CN114002291A

CN114002291A - 一种葡萄糖衍生碳纳米球电化学传感器及其制备方法和应用

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Publication number: CN114002291A
Application number: CN202111175284.4A
Authority: CN
Inventors: 雷鹏; 周影; 孙鑫程; 董川; 双少敏
Original assignee: Shanxi University
Current assignee: Shanxi University
Priority date: 2021-10-09
Filing date: 2021-10-09
Publication date: 2022-02-01
Anticipated expiration: 2041-10-09
Also published as: CN114002291B

Abstract

本发明属电化学电极材料制备技术领域，为了解决目前建成DA的分析方法存在消耗大量有机试剂、设备昂贵、程序费时等问题，提供了一种葡萄糖衍生碳纳米球CNs电化学传感器及其制备方法和应用，以葡萄糖为原料，水热反应合成碳纳米球，合成的葡萄糖衍生碳纳米球CNs修饰电极构建电化学传感器。基于碳纳米球（CNs），并用其修饰玻碳电极表面制备而成，高的灵敏度，有良好的稳定性和重现性。基于水热法制备碳纳米球（CNs），提高了电极的灵敏度且使电极修饰过程更简单。电化学传感器用于构建检测人体血清中多巴胺的传感体系，具有高的灵敏度，良好的稳定性和重现性，是CNs独特性质的开发和应用，也为未来多巴胺的检测提供了新的思路。

Description

一种葡萄糖衍生碳纳米球电化学传感器及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于电化学电极材料制备技术领域，具体涉及一种葡萄糖衍生碳纳米球（CNs）电化学传感器及其制备方法和应用，该传感器用于检测人体血清中的多巴胺。

背景技术

多巴胺 (DA) 是一种重要的儿茶酚胺神经递质，在调节中枢神经系统的各种生理功能中起着重要作用。人脑尾状核中DA的含量最高（50 nmol/g）。同时，多巴胺对运动控制起重要作用，帕金森病是由于多巴胺能神经元变性引起严重的多巴胺减少所致。多巴胺拮抗剂和激动剂应用的研究表明了多巴胺受体在运动控制中的重要作用如：大鼠的前进，后退，僵直，吸气和理毛功能。通常激动剂提高多巴胺的运动功能，拮抗剂作用相反。然而，DA的异常浓度与帕金森病，精神分裂症，Tourette综合症，注意力缺陷多动综合症和垂体肿瘤等疾病密切相关。由于DA是用于疾病诊断的主要神经递质，因此体内外检测DA具有重要的临床意义

已报道的检测DA的分析方法包括液相色谱法、量热法、毛细管区带电泳法和质谱法。然而，它们大多数都存在消耗大量有机试剂、设备昂贵、程序费时等缺点。与其他测定方法相比，电化学分析方法因其操作简便、单位投资成本低、灵敏度高等优点而备受关注。因此，开发绿色、无毒、高催化活性的电化学传感器纳米材料尤为关键。

发明内容

本发明为了解决目前建成DA的分析方法存在消耗大量有机试剂、设备昂贵、程序费时等问题，提供了一种葡萄糖衍生碳纳米球CNs电化学传感器及其制备方法和应用，合成的葡萄糖衍生碳纳米球（CNs），将其修饰电极构建电化学传感器,用于检测人体血清中的多巴胺。该纳米材料合成过程简单，电极修饰过程更加简便，且具有高的灵敏度，良好的稳定性和重现性。

本发明由如下技术方案实现的：一种葡萄糖衍生碳纳米球CNs电化学传感器，以葡萄糖为原料，水热反应合成碳纳米球，合成的葡萄糖衍生碳纳米球CNs修饰电极构建电化学传感器。

制备所述葡萄糖衍生碳纳米球CNs电化学传感器的方法，具体步骤如下：

（1）制备碳纳米球CNs：3.0-6.0g葡萄糖溶解于100mL超纯水中，40 KHz超声处理20-60min；得到的溶液转移到高压釜中，120-180℃下进行水热反应3-6h；以10000rpm离心15min分离出深褐色产物，然后用乙醇和去离子水分别洗涤4次；用二次水透析24 h后在-40℃冷冻干燥24h获得大小均一的碳纳米球CNs；

（2）制备电极：在每次电化学测试前，玻碳电极GCE用0.05 μm氧化铝浆料抛光，然后在超纯水和乙醇中依次超声清洗得到清洁的表面；将合成的2 mg CNs分散在1 mL超纯水中，制成浓度为2.0 mg/mL的分散液；将分散液滴涂到玻碳电极上，滴涂量为4.0μL～12.0μL，室温下干燥，得到CNs/GCE传感器。

