CN109682877A

CN109682877A - 一种用于检测葡萄糖的电化学传感器

Info

Publication number: CN109682877A
Application number: CN201910162139.9A
Authority: CN
Inventors: 马慧媛; 冯泽民; 谭立超; 李峰博; 庞海军
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2019-03-05
Filing date: 2019-03-05
Publication date: 2019-04-26
Anticipated expiration: 2039-03-05
Also published as: CN109682877B

Abstract

本发明涉及一种用于检测葡萄糖的电化学传感器的构建。本发明提供了一种新型的葡萄糖电化学传感器的构建材料NiFe₂O₄‑NiCo‑LDH@GO。采用简单绿色的合成方法制备出复合材料，并利用电化学手段检测葡萄糖。本发明所制备的传感器对葡萄糖的响应的线性范围为3.5×10^‑5–4.525×10^‑3M，灵敏度为7.897μA/mM，检测限为12.94×10^‑6M。本发明操作简便，成本低，抗干扰能力强，能够快速有效的检测人体血清中的葡萄糖。

Description

一种用于检测葡萄糖的电化学传感器

技术领域

本发明属于电化学传感器技术领域，具体涉及一种用于检测葡萄糖的电化学传感器的构建。

背景技术

葡萄糖是生物体内碳水化合物的重要成分，其含量的检测在糖尿病诊断、废水处理和食物分析等方面备受关注。人体内正常的静脉空腹血糖小于5.0 mmol/L；当静脉空腹血糖大于7.0 mmol/L有临床症状时，可确定为糖尿病。在糖尿病诊断、治疗以及预后管理过程中，准确可靠的血糖数据无疑是至关重要的。因此，研究和开发高效可靠的检测方法与检测材料成为许多科研工作者的研究热点。

到目前为止，已经发展了多种方法用于检测葡萄糖，如葡萄糖氧化酶法、己糖激酶法、葡萄糖氧电极法、光谱法、色谱法等。这些方法都有着仪器限制、操作人员要求、高成本的缺点。考虑到实时性，便捷性，可靠性，选择性和灵敏度各个方面，电化学方法明显优于其他方法。因此，采用电化学方法测定葡萄糖是比较理想的选择。

金属-有机框架（MOF）是一种具有规则孔道结构的多维晶体材料，在氢气储存，气体吸附与分离，传感器，药物缓释，催化反应等领域具有重要的应用。但是这种材料存在导电性能差和在碱性溶液中不稳定的缺点，针对以上缺点利用金属-有机框架（MOF）的热解衍生物来增强碱性条件下的稳定性，与碳材料（GO）结合提高电子传输能力，与双金属氢氧化物结合提高催化效果，能够构建出具有高灵敏度的电化学传感器。

发明内容

本发明的目的是为了构建一种性能优异的NiFe₂O₄-NiCo-LDH@GO基的电化学传感器，用来检测葡萄糖。

本发明涉及一种用于检测葡萄糖的NiFe₂O₄-NiCo-LDH@GO基电化学传感器，该电化学传感器工作电极由GCE电极和GCE电极外包裹的复合材料NiFe₂O₄-NiCo-LDH@GO构成，该复合材料的合成按以下步骤进行：

一、NiFe₂O₄-NiCo-LDH复合材料的制备：将Ni(NO₃)₃·6H₂O，Fe(NO₃)₃·9H₂O，均苯三甲酸和2-甲基咪唑分散在DMF溶液中，搅拌，放入反应釜中，170℃条件下反应48h，冷却至室温，离心分离，用DMF洗涤，真空干燥后在氮气保护环境下，高温煅烧，冷却至室温后分散在水溶液中，加入NiCl₂，CoCl₂，NH₄Cl和NaOH，搅拌20 min，在一定温度下反应一段时间，冷却至室温，用水，乙醇洗涤，烘干。

二、NiFe₂O₄-NiCo-LDH@GO复合材料的制备：将含有GO的乙醇溶液与含有NiFe₂O₄-NiCo-LDH的水溶液混合，搅拌30 min，转移至反应釜中，在一定温度下放置一段时间，冷却至室温，离心，水洗，真空干燥。

