CN106198653B - 一种定性定量检测葡萄糖的传感器材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明基于一种同时具有电化学传感性能和比色传感性能的传感器材料应用于定性定量检测葡萄糖或者定性定量检测过氧化氢。该材料是由含钴和铁的水滑石纳米片阵列组成，通过简单的一步电合成的方法，将钴铁水滑石纳米片垂直生长在导电基底上。该传感器材料作为一种类过氧化氢酶无机纳米材料在葡萄糖的比色传感分析和过氧化氢比色传感分析中具有良好的变色响应，其用于类过氧化氢酶葡萄糖生物传感器线性范围为0‑800μM，循环重复使用4次后，传感性能可保持90％以上，且对抗坏血酸、多巴胺、尿素等具有很好的抗干扰性能。

Description

一种定性定量检测葡萄糖的传感器材料及其制备方法
技术领域
本发明属于传感器制备技术领域，特别涉及到一种同时具有电化学传感性能和比色传感性能的传感器材料，具有同时定性定量检测葡萄糖和过氧化氢的功能。
背景技术
天然生物酶作为一种高选择性高活性的生物传感酶，在现在的生物传感中广泛应用，但其在自然环境下不稳定易失活且制备成本过高等都严重制约了其进一步发展，而一些纳米无机材料被发现拥有类似于生物传感酶的某些特性，比如对某种特定分子具有高的反应活性和选择性，因此成为新兴的类酶生物传感材料。在诸多生物传感器中，葡萄糖传感器在生物工程、医疗诊断、食品检测方面都有着广泛的应用，因此进一步研究开发新型葡萄糖传感器拥有重要意义和实用价值。对于纳米无机传感材料，其发展面临一些问题，比如：制备成本高、催化反应活性低、选择性能差等，因此研发一种能够快速简单制备且拥有高的反应活性和高的选择性的无机纳米传感材料将具有重大意义。
层状双金属氢氧化物(LDHs，又称水滑石)是一类典型的阴离子型层状材料，由于主体层板内的二价及三价金属离子的种类、比例和分布以及层间客体可以人为调控，且其设计合成及组装的多样性，由此引起了国际功能材料研究领域的广泛兴趣和高度重视。随着将镍、钴、铁等过渡金属元素引入水滑石层板，水滑石的应用领域得到进一步拓宽。
本工作致力于研发一种能够快速简单制备且拥有高的反应活性和高的选择性的多功能无机纳米传感材料应用于葡萄糖生物传感器。
发明内容
本发明的目的是基于一种同时具有电化学传感性能和比色传感性能的传感器材料用于定性定量检测葡萄糖或者定性定量检测过氧化氢。该材料是由含钴和铁的水滑石纳米片阵列组成，通过简单的一步电合成的方法，将钴铁水滑石纳米片垂直生长在导电基底上，拥有制备方法简单，省时、高效的优点，有望作为一种新颖高效的多功能葡萄糖传感器，应用于生物工程、医疗诊断、食品检测等方面。
本发明所述的传感器材料的制备方法：
a:将导电基底分别用无水乙醇、丙酮和去离子水各超声10-20min，去除表面的杂质；
b:配制可溶二价钴盐和二价铁盐的混合盐溶液，其中二价钴离子浓度为0.3-3mg/mL，二价铁离子浓度为0.3-3mg/mL；
c:以铂丝作为对电极、饱和甘汞电极作为参比电极，步骤a处理后的导电基底作为工作电极，步骤b配制的混合盐溶液作为电解质溶液，在10-50℃，(-0.8)-(-1.2)V电压下电合成10-400s后，即在导电基底上垂直生长出钴铁水滑石纳米片阵列；
d:把步骤c制得的垂直生长钴铁水滑石纳米片阵列的导电基底置于40-80℃的烘箱中2-4天，使其在空气中发生自氧化，即得到传感器材料。
所述的导电基底选自泡沫镍、镍片、碳纤维布、导电布。
所述的可溶二价钴盐选自硝酸钴、硫酸钴、氯化钴，二价铁盐选自硝酸亚铁、硫酸亚铁、氯化亚铁。
将上述制备得到的传感器材料应用于定性定量检测葡萄糖。
将上述制备得到的传感器材料应用于定性定量检测过氧化氢。
上述定性定量检测葡萄糖的方法为：
1、定性检测：a:配制葡萄糖检测溶液：将0.5-1mL的待测葡萄糖溶液、2-3mL的PH＝7的磷酸氢二钠缓冲溶液和600-900μL的葡萄糖氧化酶溶液混合，置于35-40℃水浴中温育1-2h，取上述混合溶液20-200μL加入到0.5-1mL的PH＝4的醋酸钠缓冲溶液中，再加入150-200μL四甲基联苯胺溶液，得到葡萄糖检测溶液；
