CN110887886B - 一种利用过渡金属掺杂的碳量子点检测葡萄糖含量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电化学检测技术领域，具体涉及一种利用过渡金属掺杂的碳量子点检测葡萄糖含量的方法。包括：(1)将碳源与过渡金属源溶于水，得到混合溶液，然后进行水热反应，得到过渡金属掺杂的碳量子点溶液；(2)将步骤(1)得到的过渡金属掺杂的碳量子点溶液进行稀释，与成膜溶液混合后，滴涂于打磨好的玻碳电极上，烘干，即得修饰电极；(3)将步骤(2)得到的修饰电极作为工作电极，利用电化学检测技术，在碱性环境下，检测被测物中的葡萄糖含量。本发明方法原料易得，价格低廉、毒性低等优点，对葡萄糖的检测具有较好的灵敏度以及较强的抗干扰性。

Description

一种利用过渡金属掺杂的碳量子点检测葡萄糖含量的方法
技术领域
本发明属于电化学检测技术领域，具体涉及一种利用过渡金属掺杂的碳量子点检测葡萄糖含量的方法。
背景技术
葡萄糖是生物体内新陈代谢不可缺少的营养物质，是人类生命活动所需能量的重要来源。在微生物发酵生产中，常以葡萄糖含量作为发酵生产产品品质、过程控制的常规生化指标。目前，对于葡萄糖含量的检测，现行国家专业标准及国际美国分析化学家协会(AOAC)推荐方法中，以传统的容量分析法为主，如斐林试剂滴定法和高锰酸钾滴定法。但此类方法操作较为繁琐，周期较长，对滴定终点的判断带有经验性，误差较大，对葡萄糖含量的结果评价不够准确。除经典的容量分析方法，仪器分析方法如比色法、荧光法、色谱及其联用技术以及电化学分析技术等可以监测葡萄糖的含量。但是荧光法、色谱及其联用技术等方法存在样品前处理较为繁琐，测定成本较高等局限性；对于比色法而言，影响显色反应的因素较多。电化学分析技术因具有操作简便，快速实时，易于小型化的优点受到科学研究者更多的关注，然而，应用于生物发酵过程中的酶电极法极易受到环境因素的影响。因此，对发酵体系中葡萄糖的高效、准确、快速、高灵敏的监测，成为食品和发酵生产过程的重要任务，可为发酵过程的科学管理和规划，提供科学依据。
过渡金属材料在葡萄糖无酶电化学检测中表现出良好的电催化活性，如线性范围较宽，灵敏度较高，选择性较好等优点。很多文献报道使用贵金属金属材料及其氧化物及氢氧化物应用于无酶葡萄糖的电化学检测。但是，贵金属的应用，价格高昂，具有毒性，容易造成环境污染；且贵金属氧化物和氢氧化物其导电性较差，导致其应用在电化学检测过程中的电子传递效率相对较低，导致检测灵敏度不高。
碳量子点作为一种新型的碳基纳米材料，具有制备方法简单，成本低廉，光电性能优良，水溶性较好等特点。已有文献报道通过碳量子点对玻碳电极进行修饰，对三氯生以及多巴胺的含量进行检测分析(H.Dai,et al.,Electrochimica Acta,80(2012)362-367；Q.Huang,et al.,The Analyst,138(2013)5417-5423.)。近年来，科学工作者通过对碳量子点的表面钝化，功能化以及杂原子掺杂的方式来提高碳量子点的光电性能。其中，因杂原子掺杂的方式的制备方法简单而备受关注。然而，大量研究集中于非金属掺杂的碳量子点的制备及性能研究。目前，基于过渡金属掺杂的碳量子点应用于葡萄糖含量检测的电化学阻抗分析的报道较少。
发明内容
为了解决现有技术中存在的电化学阻抗技术测定葡萄糖的含量的灵敏度不高的缺陷，本发明在于提供一种利用过渡金属掺杂的碳量子点检测葡萄糖含量的方法。本发明原料易得，价格低廉，毒性低，方法简便，灵敏度较优。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种利用过渡金属掺杂的碳量子点检测葡萄糖含量的方法，包括如下步骤：
