CN108007998B - 氧化镍非酶葡萄糖电化学传感器 - Google Patents

氧化镍非酶葡萄糖电化学传感器 Download PDF

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Abstract

一种氧化镍非酶葡萄糖电化学传感器，属于检测技术领域。本发明的目的是利用简便的制备方法合成出过渡金属氧化物NiO纳米材料，以构建高灵敏度，宽检测范围及低成本的氧化镍非酶葡萄糖电化学传感器。本发明首先制备氧化镍超薄片层固体，再用NiO超薄片层修饰电极并作为非酶葡萄糖传感器的工作电极。本发明构建高灵敏度，宽检测范围及低成本的非酶葡萄糖传感器，从而实现对葡萄糖的精准检测，并为其产业化应用提供基础数据和理论支持。NiO/GCE具有良好的选择性，不受诸如丙烯酸、尿酸、抗坏血酸的影响，并且反应迅速，在加入葡萄糖溶液之后3 s左右反应电流便趋于稳定。

Description

氧化镍非酶葡萄糖电化学传感器
技术领域
本发明属于检测技术领域。
背景技术
作为主要生命必需化合物之一的葡萄糖，快速、便捷的检测其浓度在社会生产生活的各个领域都显得至关重要，例如，在医疗领域，随着生活水平的提高，糖尿病发病率连年上升，可靠灵敏的检测血糖浓度对糖尿病的预防尤为重要，因此，寻找一种价格低廉，性能优异的葡萄糖传感器一直都是传感器研究领域的研究热点。此外一些工业废水中也含有葡萄糖，该类葡萄糖也常常需要确定其浓度。
基于生物酶的葡萄糖电极，经过五十多年研制和完善，酶类葡萄糖传感器趋于成熟。依据电极上的修饰物是否含有酶，将电化学葡萄糖传感器分为酶类葡萄糖传感器和非酶葡萄糖传感器。酶类葡萄糖传感器可分为三代，但由于生物酶的不稳定性，任何一代酶类葡萄糖传感器都受到环境因素的制约，且将葡萄糖氧化酶固定修饰到电极表面方法十分复杂。
检测葡萄糖的第四代传感器一般认为是非酶葡萄糖传感器，它的电极修饰物主要是以金属元素为活性中心的各种材料，例如金属氧化物、合金、基于碳材料的复合材料等。尽管已经有众多研究人员在非酶葡萄糖传感器的研究领域取得了很多的研究成果，但是，找到一种更为简便的电极材料制备方法，且制得具有高灵敏度、优良的选择性和尽可能宽的线性检测范围电极材料一直是非酶葡萄糖传感器发展的热门方向。在众多可以检测葡萄糖浓度的材料当中，贵金属Pt、Au及其复合材料具有价格高昂，容易中毒等缺点。
发明内容
本发明的目的是利用简便的制备方法合成出过渡金属氧化物NiO纳米材料，以构建高灵敏度，宽检测范围及低成本的氧化镍非酶葡萄糖电化学传感器。
本发明的氧化镍超薄片层固体的制备：
（1）称取0.2 g P123，置于16.5 mL乙醇与1 mL去离子水的混合溶液中，超声15min，形成稳定均一溶液；
（2）向溶液中分别加入0.1455 g Ni(NO3)2和0.07 g HMT，超声15 min，形成稳定均一的浅绿色溶液；
（3）向上述溶液中加入13 mL乙二醇，高密度超声30 min，使溶液形成稳定、均一溶液，放置24h；
（4）将溶液移至50 mL不锈钢水热反应釜中，于170℃反应2 h；
（5）反应结束后，待反应釜冷却至室温，将反应生成物离心，依序使用去离子水和乙醇清洗三遍以去除杂质，并于60℃真空干燥箱干燥12 h，而后将产物置于管式马弗炉中，以3℃/min的速率升温至400℃下焙烧2 h，得到氧化镍超薄片层固体。
