CN114369241A - 一种导电聚合物生物传感器电极材料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种导电聚合物生物传感器电极材料及其制备方法与应用。本发明采用简单的无模板法，首先在生物医用钛片上沉积多巴胺掺杂的导电聚吡咯纳米线涂层，再利用多巴胺的螯合作用在聚吡咯上螯合银离子，之后通过光还原法加速还原生成银纳米颗粒，得到的PPy/AgNPs复合电极，可作为无酶葡萄糖生物传感器电极。所述制备方法过程简单，成本低，耗时短，容易实现量产。本发明制备的生物传感器可以响应全波段太阳光，明显扩大了检测线性范围，增强了电极电流响应，从而改善传统无酶电化学传感器在检测性能方面的不足，实现高效、灵敏、长期稳定地检测葡萄糖浓度。

Description

一种导电聚合物生物传感器电极材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于生物检测的技术领域，具体涉及一种导电聚合物生物传感器电极材料及其制备方法与应用。
背景技术
糖尿病是由于血糖浓度超出正常范围而引起的人体某些组织功能障碍，同时还会伴随着许多危险的并发症，如中风、高血压、糖尿病型肾病、失明等。并且一旦患上就无法彻底治愈，只能通过定期对血液葡萄糖浓度进行检测，配合药物治疗控制血糖在合理范围内。如何及时、高效地检测葡萄糖浓度对于糖尿病的早期诊断、精确控制具有十分重要的实际意义。
目前，市面上已经出现很多家用的血糖监测仪，其核心元件大部分都是电化学生物传感器。相较于光谱分析，电化学生物传感器具有操作简单、响应速度快、易于微型化等优点。葡萄糖电化学生物传感器可分为酶葡萄糖传感器和无酶葡萄糖传感器。无酶传感器克服了酶促传感器的不足，如酶的重现性差、高成本和不稳定易失活，成为目前葡萄糖检测领域中的热点。尽管如此，非酶葡萄糖传感器与酶促传感器相比检测性能较差，主要表现为检测范围窄，灵敏度低。为了改善这种限制，提升无酶传感器的检测性能，需要对传感器电极材料进行设计。发明专利CN 111505078A申请将电极表面设计成纳米线阵列结构，从而增加催化位点，然而制备过程耗时非常长。发明专利CN 113203782A申请在丝网电极上复合铂、钯和金等金属纳米颗粒来增强电极催化性能，但是存在金属过渡积累带来副反应的问题。
发明内容
为解决现有技术的缺点和不足之处，提高无酶葡萄糖传感器的检测性能，本发明的首要目的在于提供一种导电聚合物生物传感器电极材料的制备方法。
本发明采用简单的无模板法，首先在生物医用钛片上沉积多巴胺掺杂的导电聚吡咯纳米线涂层，再利用多巴胺的螯合作用在聚吡咯上螯合银离子，之后通过光还原法加速还原生成银纳米颗粒。
本发明的另一目的在于提供上述方法制得的一种导电聚合物生物传感器电极材料。
本发明的再一目的在于提供上述一种导电聚合物生物传感器电极材料的应用。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种导电聚合物生物传感器电极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用无模板电化学聚合方法，在电化学工作站的控制下，以生物医用钛作为工作电极，导电金属作为对电极，饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极，以含有氯离子和吡咯单体的溶液为电解液，在恒压模式下进行反应得到PPy成核层；然后以沉积PPy成核层的钛片作为工作电极，以含有多巴胺和吡咯单体的缓冲溶液为电解液，在恒流模式下进行反应得到PPy纳米结构电极；
(2)将PPy纳米结构电极在银离子溶液中浸泡一段时间后，采用氙灯光源辐照一段时间，然后洗涤，再于紫外光中进行固定，干燥，得到PPy/AgNPs复合电极，即为导电聚合物生物传感器电极材料。
