CN108918614B - 一种葡萄糖传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种葡萄糖传感器及其制备方法,包括以填充葡萄糖氧化酶溶液的中空管状石墨烯纤维为工作电极的二电极葡萄糖传感器或三电极葡萄糖传感器,制备时,采用化学气相沉积法生长连续的中空石墨烯管,将填充有葡萄糖氧化酶溶液的石墨烯管从溶液中拉出,得到工作电极。与现有技术相比,本发明的葡萄糖氧化酶被包覆在连续的石墨烯内部,无需任何酶固定步骤即可对酶起到极好的保护作用;且外层石墨烯优异的导电性能够保证电荷的快速转移和传输,使其具有超高的葡萄糖浓度传感性能。本发明进一步发展了结构更为简单的两电极体系葡萄糖传感器,具有较高的灵敏度和可重复性,在柔性、可穿戴器件领域具有极大的应用潜力。
Description
技术领域
本发明涉及葡萄糖浓度检测的技术领域,具体涉及一种葡萄糖传感器及其制备方法。
背景技术
随着生活水平日益提高,糖尿病对人们身体健康的威胁也在日益加剧,因此,葡萄糖的高灵敏检测受到人们的广泛关注。由于其优异的导电性和化学稳定性,纳米碳材料(如碳纳米管、石墨烯等)被广泛用于葡萄糖传感器的电极材料。但是,单一的纳米碳电极材料对葡萄糖的电化学灵敏度较低,通常需要通过物理吸附或化学固定法结合葡萄糖氧化酶获得高灵敏度的葡萄糖传感电极。物理吸附法所得到的样品在使用过程中,葡萄糖氧化酶极易从纳米碳材料表面解离,导致其灵敏度急剧降低;化学固定法步骤繁琐,而且容易导致葡萄糖氧化酶失活,这两个技术瓶颈严重限制了该类型葡萄糖传感器件的发展。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种灵敏度高的葡萄糖传感器及其制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:一种葡萄糖传感器,所述葡萄糖传感器以填充葡萄糖氧化酶的石墨烯纤维为工作电极,所述葡萄糖氧化酶填充固定在石墨烯纤维的内部,所述葡萄糖传感器包括二电极葡萄糖传感器或三电极葡萄糖传感器。
本发明所涉及的三电极体系葡萄糖传感器,器件的灵敏度达646.5μA mM-1cm-2,其最低检出限可至10nM。本发明提供的柔性两电极葡萄糖传感器,器件的灵敏度达69.87μAmM-1cm-2,其最低检出限可至10nM;器件在不同弯曲角度(0~90°)下仍然保持90%以上的灵敏度,这是因为导电性较好的石墨烯纤维使电子传输速度更快,而且中空管状的石墨烯纤维可以容纳固定更多的葡萄糖氧化酶,所以使得葡萄糖传感器的灵敏度高。另外,由于石墨烯纤维具有较好的柔性,使得葡萄糖传感器具备良好的柔性。
所述的中空管状石墨烯纤维的截面中石墨烯纤维的层数为3~20层。
所述的二电极葡萄糖传感器以填充葡萄糖氧化酶的石墨烯纤维为工作电极,以修饰铂纳米颗粒的石墨烯复合纤维为对电极及参比电极。优选的,二电极葡萄糖传感器是将工作电极及参比电极缠绕在柔性聚合物棒上,且两电极间保持一定距离(0.1~5毫米)以防短路。
所述的三电极葡萄糖传感器以填充葡萄糖氧化酶的石墨烯纤维为工作电极,以铂丝电极为对电极,以饱和甘汞电极为参比电极。
一种如上所述葡萄糖传感器的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)通过化学气相沉积法在铜丝基底表面生长石墨烯,得到表面生长有石墨烯的铜丝;
