CN112285174A - 一种无酶葡萄糖传感器及其制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及葡萄糖检测技术领域，特指一种无酶葡萄糖传感器及其制备方法和用途。本发明采用广玉兰叶作为碳基催化剂，其作为基底材料很好的分散了镍原子，提高了材料的催化活性。在预处理过的白色玻碳电极上修饰制备好的Ni@NSiC纳米分子层，得到高活性的修饰工作电极Ni@NSiC/GCE，采用循环伏安法、用计时电流法对葡萄糖进行检测。本发明解决了传统电氧化方法检测葡萄糖时存在多巴胺、抗坏血酸、尿酸等易氧化干扰物质的影响问题。测试结果表明该材料对葡萄糖具有优良的电化学传感性能，具有较高的灵敏度、良好的稳定性和抗干扰能力，在电催化和生物传感领域具有广阔的应用前景。

Description

一种无酶葡萄糖传感器及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及葡萄糖检测技术领域，特指一种无酶葡萄糖传感器及其制备方法和用途。
背景技术
镍基材料被公认为葡萄糖的理想电催化氧化剂，对这些材料的许多研究已经报道。Ni(OH)2和NiO的电化学稳定性使其受到研究人员的青睐，但它们仍然面临着导电率低的问题。镍金属纳米粒子(Ni-NPs)虽然与Ni(OH)2和NiO相比具有优异的导电性，但由于其尺寸小、磁性能强等特点，容易发生团聚，在催化过程中易失活，稳定性差，限制了其在纳米材料领域的进一步发展电化学催化。在过去的几十年中，人们期望能够开发出具有高稳定性和良好导电性的电化学应用镍纳米粒子。
纳米结构材料往往具有较大的比表面积，这使得它们可用作高活性吸附剂和催化剂。然而，合成纳米材料的过程通常是繁琐和昂贵的。目前，生物质基纳米材料的合成因其简单、经济和环保而受到广泛关注。此外，生物质材料的原始和独特的结构是很难通过实验手段复制的，例如有利于改善电极离子传输和储存性能的三维分层结构。例如，卜权等人(中国专利申请号：2020010657163.2)利用生物质废弃物制备了一种电化学H2O2传感器，该传感器具有优异的分析性能。此外，由于碳原子和氮原子的半径相似，碳原子很容易被氮原子取代，先前的研究发现，与碳材料本身相比，掺氮碳材料具有更好的导电性和催化性能，采用氨气蚀刻法一步完成了氮掺杂。
国内外已经有很多学者对葡萄糖电传感进行了很多研究，如专利号CN 111537589A公开了一种基于钴基-MOF材料作为葡萄糖无酶检测葡萄糖的应用，它通过蒸馏、合成得到钴基-MOF材料，通过制作标准曲线来测定葡萄糖的含量。做法单一、重现性差且应用效果一般，它的检出限低(1.6μm/L)，线性范围窄(5-900μm/L)且灵敏度不高(169μA·mM-1·cm-2)而且只能单一的检测葡萄糖的含量，不能消除样品中像多巴胺、抗坏血酸、尿酸等易发生电氧化的常见干扰物的影响。
如中国专利文献CN 111505078 A公开了一种Ni/Au复合纳米线阵列无酶葡萄糖传感器电极及其制备方法，采用电沉积法将不同电负性贵金属和非贵金属构建为双层纳米线结构，文中选用贵金属Au，制作成本昂贵；制作电极耗时长，需要长达6h-10h，而且得到的线性范围窄(0.05mM-10mM)，检出限低，可重复性低等不足。
在以往的研究中，纳米材料的制备通常采用模板法，操作复杂，需要额外使用化学试剂。而CEM微波合成仪具有操作简便、效率高、重现性好、无表面聚集、表面极干净、稳定性好等优点，是一种无机纳米材料的有效合成方法。而且电化学检测法由于设备简单、灵敏度高、价格低廉以及分析速度快等优点，得到了越来越多人的关注。葡萄糖的检测在传统电极上由于电极材料响应慢，依赖于氧化酶分子而且容易受到温度和PH的影响，导致检测结果有很大误差。电化学检测的另一个难点在于需要消除生物样品中像多巴胺、抗坏血酸、尿酸等易发生电氧化的常见干扰物的影响。因此有必要提出有效的技术方案，解决上述问题。
