CN114324524A - 一种高灵敏度非酶葡萄糖传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高灵敏度非酶葡萄糖传感器及其制备方法，即在掺氟氧化锡导电玻璃表面烧结的金@牛血清白蛋白薄膜构成的传感器。具体操作为取氯金酸溶液，加入牛血清白蛋白溶液中，搅拌之后调整pH值为碱性，然后加入抗坏血酸，充分反应后离心并洗涤，所获得的沉淀物分散于去离子水中，置于低温环境下时效备用。取充分时效后的配置溶液，滴加在掺氟氧化锡导电玻璃上并形成圆形液滴，干燥后在高温下烧结，最后自然冷却至室温，即得到本发明所述的一种高灵敏度非酶葡萄糖传感器。本发明的传感器具有检测线性范围大、灵敏度高、检测限低和稳定性好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及葡萄糖传感器技术领域，具体涉及一种高灵敏度非酶葡萄糖传感器及其制备方法。
背景技术
作为一种慢性病，糖尿病因为得不到足够的重视，在人群中的发病率逐年增加。根据中国卫健委2019年消息，我国糖尿病患者已超过9700万，糖尿病前期患者约1.5亿，是全球糖尿病患病率增长最快的国家之一，糖尿病已然成为人类身体健康的重大隐患。人体血液中葡萄糖含量的快速精准测定，对糖尿病预防与治疗是极其重要的。
葡萄糖传感器发展至现在，基本上经历了四代。前三代属于酶葡萄糖传感器，这些传感器在葡萄糖氧化酶等作用下具有很好的选择性，但同时也易受温度、湿度、酸碱性和毒性等干扰。第四代非酶葡萄糖传感器因为制备及检测时无须酶的介入，大大提高了稳定性。现在的非酶葡萄糖传感器利用的多是金属与金属氧化物，如金、铂、纳米氧化铜和泡沫镍等。《Platinum and zinc oxide modified carbon nitride electrodeas non-enzymatichighly selective and reusable electrochemical diabetic sensor in human blood》制作了一种铂和氧化锌修饰的氮化碳电极作为非酶葡萄糖传感器，其具有较宽的检测线性范围，较低的检测限，但灵敏度过低，且较高工作电压也影响了检测时的选择性。纳米氧化铜生物相容性较差，泡沫镍也有一定生物毒性。除此以外，这些非酶传感器和前三代酶传感器，制备过程都很繁琐，需要多步改性，对于进一步的研究开发都是极其不利的。
现有以金为基底的非酶葡萄糖传感器拥有较低的工作电压和很好的生物相容性与稳定性，但是依旧存在一些问题，如《Ternary nanocomposites of Au/CuS/TiO2 for anultrasensitive photoelectrochemicalnon-enzymatic glucose sensor》中制备的传感器，虽然灵敏度较高，但是检测限过高，检测线性相关范围较小，且制备复杂。《Porous goldcluster film prepared from Au@BSA microspheres for electrochemicalnonenzymatic glucose sensor》制备的传感器具有较低的检测限和工作电压，但是灵敏度过低，检测线性相关范围也较小。现在亟需一种灵敏度高，检测限小，检测线性范围大且制备简单的非酶葡萄糖传感器。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前非酶葡萄糖传感器存在的问题，即提供一种灵敏度高，检测限小，检测线性范围大，稳定性强且制备简单的非酶葡萄糖传感器。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种高灵敏度非酶葡萄糖传感器，其特征是，所述的传感器为在掺氟氧化锡导电玻璃表面烧结的金@牛血清白蛋白薄膜所构成，其中金@牛血清白蛋白形状主要呈现球形，其粒径在50～200nm。
一种高灵敏度非酶葡萄糖传感器的制备过程如下：
