CN105842321B - 氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯复合材料的非酶葡萄糖电化学传感器的制备方法 - Google Patents

氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯复合材料的非酶葡萄糖电化学传感器的制备方法 Download PDF

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Abstract

氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯复合材料的非酶葡萄糖电化学传感器的制备方法，包括以下步骤：（1）氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯复合材料的制备：将100～300 mg Cu(OAc)2加入3～5 mL 1 mg/mL的氧化石墨烯水溶液中，混匀；然后逐滴加入5～8 mL NH3·H2O，溶液转移进高温高压反应釜中，150～200℃反应15～24小时；沉积物用水洗涤、离心分离、60℃干燥，既得氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯纳米复合物；（2）非酶葡萄糖电化学传感器的制备：本发明的显著特点在于制备方法简单，经实际检验本发明的传感器检测限达到了0.01μM，相对于现有公布的同类传感器检测限提升10倍左右。

Description

氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯复合材料的非酶葡萄糖电化学 传感器的制备方法
技术领域
本发明涉及一种氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯复合材料的非酶葡萄糖电化学传感器的制备方法，属于化学领域。
背景技术
葡萄糖广泛的参与许多重要的人体代谢活动, 所以 它的浓度检测在临床诊断，特别是对糖尿病，高血糖的早期诊断及愈后判断具有重要意义。由于酶的本质特性，基于酶的葡萄糖传感器能容易的被温度，酸度，环境及毒性化学试剂影响，而非酶葡萄糖传感器能够避免酶葡萄糖传感器的一些不足, 将会有更大的发展空间，使其具有更好的灵敏度，更高的选择性和准确度。
氮掺杂石墨烯由于其较好的生物兼容C-N环境，较低的制备成本，高的电子传导性以及较多的化学活性位点，受到科研工作者极大地重视；石墨烯碳格里引入氮原子不仅能提高石墨烯吸附金属纳米颗粒的活性位点，还能增强石墨烯与纳米颗粒间的相互作用，改善他们的催化性能。在本方法中，一步合成了氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯复合材料，制备了高灵敏的非酶葡萄糖电化学传感器。
纳米材料的形貌和尺寸对他们的性能有重要的影响，随着纳米材料制备技术的发展，各种形貌纳米结构的氧化铜，如纳米花状的、纳米颗粒状的、纳米纤维状的结构已经制备出来了；但是，这些不同纳米结构的制备及应用都会遇到来自成本、选择性、有机溶剂的使用、复杂的样品准备程序和制备时间长的限制。复旦大学化学系孔继烈教授课题组通过6步方法制备了氧化铜纳米针/还原氧化石墨烯/碳纤维修饰玻碳电极，并用于葡萄糖的测定，该研究成果已经发表在外文期刊Talanta上，2013年出版，116卷，223–230页；该课题组首先用有毒的水合肼还原氧化石墨烯，再把还原的氧化石墨烯分散在有机溶剂N-甲基吡咯吡咯烷酮里；取一定量的碳纤维液均匀分散于有机溶剂N-甲基吡咯吡咯烷酮里，等量量取二者分散液，均匀混合，滴涂于前处理过得玻碳电极表面，得到还原氧化石墨烯/碳纤维修饰的玻碳电极，将该电极置于氯化钾和氯化铜的混合液中，通过恒电位电解法首先制得单质铜修饰的还原氧化石墨烯/碳纤维/玻碳电极，在通过多次循环伏安法将电极表面的单质铜转变成氧化铜纳米针，制得氧化铜纳米针/还原氧化石墨烯/碳纤维修饰的玻碳电极；利用制备的修饰电极检测葡萄糖。该研究成果也存在一定的缺陷，如制备的氧化铜纳米针易于团聚成1μm左右的大颗粒，不易均匀分散，且电极制备过程繁琐，还使用有毒试剂水合肼及有机溶剂N-甲基吡咯烷酮；在测定葡萄糖时，检测限较低，只有0.1μM，中国专利申请号201110345081.5公布了相似的传感器的制备，但其制备方法复杂，检测限也只有700nM。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯复合材料的非酶葡萄糖电化学传感器的制备方法。
本发明所提供的氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯复合材料的非酶葡萄糖电化学传感器的制备方法，包括以下步骤：
（1）氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯复合材料的制备：本步骤中所用到的各物料采用下述量或采用与下述量相同的比例，首先将100～300 mg Cu(OAc)2加入3～5 mL 1 mg/mL的氧化石墨烯水溶液中，超声震动30～60分钟混匀；然后用时20～30分钟逐滴加入5～8 mLNH3·H2O ，所述的NH3·H2O质量百分比浓度为 28.0%；随后，所获得的棕色溶液转移进高温高压反应釜中，150～200℃反应15～24小时；所得黑色沉积物用水洗涤、离心分离、60℃干燥，既得氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯纳米复合物；
（2）非酶葡萄糖电化学传感器的制备：将步骤（1）所合成的氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯纳米复合物：石墨粉：石蜡油按质量比为0.5:2:0.8取料，搅拌混合约1小时，直到形成均匀的碳糊状物；取该碳糊填入玻璃管内径为3mm的玻璃管，填入长度为5 cm，从端部插入一根铜线作为电极连接体；得到氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯复合材料的非酶葡萄糖电化学传感器；
进一步的，步骤（1）中得到的氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯纳米复合物中的氧化铜是纳米针状的，针状长0.4～0.5 μm，宽15～20 nm；
进一步的，步骤（1）中得到的氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯纳米复合物中的氮的掺杂量为wt. 6.94%～7.32%；
进一步的，步骤（1）离心分离时转速为3000～4000 rmp。
本发明的积极有益效果在于：本发明的显著特点在于制备方法简单，复合材料采用一步即可制备完成，且条件温和，环境友好，本发明涉及的非酶葡萄糖电化学传感器在检测葡萄糖时，操作简单，响应迅速，可重复性好，价格低廉，具有更低的检测限和更好的选择性，经实际检验本发明的传感器检测限达到了0.01μM，相对于现有公布的同类传感器检测限提升10倍左右，所以本方法不仅制备过程简单，而且最后得到的电化学传感器性能优越，本电化学传感器在用于葡萄糖检测过程中不需要繁琐的萃取步骤，不与氧反应并且无毒；是一种简单、准确、低价、检测快速的电化学传感器，在葡萄糖浓度检测的临床诊断，特别是对糖尿病，高血糖的早期诊断及愈后判断具有较好的应用前景。
