CN110823972A - 基于Fe2O3电极的无酶葡萄糖光电化学传感器及其制备方法与检测方法 - Google Patents

基于Fe2O3电极的无酶葡萄糖光电化学传感器及其制备方法与检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Fe2O3电极的无酶葡萄糖光电化学传感器及其制备方法与检测方法，属于传感器技术领域。它包括取Fe2O3电极为工作电极，铂丝或铂片为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，其中，Fe2O3电极包括导电基底及复合在导电基底表面的Fe2O3薄膜，Fe2O3薄膜包括以阵列方式垂直排布在导电基底上的Fe2O3纳米棒，且Fe2O3纳米棒的高度为290～310nm，Fe2O3纳米棒的直径为72nm。本发明设计的无酶葡萄糖光电化学传感器灵敏度高，且稳定性好。

Description

基于Fe2O3电极的无酶葡萄糖光电化学传感器及其制备方法与 检测方法
技术领域
本发明涉及一种无酶葡萄糖光电化学传感器，属于光电化学传感器技术领域，具体地涉及一种基于Fe2O3电极的无酶葡萄糖光电化学传感器及其制备方法与检测方法。
背景技术
葡萄糖的定量分析在临床医学、生物化学、环境监测、食品科学等领域有着极其重要的作用，开发葡萄糖传感器一直以来是传感器领域发展的重点。目前，葡萄糖的测定方法主要有红外光谱法、毛细管电泳法、荧光光谱法、光声光谱法、色度法、表面等离子体共振生物传感器以及电致化学发光法。但是，这些方法通常需要较贵的仪器设备和较复杂的试样处理，不利于推广。
相比之下，电化学生物传感器凭借其较高的灵敏度、费用较低、操作简单、样品消耗小等优点，有着较大的应用潜能。然而，限制广泛研究的葡萄糖氧化酶电化学传感器，由于受到酶的物理化学性质限制，使葡萄糖氧化酶不易长期固定在电极上，同时容易受到温度和化学环境等因素的干扰，对葡萄糖的检测结果产生影响。此外，近年来，无酶葡萄糖传感器虽引起了广泛的研究，但此类传感器大多基于金、铂、铜及其贵金属合金等纳米粒子，具有成本高、选择性差和不稳定等缺陷，不适合实际样品的检测。
中国发明专利申请(申请公布号：CN108982627A，申请公布日：2018-12-11)公开了一种无酶葡萄糖光电化学传感器以及葡萄糖浓度的检测方法，其选择TiO2纳米棒阵列薄膜电极为工作电极。
中国发明专利申请(申请公布号：CN 109239155A，申请公布日：2019-1-18)公开了无酶葡萄糖光电化学传感器、无酶葡萄糖浓度的检测方法，其选择WO3纳米片阵列薄膜电极为工作电极。
上述两种光电化学传感器存在对葡萄糖浓度检测范围窄、线性响应区间不连续、吸光范围窄等技术问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明公开了一种基于Fe2O3电极的无酶葡萄糖光电化学传感器及其制备方法与检测方法，该传感器对葡萄糖浓度检测范围宽、电极重现性好、检测限低、稳定性好、光响应范围宽。
为实现上述目的，本发明公开了一种基于Fe2O3电极的无酶葡萄糖光电化学传感器，它包括取Fe2O3电极为工作电极，铂丝或铂片为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，所述Fe2O3电极包括导电基底及复合在导电基底表面的Fe2O3薄膜，所述Fe2O3薄膜包括以阵列方式垂直排布在导电基底上的Fe2O3纳米棒，且Fe2O3纳米棒的高度为290～310nm，Fe2O3纳米棒的直径为72nm。所述Fe2O3电极具备上述结构的优点是对葡萄糖浓度检测范围宽、灵敏度高、电极重现性好、稳定性好。
进一步地，所述导电基底的厚度为515nm，Fe2O3薄膜的厚度为310nm。
进一步地，所述Fe2O3电极的制备过程如下：
取导电基底清洗并干燥后置于包含有FeCl3及NH2CONH2的溶液中，先在80～200℃下反应1～8h，将得到的反应中间物再在480～520℃下焙烧2.5～5h，升温至750℃后退火处理8～15min，得到Fe2O3电极。该制备方法简单且表面成膜率高。
进一步地，溶液中FeCl3与NH2CONH2的摩尔比为1:4～2:1。
进一步地，所述导电基底依次使用丙酮、乙醇和超纯水进行超声清洗。
