电化学电压范围为-1—-5V。
9.根据权利要求6所述的一种制备如权利要求1所述的葡萄糖传感器的方法，其特征在于：所述步骤(5)中的调节电化学电压范围为-0.5—-2V。
10.根据权利要求7所述的一种制备如权利要求1所述的葡萄糖传感器的方法，其特征在于：所述步骤(6)中的葡糖糖氧化酶溶液包含浓度为0-24mmol/L的葡萄糖氧化酶、生物活性剂和保护剂。
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