CN113447552A - 一种无酶葡萄糖电化学传感器及制备方法 - Google Patents

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李宁
徐伟航
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Abstract

本发明公开了一种无酶葡萄糖电化学传感器的制备方法，其步骤如下：（1）基底的预处理；（2）配制混合金属离子溶液和硫化物溶液；（3）在基底上原位生长制备铜钴镍硫化物修饰层；（4）将制备的铜钴镍硫化物电极进行干燥；（5）将步骤(4)制备的铜钴镍复合硫化物电极作为工作电极，与对电极、参比电极组成三电极体系，并与电化学工作站相连形成电化学传感器，即得铜钴镍复合硫化物无酶葡萄糖电化学传感器。本发明应用铜钴镍复合硫化物构建一种新型无酶传感器，应用于人体血清中葡萄糖含量的高灵敏度检测，显示了较宽的线性范围、极低的检出限和良好的抗干扰能力和稳定性。

Description

一种无酶葡萄糖电化学传感器及制备方法
技术领域
本发明属于生物化学传感器领域，涉及一种铜钴镍复合硫化物无酶葡萄糖传感器及制备方法。
背景技术
糖尿病已成为严重危害人类健康的慢性疾病之一，为预防和监控糖尿病，需要快速、准确、持续地检测人体中葡萄糖的含量。
相对于分光光度法或色谱法，电化学检测法具有灵敏度高、响应快，易于制备和携带等优点。目前市场上广泛使用含酶的葡萄糖传感器，但酶不仅成本高，还易受外部环境影响而失活，严重影响检测结果的可靠性。因此，制备低成本，高灵敏度，稳定性高的无酶葡萄糖传感器成为研究热点。
贵金属(Pt、Au、Ag)及其合金可高效催化葡萄糖，但其成本高昂，不利于推广。过渡金属（Cu、Co、Ni）及其化合物具有良好的催化性能，如过渡金属纳米粒，氧化物，硫化物等均被用于非酶葡萄糖传感器中。单一的过渡金属硫化物的催化活性不高，因此，我们开发了铜钴镍复合硫化物无酶葡萄糖传感器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种较宽的线性范围、极低的检出限和良好的抗干扰能力和稳定性的无酶葡萄糖传感器。
本发明的另一个发明目的是提供上述无酶葡萄糖传感器的制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种无酶葡萄糖电化学传感器的制备方法，包括步骤如下：
（1）基底的预处理；
（2）配制混合金属离子溶液和硫化物溶液；
（3）在基底上原位生长制备铜钴镍硫化物修饰层；
（4）将制备的铜钴镍硫化物电极进行干燥；
（5）将步骤(4)制备的铜钴镍复合硫化物电极作为工作电极，与对电极、参比电极组成三电极体系，并与电化学工作站相连形成电化学传感器，即得铜钴镍复合硫化物无酶葡萄糖电化学传感器。
优选地，上述步骤（1）中，所述的基底为泡沫铜。所述的预处理为将泡沫铜剪成0.8×1.5 cm2 的方块，在丙酮和乙醇中100 kHz下各超声10 min。
进一步地，上述的混合金属离子溶液为钴镍离子混合溶液，其组成为硫酸钴和硫酸镍混合水溶液， 硫化物溶液为硫化钠水溶液。
优选地，上述步骤（2）中，钴镍离子混合溶液中钴镍的摩尔比为1：1 ，混合溶液总浓度为0.5 M， 硫化钠溶液的浓度为0.5 M。
优选地，上述步骤（3）中，利用离子层吸附与反应法在基底上原位生长制备铜钴镍复合硫化物修饰层：将电极基底浸入钴镍混合溶液1 min，用镊子将其竖立放在滤纸上15s,再浸入硫化钠溶液中1 min，用水冲洗后得到铜钴镍复合硫化物电极。
优选地，上述步骤（4）中，铜钴镍复合硫化物电极的干燥温度为60℃，干燥时间为3h。
优选地，上述步骤（5）中，所述的对电极为铂丝电极，所述的参比电极为Ag/AgCl/3M KCl。
本发明的特点和有益效果在于：
1、本发明应用铜钴镍复合硫化物构建一种新型无酶传感器，应用于人体血清中葡萄糖含量的高灵敏度检测，显示了较宽的线性范围、极低的检出限和良好的抗干扰能力和稳定性。
2、制备条件温和，不需要高温反应，也不需电沉积制备，制备方法简单快捷，节省时间，提高了测试效率。
3、以泡沫铜为基底与铜源，采用离子层吸附与反应法制备铜钴镍复合硫化物，其具有细小的颗粒和大的比表面积，泡沫铜的多孔结构增加了催化位点，铜钴镍的三金属协同作用使之具有良好的催化性能，使得在检测过程中能显示出更高的电流响应、实现了对葡萄糖检测信号的放大。
附图说明
图1 为本发明技术方案中的不同硫化物电极的CV图；
图2为本发明中铜钴镍复合硫化物的扫描电镜图；
图3为本发明中铜钴镍复合硫化物电极的元素面扫能谱图；
图4为本发明在0.1 M氢氧化钠溶液中加入不同浓度葡萄糖的时间电流曲线图；
图5为图4中对应的葡萄糖浓度与电流的线性关系图；
图6为本发明的无酶葡萄糖传感器在小分子物质(抗坏血酸(AA)、多巴胺 (DA)、尿酸(UA))的葡萄糖氢氧化钠溶液的时间电流应用曲线图；
