CN104297310A

CN104297310A - 基于新型纳米复合材料的葡萄糖安培检测器的制备和使用方法

Info

Publication number: CN104297310A
Application number: CN201410601264.2A
Authority: CN
Inventors: 吴玲
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-11-01
Filing date: 2014-11-01
Publication date: 2015-01-21

Abstract

本发明公开了一种葡萄糖安培检测器的制备和使用方法，该传感器包括：碳纳米管、铂纳米颗粒、聚合离子液体膜和葡萄糖氧化酶修饰的玻碳电极为工作电极，铂丝为对电极，甘汞电极为参比电极的三电极体系。检测时在该三电极体系下，使用电化学工作站，对葡萄糖含量进行测定。与传统方法相比，具有更高灵敏度和特异性，检测限低至1X10^-7mol/L；同时，葡萄糖传感器制备简单、性能稳定且可重复利用、样品检测时间短，操作方便。

Description

基于新型纳米复合材料的葡萄糖安培检测器的制备和使用方法

技术领域

本发明涉及一种基于铂纳米颗粒/离子液体聚合物膜-碳纳米管的新型纳米复合材料的灵敏、快速、特异性的葡萄糖传感器的制备和使用方法。

背景技术

糖尿病是目前全世界普遍存在的一类疾病，检测人体血液中的葡萄糖含量对糖尿病的诊断和控制非常重要。自从1962年第一个葡萄糖酶电极成功构建，到现在已开发出各种类型的葡萄糖电化学生物传感器。其中，以检测电化学反应产物双氧水为原理的葡萄糖安培检测器由于具有较好的灵敏度，选择性，稳定性，重现性，容易实现微型化等优点而受到广泛关注。在葡萄糖安培检测器的电极制备材料方面，由于碳纳米管（CNTs）电子导电性好，面积/体积比高，以及对电子传递的独特的促进作用，已经在电化学生物传感器中得到了很好的应用。CNTs修饰的电极可以催化儿茶酚，过氧化氢(H₂O₂)，多巴胺，抗坏血酸，尿酸，葡萄糖氧化酶(GOD)，等物质在电极上的电化学反应。酶与底物在氧气的存在下反应会产生H₂O₂，而铂纳米颗粒(PtNPs)对H₂O₂具有出色的催化活性，因为PtNPs可以降低H₂O₂的氧化/还原过电位。，因此，PtNPs修饰的电极已经频繁地用于构建安培酶生物传感器。然而，为了提高在Pt少量负载情况下的安培酶生物传感器的性能，在CNT表面获得高分散的金属颗粒仍然是个挑战。

另一方面，由有机阴离子和无机阳离子组成的室温离子液体作为修饰物质已经在生物传感器的构造中广泛使用。通常，离子液体单体是用物理方法混合至复合物中并固定到电极上的，但由于它们在溶液中溶解性很好，所以很容易流失，本发明基于聚合离子液体修饰的CNTs(PIL-CNTs)材料，得到了一种在PIL-CNTs表面制备高分散，粒径分布窄的Pt纳米颗粒的方法。采用这种新型纳米复合材料，以葡萄糖氧化酶(GOD)为模型酶，构建了一个具有优异性能的葡萄糖安培传感器。

发明内容

本发明的目的是提供一种灵敏、快速、特异性的葡糖糖传感器的制备及使用方法。

一种葡萄糖检测传感器，包括：碳纳米管、铂纳米颗粒、离子液体聚合膜和葡糖糖氧化酶修饰的玻碳电极为工作电极，铂丝为对电极，甘汞电极为参比电极的三电极体系。

所述的碳纳米管、铂纳米颗粒、离子液体聚合膜和葡糖糖氧化酶修饰的玻碳电极的制备方法如下：

将200 mg CNTs加入到含有1-乙烯基-3-乙基四氟硼酸盐[VEIM]BF₄(200-220 mg)和偶氮二异丁腈AIBN(6-8 mg)的甲醇溶液中，超声10-20分钟后转移至50 mL的圆底烧瓶内，70-90 oC且氮气保护下回流搅拌16小时。然后将该混合物用二次蒸馏水稀释，过滤，用丙酮将一些物理吸附在CNTs表面的聚合物和[VEIM]BF₄单体洗去，干燥得到离子液体聚合物膜包裹的碳纳米管(PIL-CNTs)。

20 mg PIL-CNTs与650-675 μL H₂PtCl₆(38.6 mM)一起混合在20-30 mL乙二醇中，用1 M KOH将混合液的pH值调至8-9，超声30 min，用微波(800 W)110-130 oC下还原30 min。将反应后的混合液用二次水稀释，过滤，用二次水和丙酮交替洗涤数次后干燥得到PtNPs/PIL-CNTs纳米复合物。

