CN109239150A - 一种具有高灵敏度的Co3O4多孔纳米片非酶基葡萄糖传感器及其制备方法 - Google Patents

一种具有高灵敏度的Co3O4多孔纳米片非酶基葡萄糖传感器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有高灵敏度的Co3O4多孔纳米片非酶基葡萄糖传感器及其制备方法，属于电化学传感器领域。本发明制备的Co3O4多孔纳米片在电化学检测葡萄糖上显示出了优异的分析性能，例如高的灵敏度(8506μA mM‑1cm‑2)，响应时间短(小于6s)，检测限低(1μM)，选择性和稳定性好。尤其是灵敏度高达8506μA mM‑1cm‑2，目前为止，与其他Co3O4非酶基葡萄糖电化学传感器相比，灵敏度是最高的。此外Co3O4多孔纳米片的制备方法简单，无污染，且制备葡萄糖电化学传感器的工序简单，具有较高的商业化应用前景。

Description

一种具有高灵敏度的Co3O4多孔纳米片非酶基葡萄糖传感器及 其制备方法
技术领域
本发明属于电化学传感器领域，具体涉及一种高灵敏度的Co3O4多孔纳米片非酶基葡萄糖传感器及其制备方法。
背景技术
葡萄糖不仅是生物体能量的主要来源，而且是至关重要的代谢中间体。但是过量的葡萄糖会导致严重的、甚至是危及生命的疾病。据2011年世界卫生组织报道，目前已经有约3.5亿人口患有糖尿病，预计到2030年，糖尿病将成为人类第七大死亡疾病。因此能够实时、定量地检测血糖的浓度是诊断和控制糖尿病的有效方法。
近几年来，纳米材料由于其具有优异的表面效应、催化效率高、生物兼容性好等优点而被广泛应用于催化、传感等领域。Co3O4纳米材料由于具有成本低，化学稳定性好和高的理论电容等优势，被广泛应用在超级电容器、锂离子电池、生物传感器等方面。虽然现在已经有文献报道了Co3O4非酶基葡萄糖传感器，但是仍然存在灵敏度低的问题。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明的目的在于提供一种具有高灵敏度的Co3O4多孔纳米片非酶基葡萄糖传感器及其制备方法，此外该传感器同时具有选择性好、响应快、检测限低和稳定性好的优点。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种具有高灵敏度的Co3O4多孔纳米片非酶基葡萄糖传感器的制备方法，包括：
将碳布置于硝酸钴和尿素的水溶液中，水热反应，制得前驱体；
将前驱体洗涤、煅烧，得Co3O4多孔纳米片；
以Co3O4多孔纳米片为工作电极，组装非酶基葡萄糖传感器。
为了获得一种具有高的灵敏度的非酶基葡萄糖传感器，本申请系统研究了不同Co3O4多孔纳米片形貌与对葡萄糖检测灵敏度的影响，经过大规模实验摸索发现：在经酸处理的碳布上，以硝酸钴为原料，尿素为沉淀剂，再配合特定的水热条件和煅烧温度可在不加入其他助剂的情况下，制备出一种交错分布、相互间不粘连的Co3O4多孔纳米薄片(如图3所示)，该类Co3O4多孔纳米薄片电化学检测葡萄糖的灵敏度可达8506μA mM-1cm-2，响应时间小于6s，检测限低于1μM。
在一些实施例中，所述硝酸钴和尿素的摩尔比为1：4～6。
研究表明：若水热时间小于5小时，Co3O4多孔纳米片的形貌较为简单、纳米片片层较为分散，检测灵敏度不高；若水热时间大于6小时，Co3O4多孔纳米片层厚度增大、片层间易重叠，选择性和稳定性下降。因此，在一些实施例中，所述水热反应条件为120～130℃，水热反应的时间为5～6小时。
在一些实施例中，所述碳布先用浓硝酸在80～85℃处理5.6～6小时，然后用去离子水和无水乙醇清洗，烘干备用。