b:将传感器材料0.5×0.5cm2放入葡萄糖检测溶液中，28-32℃下温育15-30min，观察溶液颜色变化，然后进行紫外-可见光测试；
2、定量检测：将传感器材料作为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极，铂丝作为工作电极，组成三电极体系对待测溶液进行循环伏安测试，得到葡萄糖浓度结果；其中待测溶液为5.6-56mg/mL的氢氧化钾溶液与葡萄糖混合溶液，PH值为13-14；
3、上述定性定量检测葡萄糖完成后，取出传感器材料，洗涤干燥后，可重复检测使用6次以上。
本发明制备的钴铁水滑石纳米片尺寸均匀、结构规整、比表面积大。将该纳米片阵列结构应用于葡萄糖的电化学传感器和比色传感器，具有检测浓度范围宽、灵敏度高、检测限低、重复利用性好、操作回收方便等诸多优点。具体表现为：1、该定性定量检测葡萄糖的传感器材料对于电分析检测葡糖糖具有良好的响应，其用于无酶葡萄糖生物传感器灵敏度可达10.63μAμM-1cm-2，线性范围为0-1000μM，循环重复使用6次后，传感性能可保持95％以上，且对抗坏血酸、多巴胺、尿素等具有很好的抗干扰性能；2、该定性定量检测葡萄糖的传感器材料作为一种类过氧化氢酶无机纳米材料在葡萄糖的比色传感分析和过氧化氢比色传感分析中具有良好的变色响应，其用于类过氧化氢酶葡萄糖生物传感器线性范围为0-800μM，循环重复使用4次后，传感性能可保持90％以上，且对抗坏血酸、多巴胺、尿素等具有很好的抗干扰性能。
附图说明
图1是实施例1得到的钴铁水滑石纳米片阵列的XRD谱图；横坐标为2θ，单位：度；纵坐标为强度。
图2是实施例1得到的钴铁水滑石纳米片阵列的扫描电镜照片。
图3是实施例1得到的钴铁水滑石纳米片阵列的投射电镜照片。
图4是实施例1得到的葡萄糖电化学测试结果(包括循环伏安曲线、时间-电流曲线)。
图5是实施例1得到的葡萄糖比色传感测试结果(紫外-可见光吸收光谱图)。
图6是钴铁水滑石的微观结构模型及其电化学和比色传感检查葡萄糖的机理示意图。
具体实施方式
【实施例1】
1).传感器材料的合成：
a:将导电基底泡沫镍分别用无水乙醇、丙酮和去离子水各超声15min，去除表面的杂质；
b:配制混合盐溶液25mL，其中硝酸钴浓度为3mg/mL，硫酸亚铁浓度为3mg/mL；
c:以步骤a处理后的泡沫镍作为工作电极、铂丝作为对电极、饱和甘汞电极作为参比电极，步骤b配制的混合盐溶液作为电解质溶液，在-1V电压下合成钴铁水滑石纳米片阵列，电合成时间为100s，合成温度为25℃；
d:把步骤c制得的垂直生长钴铁水滑石纳米片阵列的泡沫镍置于60℃的烘箱中2天，使其在空气中发生自氧化，即得到传感器材料。
2).定性检测葡萄糖：
a:配制葡萄糖检测溶液：将1mL不同浓度的葡萄糖溶液、3mL磷酸氢二钠缓冲溶液(PH＝7)和800μL葡萄糖氧化酶溶液(1M)混合，置于37℃水浴中温育2h，取上述混合溶液200μL加入到1mL醋酸钠缓冲溶液中(PH＝4)，再加入200μL四甲基联苯胺(1M)溶液，得到不同浓度的葡萄糖检测溶液；
b:将传感器材料0.5×0.5cm2放入葡萄糖检测溶液中，30℃下温育30min，观察溶液颜色变化，然后进行紫外-可见光测试。
3).定量检测葡萄糖：
a:将传感器材料直接作为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极，铂丝作为工作电极，组成三电极体系；以100mL 0.1M氢氧化钾溶液作为电解质溶液，用微量进样器向里面添加葡萄糖溶液，通过控制葡萄糖的加入量制成不同浓度的葡萄糖电化学测试溶液，首先进行循环伏安测试，找出最佳电压，在最佳电压下，记录时间-电流曲线，得到不同浓度葡萄糖下的电流响应曲线。
4).比色传感抗干扰性能测试：