(2)将表面生长有石墨烯的铜丝置于刻蚀液中,待铜丝基底刻蚀去除,得到连续的中空石墨烯管;
(3)将中空石墨烯管转移至去离子水中清洗至pH为中性,然后浸泡在葡萄糖氧化酶的磷酸盐缓冲溶液,然后用镊子将填充有葡萄糖氧化酶的磷酸盐缓冲溶液的中空石墨烯管从葡萄糖氧化酶的磷酸盐缓冲溶液中拉出,得到工作电极;
(4)将步骤(3)所得工作电极与修饰铂纳米颗粒的石墨烯复合纤维共同组成二电极葡萄糖传感器;或将步骤(3)所得工作电极与铂丝电极及饱和甘汞电极共同组成三电极葡萄糖传感器。
所述的铜丝基底的直径为0.05~1.5mm,在进行化学气相沉积法之前,所述铜丝基底在丙酮中超声清洗5~30min后,在1~3mol/L的盐酸溶液中浸泡3~12h,然后用去离子水冲洗。铜是生长高质量、大面积的单层或多层石墨烯理想的生长基底和催化剂;而且在铜丝表面生长的石墨烯在去除铜基底后,可以得到含有边界缺陷更少的中空石墨烯管,在从溶液中拉出时能耐受各种溶液或试剂的表面张力而不会被拉断,从而形成直径更均匀、密度更低的石墨烯纤维。铜丝基底的预处理,可以去除铜丝表面的油污及杂质,从而避免油污及杂质对石墨烯的生长造成影响。
所述化学气相沉淀法以甲烷为碳源,以氩气和氢气混合气为载气,所述氩气、氢气和甲烷的流量分别为350~450sccm、60~100sccm和50~70sccm;所述化学气相沉积法的石墨烯生长时间2~20min。
所述刻蚀液为溶有氯化铁的盐酸溶液。
所述葡萄糖氧化酶的磷酸盐缓冲溶液中的葡萄糖氧化酶的浓度为0~20mg/mL,且不为0,所述中空石墨烯管在葡萄糖氧化酶的磷酸盐缓冲溶液中的浸泡时间为2~10h。
将中空石墨管从葡萄糖氧化酶的磷酸盐缓冲溶液中拉出的过程中,即中空石墨烯管收缩为石墨烯纤维的过程中,主要利用了溶液表面张力的作用,在此过程中会出现三个界面,分别为石墨烯和溶液之间的固液界面、石墨烯和空气之间的固气界面以及空气和溶液之间的气液界面。这三种界面之间存在着不同的表面张力,而当固液界面和固气界面的表面张力之和大于或等于气液界面的表面张力时,固体界面在离开液体进入气体的过程中就会产生弯曲收缩的趋势,从而使中空石墨烯管在离开液面时即迅速收缩形成石墨烯纤维。
优选的,修饰了铂纳米颗粒的石墨烯纤维电极通过以下方法制得:以氯铂酸钾及氯化钾(摩尔浓度比为1:100±10)混合溶液为电解液、以石墨烯纤维为工作电极、铂丝为对电极、Ag/AgCl电极为参比电极。使用恒电压沉积法进行电化学沉积,首先在0.5±0.1V电压下工作10±5s,然后在-0.7±0.1V电压下工作10±5s,循环0~100次后,得到表面沉积有铂纳米颗粒的石墨烯复合纤维。
与现有技术相比,本发明的有益效果体现在以下几方面:
(1)本发明突破了传统物理吸附法的易脱附和化学固定法易导致葡萄糖氧化酶失活的局限;
(2)本发明利用连续石墨烯的中空结构及其优异的导电性,所制备的葡萄糖传感器具有超高的灵敏度(646.5μA mM-1cm-2)及超低的检测极限(10nM);
(3)本发明将结构较复杂的三电极葡萄糖传感器简化为两电极葡萄糖传感器,不仅具有良好的灵敏度(69.87μA mM-1cm-2)及较低的检测极限(10nM),还具有优异的柔性,在柔性、便携电子器件领域具有极大的应用潜力。
附图说明