研究表明：若煅烧时间小于1小时，Co3O4多孔纳米片结构疏松、成型效果差；若煅烧时间超过1.2小时，形成的Co3O4多孔纳米片易碎裂。因此，在一些实施例中，所述煅烧的温度为350～360℃，煅烧的时间为1～1.2小时。
在一些实施例中，所述非酶基葡萄糖传感器以Ag/AgCl(饱和KCl)电极为参比电极，以铂片电极为对电极。
在一些实施例中，所述非酶基葡萄糖传感器以1M的NaOH溶液为电解液。
本发明还提供了任一上述的方法制备的非酶基葡萄糖传感器。
本发明还提供了一种选择性、高灵敏度检测葡萄糖的方法，上述的传感器对蔗糖(Suc)，麦芽糖(Mal)，果糖(Fru)，乳糖(Lac)，尿酸(UA)和抗坏血酸(AA)和葡萄糖的混合溶液进行检测，其中，蔗糖(Suc)，麦芽糖(Mal)，果糖(Fru)，乳糖(Lac)，尿酸(UA)和抗坏血酸(AA)和葡萄糖的摩尔浓度之比为1：1：1：1：1：1：10。
本发明的有益效果为：本发明制备的Co3O4多孔纳米片在电化学检测葡萄糖上显示出了优异的分析性能，例如高的灵敏度(8506μA mM-1cm-2)，响应时间短(小于6s)，检测限低(1μM)，选择性和稳定性好。尤其是灵敏度高达8506μA mM-1cm-2，目前为止，与其他Co3O4非酶基葡萄糖电化学传感器相比，灵敏度是最高的。这主要是由于此传感器是基于在Co3O4表面电催化氧化葡萄糖来检测葡萄糖，而本发明制备的Co3O4多孔纳米片具有大的表面积和更多的活性位点，这更有利于催化反应的进行，这可能是导致灵敏度高的原因。此外Co3O4多孔纳米片的制备方法简单，无污染，且制备葡萄糖电化学传感器的工序简单，具有较高的商业化应用前景。
附图说明
构成本申请的一部分说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明实施例碳布基底、前驱体和Co3O4的X射线粉末衍射(XRD)图谱；
图2为本发明实施例Co3O4的拉曼光谱(Raman)图谱；
图3为本发明实施例Co3O4的SEM和TEM(扫描电子显微镜和透射电子显微镜)图谱；
图4为本发明实施例Co3O4制备的葡萄糖传感器的校准曲线和电流响应曲线；
图5为本发明实施例Co3O4制备的葡萄糖传感器的抗干扰能力与稳定性测试。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合附图及具体实施例详细说明本申请的技术方案。
本发明实施例中所用的试验材料均为本领域常规的试验材料，均可通过商业渠道购买得到。
本申请中浓硝酸的质量分数为62％。
Co3O4多孔纳米片的制备方法，包括如下步骤：
将一定量的硝酸钴和尿素在室温下完全溶解于水溶液中，放入清洗干净的碳布基底，然后将上述溶液进行水热反应。自然降温后，将碳布取出洗涤，最后在空气气氛下煅烧，即得。
优选的，溶剂为去离子水。
进一步优选的，碳布基底要完全浸渍到溶液中。
进一步优选的，水热反应的温度为120℃，水热反应的时间为6小时。
进一步优选的，在空气中煅烧的温度为350℃，煅烧的时间为1小时。
上述Co3O4纳米材料在非酶基葡萄糖电化学传感器中的应用。
实施例1：Co3O4多孔纳米片的制备
2mmol的Co(NO3)2·6H2O和10mmol的尿素依次加入到40mL的去离子水中，室温搅拌使其完全溶解，将溶液转移到聚四氟乙烯反应釜中，然后放入清洗干净的碳布基底(碳布先用浓硝酸80℃处理6小时，然后用去离子水和无水乙醇清洗，烘干备用)，使其完全浸入溶液中，随后将反应釜放入烘箱中120℃反应6小时。自然冷却至室温，然后将表面附有粉色物质的碳布取出，并用去离子水和无水乙醇超声清洗，60℃干燥12h。将所得样品在空气气氛下350℃退火1h，所得黑色样品为四氧化三钴(Co3O4)。