将玻碳电极依次在0.5 和0.05 μm的氧化铝浆上打磨至光亮，然后用超纯水冲洗干净，氮气吹干。

将Pt纳米颗粒/聚合离子液体-碳纳米管复合物(PtNPs/PIL-CNTs)分散在水中，配成1 mg mL^-1的溶液，将此溶液超声振荡至分散均匀，然后用移液枪取3-8 μL的上述溶液，滴到玻碳电极上，室温下自然风干。然后在修饰了催化剂的电极上滴3-8 μL GOD，4 oC下干燥。最后用3-8 μL 1 wt.% Nafion乙醇溶液覆盖电极表面，防止GOD流失，得到PtNPs/PIL-CNTs/GC电极。

上述的葡萄糖检测传感器的使用方法：

用磷酸缓冲液配制葡萄糖样品溶液；此后，再以碳纳米管、铂纳米颗粒、离子液体聚合膜和葡糖糖氧化酶修饰的玻碳电极为工作电极，铂丝为对电极，甘汞电极为参比电极的三电极体系下，使用电化学工作站，采用电流-时间相应工作方式，对不同标准浓度的葡萄糖进行检测，制作标准工作曲线，从而实现对葡萄糖的测定。

上述使用方法中具体是将4mL~20mL、pH值为6-8 、浓度为0.03mol/L~0.20 mol/L的磷酸缓冲液与4mmol~20mmol的葡萄糖混合，制备浓度为1mol/L的葡萄糖样品溶液；然后每次取1 μL上述制备好的1 mol/L的葡萄糖样品溶液，连续添加到5 mL、pH值为7.0、浓度为0.1mol/L的磷酸缓冲液中进行测定；检测时，在磁力搅拌速率150rmp条件下进行。检测条件为：运用电压范围为0.6 V。

本发明原理如下：

葡萄糖与葡萄糖氧化酶(GOD)发生酶催化反应，葡萄糖氧化成葡萄糖酸内酯，而GOD内的活性中心FAD被还原成FADH₂。然后GOD(FADH₂)又被溶液中共存的氧气氧化回GOD(FAD)，同时生成过氧化氢(H₂O₂)。利用过氧化氢在电极上的电化学反应产生的电流信号来指示酶催化反应中葡萄糖的含量，以此原理构建的传感器也叫葡萄糖安培检测器。

pH 6-8、浓度为0.1 mol/L的磷酸缓冲液用作支持电解液。电流-时间曲线在磁力搅拌速率150rmp下，电压于0.6V下检测电位测定修饰电极对葡萄糖溶液的响应电流。图1：连续加入1mM葡萄糖在Pt纳米颗粒/聚合离子液体-碳纳米管复合物-葡萄糖氧化酶修饰电极上的电流响应图，加入不同浓度的葡萄糖可引起图谱上电流值发生改变。图2：连续加入5.6 mM葡萄糖、0.1 mM 抗坏血酸(AA)和0.5 mM尿酸(UA)(箭头指示)的电流响应曲线。干扰离子对本分方法检测葡萄糖影响不大。

本发明中合成的Pt纳米颗粒/聚合离子液体-碳纳米管复合物-葡萄糖氧化酶结构稳定，检测信号重现性好，电化学性能突出。PIL的正电荷和GOD(FAD)的负电荷之间的静电作用保持了GOD的活性，也减缓了GOD的流失。

通过本发明，我们实现了对血清样中的葡萄糖浓度特异性、快速检测。与传统方法相比，具有更高的灵敏度和特异性，检测限低至1 X 10^-7 mol/L；同时，葡萄糖传感器制备简单、性能稳定且可重复利用、样品检测时间短、操作方便。综上，说明本发明方法是一种灵敏、快速、特异性的检测葡糖糖的方法。

附图说明

图1：连续加入1mM葡萄糖及不同浓度葡萄糖的电流响应曲线；

图2：连续加入5.6 mM葡萄糖、0.1 mM 抗坏血酸(AA)和0.5 mM尿酸(UA)(箭头指示)的电流响应曲线。

具体实施方式

下面结合实施例进一步说明本发明，而非限制本发明。

利用本发明我们实现了对某医院提供的血清样品中葡萄糖浓度的简便、快速、特异性检测。

制备本发明的葡萄糖传感器：

将200 mg CNTs加入到含有1-乙烯基-3-乙基四氟硼酸盐[VEIM]BF₄(210 mg)和偶氮二异丁腈AIBN(6.9 mg)的甲醇溶液中，超声15分钟后转移至50 mL的圆底烧瓶内，80 oC且氮气保护下回流搅拌16小时。然后将该混合物用二次蒸馏水稀释，过滤，用丙酮将一些物理吸附在CNTs表面的聚合物和[VEIM]BF₄单体洗去，干燥得到离子液体聚合物膜包裹的碳纳米管(PIL-CNTs)。

20 mg PIL-CNTs与665 μL H₂PtCl₆(38.6 mM)一起混合在25 mL乙二醇中，用1 M KOH将混合液的pH值调至8-9，超声30 min，用微波(800 W)120 oC下还原30 min。将反应后的混合液用二次水稀释，过滤，用二次水和丙酮交替洗涤数次后干燥得到PtNPs/PIL-CNTs纳米复合物。