(1)碳量子点制备：将碳源与过渡金属源溶于水，得到混合溶液，然后进行水热反应，冷却、离心、过滤，得到过渡金属掺杂的碳量子点溶液，备用；
(2)修饰电极制备：将步骤(1)得到的过渡金属掺杂的碳量子点溶液进行稀释，与成膜溶液混合后，滴涂于打磨好的玻碳电极上，烘干，即得修饰电极；
(3)将步骤(2)得到的修饰电极作为工作电极，利用电化学检测技术，在碱性环境下，检测被测物中的葡萄糖含量。
优选地，步骤(1)中所述混合溶液中碳源和过渡金属源总的浓度为0.002-2mol/L，所述碳源与所述过渡金属源的摩尔比为(0.1-8):1。
所述碳源与所述过渡金属源的摩尔比为(1-4):1；所述碳源为乙二胺四乙酸二钠或/和柠檬酸三钠，所述过渡金属源为氯化铜、氯化亚铜、硝酸铜、硫酸铜、氯化镍、硝酸镍和硫酸镍中的一种或多种。
优选地，步骤(1)中所述水热反应的温度为180-200℃，反应时间为6-10h；所述离心为在10000rpm的转速下离心30min；所述过滤采用0.22μm的过滤膜进行过滤。
步骤(2)中所述稀释为将过渡金属掺杂的碳量子点溶液与去离子水按照体积比1：(40-60)进行混合得到；所述混合为将稀释后的过渡金属掺杂的碳量子点溶液与成膜溶液按照体积比(0.5-5)：1进行混合。
优选地，所述成膜溶液中的溶质为壳聚糖、醋酸纤维素和Nafion中的一种或多种，成膜溶液的质量分数为1wt％。
优选地，步骤(2)中所述烘干的温度为30-80℃，烘干时间为5-60min。
优选地，步骤(3)中碱性环境为0.01-0.2mol/L的NaOH溶液，更优选为0.1mol/L的NaOH溶液。
优选地，步骤(3)中所述电化学检测技术包括循环伏安法和/或电化学阻抗技术。
本发明的有益效果：
(1)本发明方法中采用过渡金属Cu、Ni掺杂碳量子点，用于修饰电极材料，其中的过渡金属Cu、Ni相对于现有技术中的Au、Ag等贵金属，具有原料易得，价格低廉、毒性低等优点，且电子传递效率较快，对葡萄糖的检测灵敏度较高。
(2)本发明检测葡萄糖的方法，过程简便、周期短、误差小，用于在碱性环境中检测葡萄糖含量的电化学阻抗快速分析方法，将过渡金属掺杂的碳量子点与电化学阻抗技术结合，具有较好的灵敏度，以及较强的抗干扰性。
(3)本发明方法中采用乙二胺四乙酸二钠和柠檬酸三钠为碳源，乙二胺四乙酸二钠作为一种氨羧络合剂，由于其所制备出的过渡金属掺杂的碳量子点中主要含有Cu，C，N，O等元素，以柠檬酸三钠为碳源，所制备出的过渡金属掺杂的碳量子点中主要含有Cu，C，O等元素。实现过渡金属元素与能提供孤对电子的N、O非金属元素同时掺杂，极大的改善了制备出的量子点的导电性以及电催化性能，在对葡萄糖的检测中表现出良好的抗干扰能力。
附图说明
图1为实施例1中葡萄糖浓度的对数值(lgC)与电信号的变化线性图；
图2为修饰电极对葡萄糖(glucose)检测的抗干扰性能测试图，其中，抗干扰物质为对乙酰氨基酚(AP)、抗坏血酸(AA)、多巴胺(DA)以及果糖(Fructose)；
图3为实施例2中葡萄糖浓度的对数值(lgC)与电信号的变化线性图；
图4为不同修饰电极的循环伏安曲线图，其中a-裸玻碳电极；b-壳聚糖修饰电极；c-碳量子点/壳聚糖修饰电极；d-过渡金属Cu掺杂的碳量子点修饰电极。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明，但不限于此。
实施例1
(1)将二水合柠檬酸三钠与二水合氯化铜按照摩尔比为4：1的比例溶于水，得到混合溶液，其中混和溶液中二水合柠檬酸三钠和二水合氯化铜的总浓度为0.2mol/L，以一步水热法在200℃条件下，反应6h，然后，在10000rpm的转速下进行离心30min，用0.22μm的过滤膜进行过滤，得到过渡金属Cu掺杂的碳量子点溶液，备用；
