CN106290517A - 一种高灵敏度的葡萄糖无酶传感器电极材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高灵敏度的葡萄糖无酶传感器电极材料及其制备方法，具体通过简单的一步电沉积方法，在一次制备环节中通过控制电化学还原铜离子和电化学析氢诱导钴离子的化学沉积来实现铜纳米粒子和氢氧化钴纳米片的可控沉积过程，得到了于导电基底上共同负载的氢氧化钴纳米片与铜金属纳米粒子相互交错、支撑而形成的包含纳米片和纳米粒子有序多级结构的葡萄糖无酶传感器电极材料。本发明的制备方法工艺简单、易于操作、所需设备成本低，所制得的电极材料在用于葡萄糖传感器时的灵敏度超过20mA·mM‑1·cm‑2。
Description
技术领域
本发明属于葡萄糖检测领域，具体涉及一种葡萄糖电化学无酶传感器电极材料及其制备方法。
背景技术
葡萄糖的检测在医疗、食品工业以及生物工程中有着广泛的应用。在生物发酵工业，葡萄糖是多种细菌发酵的重要营养来源，快速准确得到葡萄糖浓度是有助于对发酵过程进行及时调整和优化。在医疗领域，血液中葡萄糖浓度也是人体健康的一个重要标准，2015年中国糖尿病人已经超过1亿，发展高灵敏度、快速、低成本的血糖快速检测方法也是现实迫切需求。此外，实现腹膜透析出液中的葡萄糖浓度的快速定量对反馈、评价、调整腹膜透析液过程也具有重要的参考价值。
目前葡萄糖检测方法包括高效液相色谱法、荧光法、电化学传感器法等。电化学传感器是一种小型化、低成本、快速的检测葡萄糖的装置。相比于酶基葡萄糖传感器，无酶传感器具备对温度，pH，湿度的适应性强，测量稳定性好的显著优点。而提高传感器电极材料的性能对单位浓度葡萄糖的响应值(灵敏度)、对提高葡萄糖传感器的检测限，检测范围以及实现设备的低成本和小型化都有着重要的意义。
已有报道的电化学无酶传感器电极材料包括贵金属Pt、Pd及其合金，非贵金属(Mn、Co、Ni、Fe等)单质及其合金、氧化物或氢氧化物，非贵金属类电催化剂成本低，但是灵敏度有限，普遍低于5mA·mM-1·cm-2(Biosensors and Bioelectronics.2015；66：308-15；ElectrochimicaActa；2015，169：195-201.)。由此制备的传感器对于低浓度葡萄糖难以产生显著的响应电流，对检测设备的电子器件的灵敏度也提出了苛刻的要求。
通过电极材料的纳米化，有利于进一步提高电化学活性面积，有望进一步提高灵敏度。传统的先制备纳米材料然后后续负载到电极基体上的方法，在由纳米尺度的微观个体构建宏观电极时，存在不同纳米个体之间的有序性差和整体强度低的问题。同时，易导致电极内传质途径曲折甚至封闭的缺点，无法充分利用其高的比表面积。而通过在导电基底上直接原位生长有序结构的纳米电极材料能够改善被测目标物和电解质的传质过程，有助于提高电极材料的机械强度，而且避免了粘结剂的使用，改善了不同纳米个体之间电子传导的“瓶颈效应”。常见的原位负载方法包括水热法、化学气相沉积、电化学沉积法及其相结合的方法等。水热法时间长，化学气相沉积法成本高、设备要求高，传统电化学沉积法制备复杂电极材料时存在步骤繁琐的缺点。如何采用简单的方法制备高灵敏度的、多级结构的复合电极材料是一项有挑战性的工作。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种包含氢氧化钴纳米片(Co(OH)2Nfs)和铜金属纳米粒子(Cu Nps)的高灵敏度无酶葡萄糖传感器电极材料及其制备方法。
该电极材料包括导电基底、氢氧化钴纳米片与铜金属纳米粒子，其中，负载于导电基底上的氢氧化钴纳米片与铜金属纳米粒子相互交错、支撑，形成包含氢氧化钴纳米片和铜金属纳米粒子多级结构。
其中，部分铜金属纳米粒子直接负载在导电基底表面上，其余部分铜金属纳米粒子负载于氢氧化钴纳米片表面，而后共同负载于已经负载了铜金属纳米粒子的导电基底表面。
本发明还提出了一种一步电沉积法制备包含氢氧化钴纳米片(Co(OH)2Nfs)和铜金属纳米粒子(Cu Nps)的高灵敏度无酶葡萄糖传感器电极材料的方法，包括以下步骤：
(1)配置铜、钴金属盐和pH缓冲剂的混合溶液，然后调节pH范围到2～5之间，以保证溶液中不直接发生金属阳离子的沉淀反应；