图1为内部填充固定葡萄糖氧化酶的石墨烯纤维电极示意图;
图2为柔性两电极体系葡萄糖传感器的结构示意图;
图3a、图3b图3c为内部填充固定葡萄糖氧化酶的石墨烯纤维的扫描电子显微镜照片;
图4a、图4b、图4c和图4d为化学气相沉积法分别生长2,5,10,15min的石墨烯的原子力显微镜扫描照片;
图5a、图5b图5c和图5d为化学气相沉积法分别生长2,5,10,15min的石墨烯的原子力显微镜厚度台阶曲线;
图6为石墨烯纤维、葡萄糖氧化酶、内部填充葡萄糖氧化酶的石墨烯纤维的红外图谱;
图7为三电极体系下,内部填充葡萄糖氧化酶的石墨烯电极在不同葡萄糖浓度下的LSV曲线;
图8为三电极体系下,从不同葡萄糖氧化酶含量的溶液中得到的石墨烯纤维在添加不同浓度葡萄糖时电流-时间变化曲线;
图9为三电极体系下,从不同葡萄糖氧化酶含量的溶液中得到的石墨烯纤维在不同葡萄糖浓度下的电流和葡萄糖浓度的曲线;
图10为三电极体系内部填充葡萄糖氧化酶的石墨烯电极在PBS缓冲液中循环稳定性测试结果,插图为10次循环时的响应电流与时间的变化曲线;
图11为三电极体系内部填充葡萄糖氧化酶的石墨烯电极在血清中循环稳定性测试结果,插图为10次循环时的响应电流与时间的变化曲线;
图12为三电极体系下,内部填充葡萄糖氧化酶的石墨烯电极对葡萄糖浓度的灵敏度与其他文献对比图;
图13为两电极体系下,三种不同葡萄糖传感器件的响应电流与时间的变化曲线;
图14为两电极体系下,三种不同葡萄糖传感器件的响应电流随葡萄糖浓度的变化;
图15为柔性两电极体系下,葡萄糖传感器件在血清中循环稳定性测试结果,插图为10次循环时的响应电流随时间的变化;
图16为柔性两电极体系下,葡萄糖传感器在不同弯曲状态下循环稳定性测试结果,插图为不同弯曲状态下的照片。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明,本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式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
(1)以直径为640μm的铜丝为生长基底,在丙酮中超声清洗10分钟后,用去离子水冲洗并浸泡于3mol/L的盐酸溶液中8h,然后用去离子水及乙醇交替清洗3-5次。
(2)将处理好的铜丝放入石英管式炉中,以氩气(400sccm)和氢气(80sccm)为载气,管式炉以25度/分钟的升温速率加热至1000℃,通入甲烷(60sccm)为碳源,在1000℃分别生长2、5、10和15分钟,生长结束后关闭甲烷和氢气,冷却到室温,取出样品,得到表面生长有石墨烯的铜丝。
(3)将生长石墨烯后的铜丝放入氯化铁(1mol/L)的盐酸(3mol/L)水溶液中浸泡(10小时),直至铜被完全刻蚀掉,得到漂浮在溶液中的连续石墨烯管。
(4)用去离子水将刻蚀后的溶液多次(10次以上)置换(至溶液pH=7),除去溶液中的金属离子;随后用1.3、4.0、6.7和13.3mg/mL葡萄糖氧化酶PBS溶液置换溶液,连续石墨烯管浸泡于此溶液中6小时,使石墨烯管内部吸附填充葡萄糖氧化酶,然后用镊子将石墨烯管的一头拉出溶液,在溶液的表面张力作用下石墨烯管迅速收缩并紫组装成为纤维,用去离子水清洗后得到内部填充葡萄糖氧化酶的石墨烯纤维,其结构如图1所示。