附图说明
图1氮掺杂石墨烯的扫描电镜图。
图2氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯复合材料的扫描电镜图。
图3为多种传感器在含有10.0 mM葡萄糖溶液的0.2 M的NaOH的底液中的比较：a为本发明的氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯复合材料的非酶葡萄糖电化学传感器、b为氧化铜修饰碳糊电极、 c为氮掺杂石墨烯修饰碳糊电极、d为裸碳糊电极上的循环伏安图。
图4为本发明中在搅拌下于0.2 M的NaOH溶液中依次加入标记浓度的葡萄糖溶液在氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯复合材料的非酶葡萄糖电化学传感器的电流-时间曲线。
图5是葡萄糖的浓度与其电流的线性关系图。
图6为采用本发明的氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯复合材料的非酶葡萄糖电化学传感器在最佳条件下，加入生理浓度比例的葡萄糖和氯化钠、多巴胺、抗坏血酸和尿酸等干扰物时产生的电流-时间曲线图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面结合实施例对本发明作进一步详述。
本发明所提供的氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯复合材料的非酶葡萄糖电化学传感器的制备方法，其步骤如下：
(1) 氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯复合材料的一步合成：首先配制1 mg/mL的氧化石墨烯水溶液10 mL，加入300 mg Cu(OAc)2，超声混合；然后在搅拌的同时，滴加8 mL 浓氨水于该混合物中；随后，将该混合物转入高温高压反应釜中，150℃下反应24小时， 以4000rmp的转速离心分离出沉淀物，对合成的纳米复合材料采用扫描电子显微镜进行了形貌表征。如图1所示，图1清晰地显示了氮掺杂石墨烯的褶皱片状结构，说明本发明采用的氮掺杂方法很好的保持了石墨烯的典型结构；针状如图2所示，许多的氧化铜纳米针大小均一，长～0.4 μm，宽～15 nm，分散均匀的锚定在氮掺杂石墨烯表面，大大提高了氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯复合材料的比表面积，为电催化氧化葡萄糖提供了很大的真实面积；
(2) 非酶葡萄糖电化学传感器，即本发明的氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯复合材料的非酶葡萄糖电化学传感器的制备，将0.5 g氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯纳米复合物和2.0 g石墨粉末于研钵中手动研磨混合均匀，将石蜡油加入到上述混合物中研磨混合约1小时，形成均一的碳糊；将碳糊填充于一支玻璃管的末端（直径为3 mm， 长5 cm），另一端插入铜线提供电接触，即可得到氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯纳米复合物修饰的碳糊电极，即本发明的氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯复合材料的非酶葡萄糖电化学传感器。
本发明制备的非酶葡萄糖电化学传感器在检测葡萄糖过程中的用途及使用方法：其用途是：可直接用于电化学检测葡萄糖。其使用方法如下：将所制备的氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯复合材料电化学传感器作为工作电极，Ag/AgCl (填充液3 M的KCl)为参比电极、铂丝电极作为辅助电极，组成三电极体系；测定时，首先将三电极体系置于10 mL的0.2M的NaOH溶液中；其次，在0.50V恒电位下，记录电流-时间曲线，最后，当背景电流已稳定，在搅拌下，用微量进样器向0.2 M的NaOH溶液中依次加入一定浓度的葡萄糖标准溶液；在葡萄糖浓度为0.5–639 μM的范围内，葡萄糖浓度与其电流具有线性关系，得到其线性关系曲线（即标准曲线），其线性相关系数r = 0.9978，利用标准曲线对葡萄糖进行定量分析检测。在研究潜在干扰物质（例如，抗坏血酸，尿酸，多巴胺，氯化钠等物质）对葡萄糖测定的干扰情况时发现，在生理浓度的比例下，电极对干扰物的电流响应不会干扰葡萄糖的分析测定。
本发明制备的非酶葡萄糖电化学传感器在检测葡萄糖的应用实例：在最佳优化的试验条件下，取100 μL的人血清加入到0.2 M的10 mL的NaOH底液中，利用上述电流-时间曲线的测定方法，恒电位0.50 V条件下，记录电流响应值。同样的方法测定5个不同的人血清样品，每个测定三次，计算得到不同人体血清中葡萄糖的含量。该结果与医院中ECA-2000A型半自动生化分析仪检验结果基本一致，表明本发明提出的检测方法在临床上可以快速准确的实现血糖的检测。
作为非酶葡萄糖电化学传感器的催化作用表征：
从图3可以看出，在无葡萄糖的0.2 M的NaOH溶液中，四种电极都没有观察到明显的峰，而将10.0 mM葡萄糖加入到0.2 M 的NaOH溶液中时，在裸碳糊电极上没有出现葡萄糖的氧化峰，说明裸电极对葡萄糖无催化氧化作用；但在氧化铜修饰电极上和氮掺杂石墨烯修饰电极上，都发现氧化电流稍提高，说明二者对葡萄糖的氧化有微弱的催化作用；而在氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯纳米复合材料修饰电极上，于0.60 V处有一明显剧烈增高的葡萄糖的氧化峰，其电流响应信号是氧化铜修饰电极的9倍，表明氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯纳米复合物对葡萄糖电化学氧化具有优异的催化作用，能明显的加速电子传递。
电化学检测葡萄糖：
在最佳试验条件下，本发明制备的氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯纳米复合材料电化学传感器对葡萄糖的电流-时间响应如图4所示。由图4可见，达到95%稳态电流的时间小于5 s，随着葡萄糖浓度的增加，传感器对葡萄糖的响应电流也逐渐增大，在0.5–639 μM范围内，响应电流与葡萄糖浓度呈线性关系，线性方程为i/μA=0.3606+0.0034C/μM, 线性相关系数为0.9978，计算其最低检测限为0.01 μM，如图5所示。根据电极活性面积测定，计算得到氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯纳米复合材料电化学传感器对葡萄糖的测定灵敏度高达1961 μA mM-1 cm-2。
本发明制备的非酶葡萄糖电化学传感器的稳定性和重现性优异。对于同一个葡萄糖传感器，10次测定的相对标准偏差为1.67%，对于5组葡萄糖传感器，5次测定的相对标准偏差为5.30%。电极不用时室温存放一星期，电流仍保持为初始电流的90%。而且在生理比例浓度下，测定误差≤10%时，抗坏血酸，尿酸，多巴胺，氯化钠等物质几乎不干扰测定。