(2)以水为溶剂，将步骤(1)得到的过渡金属Cu掺杂的碳量子点溶液稀释50倍，与1wt％壳聚糖的乙酸溶液按照体积比为3:1混合均匀后，以微量注射器取10μL滴涂于打磨好的裸玻碳电极，置于60℃的烘箱中干燥30min左右，得修饰电极；
(3)将步骤(2)得到的修饰电极作为工作电极，利用电化学检测技术，在碱性环境下，检测被测物中的葡糖糖含量，具体如下：
在0.1mol/L NaOH溶液中，以(2)得到的修饰电极作为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝为辅助电极，以电化学阻抗技术(EIS)为检测手段检测电化学信号，测试工作电极对不同浓度葡萄糖((5～600μmol/L浓度范围)相应的线性图，如图1所示：可以看出，在所述的碱性条件下，葡萄糖浓度的对数值(lgC)与电信号的变化之间呈线性关系，检出限为7.94μmol/L(S/N＝3)。
以(2)得到的修饰电极作为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝为辅助电极，以电化学阻抗技术(EIS)为检测手段检测相同浓度(10μM)的葡萄糖(glucose)、对乙酰氨基酚(AP)、抗坏血酸(AA)、多巴胺(DA)以及果糖(Fructose)的电化学响应信号，以阻值的变化量评价方法的抗干扰性能，图2为修饰电极对葡萄糖(glucose)检测的抗干扰性能测试图，其中，抗干扰物质为对乙酰氨基酚(AP)、抗坏血酸(AA)、多巴胺(DA)以及果糖(Fructose)，从图中可以看出，在同浓度的葡萄糖及其类似物的分析中，工作电极对于葡萄糖有较灵敏的响应，而对其他分子(AP，AA，DA以及Fructose)的响应较低，因此，AP，AA，DA以及Fructose的存在对葡萄糖的阻抗分析干扰不大，本发明检测方法具有较优异的抗干扰性能。
实施例2
(1)将二水合乙二胺四乙酸二钠与二水合氯化铜按照摩尔比为1：1的比例溶于水，得到混合溶液，其中，混和溶液中二水合柠檬酸三钠和二水合氯化铜的浓度分别为0.1mol/L，以一步水热法在180℃条件下，反应8h，然后，在10000rpm的转速下进行离心30min，用0.22μm的过滤膜进行过滤，得到过渡金属Cu掺杂的碳量子点溶液，备用；
(2)将步骤(1)得到的过渡金属Cu掺杂的碳量子点溶液稀释50倍，与1wt％壳聚糖的乙酸溶液按照体积比3:1混合均匀后，以微量注射器取10μL滴涂于打磨好的裸玻碳电极，置于30℃的烘箱中干燥60min左右，得修饰电极；
(3)将步骤(2)得到的修饰电极作为工作电极，利用电化学检测技术，在碱性环境下，检测被测物中的葡糖糖含量，具体如下：
在0.1mol/L NaOH溶液中，以(2)得到的修饰电极作为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝为辅助电极，以电化学阻抗技术(EIS)为检测手段检测电化学信号，测试工作电极对不同浓度葡萄糖((5～700μmol/L浓度范围)相应的线性图，如图3所示：可以看出，在所述的碱性条件下，葡萄糖浓度的对数值值与电信号的变化之间呈线性关系，检出限为1.22μmol/L(S/N＝3)。
实施例3
将实施例1和实施例2步骤(2)得到的修饰电极作为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝为辅助电极。以电化学阻抗技术(EIS)为检测手段检测电化学响应信号，采用标准加入法对市售米酒样品中的葡萄糖进行定量分析：
实施例1的修饰电极作为工作电极，其测定的加标回收率为97.43％～101.1％；实施例2的修饰电极作为工作电极，其测定的加标回收率为96.76％～105.2％。
对比例1
碳量子点/壳聚糖修饰电极的制备：