本发明在电化学测试之前要对工作电极即玻碳电极进行前期处理；首先将玻碳电极先后分别用0.3 μm和0.05 μm的Al2O3抛光粉在麂皮上打磨抛光，然后依次在去离子水和无水乙醇中超声5 min，以除去残留在电极表面的Al2O3抛光粉，再将打磨好的电极用N2吹干。以打磨后的GCE作为工作电极，饱和甘汞电极电极作为参比电极，铂丝电极作为对电极在含有0.5 mol/L KCl的1 mM K3Fe(CN)6溶液中进行循环伏安扫描测试来检验玻碳电极是否打磨合格。扫描电位为-0.1-0.6 V，扫描速率为50 mV/s，当循环伏安曲线中氧化峰和还原峰的电位差小于85 mV时，玻碳电极方可用于电极修饰，否则，重新打磨洗涤，直到达到标准为止。
本发明构建高灵敏度，宽检测范围及低成本的非酶葡萄糖传感器，从而实现对葡萄糖的精准检测，并为其产业化应用提供基础数据和理论支持。NiO/GCE具有良好的选择性，不受诸如丙烯酸、尿酸、抗坏血酸的影响，并且反应迅速，在加入葡萄糖溶液之后3 s左右反应电流便趋于稳定。
附图说明
图1是NiO材料的XRD的表征结果图；
图2是NiO超薄片层的SEM测试结果及分析图；
图3是原子力显微镜（AFM）表征所制备NiO片层材料的厚度、3D结构等特征图；
图4是NiO材料AFM测试结果及分析图；
图5是NiO/GCE与GCE循环伏安曲线图；
图6是NiO/GCE在不同浓度NaOH溶液中循环伏安曲线；
图7是NiO/GCE不同扫描速率循环伏安曲线；
图8是NiO/GCE峰电流线性拟合；
图9是NiO/GCE在不同浓度葡萄糖溶液中循环伏安曲线；（a.1.0mM，b.1.5 mM，c.2.0 mM，d.2.5 mM，e.3.0 mM）；
图10是NiO/GCE I-t曲线；
图11是NiO/GCE阶梯电流线性拟合；
图12是NiO/GCE选择性测试。
具体实施方式
本发明氧化镍超薄片层固体的制备：
（1）称取0.2 g P123，置于16.5 mL乙醇与1 mL去离子水的混合溶液中，超声15min，形成稳定均一溶液；
（2）向溶液中分别加入0.1455 g Ni(NO3)2和0.07 g HMT，超声15 min，形成稳定均一的浅绿色溶液；
（3）向上述溶液中加入13 mL乙二醇，高密度超声30 min，使溶液形成稳定、均一溶液，放置24h；
（4）将溶液移至50 mL不锈钢水热反应釜中，于170℃反应2 h；
（5）反应结束后，待反应釜冷却至室温，将反应生成物离心，依序使用去离子水和乙醇清洗三遍以去除杂质，并于60℃真空干燥箱干燥12 h，而后将产物置于管式马弗炉中，以3℃/min的速率升温至400℃下焙烧2 h，得到氧化镍超薄片层固体。
本发明在电化学测试之前要对工作电极即玻碳电极（GCE）进行前期处理；首先将玻碳电极（GCE）先后分别用0.3 μm和0.05 μm的Al2O3抛光粉在麂皮上打磨抛光，然后依次在去离子水和无水乙醇中超声5 min，以除去残留在电极表面的Al2O3抛光粉，再将打磨好的电极用N2吹干。以打磨后的GCE作为工作电极，饱和甘汞电极电极作为参比电极，铂丝电极作为对电极在含有0.5 mol/L KCl的1 mM K3Fe(CN)6溶液中进行循环伏安扫描测试来检验玻碳电极是否打磨合格。扫描电位为-0.1-0.6 V，扫描速率为50 mV/s，当循环伏安曲线中氧化峰和还原峰的电位差小于85 mV时，玻碳电极方可用于电极修饰，否则，重新打磨洗涤，直到达到标准为止。
实施例1