(1)将9～11ml浓度为10～12mmol/L的氯金酸溶液，滴加进搅拌中的9～11ml浓度为5～6mg/mL牛血清白蛋白溶液中，搅拌5～10min，再滴加浓度为0.2mol/L的氢氧化钠溶液，调整pH值为11.8～12.2，再搅拌1～5min，最后加入45～70mg抗坏血酸，并搅拌5～10min；
(2)将反应完全的溶液以8000r/min的转速离心10min，所得沉淀用去离子水洗涤并再次离心，重复洗涤离心2次，然后将离心出的沉淀物分散于10ml去离子水中，密封保存于4℃低温下冷藏时效24h，备用，得到金@牛血清白蛋白溶液；
(3)取10μL时效后的溶液滴加在导电玻璃上形成直径为4～7mm的圆形液滴，先在50℃下干燥，随后在400℃高温下烧结2h，自然冷却至室温，得到本发明的一种高灵敏度非酶葡萄糖传感器。
作为优选，制备过程中所有步骤使用的溶剂均为去离子水。
作为优选，氯金酸溶液最佳浓度为10mmol/L，牛血清白蛋白溶液最佳浓度为5mg/mL，氯金酸溶液与牛血清白蛋白溶液的最佳体积比为1:1，抗坏血酸最佳计量与使用的牛血清白蛋白计量相等。
作为优选，调整的pH值最佳为12。
作为优选，离心后的沉淀物应当可以快速分散于去离子水中，溶液呈现深紫色，几乎无沉淀物且不透光。
作为优选，金@牛血清白蛋白圆形液滴的最佳直径为5mm，且处理后的薄膜在自然光线呈现明显的金黄色。本发明的有益效果是：在掺氟氧化锡导电玻璃表面烧结的金@牛血清白蛋白薄膜，其中金@牛血清白蛋白纳米球排列错综复杂，具有较大的比表面积，较强的化学反应活性。由于金具有良好的生物相容性和抗腐蚀性，所以本发明中的传感器还具有良好的稳定性，且本发明的流程简单明了，重现性很好。利用单电位阶跃计时电流法表征本发明在不同葡萄糖浓度下的电流时间曲线，结果显示本发明的传感器具有三段线性范围，第一段为0.1～1mmol/L，灵敏度为330.002μA/mmol/cm2；第二段为1～8mmol/L，灵敏度为103.786μA/mmol/cm2；第三段为8～34mmol/L，灵敏度为53.738μA/mmol/cm2。该传感器检测限为3.6μmol/L，三段线性范围拟合优度R2分别为0.998，0.997和0.998。综上所述，本发明提供了一种灵敏度高，检测限小，检测线性范围大，稳定性强且制备简单的非酶葡萄糖传感器。
附图说明
图1为本发明的高灵敏度非酶葡萄糖传感器在葡萄糖浓度为0.1～1mmol/L下的电流时间曲线图，每次增加0.1mmol/L浓度。
图2为本发明的高灵敏度非酶葡萄糖传感器在葡萄糖浓度为1～10mmol/L下的电流时间曲线图，每次增加1mmol/L浓度。
图3为本发明的高灵敏度非酶葡萄糖传感器在葡萄糖浓度为10～34mmol/L下的电流时间曲线图，每次增加2mmol/L浓度。
图4为本发明的高灵敏度非酶葡萄糖传感器在葡萄糖浓度为0.1～40mmol/L下与响应电流标准曲线图。
图5为本发明的高灵敏度非酶葡萄糖传感器在葡萄糖浓度为0.1～1mmol/L下与响应电流标准曲线图，右下角标注从上到下分别为线性回归方程，拟合优度R2和灵敏度。
图6为本发明的高灵敏度非酶葡萄糖传感器在葡萄糖浓度为1～8mmol/L下与响应电流标准曲线图，右下角标注从上到下分别为线性回归方程，拟合优度R2和灵敏度。
图7为本发明的高灵敏度非酶葡萄糖传感器在葡萄糖浓度为8～34mmol/L下与响应电流标准曲线图，右下角标注从上到下分别为线性回归方程，拟合优度R2和灵敏度。
具体实施方法
为了使本发明的目的、制备方案、检测方案及优点等更加明白，现在以下实施例对本发明作进一步详细的解释说明，但应了解的是，这些实施例仅为例示说明之用，而不应该被解释为本发明实施的限制。
金@牛血清白蛋白的制备过程中使用的溶剂均为去离子水。检测实验过程中使用的测试底液为：等体积的pH值为7.4浓度为0.02mol/L磷酸盐缓冲液和0.4mol/L氢氧化钠溶液的混合液。所有实验所用的试剂均为分析纯，所有实验均在室温下进行。
实施例1金@牛血清白蛋白的制备
A、将10ml浓度为10mmol/L的氯金酸溶液，缓慢滴加进搅拌中的10ml浓度为5mg/mL的牛血清白蛋白溶液中，搅拌5min。
B、缓慢滴加浓度为0.2mol/L的氢氧化钠溶液，调整pH值为12，搅拌1min。
C、迅速加入50mg抗坏血酸，并搅拌5min。