制备方法与实施例1基本相同，不同之处，步骤(1)中不加入二水合氯化铜；
步骤(2)同实施例1，得到碳量子点/壳聚糖修饰电极。
对比例2
壳聚糖修饰电极的制备：
将1％的壳聚糖溶液，以微量注射器取10μL滴涂于打磨好的裸玻碳电极，置于60℃的烘箱中干燥30min左右，得壳聚糖修饰电极。
对比例3
裸玻碳电极。
将实施例1得到的过渡金属Cu掺杂的碳量子点修饰电极、对比例1得到的碳量子点/壳聚糖修饰电极、对比例2得到的壳聚糖修饰电极和对比例3的裸玻碳电极，在含有0.1mol/L KCl的0.005mol/L铁氰化钾的缓冲溶液中测试循环伏安曲线，扫描速率为100mV/s，电压范围为-0.2-0.6V，采样间隔为0.001V，如图4所示，可见，本发明的过渡金属Cu掺杂的碳量子点修饰电极具有优良的电化学性能。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种利用过渡金属掺杂的碳量子点检测葡萄糖含量的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)碳量子点制备：将碳源与过渡金属源溶于水，得到混合溶液，然后进行水热反应，冷却、离心、过滤，得到过渡金属掺杂的碳量子点溶液，备用；
(2)修饰电极制备：将步骤(1)得到的过渡金属掺杂的碳量子点溶液进行稀释，与成膜溶液混合后，滴涂于打磨好的玻碳电极上，烘干，即得修饰电极；
(3)将步骤(2)得到的修饰电极作为工作电极，利用电化学检测技术，在碱性环境下，检测被测物中的葡萄糖含量；
步骤(1)中所述混合溶液中碳源和过渡金属源的总浓度为0.002-2mol/L，所述碳源与所述过渡金属源的摩尔比为(0.1-8):1；
所述碳源为乙二胺四乙酸二钠或/和柠檬酸三钠，所述过渡金属源为氯化铜、氯化亚铜、硝酸铜、硫酸铜、氯化镍、硝酸镍和硫酸镍中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的利用过渡金属掺杂的碳量子点检测葡萄糖含量的方法，其特征在于，所述碳源与所述过渡金属源的摩尔比为(1-4):1。
3.根据权利要求1所述的利用过渡金属掺杂的碳量子点检测葡萄糖含量的方法，其特征在于，步骤(1)中所述水热反应的温度为180-200℃，反应时间为6-10h；所述离心为在10000rpm的转速下离心30min；所述过滤采用0.22μm的过滤膜进行过滤。
4.根据权利要求1所述的利用过渡金属掺杂的碳量子点检测葡萄糖含量的方法，其特征在于，步骤(2)中所述稀释为将过渡金属掺杂的碳量子点溶液与去离子水按照体积比1：(40-60)进行混合得到；所述混合为将稀释后的过渡金属掺杂的碳量子点溶液与成膜溶液按照体积比(0.5-5)：1进行混合。
5.根据权利要求1或4所述的利用过渡金属掺杂的碳量子点检测葡萄糖含量的方法，其特征在于，所述成膜溶液中的溶质为壳聚糖、醋酸纤维素和Nafion中的一种或多种，成膜溶液的质量分数为1wt％。
6.根据权利要求1所述的利用过渡金属掺杂的碳量子点检测葡萄糖含量的方法，其特征在于，步骤(2)中所述烘干的温度为30-80℃，烘干时间为5-60min。
7.根据权利要求1所述的利用过渡金属掺杂的碳量子点检测葡萄糖含量的方法，其特征在于，步骤(3)中碱性环境为0.01-0.2mol/L的NaOH溶液。
8.根据权利要求1所述的利用过渡金属掺杂的碳量子点检测葡萄糖含量的方法，其特征在于，步骤(3)中碱性环境为0.1mol/L的NaOH溶液。
9.根据权利要求1所述的利用过渡金属掺杂的碳量子点检测葡萄糖含量的方法，其特征在于，步骤(3)中所述电化学检测技术包括循环伏安法和/或电化学阻抗技术。
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