CN110568043B - Pt@Au/C双金属纳米材料及其检测葡萄糖的方法 - Google Patents

Pt@Au/C双金属纳米材料及其检测葡萄糖的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种碳负载铂金(Pt@Au/C)双金属纳米材料，所述Pt@Au/C双金属纳米材料用于葡萄糖的催化检测，其中，所述Pt@Au/C双金属纳米材料中Pt和Au的质量比为1:1，Pt和Au含量在所述Pt@Au/C双金属纳米材料中质量占比分别可低至0.4％。本发明还提供一种采用上述Pt@Au/C双金属纳米材料检测葡萄糖的方法，该方法检测灵敏度高、抗干扰能力强。

Description

Pt@Au/C双金属纳米材料及其检测葡萄糖的方法
技术领域
本发明涉及一种Pt@Au/C双金属纳米材料，特别涉及一种用于检测葡萄糖的Pt@Au/C双金属纳米材料。
背景技术
葡萄糖是生物体内的重要化合物，对人类的身体健康有着重要的影响。人体内葡萄糖浓度异常将引发各种疾病，例如，糖尿病、高血压、神经低血糖症等。近年来，我国糖尿病患者的比例逐步上升，目前已达11.4亿。因此，对于人体葡萄糖含量，包括血糖和尿液葡萄糖含量的检测非常重要。
目前，对葡萄糖进行检测的方法有气相色谱法、分光光度法、旋光度法、电化学检测法等。电化学方法是一种快速检测葡萄糖的手段，逐渐成为葡萄糖检测的热点。其中，根据是否含有酶催化剂可分为葡萄糖电化学酶传感器和葡萄糖电化学非酶传感器。葡萄糖电化学酶传感器的构建机理是基于酶对反应底物具有特异性识别功能，其由于稳定性差、环境适应性差、价格昂贵等问题，应用受到了诸多的限制。而葡萄糖电化学非酶传感器的工作机理是基于葡萄糖在具有催化活性的修饰电极上被催化氧化从而转换成电化学信号，其具有稳定性好、价格便宜、使用范围广的优点，逐渐成为主要的研究方向。然而目前葡萄糖电化学非酶传感器在检测限和抗干扰能力方面仍有待改善，研究具有葡萄糖催化氧化的活性材料是目前的研究热点。
发明内容
本发明提供了一种Pt@Au/C双金属纳米材料及检测葡萄糖的方法，具有较好的葡萄糖检测灵敏度及抗干扰性能。
本发明是这样实现的：
一种Pt@Au/C双金属纳米材料，所述Pt@Au/C双金属纳米材料用于葡萄糖的催化检测，其中，所述Pt@Au/C双金属纳米材料中Pt和Au的质量比为1:1，Pt和Au含量在所述Pt@Au/C双金属纳米材料中质量占比分别低至0.4-4％。
作为进一步改进的，所述Pt和Au含量在所述Pt@Au/C双金属纳米材料中质量占比分别为0.4％。
一种采用Pt@Au/C双金属纳米材料检测葡萄糖的方法，包括以下步骤：采用一Pt@Au/C双金属纳米材料制备Pt@Au/C双金属纳米材料修饰电极，所述Pt@Au/C双金属纳米材料为上述Pt@Au/C双金属纳米材料；以饱和甘汞电极为参比电极，石墨电极为辅助电极，Pt@Au/C双金属纳米材料修饰电极为工作电极，利用循环伏安法检测葡萄糖在Pt@Au/C双金属纳米材料修饰电极上的电化学响应，其中待测葡萄糖溶液中以NaOH为碱性介质，检测电位范围为-0.6V-0.6V。
本发明的有益效果是：采用铂金比例为1:1，Pt和Au含量分别为0.4％的Pt@Au/C双金属纳米材料作为催化剂检测葡萄糖时，具有较好的信噪比，检测限为100μM，且检测过程不受多巴胺(DA)、抗坏血酸(AA)、尿酸(UA)电化学响应信号的干扰。Pt@Au/C双金属纳米材料中Pt和Au含量质量占比可分别低至0.4％，使得所述传感器相比较电化学酶传感器和其他贵金属电化学传感器具有价格优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明提供的采用Pt@Au/C双金属纳米材料检测葡萄糖的方法流程图。