(5)以步骤(4)所得石墨烯纤维电极为工作电极、铂丝为对电极、饱和甘汞为参比电极构筑三电极体系葡萄糖传感器,并在0.2mol/L的磷酸盐缓冲液中测试其灵敏度。
(6)测试结果显示,石墨烯复合纤维对葡萄糖的灵敏度几乎不受石墨烯层数的影响;内部填充的葡萄糖氧化酶越多,石墨烯复合纤维对葡萄糖的灵敏度越高。
图3a、图3b及图3c为内部吸附填充葡萄糖氧化酶的石墨烯纤维的平面及横截面扫描电子显微镜照片,从中可以看出石墨烯复合纤维的直径均匀且具有多孔结构;其中石墨烯的连续结构能够有效保护内部的葡萄糖氧化酶,并且提供快速的电荷交换和传输。与此同时,通过原子力显微镜的测试(如图4、图5所示)也进一步证明了本发明所得石墨烯具有较少的层数,在3-20层之间,这也是所得石墨烯纤维具有良好导电性的原因之一。图6的红外图谱中,在1545cm-1和1658cm-1的两个吸收峰是葡萄糖氧化酶的特征峰,证明通过本发明的方法成功将葡萄糖氧化酶吸附填充在石墨烯纤维中。
传感器的关键技术指标主要包括灵敏度及最低检出限。首先,通过线性伏安扫描法(LSV)检测葡萄糖氧化反应发生的电位,如图7所示,其氧化电位为-0.45V。以此电位为参数,进一步利用计时电位法检测传感器的响应电流与葡萄糖浓度之间的关系。图8为响应电流随葡萄糖浓度的变化曲线,可以看出该内部吸附填充葡萄糖氧化酶的石墨烯纤维能有效的检测溶液中葡萄糖浓度的变化,且其最低响应浓度为10nM。基于上述葡萄糖浓度响应曲线,可得图9所示的响应电流随葡萄糖浓度的变化曲线,两者具有明显的线性关系,通过该线性关系及以下公式,本发明计算得到三电极体系葡萄糖传感器的灵敏度为646.5μA mM- 1cm-2。
其中,S为灵敏度,ΔI为响应电流变化量,Δc为葡萄糖浓度变化量,A为电极面积。
图10为在PBS缓冲液中检测的三电极葡萄糖传感器的循环稳定性,在10次循环后其灵敏度仍可保持在93%。在血清中检测时,其循环稳定性依旧很好,10次循环后灵敏度同样保持在93.4%(图11)。与其他文献相比,本发明利用特殊的中空管状石墨烯管有效的吸附并将葡萄糖氧化酶固定在石墨烯纤维中,使该传感器具有超高的灵敏度和稳定性,与现有技术相比具有巨大优势(图12)。
实施例2
(1)以直径为640μm的铜丝为生长基底,在丙酮中超声清洗10分钟后,用去离子水冲洗并浸泡于3mol/L的盐酸溶液中8h,然后用去离子水及乙醇交替清洗3-5次。
(2)将处理好的铜丝放入石英管式炉中,以氩气(400sccm)和氢气(80sccm)为载气,管式炉以25度/分钟的升温速率加热至1000℃,通入甲烷(60sccm)为碳源,在1000℃生长15分钟,生长结束后关闭甲烷和氢气,冷却到室温,取出样品,得到表面生长有石墨烯的铜丝。
(3)将生长石墨烯后的铜丝放入氯化铁(1mol/L)的盐酸(3mol/L)水溶液中浸泡(10小时),直至铜被完全刻蚀掉,得到漂浮在溶液中的连续石墨烯管。
(4)用去离子水将刻蚀后的溶液多次(10次以上)置换(至溶液pH=7),除去溶液中的金属离子;随后用6.7mg/mL葡萄糖氧化酶PBS溶液置换溶液,连续石墨烯管浸泡于此溶液中6小时,使石墨烯管内部吸附填充葡萄糖氧化酶,然后用镊子将石墨烯管的一头拉出溶液,在溶液的表面张力作用下石墨烯管迅速收缩并组装成为纤维,用去离子水清洗后得到内部填充葡萄糖氧化酶的石墨烯纤维。