(2)在步骤(1)得到的溶液中通入氮气或氩气去除溶解氧；
(3)将步骤(2)得到的溶液通入电解池，以惰性电极为辅助阳极，以需要沉积Co(OH)2Nfs和Cu Nps的导电基底为阴极，施加一定大小的阴极还原电流进行电沉积；电流密度范围为1～500mA·cm-2。
(4)电沉积结束后迅速取出电极，水洗后晾干。
所述步骤(1)中Cu的浓度为0.5～200mM，Cu/Co比例范围为10∶1～1∶10；
所述pH缓冲剂可以是硫酸铵、氯化铵、醋酸钠等；
所述惰性电极可以是不锈钢、铂、石墨或钛镀钌等；
所述作导电基底可以是泡沫镍、不锈钢网、石墨纤维毡、或碳纤维纸等；
所述步骤(3)中施加的电流密度范围为1～500mA·cm-2；
所述步骤(3)中电沉积时间范围为3～1200s。
本发明提供的制备方法并未采用多步复杂的方法，而是通过简单的一步电沉积方法，在一次制备环节中实现Cu Nps和Co(OH)2Nfs的可控沉积过程。
该过程的阴极反应如下：
电化学反应：
电化学析氢诱导的沉积反应：
Co2++2OH-→Co(OH)2 (式3)
在阴极电沉积过程中，Cu2+的还原反应的电位为0.281V(式1)高于析氢反应的还原电位(-0.237V，式2)，因此Cu2+的还原反应优先在导电基底M上发生，Cu2+在电极表面被还原为Cu粒子。随着阴极附近Cu2+的逐渐消耗，电极表面发生析氢反应。随着析氢反应的进行，电极附近OH-浓度越来越高，OH-与Co2+结合形成Co(OH)2。
相比而言，Co2+需要在比析氢反应更负的电极电势条件下才能被还原为单质(如式4所示)因此Co2+在该电沉积液中难有机会被电化学还原，析氢反应发生后，阴极附近的Co2+与生成的OH-结合，生成Co(OH)2纳米片，沉淀反应发生时还伴随着剩余Cu2+的电化学还原过程。
因此，最终得到具有多级结构的Co(OH)2Nfs/Cu Nps/M电极材料(如附图1所示)，在与导电基底直接接触的部分是首先电化学还原形成的Cu纳米粒子为主(附图3所示)，然后是Co(OH)2纳米片和Cu纳米粒子相互交错构建的复合材料(附图4所示)。
本发明的电极材料具有以下显著优点：
(1)其是一种同时包含Co(OH)2Nfs和Cu Nps的复合材料；(2)包含纳米片和纳米粒子的交错多孔复合结构；(3)电沉积初期沉积的铜纳米粒子提高了导电基底的粗糙度，并改善了后期沉积Co(OH)2纳米片与导电基底之间的电子传导性；(4)后期沉积Co(OH)2纳米片交错生长，形成的纳米多孔环境有利于电化学反应发生时的传质步骤，也有利于为纳米铜粒子的负载提供一个高比表面积的载体；(5)反过来，共沉积的Cu纳米粒子则进一步改善了Co(OH)2纳米片导电性不足的问题。以上五点均有助于提高具有多级纳米结构的Co(OH)2Nfs/Cu Nps/M复合电极材料的灵敏度。
本发明用于制备具有多级纳米结构的Co(OH)2Nfs/Cu Nps/M复合电极材料的方法具有以下四个显著优点：(1)无需繁琐的实验步骤，一个实验步骤完成了电化学还原-析氢诱导沉积两个过程；(2)无需使用特殊试剂，方法简单，所需电沉积设备成本低；(3)制备时间短，一般仅为数分钟；(4)活性材料在电极基底上原位沉积，无需使用粘结剂。
附图说明
图1是具有多级结构的Co(OH)2Nfs/Cu Nps/M复合电极的截面结构示意图。1，氢氧化钴纳米片；2，铜纳米粒子；3，电极基体。
图2是具有多级结构的Co(OH)2Nfs/Cu Nps/M复合电极制备方法的流程示意图。
图3是电沉积3s所制备的Co(OH)2Nfs/CuNps/M复合电极的扫描电镜照片。
图4是电沉积300s所制备的Co(OH)2Nfs/Cu Nps/M复合电极的扫描电镜照片。
具体实施方式
实施例1
先配置20mM(NH 4 ) 2 SO 4 -10mM CuSO 4 -10mM CoSO 4 混合溶液，然后用1M H2SO4调节pH到4作为电解液备用，通入氩气30min去除溶解氧。以2片钛镀钌为辅助阳极，以1片泡沫镍为工作电极(阴极)，按照阳极-阴极-阳极的顺序平行放置，加入配好的电解液，施加25mA·cm-2的电流进行沉积300s。电沉积过程结束后迅速取出电极，然后经清水洗净后晾干备用。将此复合电极材料与导线焊接封装后，作为葡萄糖传感器的工作电极，以镍丝为辅助电极，在0.1M KOH溶液中对葡萄糖进行检测，灵敏度高达40.2mA·mM-1·cm-2。