一种氧化镍超薄片层材料的制备与构建非酶葡萄糖传感器，包括氧化镍超薄片层的制备，所述的氧化镍超薄片层的制备：称取0.2 gP123溶于16.5 mL乙醇与1 mL去离子水的混合溶液中，超声15min至溶解，加入0.1455 g硝酸镍和0.070 gHMT超声至溶解，得到稳定溶液，加入13 mL乙二醇，高密度超声30min，装斧170℃下反应2小时，得到沉淀去离子水洗三遍，乙醇洗三遍，真空干燥箱60℃干燥12小时，得到产物400℃下煅烧2 h，得到氧化镍固体。修饰玻碳电极制备：称取少量该固体，加入0.5% nafion溶液与乙醇溶液，超声分散至墨水状，将该分散液滴涂到前期处理好的玻碳电极表面，空气中晾干，得到NiO/GCE电极，用于电化学检测葡萄糖溶液。
实施例2
一种氧化镍超薄片层材料的制备与构建非酶葡萄糖传感器，包括氧化镍超薄片层的制备，所述的氧化镍超薄片层的制备：称取0.1 gP123溶于16.5 mL乙醇与1 mL去离子水的混合溶液中，超声15min至溶解，加入0.1455 g硝酸镍和0.045 gHMT超声至溶解，得到稳定溶液，加入13 mL乙二醇，高密度超声30min，装斧170℃下反应2小时，得到沉淀去离子水洗三遍，乙醇洗三遍，真空干燥箱60℃干燥12小时，得到产物400℃下煅烧2 h，得到氧化镍固体。修饰玻碳电极制备：称取少量该固体，加入0.5% nafion溶液与乙醇溶液，超声分散至墨水状，将该分散液滴涂到前期处理好的玻碳电极表面，空气中晾干，得到NiO/GCE电极，用于电化学检测葡萄糖溶液。
实施例3
一种氧化镍超薄片层材料的制备与构建非酶葡萄糖传感器，包括氧化镍超薄片层的制备，所述的氧化镍超薄片层的制备：称取0.2 gP123溶于16.5 mL乙醇与1 mL去离子水的混合溶液中，超声15min至溶解，加入0.1455 g硝酸镍和0.070 gHMT超声至溶解，得到稳定溶液，加入13 mL乙二醇，高密度超声30min，装斧170℃下反应4小时，得到沉淀去离子水洗三遍，乙醇洗三遍，真空干燥箱60℃干燥12小时，得到产物400℃下煅烧2 h，得到氧化镍固体。修饰玻碳电极制备：称取少量该固体，加入0.5% nafion溶液与乙醇溶液，超声分散至墨水状，将该分散液滴涂到前期处理好的玻碳电极表面，空气中晾干，得到NiO/GCE电极，用于电化学检测葡萄糖溶液。
实施例4
一种氧化镍超薄片层材料的制备与构建非酶葡萄糖传感器，包括氧化镍超薄片层的制备，所述的氧化镍超薄片层的制备：称取0.2 gP123溶于16.5 mL乙醇与1 mL去离子水的混合溶液中，超声15min至溶解，加入0.1455 g硝酸镍和0.070 gHMT超声至溶解，得到稳定溶液，加入13 mL乙二醇，高密度超声30min，装斧170℃下反应2小时，得到沉淀去离子水洗三遍，乙醇洗三遍，真空干燥箱60℃干燥12小时，得到产物200℃下煅烧2 h，得到氧化镍固体。修饰玻碳电极制备：称取少量该固体，加入0.5% nafion溶液与乙醇溶液，超声分散至墨水状，将该分散液滴涂到前期处理好的玻碳电极表面，空气中晾干，得到NiO/GCE电极，用于电化学检测葡萄糖溶液。
实施例5