步骤（1）中葡萄糖的质量为5 g，超声时间为40 min，水热反应温度为160℃，水热反应时间为4h。

步骤（2）中分散液滴涂到玻碳电极表面的量12.0 μL。

所述的葡萄糖衍生碳纳米球CNs电化学传感器在多巴胺检测中的应用，具体应用方法为：先配制pH值为5.0、6.0、7.0、8.0、9.0的磷酸盐缓冲溶液，进而配制含有多巴胺的磷酸缓冲液，含有多巴胺的磷酸缓冲液中：多巴胺浓度为0.05～1600.0 μM、pH＝7.0；采用三电极体系，以CNs/GCE为工作电极，氯化银电极为参比电极，铂丝为对电极，通过电化学工作站，检测电流对多巴胺浓度的响应。

所述磷酸盐缓冲溶液的pH值为7.0。

碳纳米球作为一种新型碳材料，应用于各个领域，包括吸附，分离，储能和催化等，它的广泛使用源于优越的性能，如高比表面积，大孔体积，化学惰性和良好的机械稳定性。受到人们的热切关注。

本发明所制备的CNs作为电极修饰纳米材料具有以下优点：(a)本质上，由于大量羟基，制备的CNs表现出良好的亲水性和生物相容性；(b) CNs的制备过程完全“绿色”且无毒。(c) CNs有利于提高电子转移效率和提高电化学传感器的灵敏度。这些特性有利于CNs的进一步实际应用。

本发明制备得到的电化学传感器可检测人体血清中的多巴胺。制得的电化学传感器，具有高的灵敏度，良好的稳定性和重现性，是CNs独特性质的开发和应用，也为未来多巴胺的检测提供了新的思路。

附图说明

图1为本发明制备CNs的过程；

图2为本发明制备电化学传感器用扫描电镜表征CNs；

图3为本发明制备电化学传感器CNs透射电镜表征图像；

图4为本发明制备电化学传感器用循环伏安法表征电极修饰过程；

图5为本发明制备电化学传感器检测多巴胺的循环伏安图；

图6为本发明制备电化学传感器随多巴胺浓度变化的差分脉冲伏安图；

图7为本发明制备电化学传感器多巴胺浓度与峰电流的线性关系；

图8本发明制备电化学传感器的抗干扰能力；

图9 本发明制备电化学传感器的重现性；

图10 本发明制备电化学传感器的重复性；

图11本发明制备电化学传感器的稳定性。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明是基于碳纳米球（CNs）用以修饰玻碳电极表面，制备电化学传感器，并用于检测人体血清中多巴胺。下面通过实施例结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：一种葡萄糖衍生碳纳米球CNs电化学传感器，基于碳纳米球，电化学传感器的制备方法为：

（1）碳纳米球（CNs）的制备：将 5.0 g葡萄糖溶解在100 mL超纯水中并超声处理40 min。然后将得到的溶液转移到100 mL的高压釜中，在160 ℃下进行水热反应4 h。以10000 rpm离心15 min分离出深褐色产物，并用乙醇和去离子水洗涤4次。然后，将溶液用超纯水透析24 h后冷冻干燥获得大小均一的碳纳米球（CNs）。

（2）电极的制备：在每次电化学测试之前，玻碳电极（GCE）用 0.05 μm 氧化铝浆料抛光，然后在超纯水和乙醇中超声清洗以得到清洁的表面。将合成的2 mg CNs分散在1 mL超纯水中，制成浓度为2.0 mg/mL的分散液；将分散液滴涂到玻碳电极上，滴涂量为12.0μL，室温下干燥，得到CNs/GCE传感器。

制备的电化学传感器修饰过程示意图见图1。

对所制备的碳纳米球（CNs）使用扫描电镜进行观察。如图2所示，扫描电镜图片中，可以清楚地看到碳纳米球（CNs）是大小均一的球形结构。

对实施例1制备的碳纳米球（CNs）进行透射电镜表征。如图3所示，从图中可以看到，碳纳米球（CNs）结构是大小均一的球形，与扫描电镜结果一致。说明本发明成功制备了碳纳米球修饰电极。

实施例2：所制备的电化学传感器修饰过程表征

取实施例1制备的修饰电极，在0.01 M pH=7.0的磷酸缓冲（PBS）溶液中以5.0 mM[Fe(CN)₆]^3-/4-作为探针利用循环伏安法表征电极的修饰过程。如图4所示：修饰了碳纳米球（CNs）后，由于电极表面电子转移效率加快，使得峰电流明显提高，这是因其具有良好导电性。图4说明了实施例1中制备的电极修饰过程都是成功的。

实施例3：实施例1制备的电化学传感器进行多巴胺的检测

取实施例1制备的裸电极和碳纳米球（CNs）修饰电极，对待测定的多巴胺进行电化学检测，得到循环伏安图。在碳纳米球（CNs）修饰电极后，电流信号明显增强，传感器的灵敏度有很大的提高。图5说明了实施例1中制备的电极修饰过程都是成功的，而且可以检测多巴胺。