实施例2：Co3O4多孔纳米片的结构表征
由图1的X射线衍射图可知粉色前驱体为碱式碳酸钴(Co(CO3)0.5(OH)·0.11H2O)，退火之后的黑色样品为Co3O4。图2为本实施例1所得最终产物的拉曼光谱图谱，该图进一步证实了所得产物为Co3O4。图3为Co3O4的SEM和TEM图，Co3O4纳米片交叉均匀地生长在碳布上，进一步由TEM图的观察发现，Co3O4纳米片表面形成了许多的孔隙，这种特殊的结构增加了活性位点和与电解液的接触面积，有利于催化反应的进行。
实施例3：Co3O4多孔纳米片制备非酶基葡萄糖传感器及其性能测试
检测实验是在CHI660E电化学工作站及三电极体系上进行，参比电极为Ag/AgCl(饱和KCl)电极，对电极为铂片电极，工作电极采用本发明实施例1制备的电化学传感器。在优化的条件下，以1M(1mol/L)的NaOH溶液为电解液，根据添加不同浓度葡萄糖得到的CV曲线，在0.55V vs.Ag/AgCl得到该葡萄糖电化学传感器的线性范围(如图4a所示)为0.01mM～2.0mM，灵敏度高达8506μA mM-1cm-2，线性相关度很好，R＝0.998，检出限低至1μM。图4b为在0.55Vvs.Ag/AgCl电压下，添加0.3mM的葡萄糖得到的时间电流曲线，有图可知该传感器的响应时间小于6s。抗干扰能力测试时，选取了多种干扰物质：蔗糖(Suc)，麦芽糖(Mal)，果糖(Fru)，乳糖(Lac)，尿酸(UA)和抗坏血酸(AA)，通常情况下，血液中葡萄糖的浓度是尿酸和抗坏血酸浓度的数十倍，所以考虑到实际应用，选取以高于干扰物质浓度10倍的葡萄糖浓度作为检测对象(如图5a)。由图5a显示，在各种干扰物质加入后，电流响应微乎其微，说明该传感器具有较强的抗干扰性能。此外，图5b为该传感器的稳定性测试，经过在空气中放置一个多月的时间，该传感器并没有明显的电流衰减，说明该传感器具有较好的稳定性。
实施例4：Co3O4多孔纳米片的制备
2mmol的Co(NO3)2·6H2O和10mmol的尿素依次加入到40mL的去离子水中，室温搅拌使其完全溶解，将溶液转移到聚四氟乙烯反应釜中，然后放入清洗干净的碳布基底(碳布先用浓硝酸85℃处理6小时，然后用去离子水和无水乙醇清洗，烘干备用)，使其完全浸入溶液中，随后将反应釜放入烘箱中120℃反应6小时。自然冷却至室温，然后将表面附有粉色物质的碳布取出，并用去离子水和无水乙醇超声清洗，60℃干燥12h。将所得样品在空气气氛下350℃退火1h，所得黑色样品为四氧化三钴(Co3O4)。
实施例5：Co3O4多孔纳米片的制备
2mmol的Co(NO3)2·6H2O和10mmol的尿素依次加入到40mL的去离子水中，室温搅拌使其完全溶解，将溶液转移到聚四氟乙烯反应釜中，然后放入清洗干净的碳布基底(碳布先用浓硝酸83℃处理5.8小时，然后用去离子水和无水乙醇清洗，烘干备用)，使其完全浸入溶液中，随后将反应釜放入烘箱中120℃反应6小时。自然冷却至室温，然后将表面附有粉色物质的碳布取出，并用去离子水和无水乙醇超声清洗，60℃干燥12h。将所得样品在空气气氛下350℃退火1h，所得黑色样品为四氧化三钴(Co3O4)。
实施例6：Co3O4多孔纳米片的制备
2mmol的Co(NO3)2·6H2O和10mmol的尿素依次加入到40mL的去离子水中，室温搅拌使其完全溶解，将溶液转移到聚四氟乙烯反应釜中，然后放入清洗干净的碳布基底(碳布先用浓硝酸80℃处理6小时，然后用去离子水和无水乙醇清洗，烘干备用)，使其完全浸入溶液中，随后将反应釜放入烘箱中120℃反应6小时。自然冷却至室温，然后将表面附有粉色物质的碳布取出，并用去离子水和无水乙醇超声清洗，60℃干燥12h。将所得样品在空气气氛下360℃退火1.2h，所得黑色样品为四氧化三钴(Co3O4)。