进一步地，所述导电基底为FTO导电玻璃或ITO导电玻璃。
本发明还公开了一种基于Fe2O3电极的无酶葡萄糖光电化学传感器的制备方法，它包括如下步骤：
1)导电基底经超声清洗、冲洗后在室温下晾干；
2)取步骤1)处理后的导电基底置于浓度为0.05～1mol L-1，包含有FeCl3及NH2CONH2的溶液中，先在80～200℃下反应1～8h，将得到的反应中间物取出，用去离子水冲洗后室温晾干，再在480～520℃下焙烧2.5～5h，升温至750℃后退火处理8～15min，得到Fe2O3电极；
3)取步骤2)制得的Fe2O3电极作为工作电极，铂丝或铂片为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，插入含有0.01～2.0mol L-1的电解质溶液中，调整pH值为7～14，即制得无酶葡萄糖光电化学传感器。。进一步地，所述导电基底为FTO导电玻璃或ITO导电玻璃，且FTO导电玻璃或ITO导电玻璃的尺寸为(0.5～10)厘米×(0.5～10)厘米。
本发明还公开了一种基于Fe2O3电极的无酶葡萄糖光电化学传感器的检测方法，它包括取上述基于Fe2O3电极的无酶葡萄糖光电化学传感器置于葡萄糖的电解质溶液中，并将无酶葡萄糖光电化学传感器与电化学工作站连接，采用电流-时间技术，控制偏电位为-0.2～0.2V vs.SCE，在模拟太阳光的照射下进行光电信号检测。
进一步地，所述无酶葡萄糖光电化学传感器对于浓度为0.2～2mmol/L的葡萄糖的检测灵敏度为100.46uA·cm-2·mM-1、线性相关性为0.997、检测限为5.5umol/L、传感器稳定性超过2周。该检测方法的优点是光激发源与电检测信号的分离，可以有效地消除检测背景噪声，具有较高的灵敏度；此外，避免传统电化学传感器贵金属材料的使用，降低了传感器价格；再者，Fe2O3电极材料具有廉价、材料易得，稳定性好的优点。
有益效果：
1、本发明设计的无酶葡萄糖光电化学传感器对于浓度为0.2～2mmol/L的葡萄糖的检测灵敏度为100.46uA·cm-2·mM-1，线性相关性为0.997，检测限为5.5umol/L，传感器稳定性超过2周，因此具备对葡萄糖浓度检测范围宽、电极重现性好、检测限低、稳定性好、光响应范围宽，且稳定性好的优点；
2、本发明设计的检测方法将光激发源与电检测信号分离，可以进一步地有效消除检测背景噪声，提高检测灵敏度；同时，该检测方法造价低，可有效降低生产成本。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的Fe2O3纳米棒阵列电极的X-射线衍射和紫外-可见漫反射光谱图；
图2为本发明实施例1提供的Fe2O3纳米棒阵列电极的扫描电镜图；
图3为本发明实施例1提供的Fe2O3纳米棒阵列电极光电氧化葡萄糖的线性扫描曲线；
图4为本发明实施例1提供的Fe2O3纳米棒电极的葡萄糖光电化学传感器随葡萄糖浓度变化的光电流曲线和其校准曲线；
图5为本发明实施例1提供的基于Fe2O3纳米棒光电化学传感器对葡萄糖检测的选择性考察曲线，其中，包括抗坏血酸(AA)、尿酸(UA)对葡萄糖检测的影响，及二者的协同对电流的影响。
图6为本发明实施例1提供的基于Fe2O3纳米棒光电化学传感器对葡萄糖检测的稳定性考察曲线。
具体实施方式
为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。
实施例1
本实施例公开了一种Fe2O3纳米棒阵列电极的制备方法，包括如下步骤：
(1)将FTO导电玻璃切割成宽×长＝2厘米×2.5厘米尺寸，先在质量浓度为5％的氢氧化钠溶液中煮沸，再依次使用丙酮、乙醇和超纯水对FTO导电玻璃进行超声清洗；
(2)取0.2mol L-1FeCl3溶液和0.3mol L-1NH2CONH2溶液装入烧杯中，将洗好的FTO导电玻璃立于烧杯中，用保鲜膜封住烧杯口，再将烧杯放入100℃的烘箱中反应4h然后轻轻取出，用去离子水冲洗。冲洗干净后，放入坩埚中，室温晾干，然后在500℃焙烧3h，再在750℃退火10min。即制得Fe2O3纳米棒阵列电极，将该Fe2O3纳米棒阵列电极用X-射线衍射检测和紫外-可见漫反射测试，其中，X-射线衍射检测所得结果如图1(a)所示，紫外-可见漫反射所得结果如图1(b)所示。由图1(a)可知，FTO导电玻璃表面的Fe2O3薄膜为α相Fe2O3，其(100)晶面具有相对较强的衍射峰。由图1(b)可知，该Fe2O3薄膜对于波长小于610nm的可见以及紫外光均有良好的吸收性能。