图2是本发明提供的Pt@Au/C双金属纳米材料修饰电极在不同浓度葡萄糖下的循环伏安图。
图3是本发明提供的Pt@Au/C双金属纳米材料修饰电极循环伏安检测峰电流与葡萄糖浓度的线性关系图。
图4是本发明提供的不同铂金比例的Pt@Au/C双金属纳米材料修饰电极在NaOH介质条件下葡萄糖溶液中的循环伏安图。
图5是本发明提供的Pt@Au/C双金属纳米材料修饰电极分别在NaOH介质条件下葡萄糖、DA、AA、UA溶液的循环伏安图。
图6是本发明提供的不同铂金含量的Pt@Au/C双金属纳米材料修饰电极在NaOH介质条件下葡萄糖溶液的循环伏安图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种Pt@Au/C双金属纳米材料，所述Pt@Au/C双金属纳米材料用于葡萄糖的催化检测。所述Pt@Au/C双金属纳米材料中Pt和Au的质量比为1:1，Pt和Au含量分别低至0.4-4％。具体地，所述Pt和Au含量在所述Pt@Au/C双金属纳米材料中质量占比分别可低至0.4％。所述Pt@Au/C双金属纳米材料中碳负载颗粒和Pt@Au双金属颗粒均匀分散。所述碳负载颗粒的直径范围20-50nm。所述Pt@Au双金属颗粒的直径小于10nm。
所述Pt@Au/C双金属纳米材料是以碳粉为载体通过水热合成方法制备得到。所述Pt@Au/C双金属纳米材料的制备方法包括：
步骤一，提供碳粉、柠檬酸三钠、乙二醇放置烧杯中进行超声分散。
本实施例中，所述碳粉质量为20mg，柠檬酸三钠的质量为66mg，该柠檬酸三钠在使用前先用1ml蒸馏水溶解，乙二醇的体积为20ml，超声分散为在超声波清洗器中超声分散15min。
步骤二，加入氯铂酸钾溶液和氯金酸溶液后，用2％NaOH溶液将反应溶液pH调至10，转移至水热反应釜中。
本实施例中，所述氯铂酸钾溶液和氯金酸溶液的含量及比例可根据所需制备的Pt@Au双金属中Pt和Au的质量含量及比例计算得到。
步骤三，密闭并置于烘箱中，加热到120℃，反应3.5小时，降温后产物用0.22μm孔径滤膜过滤，并用乙醇清洗，再低温烘干。
请参阅图1所示，本发明提供一种采用Pt@Au/C双金属纳米材料检测葡萄糖的方法，其包括以下步骤：
S1，采用上述实施例提供的Pt@Au/C双金属纳米材料制备Pt@Au/C双金属纳米材料修饰电极；
S2，以饱和甘汞电极为参比电极，石墨电极为辅助电极，Pt@Au/C双金属纳米材料修饰电极为工作电极，利用循环伏安法检测葡萄糖在Pt@Au/C双金属纳米材料修饰电极上的电化学响应，其中待测葡萄糖溶液中以NaOH为碱性介质，检测电位范围为-0.6V-0.6V。
在步骤S1中，所述Pt@Au/C双金属纳米材料修饰电极的制备步骤包括：将所述Pt@Au/C双金属纳米材料放入离心管中，加入无水乙醇和Nafion溶液并超声分散；采用滴涂法将超声分散后的溶液滴在玻碳电极表面，在室温条件下待溶剂挥干后备用。
本实施例中，所述Pt@Au/C双金属纳米材料的质量为2mg，无水乙醇为0.5ml，Nafion溶液为10μl，超声分散时间为10-60min。