发明内容
本发明为解决上述技术不足，提供一种基于生物质复合纳米电极材料Ni@NSiC的无酶葡萄糖传感器及其检测方法。该方法制备的高活性材料修饰电极可有效用于在干扰物质(多巴胺、抗坏血酸、尿酸等)存在条件下葡萄糖的高灵敏度选择性检测。
一种基于生物质复合纳米电极材料Ni@NSiC的无酶葡萄糖传感器的制备方法，步骤如下：
步骤(1)：将洗净烘干的广玉兰叶放入高温管式炉中煅烧成生物碳，备用；
步骤(2)：将盐酸处理过的生物碳、均苯四甲酸、乙酰丙酮镍、N,N-二甲基甲酰胺置于乙醇和超纯水的混合溶液中，搅拌分散，得到混合液A；
步骤(3)：将混合液A转移到CEM微波合成仪中，反应完全后得到混合液前驱体B；
步骤(4)：将冷却后的混合液前驱体B倒入离心管中，洗涤、离心、干燥，得到产物C；
步骤(5)：将产物C放入高温管式炉中，在NH3气氛，反应温度900℃条件下进行高温煅烧2h，得到反应产物纯相的Ni@NSiC纳米电极复合材料。
步骤(6)：称量Ni@NSiC纳米复合电极材料，用水、乙醇、5％Nafion溶液配成Ni@NSiC溶液备用，用移液枪移取Ni@NSiC溶液，滴至预处理后的电极上，晾干，得到高活性修饰电极Ni@NSiC/GCE。
步骤(1)中，高温管式炉煅烧工艺参数为：在N2气氛中，升温速率5℃/min，反应温度600℃，反应时间2h，N2流量为0.5L/min。
步骤(2)中，取生物炭加入到0.5M/L盐酸中浸泡12h后，过滤，烘干，备用；盐酸处理过的生物炭、均苯四甲酸、乙酰丙酮镍、N,N-二甲基甲酰胺、乙醇和超纯水的混合溶液的比例为0.04g:0.2542g:0.2569g:5ml:10ml，乙醇和超纯水的混合溶液中，乙醇和超纯水的体积比为1:1。
步骤(3)中，微波反应的工艺参数为，微波功率：180W～200W，反应温度：160℃～180℃，反应时间：2h。
步骤(5)中，NH3的流量0.1L/min。
步骤(6)中，Ni@NSiC溶液中，Ni@NSiC纳米复合电极材料的浓度为5mg/mL，水、乙醇、5％Nafion溶液的体积比为665μL:335μL:25μL；移液枪移取Ni@NSiC溶液的体积为5μL。
优选的，预处理电极的步骤为：玻碳电极(GCE)依次用1.0μm、0.3μm、0.05μm的Al2O3抛光粉抛光干净，随后用去离子水冲洗干净，用去离子水超声三遍，用无水乙醇超声一遍，每次超声时间不超过半分钟，最后用氮气吹干，备用。
一种基于生物质复合纳米电极材料Ni@NSiC的无酶葡萄糖传感器的用途，用于葡萄糖的高灵敏度检测。
优选的，所述葡萄糖的检测方法为：采用循环伏安法、计时电流法以及三电极系统，三电极系统分别由工作电极、参比电极和对电极组成，工作电极为制备的高活性修饰电极Ni@NSiC/GCE，参比电极为Ag/AgCl电极，铂丝作为对电极使用，用0.1MNaOH溶液作为初始底液。
优选的，所述计时电流法，参数设定为：测试电位为0.5V，时间3600s，等到电信号稳定后，开始用微量进样器取2μL不同浓度葡萄糖加入到称量瓶中，从400s开始，每隔50s依次加入0.25μM/L葡萄糖一次，0.5μM/L，1μM/L，2μM/L，5μM/L，10μM/L，20μM/L，50μM/L，100μM/L，200μM/L的葡萄糖各三次，最后一直加500μM/L葡萄糖，直到阶梯效果不明显为止。线性范围为0.5μM到1145.75μM(R2＝0.9932，I/μA＝10.11455+0.01995×C/μM)；1645.75μM到8145.75μM(R2＝0.9983，I/μA＝25.47582+0.00731×C/μM)，最低检出限为0.125μM(S/N＝3)。