(5)以步骤(4)所得石墨烯纤维电极为工作电极、铂丝为对电极、饱和甘汞为参比电极构筑三电极体系葡萄糖传感器,并在0.2mol/L的磷酸盐缓冲液及血清中测试其灵敏度。
(6)检查结果显示,内部填充葡萄糖氧化酶的石墨烯纤维无论在磷酸盐缓冲液中还是血清中都表现出超低的检测极限(10nM)和较高的灵敏度。
实施例3
(1)以直径为640μm的铜丝为生长基底,在丙酮中超声清洗10分钟后,用去离子水冲洗并浸泡于3mol/L的盐酸溶液中8h,然后用去离子水及乙醇交替清洗3-5次。
(2)将处理好的铜丝放入石英管式炉中,以氩气(400sccm)和氢气(80sccm)为载气,管式炉以25度/分钟的升温速率加热至1000℃,通入甲烷(60sccm)为碳源,在1000℃生长15分钟,生长结束后关闭甲烷和氢气,冷却到室温,取出样品,得到表面生长有石墨烯的铜丝。
(3)将生长石墨烯后的铜丝放入氯化铁(1mol/L)的盐酸(3mol/L)水溶液中浸泡(10小时),直至铜被完全刻蚀掉,得到漂浮在溶液中的连续石墨烯管。
(4)用去离子水将刻蚀后的溶液多次(10次以上)置换(至溶液pH=7),除去溶液中的金属离子;随后用6.7mg/mL葡萄糖氧化酶PBS溶液置换溶液,连续石墨烯管浸泡于此溶液中6小时,使石墨烯管内部吸附填充葡萄糖氧化酶,然后用镊子将石墨烯管的一头拉出溶液,在溶液的表面张力作用下石墨烯管迅速收缩并组装成为纤维,用去离子水清洗后得到内部填充葡萄糖氧化酶的石墨烯纤维。
(5)利用电化学沉积法在纯石墨烯纤维表面沉积铂纳米颗粒,其中电解液为氯铂酸钾(1mmol/L)和氯化钾(0.1mol/L)的混合水溶液,以纯石墨烯纤维为工作电极、铂丝为对电极、Ag/AgCl电极为参比电极,使用恒电压沉积法进行电沉积,首先在0.5V的电压下工作10s,然后在-0.7V的电压下工作10s,循环100次后,得到表面修饰有铂纳米颗粒的石墨烯复合纤维电极。
(6)以步骤(4)所得的内部填充葡萄糖氧化酶的石墨烯纤维为工作电极,步骤(5)所得到的表面修饰铂纳米颗粒的石墨烯纤维(或铂丝、或纯的石墨烯纤维)为对电极及参比电极,两电极保持一定距离的情况下分别缠绕在圆柱状柔性基底上,得到两电极体系葡萄糖传感器件,其解耦股如图2所示。并在0.2mol/L的磷酸盐缓冲液及血清中测试其灵敏度。
(7)测试结果显示两电极葡萄糖传感器件不仅具有优异的灵敏度和超低的检测极限浓度,还具有优异的柔性和可重复利用性(10次以上)。
图13和图14分别对比了以内部吸附填充葡萄糖氧化酶的石墨烯纤维为工作电极,以纯石墨烯纤维、铂修饰的石墨烯纤维和铂丝分别作为第二电极的三种两电极体系的葡萄糖传感器的响应灵敏度,结果证明石墨烯纤维作为第二电极时的灵敏度较低(4.96μA mM- 1cm-2)。而使用铂修饰的石墨烯纤维作为对电极时的灵敏度与铂丝相当,能有效降低器件成本。因而本发明以铂修饰的石墨烯纤维作为第二电极的两电极体系葡萄糖传感器为例,测试了其循环稳定性,在10次循环时仍可以保持90%以上的灵敏度(图15)。
该两电极体系的葡萄糖传感器能够很方便地构筑在柔性基底上,实现器件的可完全性,在柔性、可穿戴电子器件领域具有极大的应用价值和潜力。图16为所制备的纤维状两电极器件在不同弯曲状态下(0°、10°、30°、60°和90°)的灵敏度保持率,可以看出无论是在PBS缓冲液中,还是在血清中,该器件的灵敏度都保持在90%以上,表现出优异的柔性。