一种氧化镍超薄片层材料的制备与构建非酶葡萄糖传感器，包括氧化镍超薄片层的制备，所述的氧化镍超薄片层的制备：称取0.1 gP123溶于16.5 mL乙醇与1 mL去离子水的混合溶液中，超声15min至溶解，加入0.1455 g硝酸镍和0.045 gHMT超声至溶解，得到稳定溶液，加入13 mL乙二醇，高密度超声30min，装斧170℃下反应2小时，得到沉淀去离子水洗三遍，乙醇洗三遍，真空干燥箱60℃干燥12小时，得到产物200℃下煅烧2 h，得到氧化镍固体。修饰玻碳电极制备：称取少量该固体，加入0.5% nafion溶液与乙醇溶液，超声分散至墨水状，将该分散液滴涂到前期处理好的玻碳电极表面，空气中晾干，得到NiO/GCE电极，用于电化学检测葡萄糖溶液。
实施例6
分别将实施例1-5中NiO/GCE用于电化学检测，电化学性能测试在电化学工作站测试系统上进行，NiO/GCE为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂丝电极为辅助电极构成三电极体系。电解液为0.1 M的氢氧化钠溶液。电化学工作站购置上海辰华公司。
本发明合成NiO超薄片层具有操作简单，合成材料性质优异的特点；在溶剂热法制备NiO的过程中，模板剂P123的引入与HMT发生协同作用使得合成的NiO纳米材料为均匀的超薄片层结构，该结构具有比表面积大，活性位点多，电化学活性好的特点。并将NiO片层材料修饰玻碳电极并作为工作电极构建非酶葡萄糖传感器，分析该电化学传感器的性能。
NiO材料XRD表征：
通过XRD扫描对NiO材料进行定性分析，NiO材料的XRD的表征结果如图1所示。
XRD图谱出峰位置与NiO标准卡片#22-1189相对应，在2θ=37.248°、43.297°、62.868°、62.916°、75.372°、75.470°、79.359°与NiO的（003）、（012）、（104）、（110）、（015）、（021）、（006）晶面一一对应，并且特征峰明显，衍射峰强度大，峰尖明显，没有其他杂峰出现，说明本实验所合成的NiO材料的结晶性好，没有杂质，产物较纯。
NiO材料SEM表征
通过扫描电子显微镜（SEM）表征所制备NiO材料的形貌、结构等特征。溶剂热法制备NiO超薄片层的SEM测试结果及分析如图2所示。
从图中可以看出，焙烧后所得的NiO超薄片层是具有二维结构的片层纳米花状材料，片层明显，且结构均匀；这种超薄的层状结构具有较大的比表面积，且产物均匀，在这个扫描区域内基本都是片层花状结构。
NiO材料AFM表征
通过原子力显微镜（AFM）表征所制备NiO片层材料的厚度、3D结构等特征。NiO材料AFM测试结果及分析如图3、图4所示。
由图中可以看出，该实验所合成的NiO材料为均匀的片层结构，在这个扫描范围内该材料的平均厚度为2.8nm，该纳米片极大的增加了NiO材料的比表面积。
NiO修饰电极制备
将玻碳电极前期处理备用。将NiO材料加入到Nafion与无水乙醇的混合溶液中，超声分散至稳定均一的悬浊液，取10 μL该分散液滴涂于前期处理好备用的玻碳电极表面，在N2保护下晾干，即得NiO超薄片层修饰电极（NiO/GCE）并作为非酶葡萄糖传感器的工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极，铂丝电极作为对电极，构成三电极系统。
NiO/GCE与GCE循环伏安曲线比较
将氧化镍修饰电极（NiO/GCE）与裸电极（GCE）比较，分别将NiO/GCE与GCE置于NaOH浓度为100 mM，葡萄糖浓度为2 mM的底液中，进行循环伏安（C-V）扫描，扫描电压范围为-0.4-1.0 V，扫描速率为50 mV/s，结果如图5所示。