Claims (4)

1.氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯复合材料的非酶葡萄糖电化学传感器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯纳米复合物的制备：本步骤中所用到的各物料采用下述量或采用与下述量相同的比例，首先将100～300 mg Cu(OAc)2加入3～5 mL 1 mg/mL的氧化石墨烯水溶液中，超声震动30～60分钟混匀；然后用时20～30分钟逐滴加入5～8 mLNH3·H2O ，所述的NH3·H2O质量百分比浓度为 28.0%；随后，所获得的棕色溶液转移进高温高压反应釜中，150～200℃反应15～24小时；所得黑色沉积物用水洗涤、离心分离、60℃干燥，既得氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯纳米复合物；
（2）非酶葡萄糖电化学传感器的制备：将步骤（1）所合成的氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯纳米复合物：石墨粉：石蜡油按质量比为0.5:2:0.8取料，搅拌混合约1小时，直到形成均匀的碳糊状物；取该碳糊填入玻璃管内径为3mm的玻璃管，填入长度为5 cm，从端部插入一根铜线作为电极连接体；得到氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯复合材料的非酶葡萄糖电化学传感器。
2.根据权利要求1所述的氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯复合材料的非酶葡萄糖电化学传感器的制备方法，其特征在于：步骤（1）中得到的氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯纳米复合物中的氧化铜是纳米针状的，针状长0.4～0.5 μm，宽15～20 nm。
3.据权利要求1所述的氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯复合材料的非酶葡萄糖电化学传感器的制备方法，其特征在于：步骤（1）中得到的氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯纳米复合物中的氮的掺杂量为wt6.94%～7.32%。
4.根据权利要求1所述的氧化铜纳米针/氮掺杂石墨烯复合材料的非酶葡萄糖电化学传感器的制备方法，其特征在于：步骤（1）离心分离时转速为3000～4000 rmp。
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