实施例2
先配置10mM NH 4 NO 3 -10mM Cu(NO3)2-10mM Co(NO3)2混合溶液，然后用1M HNO3调节pH到4.5作为电解液备用，通入氩气30min去除溶解氧。以2片钛镀钌为辅助阳极，以1片泡沫镍为工作电极(阴极)，按照阳极-阴极-阳极的顺序平行放置，加入配好的电解液。施加10mA·cm-2的电流进行沉积360s。电沉积过程结束后迅速取出电极，然后经清水洗净后晾干备用。将此复合电极材料与导线焊接封装后，作为葡萄糖传感器的工作电极，以镍丝为辅助电极，在0.1M KOH溶液中对葡萄糖进行检测，灵敏度高达38.4mA·mM-1·cm-2。
实施例3
先配置25mM(NH 4 ) 2 SO 4 -5mM CuSO 4 -20mM CoSO 4 混合溶液，然后用1M H2SO4调节pH到3.5作为电解液备用，通入氩气30min去除溶解氧。以2片钛镀钌为辅助阳极，以1片泡沫镍为工作电极(阴极)，按照阳极-阴极-阳极的顺序平行放置，加入配好的电解液，施加100mAcm-2的电流进行沉积120s。电沉积过程结束后迅速取出电极，然后经清水洗净后晾干备用。将此复合电极材料与导线焊接封装后，作为葡萄糖传感器的工作电极，以镍丝为辅助电极，在0.1M KOH溶液中对葡萄糖进行检测，灵敏度高达42.6mA·mM-1·cm-2。
Claims (11)
1.一种高灵敏度无酶葡萄糖传感器电极材料，该电极材料包括导电基底、氢氧化钴纳米片与铜金属纳米粒子，其特征在于：负载于导电基底上的氢氧化钴纳米片与铜金属纳米粒子相互交错、支撑，形成包含氢氧化钴纳米片和铜金属纳米粒子多级结构。
2.如权利要求1所述的高灵敏度无酶葡萄糖传感器电极材料，其特征在于：部分铜金属纳米粒子直接负载在导电基底表面上，其余部分铜金属纳米粒子先负载于氢氧化钴纳米片表面，而后共同负载于已经负载了铜金属纳米粒子的导电基底表面。
3.一种一步电沉积法制备如权利要求1所述的高灵敏度无酶葡萄糖传感器电极材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)配置铜、钴金属盐和pH缓冲剂的混合溶液，然后调节pH范围到2～5之间，以保证溶液中不直接发生金属阳离子的沉淀反应；
(2)在步骤(1)得到的溶液中通入氮气或氩气去除溶解氧；
(3)将步骤(2)得到的溶液通入电解池，以惰性电极为辅助阳极，以需要沉积氢氧化钴纳米片和铜纳米粒子的导电基底为阴极，施加一定大小的阴极还原电流进行电沉积；该过程包括电化学还原铜离子和电化学析氢诱导钴离子的化学沉积，电流密度范围为1～500mA·cm-2。
(4)电沉积结束后迅速取出电极，水洗后晾干。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中Cu的浓度为0.5～200mM，Cu/Co比例范围为10∶1～1∶10。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述pH缓冲剂是硫酸铵、氯化铵或醋酸钠。
6.如权利要求3-5任一项所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中通入氮气或氩气30min去除溶解氧。
7.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述惰性电极是不锈钢、铂、石墨或钛镀钌。
8.如权利要求3或7所述的方法，其特征在于：所述导电基底可以是泡沫镍、不锈钢网、石墨纤维毡、或碳纤维纸。
9.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中施加的电流密度范围为1～500mA·cm-2。
10.如权利要求3或9所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中电沉积时间范围为3～1200s。
11.本发明涉及的方法和技术包括但不限于用于测量葡萄糖浓度传感器的制作。
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