在步骤S2中，通过采用三电极体系和-0.6V-0.6V(vs.SCE)电位检测范围来测试NaOH介质条件下葡萄糖在Pt@Au/C双金属纳米材料修饰电极上的电化学响应，检测限可达100μM，扫描速度为0.05Vs-1。请参照图2所示，为在0.08M NaOH介质中不同浓度葡萄糖在Pt@Au/C双金属纳米材料修饰电极上的循环伏安图。图中曲线从下至上所示的葡萄糖的浓度为0.01mM、0.02mM、0.04mM、0.07mM、0.1mM、0.2mM、0.4mM、1mM、4mM、10mM，可以看出随着葡萄糖浓度的增加，葡萄糖氧化峰电流不断增加。图3为循环伏安检测时氧化电位为-0.3V时的葡萄糖的氧化电流与浓度的关系图，检测限为100μM，线性关系为I(mA)＝0.01757+0.01497C(mM)，相关系数为R2＝0.99221，呈现良好的线性关系，可用于葡萄糖的定量检测。
为了说明Pt@Au/C双金属纳米材料修饰电极对葡萄糖的检测性能，现将不同铂金含量及比例的Pt@Au双金属材料对葡萄糖检测的影响及干扰物质的电化学响应情况进行具体描述。
1.铂金比例对葡萄糖电化学响应信号的影响
请参阅图4所示，为在0.08M NaOH介质条件下10mM葡萄糖溶液在不同铂金比例的Pt@Au/C双金属纳米材料修饰电极上的循环伏安图，图中铂金的比例分别为1:1、1:2、2:1、4:1，从图中可以看出，在-0.5V-0V和0V-0.4V处出现了两个葡萄糖氧化峰。随着Au在Pt@Au双金属中的比例的增大，由Pt@Au/C双金属纳米材料修饰电极表面吸附的葡萄糖引起的氧化还原信号(氧化还原信号Ⅰ)越强，溶液相中扩散至电极表面的葡萄糖引起的氧化还原信号(氧化还原信号II)先增强后减弱，其中葡萄糖在Pt@Au/C双金属纳米材料修饰电极上的氧化还原信号II在铂金比例为1:1时最强。
2.DA、AA、UA在Pt@Au/C双金属纳米材料修饰电极上的电化学响应
在葡萄糖体液检测中，存在着DA、AA、UA等物质并对葡萄糖的检测存在一定的干扰。请参阅图5所示，为Pt@Au/C双金属纳米材料修饰电极分别在0.08M NaOH介质条件下的10mM葡萄糖、5mM DA、5mM AA、5mM UA溶液中的循环伏安图。从图中可以看出，DA和AA在-0.24V处开始出现氧化还原信号，UA在-0.06V处开始出现氧化还原信号，即在电位范围-0.24V-0.6V，DA、AA、UA对葡萄糖的检测存在干扰。在-0.5V至-0.24V电位范围，葡萄糖的电化学响应信号没有受到DA、AA、UA电化学响应信号的干扰，可作为葡萄糖检测优选的电位范围。
3.铂金含量对葡萄糖电化学响应信号的影响
请参阅图6所示，为0.08M NaOH介质条件下10mM葡萄糖溶液在不同铂金含量的Pt@Au/C双金属纳米材料修饰电极上的循环伏安图，图中铂金含量分别为0.1％、0.4％、0.7％、1％、2％、4％。从图中可以看出在-0.5V-0V和0V-0.4V处出现了两个葡萄糖氧化峰；随着铂金含量的增加(0.1％→0.4％)，葡萄糖的氧化还原信号Ⅱ增大，可归结为Pt@Au/C双金属纳米材料单位面积上铂金负载的量增加，可发生电化学反应的活性位点增加，使得葡萄糖的氧化还原信号Ⅱ增强；铂金含量为0.4％→1％时，葡萄糖氧化还原信号II相差不大，其原因为在该条件下葡萄糖电化学响应行为受溶液体相中的葡萄糖扩散速率的影响并成为葡萄糖电化学反应速率的决定步骤，使得葡萄糖在该条件下的不同铂金含量的修饰电极上没有表现出明显的信号差异；受葡萄糖在Pt@Au/C双金属纳米材料修饰电极表面的吸附作用影响，随着铂金含量的增加，单位体积上铂金表面葡萄糖可吸附位点增加，葡萄糖氧化还原信号I增大。