本发明原理如下：
Ni+2OH-1＝Ni(OH)2+2e- (1)
Ni(OH)2+OH-＝NiO(OH)+H2O+e- (2)
首先，Ni原子在碱性条件下失去两个电子变成Ni(OH)2，然后Ni(OH)2在碱性条件下在失去一个电子变成NiO(OH)和H2O，增加了更多的活性中心，极大提高了葡萄糖的电催化效果。
有益效果：
通过该方法合成的材料进而修饰的电极，有一对明显的氧化还原峰，且呈较对称分布，表现出很高灵敏度，制备方法简单、稳定。
本专利制备的Ni@NSiC纳米复合电极材料修饰的电极，不仅能催化葡萄糖的氧化还能催化其氧化产物还原。另外，与传统电化学氧化还原相比，该方法制备的纳米材料可用于消除生物样品中像多巴胺、抗坏血酸、尿酸等易发生电氧化的常见干扰物的影响。
附图说明
图1为Ni@NSiC的XRD图。
图2为Ni@NSiC的扫描电镜图。(a)、(b)为煅烧前的形貌图，(c)、(d)为煅烧后的形貌图。
图3为Ni@NSiC的透射电镜图。(a)、(b)、(c)为不同放大倍数形貌图。
图4为Ni@NSiC/GCE在不同葡萄糖浓度下的循环伏安图。
图5为Ni@NSiC/GCE在0.5V时加入不同浓度梯度的i-t响应图。
图6为Ni@NSiC/GCE在0.5V时加入不同浓度梯度的i-t线性响应图。
图7为Ni@NSiC/GCE在0.5V时重现性电流响应图。
图8为Ni@NSiC/GCE在0.5V时稳定性电流响应图。
图9为常见干扰物质在Ni@NSiC/GCE上的抗干扰电流响应图。
具体实施方式
实施例1
一种基于生物质复合纳米电极材料Ni@NSiC的无酶葡萄糖传感器及其检测方法，步骤如下：
将洗净烘干的广玉兰叶放入高温管式炉N2(0.5L/min)气氛中，600℃煅烧2h，制成生物碳，备用；
将0.04g，0.5M/L盐酸处理过的生物碳、0.2542g均苯四甲酸、0.2569g乙酰丙酮镍、5ml N,N-二甲基甲酰胺置于10ml乙醇/超纯水(1：1)混合液中搅拌30min，得到混合液A；
将混合液A转移到CEM微波合成仪器中反应，反应条件为：反应温度180℃，反应时间2h，微波功率为200W，反应完全后得到混合液前驱体B；
将冷却后混合液前驱体B倒入离心管中，洗涤、离心、干燥，得到产物C；
将产物C放入管式炉中，反应温度900℃，氨气(0.1L/min)条件下进行高温煅烧2h，得到反应产物纯相的Ni@NSiC纳米电极复合材料。
称量5mg合成的Ni@NSiC纳米电极复合材料，用665μL去离子水、335μL乙醇、25μL5％的Nafion配成5mg/mL的Ni@NSiC溶液备用，用移液枪移取5μL的溶液，滴至磨好的电极上，晾干，得到高活性修饰电极Ni@NSiC/GCE。
上述方法制备的电极Ni@NSiC/GCE，镍原子通过制备的碳材料，均匀的分布在碳材料的表面，克服了金属原子易聚集，低活性位点的缺陷。镍原子所在的活性位点不仅能催化葡萄糖的氧化而且还能催化其氧化产物的还原。并且，上述方法制备的电极材料识别葡萄糖不需要很高的点位，就能高灵敏度的检测出来，这位后续的电化学识别奠定了基础。
将实施例1得到的高电活性修饰电极Ni@NSiC/GCE分别采用XRD、扫描电镜、透射电镜、循环伏安法、计时电流法等技术进行表征。
图1为Ni@NSiC的XRD图。从图中看出所合成的物质为纯相，没有其他杂峰出现，所对应的标准卡片为Ni-PDF#04-0850,对应的峰为镍原子的(111)、(200)、(220)三个晶面。
图2为本发明Ni@NSiC煅烧前(a、b)和煅烧后(c、d)的扫描电镜图。可以看出煅烧前后形貌发生了很大改变，煅烧前结构多呈柱状，煅烧后有很多镍颗粒附着在网状的碳表面，提供了很多活性位点，有利于葡萄糖的电催化。
