CN106290511A - 一种无酶葡萄糖电化学传感器的制备方法 - Google Patents

一种无酶葡萄糖电化学传感器的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种无酶葡萄糖电化学传感器的制备方法，涉及一种葡萄糖传感器的制备方法。是要解决现有的葡萄糖传感器无法在中性及偏中性条件下进行无酶电化学葡萄糖检测的问题。方法：一、打磨清洗电极；二、检测电极性能；三、合成：将Co(NO3)2·6H2O溶于甲醇中，搅拌溶解，得溶液A；将二甲基咪唑溶于甲醇中，搅拌溶解，得溶液B；然后将溶液A和溶液B混合，静置；四、清洗干燥，得金属有机骨架材料ZIF‑67；五、热处理；六、将黑色粉末加到溶剂中得悬浮液，将悬浮液超声，滴加到玻碳电极表面，干燥，即得无酶葡萄糖电化学传感器。该传感器可在中性及偏中性条件下进行无酶电化学葡萄糖检测，简单易行，成本低廉。本发明用于检测葡萄糖。

Description

一种无酶葡萄糖电化学传感器的制备方法
技术领域
本发明涉及一种葡萄糖传感器的制备方法。
背景技术
对葡萄糖进行有效快速检测在生物、食品、化学、临床诊断和环境保护等方面具有重要作用，关于葡萄糖无酶电化学检测的研究已经有了很多的报道，因为无酶电化学传感器具有较好的稳定性、可重复性和简单等特点。因此，葡萄糖传感器的研究一直为电化学传感器研究的热点。
在结构上，金属有机骨架化合物(MOFs)和无机分子筛非常相近，都有排列规整的拓扑结构，以及特定的形状和尺寸的孔道。但MOFs的孔径是由金属离子和有机配体通过配位键自组装而成，因为其合成原材料的种类丰富，不同金属离子具有的氧化态或几何配位要求不同，形成的次级结构单元也不同，因此可生成不同的MOFs骨架。ZIF-67作为MOFs中最具有代表性的一种多孔骨架材料，具有较大的比表面积(BET)，并且还具有较好的热稳定性，从热重分析了解到当实验温度大于300℃时，其骨架结构也不坍塌。
此外，电极的响应性能还非常容易受溶液的pH值等环境因素的影响，但是通常情况下在中性或偏中性环境中进行葡萄糖检测十分必要，所以目前为止很少有一种有效快捷能够在中性及偏中条件下进行无酶电化学葡萄糖检测的方法，因此开发一种简单易行，成本低廉，能够在中性及偏中性条件下进行检测的无酶电化学传感器的方法具有重要意义。
发明内容
本发明是要解决现有的葡萄糖传感器无法在中性及偏中性条件下进行无酶电化学葡萄糖检测的问题，提供一种无酶葡萄糖电化学传感器的制备方法。
本发明无酶葡萄糖电化学传感器的制备方法，按以下步骤进行：
一、打磨清洗电极：将抛光粉和去离子水放置于打磨盘上调匀，得抛光液，然后将玻碳电极在抛光液中打磨，再依次采用丙酮、无水乙醇和去离子水对玻碳电极进行超声清洗，除去表面油污和杂质，得到清洗后玻碳电极；
二、检测电极性能：清洗后玻碳电极要在0.1～2mol/L KCl中记录0.5～3mM K3[Fe(CN)6]+0.5～3mM K4[Fe(CN)6]溶液的循环伏安曲线，观察计算循环伏安图中的峰电位差，若峰电位差为64～80mV，进行下一步操作；若峰电位差＞80mV，则需要重复步骤一，至若峰电位差为64～80mV，再进行下一步操作；
三、合成：将Co(NO3)2·6H2O溶于甲醇中，搅拌溶解，得溶液A；溶液A的浓度为0.03～0.04g/mL；
将二甲基咪唑溶于甲醇中，搅拌溶解，得溶液B；溶液B的浓度为0.04～0.05g/mL；
然后将溶液A和溶液B混合均匀，室温条件下静置12～24小时。
四、清洗干燥：将静置后的溶液离心，得到紫色沉淀物，用无水乙醇洗涤，再将洗涤后的紫色沉淀物烘干，得到金属有机骨架材料ZIF-67。
五、热处理：将金属有机骨架材料ZIF-67在空气条件下热处理得到黑色粉末；
六、称量滴加：将黑色粉末加到溶剂中，得到浓度为1～6mg/mL的溶液X，将溶液X超声0.5～2h，滴加到玻碳电极表面，干燥，即得到无酶葡萄糖电化学传感器。
进一步的，步骤一中所述抛光粉的粒径为0.3微米。
进一步的，步骤一中所述超声清洗的具体操作如下：首先以丙酮为清洗剂，在超声频率为100kHz下清洗15～20分钟；然后以无水乙醇为清洗剂，在超声频率为100kHz下清洗15～20分钟，最后以去离子水为清洗剂，在超声频率为100kHz下清洗15～20分钟，即完成超声清洗。