虽然在0V-0.4V处出现的葡萄糖氧化峰随着铂金含量的增加而信号增强，但是在该电位条件下，葡萄糖的电化学响应信号容易受到DA、AA、UA等物质电化学响应信号的干扰；在-0.5V-0V处出现的葡萄糖氧化峰在铂金含量分别为0.4％或大于0.4％的Pt@Au/C双金属纳米材料修饰电极上的电化学响应信号表现出较优的灵敏度。基于节约经费角度考虑，本实施例优选铂金含量分别为0.4％的Pt@Au/C双金属纳米材料来检测葡萄糖。
本发明提供的Pt@Au/C双金属纳米材料及采用Pt@Au/C双金属纳米材料检测葡萄糖的方法具有以下优点：采用铂金比例为1:1，铂金含量分别为0.4％的Pt@Au/C双金属纳米材料检测葡萄糖时，具有较好的信噪比，检测限为100μM，具有较高的灵敏度；采用-0.5V至-0.24V的电位范围的电化学响应电流对葡萄糖进行检测，检测过程不受多巴胺(DA)、抗坏血酸(AA)、尿酸(UA)电化学响应信号的干扰；Pt@Au/C双金属纳米材料中铂金含量质量占比可分别低至0.4％，使得所述传感器相比较电化学酶传感器和其他贵金属电化学传感器具有价格优势。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种采用Pt@Au/C双金属纳米材料检测葡萄糖的方法，包括以下步骤：
采用一Pt@Au/C双金属纳米材料制备Pt@Au/C双金属纳米材料修饰电极；
以饱和甘汞电极为参比电极，石墨电极为辅助电极，Pt@Au/C双金属纳米材料修饰电极为工作电极，利用循环伏安法检测葡萄糖在Pt@Au/C双金属纳米材料修饰电极上的电化学响应，其中待测葡萄糖溶液中以NaOH为碱性介质，检测电位范围为-0.6 V-0.6 V，且检测过程不受多巴胺、抗坏血酸、尿酸电化学响应信号的干扰；其中，所述Pt@Au/C双金属纳米材料的制备方法包括：
步骤一，提供碳粉、柠檬酸三钠、乙二醇放置烧杯中进行超声分散；
步骤二，加入氯铂酸钾溶液和氯金酸溶液后，用2 % NaOH溶液将反应溶液pH调至10，转移至水热反应釜中；
步骤三，密闭并置于烘箱中，加热到120℃，反应3.5小时，降温后产物用0.22 μm孔径滤膜过滤，并用乙醇清洗，再低温烘干得到，其中，所述Pt@Au/C双金属纳米材料中Pt和Au的质量比为1:1，Pt和Au含量在所述Pt@Au/C双金属纳米材料中质量占比分别低至0.4%。
2.如权利要求1所述的采用Pt@Au/C双金属纳米材料检测葡萄糖的方法，其特征在于，所述Pt@Au/C双金属纳米材料修饰电极的制备步骤包括：将所述Pt@Au/C双金属纳米材料放入离心管中，加入无水乙醇和Nafion溶液并超声分散；采用滴涂法将超声分散后的溶液滴在玻碳电极表面，在室温条件下待溶剂挥干后备用。
3.如权利要求2所述的采用Pt@Au/C双金属纳米材料检测葡萄糖的方法，其特征在于，所述Pt@Au/C双金属纳米材料、无水乙醇、Nafion溶液之间的配比条件包括：Pt@Au/C双金属纳米材料2 mg时，无水乙醇为0.5 mL ，所述Nafion溶液为10 μL ，超声分散时间为10-60min。
4.如权利要求1所述的采用Pt@Au/C双金属纳米材料检测葡萄糖的方法，其特征在于，所述检测葡萄糖在Pt@Au/C双金属纳米材料修饰电极上的电化学响应的检测限为100 μM，扫描速度为0.05 V/ s。
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