实施例7：Co3O4多孔纳米片的制备
2mmol的Co(NO3)2·6H2O和10mmol的尿素依次加入到40mL的去离子水中，室温搅拌使其完全溶解，将溶液转移到聚四氟乙烯反应釜中，然后放入清洗干净的碳布基底(碳布先用浓硝酸80℃处理6小时，然后用去离子水和无水乙醇清洗，烘干备用)，使其完全浸入溶液中，随后将反应釜放入烘箱中120℃反应6小时。自然冷却至室温，然后将表面附有粉色物质的碳布取出，并用去离子水和无水乙醇超声清洗，60℃干燥12h。将所得样品在空气气氛下355℃退火1.1h，所得黑色样品为四氧化三钴(Co3O4)。
实施例8：Co3O4多孔纳米片的制备
2mmol的Co(NO3)2·6H2O和10mmol的尿素依次加入到40mL的去离子水中，室温搅拌使其完全溶解，将溶液转移到聚四氟乙烯反应釜中，然后放入清洗干净的碳布基底(碳布先用浓硝酸85℃处理6小时，然后用去离子水和无水乙醇清洗，烘干备用)，使其完全浸入溶液中，随后将反应釜放入烘箱中120℃反应6小时。自然冷却至室温，然后将表面附有粉色物质的碳布取出，并用去离子水和无水乙醇超声清洗，60℃干燥12h。将所得样品在空气气氛下360℃退火1.2h，所得黑色样品为四氧化三钴(Co3O4)。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有高灵敏度的Co3O4多孔纳米片非酶基葡萄糖传感器的制备方法，其特征在于，包括：
将碳布置于硝酸钴和尿素的水溶液中，水热反应，制得前驱体；
将前驱体洗涤、煅烧，得Co3O4多孔纳米片；
以Co3O4多孔纳米片为工作电极，组装非酶基葡萄糖传感器。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硝酸钴和尿素的摩尔比为1：4～6。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水热反应条件为120～130℃，水热反应的时间为5～6小时。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳布先用浓硝酸在80～85℃处理5.6～6小时，然后用去离子水和无水乙醇清洗，烘干备用。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述煅烧的温度为350～360℃，煅烧的时间为1～1.2小时。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非酶基葡萄糖传感器以Ag/AgCl(饱和KCl)电极为参比电极，以铂片电极为对电极。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非酶基葡萄糖传感器以1M的NaOH溶液为电解液。
8.权利要求1-7任一项所述的方法制备的非酶基葡萄糖传感器。
9.一种选择性、高灵敏度检测葡萄糖的方法，其特征在于，以权利要求8所述的传感器对蔗糖Suc，麦芽糖Mal，果糖Fru，乳糖Lac，尿酸UA和抗坏血酸AA和葡萄糖的混合溶液进行检测，其中，蔗糖Suc，麦芽糖Mal，果糖Fru，乳糖Lac，尿酸UA和抗坏血酸AA和葡萄糖的摩尔浓度之比为1：1：1：1：1：1：10。
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