图3为煅烧后Ni@NSiC透射电镜图。图a为HRTEM图片，图b为100nm的TEM图片，图c为20nm的TEM图片，从图片可以看出有很多镍原子颗粒均匀的分布在碳的表面，形貌较好。
图4为Ni@NSiC在不同葡萄糖浓度下的循环伏安图。根据氧化峰依次从下到上代表的是Ni@NSiC/GCE电极在0、1、5、20、100、500、1000μM的葡萄糖溶液中循环伏安图。该图表明了Ni@NSiC/GCE电极对葡萄糖溶液具有很高的电化学响应，在0.52V左右具有明显的氧化峰，0.37V左右具有较强的还原峰，且氧化还原峰对称性较好。随着葡萄糖浓度的线性增加，氧化还原峰呈线性增大，Ni@NSiC材料对葡萄糖具有很好电催化效果。
图5为Ni@NSiC/GCE在0.5V时加入不同浓度梯度的i-t响应图。根据循环伏安的响应，电极在0.5V测得其i-t线性最好，在i-t测试过程中常温常压，将不同浓度梯度的葡萄糖溶液每隔50s加入到称量瓶中，从实验可知最低检出限为0.125μM(S/N＝3)。
图6为Ni@NSiC/GCE在0.5V时加入不同浓度梯度的i-t阶梯线性响应图。电流响应随着葡萄糖的浓度线性增加，葡萄糖传感器的线性回归方程可以设定为：I/μA＝10.11455+0.01995×C/μM(R2＝0.9932)和I/μA＝25.47582+0.00731×C/μM(R2＝0.9983)。
图7为Ni@NSiC/GCE在0.5V时重现性电流响应图。Ni@NSiC/GCE电极在0.5V电位下，从400s开始，每隔50s，通过不断滴加0.1mM/L的葡萄糖溶液所测得的重现性结果，该图显示了对葡萄糖的检测具有良好的重现性。制备的电极材料具有很高的活性，能够多次重复使用。
图8为Ni@NSiC/GCE在0.5V时稳定性电流响应图。Ni@NSiC/GCE传感材料的稳定性通过电化学工作站的i-t测试得到，在400s处加入2μL的100μM/L葡萄糖溶液，此时底液为0.1M/LNaOH-100μM/L葡萄糖，静待3600s。结果表明Ni@NSiC/GCE的稳定性良好。对于100μM/L的葡萄糖溶液测定的安培响应，发现Ni@NSiC/GCE电极在3600s后,100μM/L的葡萄糖的峰值电流仍保留其初始价值98.7％，这个表明Ni@NSiC/GCE电极具有极好的稳定性。
图9为常见干扰物质在Ni@NSiC/GCE上的抗干扰响应图。在0.1M/LNaOH中，以0.1V/s扫速得到的依次加入5μM/L AA，UA，DA，NaCl一共4种抗干扰物质在Ni@NSiC/GCE电极用i-t进行抗干扰测试所得到的图，这些物质基本不具有与葡萄糖类似的电催化氧化作用，基本对葡萄糖溶液没有干扰影响，且再次加入葡萄糖后稳定性较好。
本申请所述试剂来源：均苯四甲酸、尿酸、盐酸多巴胺、半胱氨酸、抗坏血酸购于阿拉丁试剂有限公司：葡萄糖、氯化钠、N,N-二甲基甲酰胺购于国药集团化学试剂有限公司；乙酰丙酮镍、氢氧化钠购于Sigma-Aldrich公司；广玉兰叶采摘自江苏大学校园；玻碳电极(3毫米)购于武汉高仕睿联科技有限公司。

Claims (9)

1.一种无酶葡萄糖传感器的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤(1)：将洗净烘干的广玉兰叶放入高温管式炉中煅烧成生物碳，备用；
步骤(2)：将盐酸处理过的生物碳、均苯四甲酸、乙酰丙酮镍、N,N-二甲基甲酰胺置于乙醇和超纯水的混合溶液中，搅拌分散，得到混合液A；
步骤(3)：将混合液A转移到CEM微波合成仪中，反应完全后得到混合液前驱体B；
步骤(4)：将冷却后的混合液前驱体B倒入离心管中，洗涤、离心、干燥，得到产物C；