图7为本发明的无酶葡萄糖传感器的铜钴镍复合硫化物电极的稳定性测试图。
具体实施方式
以下结合实例和附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
（1）将泡沫铜剪成0.8×1.5 cm2 的方块，在丙酮和乙醇中100kHz下各超声10min.
（2）配制0.5 M的硫酸钴和硫酸镍混合溶液（其中钴镍的摩尔比为1：1 ）A，再配制0.5 M硫化钠溶液。作为对比，另外配制0.5 M硫酸钴溶液B，0.5 M硫酸镍溶液C。
（3）将泡沫铜浸入上述A溶液中1 min，用镊子将它竖立放在滤纸上15 s,再浸入上述硫化钠溶液中1 min，用水冲洗后得到铜钴镍复合硫化物电极。作为对比，另取三片泡沫铜，一片直接浸入硫化钠溶液中1 min，用水冲洗后得到硫化铜电极；另两片分别浸入B，C溶液中1 min，用镊子将它们竖立放在滤纸上15 s,再分别浸入上述硫化钠溶液中1 min，用水冲洗后得到铜钴复合硫化物电极,铜镍复合硫化物电极。
（4）将步骤（3）得到的不同硫化物电极在60℃下干燥3 h。
（5）将步骤（4）得到的不同硫化物电极作为工作电极，与对电极(铂丝电极)、参比电极(Ag/AgCl/3M KCl)组成三电极体系，并与上海辰华CHI660C电化学工作站相连形成电化学传感器，以0.1 M氢氧化钠溶液为电解液，测试不同硫化物电极在0.5 M葡萄糖中的CV曲线。如图1所示，在相同条件下，铜钴镍复合硫化物电极的电流响应值最大，说明铜钴镍三金属复合硫化物产生了协同作用，增大了电流响应值。
实施例2
（1）将泡沫铜剪成0.8×1.5 cm2 的方块，在丙酮和乙醇中100 kHz下各超声10min.
（2）配制0.5 M硫酸钴和硫酸镍混合溶液（钴镍的摩尔比为1：1 ），配制0.5 M硫化钠溶液。
（3）将泡沫铜浸入上述钴镍混合溶液1 min，用镊子将其竖立放在滤纸上15 s,再浸入上述硫化钠溶液中1 min，用水冲洗后得到铜钴镍复合硫化物电极。
（4）将步骤（3）得到的铜钴镍复合硫化物电极在60℃下干燥3 h。
（5）将步骤（4）得到的铜钴镍复合硫化物电极作为工作电极，与对电极(铂丝电极)、参比电极(Ag/AgCl/3M KCl)组成三电极体系，并与上海辰华CHI660C电化学工作站相连 形成电化学传感器，即得到铜钴镍复合硫化物无酶葡萄糖电化学传感器。
图2中，（a),(b),(c)为铜钴镍复合硫化物在不同倍数下的扫描电镜图，可见本案例中利用泡沫铜以及离子层吸附与反应法获得的铜钴镍复合硫化物为颗粒均匀的纳米粒子，且具有疏松多孔的结构，因此其具备较大的比表面积，为高效的催化反应提供了基础。
图3为铜钴镍复合硫化物电极(a)的元素面扫能谱图（S(b)、Cu(c)、Co(d)、Ni(e)），说明本案例制备的铜钴镍复合硫化物电极中含有铜、钴、镍、硫四种元素且分布均匀。
以0.1 M氢氧化钠溶液为电解液，在搅拌下，0.6 V恒电位下，加入不同浓度葡萄糖，通过电流-时间曲线测试方法(I-t)对葡萄糖进行电化学传感测定。图4和图5分别为电流-时间曲线图和对应的葡萄糖浓度和电流的线性关系图，本发明的无酶传感器对葡萄糖的检测显示两段线性灵敏度，在0.005-0.37 mM间，灵敏度为8677.6 µA·mM-1·cm-2，检出限为2.7 µM。在0.37-1.37 mM间，灵敏度为2610 µA·mM-1·cm-2。在本发明实施例1中，构建的铜钴镍三金属硫化物无酶葡萄糖传感器具有较高的灵敏度、较宽的线性范围和较低的检出限，在血糖实时检测领域具有较好的应用潜力。
实施例3
将上述所构建的铜钴镍三金属硫化物无酶葡萄糖传感器应用于抗干扰性能测试中，具体步骤及结果如下：向0.1 M NaOH溶液中分别加入0.1 mM葡萄糖、0.01 mM 抗坏血酸(AA)、0.01 mM 多巴胺(DA)、0.01 mM 尿酸(UA)、0.1 mM葡萄糖, 测试时间-电流曲线。如图6所示，本发明所构建的铜钴镍无酶葡萄糖传感器对于人类血液中常见的小分子物质抗坏血酸、尿酸、多巴胺没有观察到明显的电流响应现象，具有良好的抗干扰能力，血液中常见干扰物的存在不会影响修饰电极对于葡萄糖浓度的测定结果。
实施例4
测试上述所构建的铜钴镍三金属硫化物无酶葡萄糖传感器的稳定性，具体步骤及结果如下：在0.6 V测试电位，持续匀速搅拌下，向0.1 M NaOH溶液中加入0.5 mM葡萄糖溶液得到第一天的电流响应值。然后将电极放入4℃冰箱保存，每隔七天在相同条件下测试电极对0.5 mM葡萄糖溶液的峰电流响应强度，连续测定5次共28天。第一天测定电流强度为I0，后面每次电流响应强度与第一天的电流响应强度的比值（I/I0）与时间的关系如图7。28天后，铜钴镍三金属硫化物无酶葡萄糖传感器的电流响应强度比值仍保持在93%以上，表明该传感器具有良好的稳定性，可实现长时间持续测量。