进一步的，步骤三中溶液A和溶液B的体积比为1:1。
进一步的，步骤四所述烘干具体为将紫色沉淀物放置在60～90℃烘箱中烘干。
进一步的，步骤五所述热处理具体为将金属有机骨架材料ZIF-67在空气条件下200～800℃热处理1～4h。
进一步的，步骤六所述溶剂为去离子水或混合溶剂，所述混合溶剂是由去离子水与异丙醇按体积比为2:1混合得到的。
进一步的，步骤六中在无酶葡萄糖电化学传感器表面滴加Nafion溶液，以使Co3O4牢固的粘附在玻碳电极表面。
本发明的有益效果：
本发明方法以金属有机骨架材料ZIF-67为原材料制备无酶葡萄糖电化学传感器，该传感器可在中性及偏中性条件下进行无酶电化学葡萄糖检测。首先，MOFs是通过次级结构单元(SBU)构建而成，SBU是由配位基团与金属离子共同组建而成，该结构有利于骨架结构的稳定及向空间延伸。将金属离子包裹在SBU中心从而作为MOFs主体结构的节点，有机配体作为结构支架起到连接不同节点以及向外扩展作用。从而使得MOFs具有中空结构，即ZIF-67为菱形十二面体结构，所以具有组分的灵活结合、高比表面积、结构灵活性、大孔隙率等优点。经热处理后得到的多孔Co3O4具备了这些特点，多孔以及较大的内表面积为葡萄糖分子进入孔道与Co3O4反应提供了方便。发生的反应如下：
本发明制备的无酶葡萄糖电化学传感器相比较于其它方法制备的无酶葡萄糖电化学传感器，具有更大的使用范围，进一步降低环境pH对葡萄糖检测的影响。本发明的无酶葡萄糖电化学传感器简单易行，成本低廉，可在中性及偏中性条件下进行检测葡萄糖浓度。解决了在中性及偏中性条件下检测葡萄糖的问题，显著扩大了葡萄糖检测范围，且成本低廉，合成工艺简单有效。
附图说明
图1为实施例1合成的ZIF-67的扫描电子显微镜(SEM)测试图；图2为实施例1合成的ZIF-67的TG测试；图3为实施例1合成的Co3O4扫描电子显微镜(SEM)测试图；图4为实施例1合成的ZIF-67的BET测试图；图5为实施例1合成的Co3O4的X射线衍射图谱；图6为检测葡萄糖浓度I-T曲线；图7为图6的局部放大图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式无酶葡萄糖电化学传感器的制备方法，按以下步骤进行：
一、打磨清洗电极：将抛光粉和去离子水放置于打磨盘上调匀，得抛光液，然后将玻碳电极在抛光液中打磨，再依次采用丙酮、无水乙醇和去离子水对玻碳电极进行超声清洗，除去表面油污和杂质，得到清洗后玻碳电极；
二、检测电极性能：清洗后玻碳电极要在0.1～2mol/L KCl中记录0.5～3mM K3[Fe(CN)6]+0.5～3mM K4[Fe(CN)6]溶液的循环伏安曲线，观察计算循环伏安图中的峰电位差，若峰电位差为64～80mV，进行下一步操作；若峰电位差＞80mV，则需要重复步骤一，至若峰电位差为64～80mV，再进行下一步操作；
三、合成：将Co(NO3)2·6H2O溶于甲醇中，搅拌溶解，得溶液A；溶液A的浓度为0.03～0.04g/mL；
将二甲基咪唑溶于甲醇中，搅拌溶解，得溶液B；溶液B的浓度为0.04～0.05g/mL；
然后将溶液A和溶液B混合均匀，室温条件下静置12～24小时；
四、清洗干燥：将静置后的溶液离心，得到紫色沉淀物，用无水乙醇洗涤，再将洗涤后的紫色沉淀物烘干，得到金属有机骨架材料ZIF-67；
五、热处理：将金属有机骨架材料ZIF-67在空气条件下热处理得到黑色粉末；
六、称量滴加：将黑色粉末加到溶剂中，得到浓度为1～6mg/mL的悬浮液，将悬浮液超声0.5～2h，滴加到玻碳电极表面，干燥，即得到无酶葡萄糖电化学传感器。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述抛光粉的粒径为0.3微米。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一所述打磨盘由麂皮制成。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中所述超声清洗的具体操作如下：首先以丙酮为清洗剂，在超声频率为100kHz下清洗15～20分钟；然后以无水乙醇为清洗剂，在超声频率为100kHz下清洗15～20分钟，最后以去离子水为清洗剂，在超声频率为100kHz下清洗15～20分钟，即完成超声清洗。