步骤(5)：将产物C放入高温管式炉中，在NH3气氛，反应温度900℃条件下进行高温煅烧2h，得到反应产物纯相的Ni@NSiC纳米电极复合材料；
步骤(6)：称量Ni@NSiC纳米复合电极材料，用水、乙醇、5％Nafion溶液配成Ni@NSiC溶液备用，用移液枪移取Ni@NSiC溶液，滴至预处理后的电极上，晾干，得到高活性修饰电极Ni@NSiC/GCE。
2.如权利要求1所述的一种无酶葡萄糖传感器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，高温管式炉煅烧工艺参数为：在N2气氛中，升温速率5℃/min，反应温度600℃，反应时间2h，N2流量为0.5L/min。
3.如权利要求1所述的一种无酶葡萄糖传感器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，取生物炭加入到0.5M/L盐酸中浸泡12h后，过滤，烘干，备用；盐酸处理过的生物炭、均苯四甲酸、乙酰丙酮镍、N,N-二甲基甲酰胺、乙醇和超纯水的混合溶液的比例为0.04g:0.2542g:0.2569g:5ml:10ml，乙醇和超纯水的混合溶液中，乙醇和超纯水的体积比为1:1。
4.如权利要求1所述的一种无酶葡萄糖传感器的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，微波反应的工艺参数为，微波功率180W～200W，反应温度160℃～180℃，反应时间2h。
5.如权利要求1所述的一种无酶葡萄糖传感器的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，NH3的流量0.1L/min。
6.如权利要求1所述的一种无酶葡萄糖传感器的制备方法，其特征在于，步骤(6)中，Ni@NSiC溶液中，Ni@NSiC纳米复合电极材料的浓度为5mg/mL，水、乙醇、5％Nafion溶液的体积比为665μL:335μL:25μL；移液枪移取Ni@NSiC溶液的体积为5μL；预处理电极的步骤为：玻碳电极(GCE)依次用1.0μm、0.3μm、0.05μm的Al2O3抛光粉抛光干净，随后用去离子水冲洗干净，用去离子水超声三遍，用无水乙醇超声一遍，每次超声时间不超过半分钟，最后用氮气吹干，备用。
7.如权利要求1-6任一方法制备的一种无酶葡萄糖传感器的用途，其特征在于，用于葡萄糖的高灵敏度检测。
8.如权利要求7所述的用途，其特征在于，葡萄糖的检测方法为：采用循环伏安法、计时电流法以及三电极系统，三电极系统分别由工作电极、参比电极和对电极组成，工作电极为制备的高活性修饰电极Ni@NSiC/GCE，参比电极为Ag/AgCl电极，铂丝作为对电极使用，用0.1M NaOH溶液作为初始底液。
9.如权利要求8所述的用途，其特征在于，所述计时电流法，参数设定为：测试电位为0.5V，时间3600s，等到电信号稳定后，开始用微量进样器取2μL不同浓度葡萄糖加入到称量瓶中，从400s开始，每隔50s依次加入0.25μM/L葡萄糖一次，0.5μM/L，1μM/L，2μM/L，5μM/L，10μM/L，20μM/L，50μM/L，100μM/L，200μM/L的葡萄糖各三次，最后一直加500μM/L葡萄糖，直到阶梯效果不明显为止。线性范围为0.5μM到1145.75μM(R2＝0.9932，I/μA＝10.11455+0.01995×C/μM)；1645.75μM到8145.75μM(R2＝0.9983，I/μA＝25.47582+0.00731×C/μM)，在S/N＝3的条件下，最低检出限为0.125μM。
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