a:配制干扰溶液：(1mL)0.1mg/mL葡萄糖溶液+(3mL)磷酸氢二钠缓冲溶液(PH＝7)+(800μL)葡糖糖氧化酶溶液(1M)，置于37℃水浴中温育2h，取上述混合溶液(200μL)加入到1mL醋酸钠缓冲溶液中(PH＝4)，再加入200μL四甲基联苯胺(TMB)溶液(1M)，得到葡萄糖检测溶液；
b:分别向a中的葡萄糖检测溶液中加入50μM抗坏血酸溶液(AA)、50μM多巴胺溶液(DA)、50μM尿酸溶液(UA)，分别得到含有AA、UA、DA的测试溶液；
c:将传感器材料0.5×0.5cm2放入b中三种分别含有AA、UA、DA的测试溶液中，30℃下温育30min，观察溶液颜色变化；然后进行紫外-可见光测试。
5).电化学传感抗干扰性能测试：
a:分别向含有0.1mg/mL的葡萄糖的0.1M氢氧化钾溶液中加入50μM抗坏血酸溶液(AA)、50μM多巴胺溶液(DA)、50μM尿酸溶液(UA)，分别得到含有AA、UA、DA的测试溶液；
b:将传感器材料直接作为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极，铂丝作为工作电极，组成三电极体系，以b中得到的分别含有AA、UA、DA的三种测试溶液作为电解质，进行电化学性能测试，记录时间-电流曲线，得到AA、UA、DA对葡萄糖测试的影响。
6).重复使用性能检测：上述定性定量检测完成后，将工作电极取出，洗涤干燥，继续定性定量检测，重复6次后，将每次的结果进行对比。
【实施例2】
1).传感器材料的合成：
a:将导电基底碳纤维布分别用无水乙醇、丙酮和去离子水各超声15min，去除表面的杂质；
b:配制混合盐溶液25mL，其中硝酸钴浓度为3mg/mL，硫酸亚铁浓度为3mg/mL；
c:以步骤a处理后的碳纤维布作为工作电极、铂丝作为对电极、饱和甘汞电极作为参比电极，步骤b配制的混合盐溶液作为电解质溶液，在-1V电压下合成钴铁水滑石纳米片阵列，电合成时间分别控制在100s，合成温度为25℃；
d:把步骤c制得的垂直生长钴铁水滑石纳米片阵列的碳纤维布置于60℃的烘箱中2天，使其在空气中发生自氧化，即得到传感器材料。
2).定性检测过氧化氢：
a:配制过氧化氢检测溶液：取不同浓度的过氧化氢溶液(200μL)加入到1mL醋酸钠缓冲溶液中(PH＝4)，再加入200μL四甲基联苯胺(TMB)溶液(1M)，得到不同浓度的过氧化氢检测溶液；
b:将传感器材料0.5×0.5cm2放入过氧化氢检测溶液中，30℃下温育30min，观察溶液颜色变化,然后进行紫外-可见光测试。
3).定量检测：
a:将传感器材料直接作为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极，铂丝作为工作电极，组成三电极体系；
b:电化学传感性能测试时，以100mL 0.1M氢氧化钾溶液作为电解质溶液，用微量进样器向里面添加过氧化氢溶液，通过控制过氧化氢的加入量制成不同浓度的过氧化氢电化学测试溶液，首先进行循环伏安测试，找出最佳电压，在最佳电压下，记录时间-电流曲线，得到不同浓度过氧化氢下的电流响应曲线。
4).比色传感抗干扰性能测试：
a:取0.1mg/mL过氧化氢溶液(200μL)加入到1mL醋酸钠缓冲溶液中(PH＝4)，再加入200μL四甲基联苯胺(TMB)溶液(1M)，得到过氧化氢检测溶液；
b:分别向a中的过氧化氢测试溶液中加入50μM抗坏血酸溶液(AA)、50μM多巴胺溶液(DA)、50μM尿酸溶液(UA)，分别得到含有AA、UA、DA的测试溶液；
c:将传感器材料0.5×0.5cm2放入b中三种分别含有AA、UA、DA的测试溶液中，30℃下温育30min，观察溶液颜色变化,然后进行紫外-可见光测试。
5).电化学传感抗干扰性能测试：
a:分别向含有0.1mg/mL的过氧化氢的0.1M氢氧化钾溶液中加入50μM抗坏血酸溶液(AA)、50μM多巴胺溶液(DA)、50μM尿酸溶液(UA)，分别得到含有AA、UA、DA的测试溶液；