Claims (7)
1.一种葡萄糖传感器,其特征在于,所述葡萄糖传感器以填充葡萄糖氧化酶的石墨烯纤维为工作电极,所述葡萄糖氧化酶填充固定在石墨烯纤维的内部,所述葡萄糖传感器包括二电极葡萄糖传感器或三电极葡萄糖传感器;
所述的二电极葡萄糖传感器以填充葡萄糖氧化酶的石墨烯纤维为工作电极,以修饰铂纳米颗粒的石墨烯复合纤维为对电极及参比电极;
所述的三电极葡萄糖传感器以填充葡萄糖氧化酶的石墨烯纤维为工作电极,以铂丝电极为对电极,以饱和甘汞电极为参比电极;
所述的二电极葡萄糖传感器和三电极葡萄糖传感器由以下过程制备:以化学气相沉积法获得石墨烯纤维,将石墨烯纤维转移至去离子水中清洗至pH为中性,然后浸泡在葡萄糖氧化酶的磷酸盐缓冲溶液,然后用镊子将填充有葡萄糖氧化酶的磷酸盐缓冲溶液的石墨烯纤维从葡萄糖氧化酶的磷酸盐缓冲溶液中拉出,得到工作电极,将所得工作电极与修饰铂纳米颗粒的石墨烯复合纤维共同组成二电极葡萄糖传感器;或将所得工作电极与铂丝电极及饱和甘汞电极共同组成三电极葡萄糖传感器。
2.根据权利要求1所述的一种葡萄糖传感器,其特征在于,所述的石墨烯纤维的截面中,石墨烯纤维的层数为3~20层。
3.一种如权利要求1~2任一所述葡萄糖传感器的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)通过化学气相沉积法在铜丝基底表面生长石墨烯,得到表面生长有石墨烯的铜丝;
(2)将表面生长有石墨烯的铜丝置于刻蚀液中,待铜丝基底刻蚀去除,得到连续的石墨烯纤维;
(3)将石墨烯纤维转移至去离子水中清洗至pH为中性,然后浸泡在葡萄糖氧化酶的磷酸盐缓冲溶液,然后用镊子将填充有葡萄糖氧化酶的磷酸盐缓冲溶液的石墨烯纤维从葡萄糖氧化酶的磷酸盐缓冲溶液中拉出,得到工作电极;
(4)将步骤(3)所得工作电极与修饰铂纳米颗粒的石墨烯复合纤维共同组成二电极葡萄糖传感器;或将步骤(3)所得工作电极与铂丝电极及饱和甘汞电极共同组成三电极葡萄糖传感器。
4.根据权利要求3所述的一种葡萄糖传感器的制备方法,其特征在于,所述的铜丝基底的直径为0.05~1.5mm,在进行化学气相沉积法之前,所述铜丝基底在丙酮中超声清洗5~30min后,在1~3 mol/L的盐酸溶液中浸泡3~12 h,然后用去离子水冲洗。
5.根据权利要求3所述的一种葡萄糖传感器的制备方法,其特征在于,所述化学气相沉积 法以甲烷为碳源,以氩气和氢气混合气为载气,所述氩气、氢气和甲烷的流量分别为350~450 sccm、60~100 sccm和50~70 sccm;所述化学气相沉积法的石墨烯生长时间2~20min。
6.根据权利要求3所述的一种葡萄糖传感器的制备方法,其特征在于,所述刻蚀液为溶有氯化铁的盐酸溶液。
7.根据权利要求3所述的一种葡萄糖传感器的制备方法,其特征在于,所述葡萄糖氧化酶的磷酸盐缓冲溶液中的葡萄糖氧化酶的浓度为0~20 mg/mL,且不为0,所述石墨烯纤维在葡萄糖氧化酶的磷酸盐缓冲溶液中的浸泡时间为2~10h。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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