将该Fe2O3纳米棒阵列电极置于扫描电镜下观察，得到正面形貌图如图2(a)，侧面形貌图如图2(b)，由图2可知，Fe2O3纳米棒均匀的阵列于FTO导电玻璃表面形成纳米棒阵列结构，且纳米棒高度为300nm。
实施例2
本实施例公开了一种基于Fe2O3电极的无酶葡萄糖光电化学传感器的检测方法，它包括取Fe2O3纳米棒阵列电极作为工作电极、铂丝作为对电极，饱和甘汞作为参比电极，建立三电极系统，将三电极插入浓度为2.0mmol/L葡萄糖的1.0mol/L的NaOH溶液中，并将三电极系统与电化学工作站连接；采用电流-时间测试技术，偏电位为-0.1V vs.SCE下，在模拟太阳光的照射下进行葡萄糖氧化的光电信号检测。根据葡萄糖底物浓度与检测光电流的校正曲线，测定待测溶液中的葡萄糖的含量。
试验例1
以本发明实施例1提供的Fe2O3纳米棒阵列电极为工作电极、Pt片为对电极、饱和甘汞电极SCE为参比电极，并将三电极系统与电化学工作站连接；本实施例选择的电化学工作站为上海辰华CHI660D。
以AM1.5G太阳能模拟器为光源(光强为100mW/cm2)，在1.0mol/L的NaOH电解质溶液，测试加入或不加入葡萄糖时的线性扫描曲线，测试结果见图3。结合图3可知，加入非常低的葡萄糖(浓度为2.0mmol/L)后的光电流明显高于在空白NaOH电解质中测量的光电流，这说明Fe2O3纳米棒阵列电极具有较好的光电催化氧化葡萄糖的能力。并且当对Fe2O3纳米棒阵列电极不施加光照时，其几乎对葡萄糖不响应，这也直接的验证了本申请制备的传感器为光电化学传感器。其中，光信号激发Fe2O3纳米棒产生电子—空穴对，被检测葡萄糖分子捕获光生空穴在比电化学检测技术所使用的更低的电位下被氧化，同时激发电子通过电极转移到外电路而产生放大了的电流信号。从而实现对葡萄糖的检测。
试验例2
将本发明实施例1提供的Fe2O3纳米棒阵列电极作为工作电极、铂丝作为对电极，饱和甘汞作为参比电极，建立三电极系统，将三电极插入浓度为1mol/L NaOH溶液中，并将三电极系统与电化学工作站连接；采用电流-时间测试技术，偏电位为-0.1V vs.SCE下，在模拟太阳光的照射下进行葡萄糖浓度分别为0mmol/L，0.2mmol/L，0.4mmol/L，0.6mmol/L，0.8mmol/L，1.0mmol/L，1.2mmol/L，1.4mmol/L，1.6mmol/L，1.8mmol/L，2.0mmol/L的光电信号检测。根据葡萄糖底物浓度与光电流的变化，得到葡萄糖浓度的校正曲线，测试结果见图4。结合图4可知，在一定范围内，随着葡萄糖浓度的增大，光电流明显成增大趋势，结果表明光电流在葡萄糖浓度为0.2～2mmol/L范围内成线性关系，线性相关性好，为0.997；检测灵敏度为100.46uA·cm-2·mM-1，这说明该光电化学传感器具备较高的灵敏度；此外，根据公式3σ/m，σ为空白信号的标准差，m为标准曲线的斜率，可得该传感器的检测限为5.5umol/L。
试验例3
Fe2O3纳米棒阵列光电化学传感器对葡萄糖检测的选择性：
(1)将Fe2O3纳米棒阵列作为工作电极、铂丝作为对电极，饱和甘汞作为参比电极，建立三电极系统，将三电极置于1mol/L NaOH溶液并将三电极系统与电化学工作站连接；
(2)采用电流-时间测试技术，偏电位为-0.1V vs.SCE下，在模拟太阳光的照射下进行光电信号检测。
(3)测试过程中间歇性加入2mmol/L葡萄糖、0.04mmol/L抗坏血酸、0.04mmol/L尿酸，考察干扰物质抗坏血酸和尿酸对葡萄糖响应电流的影响，并统计结果做成图5，结合图5可知，本发明Fe2O3光电化学传感器对葡萄糖检测的选择性考察曲线，测试结果表明，当在电解质溶液中加入葡萄糖时，光电流明显增大，而加入干扰物质抗坏血酸和尿酸时，对光电流的扰动不明显，这说明该Fe2O3光电化学传感器对葡萄糖有较好的测试选择性，并不容易受其它物质干扰。
进一步的将本发明设计的传感器每隔几天测试一次其对0.2mmol/L葡萄糖的电流响应，连续测试2周，结合图6可知，在整个测试周期中传感器存在周围环境中，两周后响应电流仍可保持初始值的98％。