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤三中溶液A和溶液B的体积比为1:1。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不至五之一同的是：步骤四所述烘干具体为将紫色沉淀物放置在60～90℃烘箱中烘干。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤五所述热处理具体为将金属有机骨架材料ZIF-67在空气条件下200～800℃热处理1～4h。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤五所述热处理具体为将金属有机骨架材料ZIF-67在空气条件下600℃热处理1～4h。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤六所述溶剂为去离子水或混合溶剂，所述混合溶剂是由去离子水与异丙醇按体积比为2:1混合得到的。其它与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤六中将黑色粉末加到溶剂中，得到浓度为2～4mg/mL的悬浮液。其它与具体实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一不同的是：步骤六中在无酶葡萄糖电化学传感器表面滴加Nafion溶液。其它与具体实施方式一至十之一相同。
下面对本发明的实施例做详细说明，以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方案和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
本实施例酶葡萄糖电化学传感器的制备方法，按以下步骤进行：
一、打磨清洗电极：将0.3微米的抛光粉和去离子水放置于打磨盘(由麂皮制成)上调匀，得抛光液，然后将玻碳电极在抛光液中打磨，再依次采用丙酮、无水乙醇和去离子水对玻碳电极进行超声清洗，除去表面油污和杂质，得到清洗后玻碳电极；
二、检测电极性能：清洗后玻碳电极要在2mol/L KCl中记录0.5mmol/L K3[Fe(CN)6]+0.5mmol/L K4[Fe(CN)6]溶液的循环伏安曲线，观察计算循环伏安图中的峰电位差，为64mV，进行下一步操作；
三、合成：将1.6g的Co(NO3)2·6H2O溶于15mL甲醇中，搅拌溶解，得溶液A；将2.3g二甲基咪唑溶于25mL甲醇中，搅拌溶解，得溶液B；然后将溶液A和溶液B混合均匀，室温条件下静置12小时。
四、清洗干燥：将静置后的溶液离心，得到紫色沉淀物，用无水乙醇洗涤，再将洗涤后的紫色沉淀物放置在80℃烘箱中烘干，得到金属有机骨架材料ZIF-67。
五、热处理：将金属有机骨架材料ZIF-67在空气条件下于600℃热处理4h得到黑色粉末。经热处理后得到的黑色粉末即为多孔Co3O4。
六、称量滴加：将8g黑色粉末加到去离子水与异丙醇混合溶液中，得到悬浮液，悬浮液中黑色粉末的浓度为2mg/mL，将混合液超声处理0.5h，然后滴加到玻碳电极表面，干燥后得到无酶葡萄糖电化学传感器。其中所述去离子水与异丙醇混合溶液中去离子水与异丙醇的体积比为2:1。
经干燥处理后进行测试与表征。
(一)SEM测试：
图1为放大10000倍下的扫描电子显微镜照片，SEM测试结果表明，合成的ZIF-67大小形状基本均匀一致，为菱形十二面体结构，直径大约为400～600nm。图3为热处理后得到的Co3O4在50000倍下的扫描电子显微镜下的照片，由图得出Co3O4结构未发生坍塌，并出现多孔结构。
(二)TG测试：
TG测试结果如图2所示，图2中曲线1表示热重分析，曲线2表示差示扫描量热法/(mW/mg)。产物在200℃以后的质量明显减少降低。所以对于产物的热处理温度在200℃～800℃。
(三)BET测试：
BET测试结果如图4所示，样品表面积大约在1000～1500cm2/g；孔直径大约为0.5～0.9nm。
(四)XRD测试：