步骤一中所述Ni(NO₃)₃·6H₂O，Fe(NO₃)₃·9H₂O，均苯三甲酸和2-甲基咪唑质量比为2.65:3.67:3.82:1.00

步骤一中所述NiFe₂O₄，NiCl₂，CoCl₂，NH₄Cl，NaOH质量比：5.45:1.93:1.29:3.87:1.00

步骤一中所述高温煅烧温度为800 ℃

步骤一中所述一定温度下反应一段时间温度为55 ℃，时间为15 h

步骤二中所述GO 与NiFe₂O₄-NiCo-LDH的质量比为:1:100

步骤二中所述一定温度下放置一定段时间温度为95 ℃，时间为8 h

步骤二中所述真空干燥温度为80 ℃

本发明利用三电极体系，通过安培响应、电化学阻抗法和循环伏安法这几种方法，综合表征和分析所制备复合材料的电化学特性以及该材料对葡萄糖的电化学检测效果。

本发明所具有的优点和效果：

本发明采用有特殊孔道结构和高稳定性的NiFe-MOF作为构建电化学传感器用工作电极的基底，进一步结合NiCo-LDH和GO。NiCo-LDH提高了对葡萄糖的催化氧化效果，复合GO提高了复合材料的电子传输能力。通过电化学测试，得到该传感器的线性范围为3.5 × 10^-5– 4.525 × 10^-3 M，灵敏度为7.897 μA/mM，当信噪比为3时，检测限为12.94 × 10^-6 M，并且对抗坏血酸、L-色氨酸、亚硝酸根、尿酸、多巴胺具有很好的抗干扰性能。本发明具有检测速度快，较宽的线性检出范围，较好的抗干扰能力，灵敏度高，成本低，电化学活性高，操作简单，工作电极制备简单的优点，应用于检测生物小分子葡萄糖。

附图说明：

图1为复合材料NiFe₂O₄-NiCo-LDH@GO在0.1 M NaOH溶液中对葡萄糖催化的循环伏安检测图和安培相应图；

图2为不同组复合材料的阻抗对比图；

图3为复合材料NiFe₂O₄-NiCo-LDH@GO在+0.55 V，0.1 M NaOH 溶液中连续加入不同浓度葡萄糖的安培计时图及稳态电流与葡萄糖浓度的线性关系图；

图4为复合材料NiFe₂O₄-NiCo-LDH@GO在应用电势+0.55 V，0.1 M NaOH缓冲溶液中连续加入不同浓度的检测物质0.25 mM AA， 0.25 mM NO₂， 0.25 mM UA，0.25 mM L-Try，0.25 mM DA和0.25 mM Glucose的安培计时图。

具体实施方式：

（1）NiFe₂O₄-NiCo-LDH的合成：

①将Ni(NO₃)₃·6H₂O(291 mg)，Fe(NO₃)₃·9H₂O (404 mg)，均苯三甲酸 (420 mg)，2-甲基咪唑 (110 mg)均匀分散在30 mL的DMF溶液中，搅拌30 min，然后放入反应釜中，170 ℃条件下反应48 h，冷却至室温，离心分离，乙醇洗涤5次，80 ℃真空条件下干燥。

②将合成好的NiFe-MOF在氮气保护条件下，800℃（10 ℃/min）煅烧2 h，冷却至室温后，形成NiFe₂O₄模板。

③将合成好的NiFe₂O₄模板（0.3 g) 均匀分散在水溶液中，加入NiCl₂(0.106g），CoCl₂（0.071 g)，NH₄Cl (0.213 g)和NaOH (0.055 g) 搅拌20 min，密封条件下，55 ℃，反应15 h，冷却至室温，水洗，乙醇洗涤，烘干。

（2）NiFe₂O₄-NiCo-LDH@GO的合成：

将0.001 g的GO超声40 min均匀分散在乙醇溶液中，形成均一溶液；

将0.1 g的NiFe₂O₄-NiCo-LDH均匀分散在20 mL的水溶液中，然后与分散好的GO溶液混合，搅拌30 min，转移至反应釜中，95 ℃条件下保持8 h，冷却至室温，离心，水洗，80 ℃真空干燥。

（3）工作电极的修饰

首先用A1₂O₃ (0.3 μM ) 粉末将玻碳电极在鹿皮上打磨至光亮，并用蒸馏水超声反复清洗，直到循环伏安测量（0.6 V ~ -0.1 V，50 mV/s）氧化还原电位差小于90 mV。然后用移液枪移取5 μL NiFe₂O₄-NiCo-LDH@GO的乙醇溶液滴涂在打磨好的玻碳电极表面，在烘箱中干燥5 – 8 min（60 ℃）。

用所制备的复合材料NiFe₂O₄-NiCo-LDH@GO修饰的GCE电极为工作电极，Ag/AgCl电极作为参比电极，铂电极作为对电极，利用三电极体系在磷酸盐缓冲溶液中对葡萄糖进行不同条件下的电化学检测探究其电化学性能。

图1中展示了复合材料NiFe₂O₄-NiCo-LDH@GO在0.1 M NaOH溶液中对葡萄糖的催化活性。随着加入0.2 mM的葡萄糖，循环伏安的电流强度明显增加，但是由于氧化峰的滞后，没有出现一个比较尖锐的峰位置，无法确定最佳催化氧化电位；进一步结合安培计时法进行催化氧化电位，由图可以看出在+0.45 V和+0.50 V时，安培响应曲线只有非常小的均匀跃迁，在+0.55 V时跃迁明显增加，而且跃迁很均匀。当催化电位达到+0.60 V时，响应电流没有增加反而降低，所以在+0.55 V处有良好的催化氧化效果。这就表明该材料对葡萄糖具有较好的电催化效果，并且最佳催化氧化电位为+0.55 V。