从图中可以看出，在碱性条件下，葡萄糖在裸GCE表面的响应电流极弱，没有明显的氧化还原峰出现；但是，在GCE表面修饰适量的NiO材料后，在0.46 V左右出现明显的还原峰，在0.30 V左右出现明显的氧化峰，且其他电流都相应增强，说明NiO材料对葡萄糖具有电化学催化活性，NiO材料修饰GCE电极之后，氧化还原峰电流明显增强[85]，这归功于NiO超薄片层超大的比表面积，使其具有更好的电化学活性，良好的改善了电极的导电性与催化活性，加快了电子传递速度并且在电化学循环伏安法下，NiO/GCE会与葡萄糖发生氧化还原反应，证明NiO超薄片层修饰GCE电极具有检测葡萄糖的能力。
NaOH浓度对NiO/GCE影响
在碱性条件下检测葡萄糖浓度，相同电位、相同葡萄糖浓度条件下，高浓度NaOH溶液可以提供更多的羟基自由基，因此，NaOH浓度的变化会对葡萄糖检测产生一定的影响。NiO/GCE在不同浓度的NaOH溶液中对2 mM葡萄糖检测的循环伏安曲线如图6所示，循环伏安法的扫描速率为50 mV/s，NaOH浓度为50-250 mM。
从图中可以看出，随着NaOH浓度的增加，响应电流逐渐增大，当NaOH浓度增加至200 mM与250 mM时，响应电流增加量很小，这与在GCE表面，所修饰的NiO材料的负载量有关。
扫描速率对NiO/GCE影响
NiO/GCE在100 mM NaOH溶液中检测浓度为2 mM的葡萄糖，调变扫描速率为70 mV/s、60 mV/s、50 mV/s、40 mV/s、30 mV/s、20 mV/s、10 mV/s，其循环伏安曲线及分析如图7、图8所示。如图所示，随着扫描速率的增大，响应电流发生变化，对峰电流拟合标准曲线，所得方程式如式3-1所示：
Figure 326545DEST_PATH_IMAGE001
（3-1）
其中，y表示电流密度，x表示扫描速率，由上式可以看出，峰电流与扫描速率成正比关系，相关系数R2=0.99985，可以表明NiO/GCE对葡萄糖的电催化氧化反应是一个典型的表面吸附控制过程的电化学行为。
葡萄糖浓度对NiO/GCE影响
研究NiO修饰的GCE电极在非酶葡萄糖传感器的适用性，研究NiO/GCE在100 mMNaOH溶液中检测不同浓度葡萄糖的循环伏安曲线，C-V扫描速率为50 mV/s，检测葡萄糖浓度为1.0-3.0 mM，结果如图9所示。
从图中可以看出，随着葡萄糖浓度的增加，NiO/GCE的扫描电流也随之增大，且浓度越大，扫描电流越大，因此NiO/GCE对不同浓度的葡萄糖具有良好的电化学性质。
电流-时间法检测NiO/GCE
首先通过循环伏安检测确定其氧化还原峰出峰电压，并选用其作为电流-时间法检测的初始电位，通过检测得到NiO/GCE 的出峰电位为0.46V，在0.46 V初始电压下，在100mM NaOH溶液中连续加入葡萄糖进行电流-时间法测试（I-t），测试及分析结果如图10、图11所示。
由NiO/GCE构建的非酶葡萄糖传感器体系中，成功对浓度500nM到3.5 mM葡萄糖溶液实现了电化学检测，NiO/GCE的线性响应可达2.0 mM（R2=0.99514），而且响应速度快，在加入葡萄糖瞬间电流即发生变化，几秒钟内电流已稳定，NiO/GCE灵敏度为2550.693 μA·cm-2·mM-1，检测限低至72nM（S/N=3）。因此，具有超薄片层结构的材料具有更加优异的电化学性质，由该NiO材料修饰的玻碳电极所构建的非酶葡萄糖传感器在检测葡萄糖浓度时有高的灵敏度与更低的检测限。表明NiO/GCE对葡萄糖实现良好的电化学检测。