采用同一传感器在单次测试中对0.2mmol/L葡萄糖连续测试2500s，结合图6可知，电流值可保留初始值的100％。这些均说明本发明设计的传感器具备极好的稳定性。
综上可知，本发明设计的基于Fe2O3电极的无酶葡萄糖光电化学传感器不仅具备对葡萄糖浓度检测范围宽、电极重现性好、检测限低、稳定性好、光响应范围宽，且稳定性好的优点，更重要的是Fe2O3电极材料廉价，可有效的降低生产成本。
以上实施例仅为最佳举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。除上述实施例外，本发明还有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于Fe2O3电极的无酶葡萄糖光电化学传感器，它包括取Fe2O3电极为工作电极，铂丝或铂片为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，所述Fe2O3电极包括导电基底及复合在导电基底表面的Fe2O3薄膜，所述Fe2O3薄膜包括以阵列方式垂直排布在导电基底上的Fe2O3纳米棒，且Fe2O3纳米棒的高度为290～310nm，Fe2O3纳米棒的直径为72nm。
2.根据权利要求1所述基于Fe2O3电极的无酶葡萄糖光电化学传感器，其特征在于：所述导电基底的厚度为515nm，Fe2O3薄膜的厚度为290～310nm。
3.根据权利要求1或2所述基于Fe2O3电极的无酶葡萄糖光电化学传感器，其特征在于：所述Fe2O3电极的制备过程如下：
取导电基底清洗并干燥后置于包含有FeCl3及NH2CONH2的溶液中，先在80～200℃下反应1～8h，将得到的反应中间物再在480～520℃下焙烧2.5～5h，升温至750℃后退火处理8～15min，得到Fe2O3电极。
4.根据权利要求3所述基于Fe2O3电极的无酶葡萄糖光电化学传感器，其特征在于：溶液中FeCl3与NH2CONH2的摩尔比为1:4～2:1。
5.根据权利要求3所述基于Fe2O3电极的无酶葡萄糖光电化学传感器，其特征在于：所述导电基底依次使用丙酮、乙醇和超纯水进行超声清洗。
6.根据权利要求1或2或4或5所述基于Fe2O3电极的无酶葡萄糖光电化学传感器，其特征在于：所述导电基底为FTO导电玻璃或ITO导电玻璃。
7.一种基于Fe2O3电极的无酶葡萄糖光电化学传感器的制备方法，它包括如下步骤：
1)导电基底经超声清洗、冲洗后在室温下晾干；
2)取步骤1)处理后的导电基底置于浓度为0.05～1molL-1，包含有FeCl3及NH2CONH2的溶液中，先在80～200℃下反应1～8h，将得到的反应中间物取出，用去离子水冲洗后室温晾干，再在480～520℃下焙烧2.5～5h，升温至750℃后退火处理8～15min，得到Fe2O3电极；
3)取步骤2)制得的Fe2O3电极作为工作电极，铂丝或铂片为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，插入含有0.01～2.0molL-1的电解质溶液中，调整pH值为7～14，即制得无酶葡萄糖光电化学传感器。
8.根据权利要求7所述基于Fe2O3电极的无酶葡萄糖光电化学传感器的制备方法，其特征在于：所述导电基底为FTO导电玻璃或ITO导电玻璃，且FTO导电玻璃或ITO导电玻璃的尺寸为(0.5～10)厘米×(0.5～10)厘米。
9.一种基于Fe2O3电极的无酶葡萄糖光电化学传感器的检测方法，它包括取权利要求1所述的基于Fe2O3电极的无酶葡萄糖光电化学传感器置于葡萄糖的电解质溶液中，并将无酶葡萄糖光电化学传感器与电化学工作站连接，采用电流-时间技术，控制偏电位为-0.2～0.2V vs.SCE，在模拟太阳光的照射下进行光电信号检测。
10.根据权利要求9所述基于Fe2O3电极的无酶葡萄糖光电化学传感器的检测方法，其特征在于：所述无酶葡萄糖光电化学传感器对于浓度为0.2～2mmol/L的葡萄糖的检测灵敏度为100.46uA·cm-2·mM-1，线性相关性为0.997，检测限为5.5umol/L，传感器稳定性超过2周。
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