图2表示不同修饰电极的奈奎斯特（Nyquist）阻抗谱图，从图中可以看出半圆弧的直径由小到大的顺序为NiFe₂O₄-NiCo-LDH@GO < NiFe₂O₄ < NiFe₂O₄-NiCo-LDH，NiFe₂O₄复合NiCo-LDH后的电子转移电阻增加是由于NiCo-LDH密集的覆盖在NiFe₂O₄表面，并且NiCo-LDH本身具有较大的电子转移电阻，而在复合了GO之后极大地促进了电化学检测过程中的电子转移，改善了复合材料的导电性能。这表明经复合GO比单独组分具有更小的电子转移电阻，而且可以促进电极和被测离子间的电子传递从而产生快速灵敏的电化学反应。

图3探究传感器的检测范围，采用安培计时法，选择+0.55 V做为测试电位，在0.1M NaOH 溶液中每隔50 s滴加一次葡萄糖，电流值在每次加入葡萄糖后出现明显的阶跃，并在2 s内达到稳定，连续测试1650 s后得到一个稳定阶跃的安培响应图，如图3 a。图3 b是电流和葡萄糖浓度的线性关系图，通过计算可以得到该传感器对葡萄糖的响应的线性范围为3.5 × 10^-5 – 4.525 × 10^-3 M，灵敏度分别为7.897 μA/mM另外，当S/N=3时，检测限为12.94 × 10^-6 M。

图4为了探究该传感器的实际应用性能，采用安培计时法，对传感器的抗干扰性能进行测试。选择+0.55 V作为测试电位，在0.1 M NaOH 的缓冲溶液中每隔50 s依次滴加不同浓度的物质，分别为：0.25 mM AA，0.25 mM NO₂， 0.25 mM UA，0.25 mM L-Try，0.25mM DA，0.25 mM Glucose。如图4所示，从图中可以看出在加入葡萄糖之后，催化电流出现明显跃迁，随后间隔相同的时间依次加入其他干扰物质后并没有出现较大程度的跃迁曲线，表明在抗坏血酸（AA）、L-色氨酸（L-Try）、亚硝酸根（NO₂ ^-）、尿酸（UA）、多巴胺（DA）共同存在的体系中，该复合材料电极对葡萄糖具有良好的选择性，该电极对AA，NO₂，UA，ML-Try，DA，Glous具有良好的抗干扰性能。

综上所述，制备了一种用于检测葡萄糖的电化学传感器，该电化学传感器具有较宽的线性检测范围，较好的抗干扰性能以及较高的灵敏度。

Claims

1.一种用于检测葡萄糖的电化学传感器，其特征在于该电化学传感器工作电极由GCE电极和GCE电极外包裹的复合材料NiFe₂O₄-NiCo-LDH@GO构成，该复合材料的合成按以下步骤进行：

一、NiFe₂O₄-NiCo-LDH复合材料的制备：将Ni(NO₃)₃·6H₂O，Fe(NO₃)₃·9H₂O，均苯三甲酸，2-甲基咪唑均匀分散在30 mL的DMF溶液中，转移至反应釜中，170 ℃条件下反应48 h，冷却至室温，离心分离，真空干燥得到NiFe-MOF；将制备好的NiFe-MOF在氮气保护环境下高温煅烧，得到NiFe₂O₄模板；将得到的NiFe₂O₄模板均匀分散在水溶液中，分别加入NiCl₂，CoCl₂，NH₄Cl，NaOH 并搅拌20 min，反应一段时间，冷却至室温，分别用水，乙醇洗涤，烘干；

二、NiFe₂O₄-NiCo-LDH@GO复合材料的制备：将含有GO的乙醇溶液与含有NiFe₂O₄-NiCo-LDH水溶液混合，搅拌30 min，转移至反应釜中，在一定温度下反应一段时间，冷却至室温，离心分离，水洗，真空干燥。

2.根据权利要求1所述的一种用于检测葡萄糖的电化学传感器，其特征在于步骤一中所述的Ni(NO₃)₃·6H₂O，Fe(NO₃)₃·9H₂O，均苯三甲酸，2-甲基咪唑质量比为2.65:3.67:1.29:1。

3.根据权利要求1所述的一种用于检测葡萄糖的电化学传感器，其特征在于步骤一中煅烧温度为800 ℃( 10 ℃/min)。

4.根据权利要求1所述的一种用于检测葡萄糖的电化学传感器，其特征在于步骤一中所述的NiFe-MOF，NiCl₂，CoCl₂，NH₄Cl，NaOH质量比为：5.45:1.93:1.29:3.87:1。

5.根据权利要求1所述的一种用于检测葡萄糖的电化学传感器，其特征在于步骤一中水热反应温度为55 ℃，时间为15 h。

6.根据权利要求1所述的一种用于检测葡萄糖的电化学传感器，其特征在于步骤二中所述GO 与NiFe₂O₄-NiCo-LDH的质量比为:1:100。

7.根据权利要求1所述的一种用于检测葡萄糖的电化学传感器，其特征在于步骤二中的所述温度为95 ℃、时间为8 h。

8.根据权利要求1所述的一种用于检测葡萄糖的电化学传感器，用安培计时法对复合材料的检测范围、灵敏度和抗干扰能力进行测试。