实施例4：实施例1制备的电化学传感器检测多巴胺的检测范围

对待测定的多巴胺采用实施例1制备的碳纳米球（CNs）修饰电极进行电化学检测，得到多巴胺随浓度变化的差分脉冲伏安图。然后分别以多巴胺浓度为横坐标，以电化学检测的电流信号为纵坐标，建立多巴胺电化学信号变化规律图（图6）。本发明制备的电化学传感器的电流变化与多巴胺浓度呈良好的线性关系，如图7所示，在浓度为0.05～1600 μM范围内，线性方程为I _pc(μA) = −0.0754C(μM) − 3.02，R²＝0.9947和 I _pc(μA) = −0.0226C(μM) − 13.03，R²＝0.9958，检测限为8.3 nM。先前报道用于检测DA相比，本专利制备的电化学传感器显示出更好的传感性能和更宽的线性范围，表明其在DA的电化学分析中具有优异的性能。

实施例5：实施例1制备的电化学传感器的抗干扰能力，稳定性和重现性

对实施例1制备的电化学传感器进行干扰性，重现性和稳定性实验检测。如图8所示，与D检测相比，这些干扰物没有产生显著的电流响应。结果表明制备的电化学传感器对DA具有优异的选择性。如图9所示，在相同条件下的制备六个独立的电化学传感器，在相同条件下条用于DA检测。结果表明重现性的相对标准偏差 (RSD) 值为 4.1%，表明制备的电化学传感器具有良好的重现性。制备的电化学传感器的重复性在含有DA的溶液中测试了20次，结果如图10所示。连续测量20次后电流响应仍保持原值的89.87%。如图11所示，在 15天内每天检测DA的电流响应评估制备的电化学传感器的稳定性。制备的电化学传感器的初始响应保留率为97.2%，连续扫描反应15天后降低至 89.6%。总体而言，制备的电化学传感器表现出良好的选择性、重现性、重复性和稳定性。

实施例6：实施例1制备的电化学传感器在人体血清中多巴胺检测应用的实验

采用标准加入法用于实施例1制备的电化学传感器在血清中多巴胺检测应用的实验。如表1所示，将多巴胺标准溶液加入到稀释了10倍的人体血清中，用传感器进行定量检测，回收率为99.71％-105.60％，说明实施例1制备的电化学传感器可以用于人体血清中多巴胺的测定。

表1为本发明制备的电化学传感器用于人体血清中多巴胺的检测

实施例7：一种葡萄糖衍生碳纳米球CNs电化学传感器，基于碳纳米球，电化学传感器的制备方法为：

（1）碳纳米球（CNs）的制备：将 3.0 g葡萄糖溶解在100 mL超纯水中并超声处理20 min。然后将得到的溶液转移到100 mL的高压釜中，在120 ℃下进行水热反应6 h。其他方法同实施例1所述方法。

（2）电极的制备：将合成的2 mg CNs分散在1 mL超纯水中，制成浓度为2.0 mg/mL的分散液；将分散液滴涂到玻碳电极上，滴涂量为4.0μL，其他方法同实施例1所述方法。

实施例8：一种葡萄糖衍生碳纳米球CNs电化学传感器，基于碳纳米球，电化学传感器的制备方法为：

（1）碳纳米球（CNs）的制备：将 6.0 g葡萄糖溶解在100 mL超纯水中并超声处理60 min。然后将得到的溶液转移到100 mL的高压釜中，在180 ℃下进行水热反应3h。其他方法同实施例1所述方法。

（2）电极的制备：将合成的2 mg CNs分散在1 mL超纯水中，制成浓度为2.0 mg/mL的分散液；将分散液滴涂到玻碳电极上，滴涂量为8.0μL，其他方法同实施例1所述方法。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种葡萄糖衍生碳纳米球CNs电化学传感器，其特征在于：以葡萄糖为原料，水热反应合成碳纳米球，合成的葡萄糖衍生碳纳米球CNs修饰电极构建电化学传感器。

2.制备权利要求1所述葡萄糖衍生碳纳米球CNs电化学传感器的方法，其特征在于：具体步骤如下：

3.根据权利要求2所述的制备葡萄糖衍生碳纳米球CNs电化学传感器的方法，其特征在于：步骤（1）中葡萄糖的质量为5 g，超声时间为40 min，水热反应温度为160℃，水热反应时间为4h。

4.根据权利要求2所述的制备葡萄糖衍生碳纳米球CNs电化学传感器的方法，其特征在于：步骤（2）中分散液滴涂到玻碳电极表面的量12.0 μL。

5.权利要求1所述的葡萄糖衍生碳纳米球CNs电化学传感器在多巴胺检测中的应用，其特征在于：具体应用方法为：先配制pH值为5.0、6.0、7.0、8.0、9.0的磷酸盐缓冲溶液，进而配制含有多巴胺的磷酸缓冲液，含有多巴胺的磷酸缓冲液中：多巴胺浓度为0.05～1600.0μM、pH＝7.0；采用三电极体系，以CNs/GCE为工作电极，氯化银电极为参比电极，铂丝为对电极，通过电化学工作站，检测电流对多巴胺浓度的响应。

6.根据权利要求5所述的葡萄糖衍生碳纳米球CNs电化学传感器在多巴胺检测中的应用，其特征在于：所述磷酸盐缓冲溶液的pH值为7.0。