D、将反应完全的溶液以8000r/min的转速离心10min，取沉淀用去离子水洗涤并离心，重复洗涤离心2次，最后准备10ml去离子水，将离心出的沉淀物分散其中并封口，至于约4℃低温下冷藏时效24h，备用，得到金@牛血清白蛋白溶液。
实施例2高灵敏度非酶葡萄糖传感器的制备
A、以掺氟氧化锡导电玻璃为基底，规格为25×8×1.1mm。取10μL制备好的金@牛血清白蛋白溶液，滴在掺氟氧化锡玻璃上并形成直径约为5mm的圆形液滴。
B、将滴上液滴的掺氟氧化锡导电玻璃在50℃下进行干燥，直至液滴完全干燥，形成一个深蓝色圆形薄膜。
C、将上一步骤干燥完毕的掺氟氧化锡导电玻璃在400℃高温下煅烧2h，冷却至室温后，薄膜呈现明显的金黄色。至此，本发明的一种高灵敏度非酶葡萄糖传感器制备完成。
实施例3检测实验
检测实验是在CHI600E电化学工作站及三电极体系上进行的，工作电极即为本发明的高灵敏度非酶葡萄糖传感器，对电极为铂丝电极，参比电极为饱和甘汞电极。首先，在浓度为0.1mol/L的硫酸中对传感器进行活化，即进行循环伏安曲线扫描，起止电压分别为0V与1.5V，循环20圈以上，使得相邻2次曲线几乎重合，至此完成活化。然后，使用单电位阶跃计时电流法表征本发明的传感器性能，在0.15V的作用电位下，向测试底液中连续添加葡萄糖，测量不同浓度下的电流时间曲线，如图1，图2和图3所示。最后，根据上述的三张时间电流时间曲线图可以发现本发明的高灵敏度非酶葡萄糖传感器的具有三段不同的线性范围，如图4所示。三段线性范围的葡萄糖浓度与响应电流标准曲线图分别为图5所示的0.1～1mmol/L，灵敏度为330.002μA/mmol/cm2；图6所示的1～8mmol/L，灵敏度为103.786μA/mmol/cm2；图7所示的8～34mmol/L，灵敏度为53.738μA/mmol/cm2。三段回归方程的拟合优度R2分别为0.998，0.997，0.998，检出限为3.6μmol/L。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思甲乙等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种高灵敏度非酶葡萄糖传感器，其特征是，所述的传感器为在掺氟氧化锡导电玻璃表面烧结的金@牛血清白蛋白薄膜所构成，其中金@牛血清白蛋白形状主要呈现球形，其粒径在50～200nm。
2.如权利要求1所述的一种高灵敏度非酶葡萄糖传感器，其特征是，在自然光线下呈现明显的金色。
3.如权利要求1至2任意一项所述的高灵敏度非酶葡萄糖传感器，其制备方法特征是：
(1)将9～11ml浓度为10～12mmol/L的氯金酸溶液，滴加进搅拌中的9～11ml浓度为5～6mg/mL牛血清白蛋白溶液中，搅拌5～10min，再滴加浓度为0.2mol/L的氢氧化钠溶液，调整pH值为11.8～12.2，再搅拌1～5min，最后加入45～70mg抗坏血酸，并搅拌5～10min；
(2)将反应完全的溶液以8000r/min的转速离心10min，所得沉淀用去离子水洗涤并再次离心，重复洗涤离心2次，然后将离心出的沉淀物分散于10ml去离子水中，密封保存于4℃低温下冷藏时效24h，备用，得到金@牛血清白蛋白溶液；
(3)取10μL时效24h后的溶液滴加在掺氟氧化锡导电玻璃上形成直径为4～7mm的圆形液滴，先在50℃下干燥，随后在400℃高温下烧结2h，自然冷却至室温，得到本发明的一种高灵敏度非酶葡萄糖传感器。
4.如权利要求3所述的高灵敏度非酶葡萄糖传感器制备方法，其特征是，步骤(1)所述的调整的pH值最佳为12。
5.如权利要求3所述的高灵敏度非酶葡萄糖传感器制备方法，其特征是，步骤(2)所述的离心后的沉淀物可以分散于去离子水中，溶液呈现深紫色，无沉淀物且不透明。
6.如权利要求3所述的高灵敏度非酶葡萄糖传感器制备方法，其特征是，步骤(3)所述的圆形液滴直径最佳为5mm，烧结完成后金@牛血清白蛋白薄膜在自然光下呈现金黄色。
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