将Pt纳米颗粒/聚合离子液体-碳纳米管复合物(PtNPs/PIL-CNTs)分散在水中，配成1 mg mL^-1的溶液，将此溶液超声振荡至分散均匀，然后用移液枪取5 μL的上述溶液，滴到玻碳电极上，室温下自然风干。然后在修饰了催化剂的电极上滴5 μL GOD，4 oC下干燥。最后用4 μL 1 wt.% Nafion乙醇溶液覆盖电极表面，防止GOD流失，得到PtNPs/PIL-CNTs/GC电极。

检测血清中的葡萄糖含量时以碳纳米管、铂纳米颗粒、离子液体聚合膜和葡糖糖氧化酶修饰的玻碳电极为工作电极，铂丝为对电极，甘汞电极为参比电极的三电极体系下，使用电化学工作站，采用电流-时间相应工作方式，对不同标准浓度的葡萄糖进行检测，制作标准工作曲线。将0.5 mL血清加入到10 mL PBS(0.1 M，pH 7.0)中，检测电位为0.6 V，记录响应电流，通过之前绘制的标准曲线算出对应的葡萄糖浓度，结果显示在表1中。可以发现，由本章中所制备的电极检测的血糖浓度与医院提供的结果基本一致。

Claims

1.一种葡萄糖安培检测器，其特征在于，包括：碳纳米管、铂纳米颗粒、聚合离子液体膜和葡萄糖氧化酶修饰的玻碳电极为工作电极，铂丝为对电极，甘汞电极为参比电极的三电极体系。

2.根据权利要求1所述的葡萄糖安培检测器，其特征在于，所述的碳纳米管、铂纳米颗粒、聚合离子液体膜和葡萄糖氧化酶修饰的玻碳电极的制备方法如下：将200 mg CNTs加入到含有1-乙烯基-3-乙基四氟硼酸盐[VEIM]BF₄(210.1 mg)和偶氮二异丁腈AIBN(6.9 mg)的甲醇溶液中，超声15分钟后转移至50 mL的圆底烧瓶内，80 oC且氮气保护下回流搅拌16小时；然后将该混合物用二次蒸馏水稀释，过滤，用丙酮将一些物理吸附在CNTs表面的聚合物和[VEIM]BF₄单体洗去，干燥得到离子液体聚合物膜包裹的碳纳米管(PIL-CNTs)；20 mg PIL-CNTs与665 μL H₂PtCl₆(38.6 mM)一起混合在25 mL乙二醇中，用1 M KOH将混合液的pH值调至8-9，超声30 min，用微波(800 W)120 oC下还原30 min；将反应后的混合液用二次水稀释，过滤，用二次水和丙酮交替洗涤数次后干燥得到PtNPs/PIL-CNTs纳米复合物。

3.根据权利要求2所述的葡萄糖安培检测器，其特征在于：玻碳电极依次在0.5 和0.05 μm的氧化铝浆上打磨至光亮，然后用超纯水冲洗干净，氮气吹干；将Pt纳米颗粒/聚合离子液体-碳纳米管复合物(PtNPs/PIL-CNTs)分散在水中，配成1 mg mL^-1的溶液，将此溶液超声振荡至分散均匀，然后用移液枪取5 μL的上述溶液，滴到玻碳电极上，室温下自然风干；然后在修饰了催化剂的电极上滴5 μL GOD，4 oC下干燥；最后用4 μL 1 wt.% Nafion乙醇溶液覆盖电极表面，防止GOD流失，得到碳纳米管、铂纳米颗粒、聚合离子液体膜和葡萄糖氧化酶修饰的玻碳电极。

4.权利要求1-3任一项所述的葡萄糖安培检测器的使用方法，其特征在于，用磷酸缓冲液制备葡萄糖样品溶液；此后再以碳纳米管、铂纳米颗粒、聚合离子液体膜和葡萄糖氧化酶修饰的玻碳电极为工作电极，铂丝为对电极，甘汞电极为参比电极的三电极体系下，使用电化学工作站；采用电流-时间响应工作方式，对不同标准浓度的葡萄糖进行检测，制定标准工作曲线，从而实现对葡萄糖的测定。

5.根据权利要求4所述的使用方法，其特征在于，将4mL~20mL、pH值为7.0 、浓度为0.03mol/L~0.20 mol/L的磷酸缓冲液与4mmol~20mmol的葡萄糖混合，制备浓度为1mol/L的葡萄糖样品溶液；然后每次取1 μL上述制备好的1 mol/L的葡萄糖样品溶液，连续添加到5 mL、pH值为7.0、浓度为0.1mol/L的磷酸缓冲液中进行测定。

6.根据权利要求4所述的使用方法，其特征在于，检测时，在磁力搅拌速率150rmp条件下进行。

7.根据权利要求4所述的使用方法，其特征在于，检测条件为：运用电压范围为0.6 V。