b:将传感器材料直接作为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极，铂丝作为工作电极，组成三电极体系,以b中得到的分别含有AA、UA、DA的三种测试溶液作为电解质，进行电化学性能测试。记录时间-电流曲线，得到AA、UA、DA对过氧化氢测试的影响。
6).重复使用性能检测：上述定性定量检测完成后，将工作电极取出，洗涤干燥，继续定性定量检测，重复6次后，将每次的结果进行对比。

Claims (6)

1.一种定量检测葡萄糖的方法，其特征在于，该方法具体操作步骤为：将传感器材料作为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极，铂丝作为工作电极，组成三电极体系对待测溶液进行循环伏安测试，得到葡萄糖浓度结果；其中待测溶液为5.6-56 mg/mL的氢氧化钾溶液与葡萄糖混合溶液，pH值为13-14；
所述的传感器材料的制备方法为：
a: 将导电基底分别用无水乙醇、丙酮和去离子水各超声10-20min，去除表面的杂质；
b: 配制可溶二价钴盐和二价铁盐的混合盐溶液，其中二价钴离子浓度为0.3-3mg/mL，二价铁离子浓度为0.3-3 mg/mL；
c: 以铂丝作为对电极、饱和甘汞电极作为参比电极，步骤a处理后的导电基底作为工作电极，步骤b配制的混合盐溶液作为电解质溶液，在10-50℃，(-0.8)-(-1.2)V电压下电合成10-400 s后，即在导电基底上垂直生长出钴铁水滑石纳米片阵列；
d: 把步骤c制得的垂直生长钴铁水滑石纳米片阵列的导电基底置于40-80℃的烘箱中2-4天，使其在空气中发生自氧化，即得到传感器材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的导电基底选自泡沫镍、镍片、导电布。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的可溶二价钴盐选自硝酸钴、硫酸钴、氯化钴，二价铁盐选自硝酸亚铁、硫酸亚铁、氯化亚铁。
4.一种定量检测过氧化氢的方法，其特征在于，该方法具体操作步骤为：
a:将传感器材料直接作为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极，铂丝作为工作电极，组成三电极体系；
b:电化学传感性能测试时，以100mL 0.1M 氢氧化钾溶液作为电解质溶液，用微量进样器向里面添加过氧化氢溶液，通过控制过氧化氢的加入量制成不同浓度的过氧化氢电化学测试溶液，首先进行循环伏安测试，找出最佳电压，在最佳电压下，记录时间-电流曲线，得到不同浓度过氧化氢下的电流响应曲线；
所述的传感器材料的制备方法为：
a: 将导电基底分别用无水乙醇、丙酮和去离子水各超声10-20min，去除表面的杂质；
b: 配制可溶二价钴盐和二价铁盐的混合盐溶液，其中二价钴离子浓度为0.3-3mg/mL，二价铁离子浓度为0.3-3 mg/mL；
c: 以铂丝作为对电极、饱和甘汞电极作为参比电极，步骤a处理后的导电基底作为工作电极，步骤b配制的混合盐溶液作为电解质溶液，在10-50℃，(-0.8)-(-1.2)V电压下电合成10-400 s后，即在导电基底上垂直生长出钴铁水滑石纳米片阵列；
d: 把步骤c制得的垂直生长钴铁水滑石纳米片阵列的导电基底置于40-80℃的烘箱中2-4天，使其在空气中发生自氧化，即得到传感器材料。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的导电基底选自泡沫镍、镍片、导电布。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的可溶二价钴盐选自硝酸钴、硫酸钴、氯化钴，二价铁盐选自硝酸亚铁、硫酸亚铁、氯化亚铁。
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