XRD测试结果如图5所示，产物Co3O4的X射线衍射花样峰位置及峰强与Co3O4的粉末衍射标准联合委员会(Joint Committee For Powder Diffraction Standards，JCPDS)的Power Diffraction File(PDF)卡片PDF#74-2120立方晶系的基本一致。合成产物基本为纯相，由此证明产物为Co3O4。
(五)I-T曲线测试：
I-T曲线测试结果如图6所示，在pH大约为7的缓冲溶液中，工作电极选用为直径大约为3mm的玻碳电极，对电极采用Pt电极，参比电极采用饱和甘汞电极。从结果可以看出制备的无酶葡萄糖电化学传感器具有较好的检测效果。在中性溶液中仍然具有电流响应，并且检测限大约在3M左右，葡萄糖浓度与响应电流增值信号具有较好的线性关系。而且该无酶葡萄糖电化学传感器在15mM以上仍然有电流响应产生。本方法制备出的无酶葡萄糖电化学传感器解决了环境pH对葡萄糖检测的影响，扩大了检测范围，放宽了检测环境的pH。

Claims (10)

1.一种无酶葡萄糖电化学传感器的制备方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：
一、打磨清洗电极：将抛光粉和去离子水放置于打磨盘上调匀，得抛光液，然后将玻碳电极在抛光液中打磨，再依次采用丙酮、无水乙醇和去离子水对玻碳电极进行超声清洗，除去表面油污和杂质，得到清洗后玻碳电极；
二、检测电极性能：清洗后玻碳电极要在0.1～2mol/L KCl中记录0.5～3mM K3[Fe(CN)6]+0.5～3mM K4[Fe(CN)6]溶液的循环伏安曲线，观察计算循环伏安图中的峰电位差，若峰电位差为64～80mV，进行下一步操作；若峰电位差＞80mV，则需要重复步骤一，至若峰电位差为64～80mV，再进行下一步操作；
三、合成：将Co(NO3)2·6H2O溶于甲醇中，搅拌溶解，得溶液A；溶液A的浓度为0.03～0.04g/mL；
将二甲基咪唑溶于甲醇中，搅拌溶解，得溶液B；溶液B的浓度为0.04～0.05g/mL；
然后将溶液A和溶液B混合均匀，室温条件下静置12～24小时；
四、清洗干燥：将静置后的溶液离心，得到紫色沉淀物，用无水乙醇洗涤，再将洗涤后的紫色沉淀物烘干，得到金属有机骨架材料ZIF-67；
五、热处理：将金属有机骨架材料ZIF-67在空气条件下热处理得到黑色粉末；
六、称量滴加：将黑色粉末加到溶剂中，得到浓度为1～6mg/mL的悬浮液，将悬浮液超声0.5～2h，滴加到玻碳电极表面，干燥，即得到无酶葡萄糖电化学传感器。
2.根据权利要求1所述的一种无酶葡萄糖电化学传感器的制备方法，其特征在于步骤一中所述抛光粉的粒径为0.3微米。
3.根据权利要求1所述的一种无酶葡萄糖电化学传感器的制备方法，其特征在于步骤一中所述超声清洗的具体操作如下：首先以丙酮为清洗剂，在超声频率为100kHz下清洗15～20分钟；然后以无水乙醇为清洗剂，在超声频率为100kHz下清洗15～20分钟，最后以去离子水为清洗剂，在超声频率为100kHz下清洗15～20分钟，即完成超声清洗。
4.根据权利要求1所述的一种无酶葡萄糖电化学传感器的制备方法，其特征在于步骤三中溶液A和溶液B的体积比为1:1。
5.根据权利要求1所述的一种无酶葡萄糖电化学传感器的制备方法，其特征在于步骤四所述烘干具体为将紫色沉淀物放置在60～90℃烘箱中烘干。
6.根据权利要求1所述的一种无酶葡萄糖电化学传感器的制备方法，其特征在于步骤五所述热处理具体为将金属有机骨架材料ZIF-67在空气条件下200～800℃热处理1～4h。
7.根据权利要求1所述的一种无酶葡萄糖电化学传感器的制备方法，其特征在于步骤五所述热处理具体为将金属有机骨架材料ZIF-67在空气条件下600℃热处理1～4h。
8.根据权利要求1所述的一种无酶葡萄糖电化学传感器的制备方法，其特征在于步骤六所述溶剂为去离子水或混合溶剂，所述混合溶剂是由去离子水与异丙醇按体积比为2:1混合得到的。
9.根据权利要求1所述的一种无酶葡萄糖电化学传感器的制备方法，其特征在于步骤六中将黑色粉末加到溶剂中，得到浓度为2～4mg/mL的悬浮液。
10.根据权利要求1所述的一种无酶葡萄糖电化学传感器的制备方法，其特征在于步骤六中在无酶葡萄糖电化学传感器表面滴加Nafion溶液。
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