Claims (8)

1.一种无酶葡萄糖电化学传感器的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：
（1）基底的预处理；
（2）配制混合金属离子溶液和硫化物溶液；
（3）在基底上原位生长制备铜钴镍硫化物修饰层；
（4）将制备的铜钴镍硫化物电极进行干燥；
（5）将步骤(4)制备的铜钴镍复合硫化物电极作为工作电极，与对电极、参比电极组成三电极体系，并与电化学工作站相连形成电化学传感器，即得铜钴镍复合硫化物无酶葡萄糖电化学传感器。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述基底为泡沫铜；所述预处理为将泡沫铜剪成0.8×1.5 cm2 的方块，并在丙酮和乙醇中100 kHz下各超声10min。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，所述的混合金属离子溶液为钴镍离子混合溶液，其组成为硫酸钴和硫酸镍混合水溶液， 硫化物溶液为硫化钠水溶液。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，所述钴镍离子混合溶液中钴镍的摩尔比为1：1 ，所述混合溶液总浓度为0.5 M，所述硫化钠溶液的浓度为0.5 M。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤（3）中，利用离子层吸附与反应法在基底上原位生长制备铜钴镍复合硫化物修饰层：将电极基底浸入钴镍混合溶液1 min，用镊子将其竖立放在滤纸上15 s,再浸入硫化钠溶液中1 min，用水冲洗后得到铜钴镍复合硫化物电极。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤（4）中，所述铜钴镍复合硫化物电极的干燥温度为60℃，干燥时间为3 h。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤（5）中，所述对电极为铂丝电极，所述参比电极为Ag/AgCl/3M KCl。
8.一种用于无酶葡萄糖电化学传感器，其特征在于，包括权利要求1-7中任意一种无酶葡萄糖电化学传感器的制备方法。
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