NiO/GCE选择性检测
在100 mM NaOH与2 mM葡萄糖的混合溶液中分别依次加入0.1 mM丙烯酸、0.1 mM尿酸、0.1 mM抗坏血酸，NiO/GCE对葡萄糖仍然实现了准确的检测，在检测过程中，其他杂质的存在没有改变响应电流的大小，说明NiO/GCE具有良好的选择性，如图12所示。
（1）在模板剂P123存在的条件下，合成了纳米花状具有超薄片层结构的NiO材料，通过一系列表征证明所合成材料为NiO，产物纯度高，结晶度好；并证明NiO材料为规则均匀的纳米花状超薄片层材料，片层厚度为2.6nm左右。
（2）将NiO材料修饰到玻碳电极表面，得到NiO/GCE工作电极，并用于构建电化学非酶葡萄糖传感器。通过循环伏安法测试，在碱性条件下，NiO/GCE可应用于葡萄糖浓度的检测，并表明NiO/GCE对葡萄糖的电催化氧化是典型的表面吸附控制过程；通过电流-时间法的检测，表明NiO/GCE对500 nM到3.5 mM浓度的葡萄糖成功实现了电化学检测，灵敏度为2550.693 μA·cm-2·mM-1，高的灵敏度主要归功于纳米花状超薄片层NiO具有超大的比表面积，可以提供更多的电子用于葡萄糖催化氧化反应。检测下限为72 nM（S/N=3）。NiO/GCE具有良好的选择性，不受诸如丙烯酸、尿酸、抗坏血酸的影响，并且反应迅速，在加入葡萄糖溶液之后3 s左右反应电流便趋于稳定。

Claims (2)

1.一种氧化镍非酶葡萄糖电化学传感器，其特征在于：氧化镍超薄片层固体的制备：
（1）称取0.2 g P123，置于16.5 mL乙醇与1 mL去离子水的混合溶液中，超声15 min，形成稳定均一溶液；
（2）向溶液中分别加入0.1455 g Ni(NO3)2和0.07 g HMT，超声15 min，形成稳定均一的浅绿色溶液；
（3）向上述溶液中加入13 mL乙二醇，高密度超声30 min，使溶液形成稳定、均一溶液，放置24h；
（4）将溶液移至50 mL不锈钢水热反应釜中，于170℃反应2 h；
（5）反应结束后，待反应釜冷却至室温，将反应生成物离心，依序使用去离子水和乙醇清洗三遍以去除杂质，并于60℃真空干燥箱干燥12 h，而后将产物置于管式马弗炉中，以3℃/min的速率升温至400℃下焙烧2 h，得到氧化镍超薄片层固体，超薄片层平均厚度为2.8nm。
2.根据权利要求1所述的氧化镍非酶葡萄糖电化学传感器，其特征在于：在电化学测试之前要对工作电极即玻碳电极进行前期处理；首先将玻碳电极先后分别用0.3 μm和0.05 μm的Al2O3抛光粉在麂皮上打磨抛光，然后依次在去离子水和无水乙醇中超声5 min，以除去残留在电极表面的Al2O3抛光粉，再将打磨好的电极用N2吹干；以打磨后的GCE作为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极，铂丝电极作为对电极在含有0.5 mol/L KCl的1 mM K3Fe(CN)6溶液中进行循环伏安扫描测试来检验玻碳电极是否打磨合格；扫描电位为-0.1-0.6V，扫描速率为50 mV/s，当循环伏安曲线中氧化峰和还原峰的电位差小于85 mV时，玻碳电极方可用于电极修饰，否则，重新打磨洗涤，直到达到标准为止。
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