优选地，步骤(1)所述生物医用钛在使用前，经过清洗预处理，即分别用去离子水、99.7％无水乙醇和99.5％丙酮超清洗生物医用钛，除净表面的油污。
优选地，步骤(1)所述导电金属为铜。
优选地，步骤(1)所述含有氯离子和吡咯单体的溶液中，氯离子的浓度为0.1～0.3mol/L，优选0.25mol/L，吡咯的浓度为0.1～0.3mol/L，优选0.2mol/L；溶剂为水。
优选地，步骤(1)所述恒压模式下的恒定电压为0.7～1.0V，反应时间为10～50s。
优选地，步骤(1)所述含有多巴胺和吡咯单体的缓冲溶液中，多巴胺的浓度为0.05～0.15mol/L，优选0.1mol/L，吡咯的浓度为0.1～0.3mol/L，优选0.2mol/L；缓冲溶液为pH为6.8～7.4的PBS溶液。
优选地，步骤(1)所述恒流模式下恒定电流为0.6～2.0mA/cm2，反应时间为20～50min。
优选地，步骤(2)所述银离子溶液中，银离子的浓度为0.05～0.15mol/L，优选0.1mol/L。
优选地，步骤(2)所述银离子溶液为硝酸银溶液。
优选地，步骤(2)所述浸泡时间为30～120min。
优选地，步骤(2)所述氙灯光源辐照的时间为30～120min；光强为5～10W/cm2，所述氙灯光源进行太阳光全波段辐照。
优选地，步骤(2)所述紫外辐照的时间为10～30min；光强为1～5W/m2。
优选地，步骤(2)所述洗涤指用去离子水冲洗以去除残留的银离子。
上述方法制得的一种导电聚合物生物传感器电极材料。
上述一种导电聚合物生物传感器电极材料在检测葡萄糖中的应用。
所述传感器电极材料能够高效、灵敏、宽范围地检测葡萄糖浓度，可应用在临床诊断、食品监测等多个领域。
优选地，所述导电聚合物生物传感器电极材料用于检测葡萄糖浓度的方法如下：
(1)在电化学工作站的控制下，采用计时电流法，以Ag/AgCl电极作为参比电极，铂片作为对电极，以上述导电聚合物生物传感器电极材料作为工作电极，形成三电极体系，电解液为碱性溶液；将氙灯光源置于与电解池水平位置上并开启，同时施加恒定电压，在电解液中加入不同质量葡萄糖，实时记录对应的电流响应，建立电解液中葡萄糖浓度-电流响应标准线性曲线；
(2)在与步骤(1)相同的条件下，在电解液中加入未知浓度的葡萄糖溶液，实时记录对应的电流响应，根据步骤(1)所得的标准线性曲线换算出未知浓度的葡萄糖溶液的浓度。
更优选地，步骤(1)所述碱性溶液为0.1mol/L的NaOH溶液。
更优选地，步骤(1)所述恒定电压为0.4～0.7V。
更优选地，步骤(1)所述葡萄糖溶液的浓度为0.1～25mmol/L。
更优选地，步骤(1)所述氙灯光强为5～10W/cm2。
本发明采取简单的无模板法构建一种聚吡咯纳米线(PPy)薄膜负载银纳米颗粒(AgNPs)复合材料，用于构建无酶葡萄糖生物传感器。通过模拟太阳光辐照提升传感器电极对葡萄糖的催化作用。本发明的制备过程简单，能够高效地响应葡萄糖，光照下检测范围扩大了2个数量级，电流响应增强了2倍。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
(1)本发明采用无模板法，以导电聚吡咯纳米线为基底，表面修饰银纳米颗粒，形成纳米形貌类似于嘉宝果树的无酶葡萄糖生物传感器电极材料。独特的纳米线结构有利于分散银纳米颗粒，增大比表面积，增加催化位点，加快电子转移效率。
(2)本发明制备的传感器能够响应全波段太阳光，进而提升对葡萄糖的无酶检测性能，在光照下检测线性范围扩大了2个数量级，能够线性检测0.1-25mmol/L范围内的葡萄糖浓度，电流响应增强了2倍，明显改善了传统无酶电化学传感器在检测性能方面的不足。此外本发明制备得到的葡萄糖传感器对于其它物质如抗坏血酸、尿酸、多巴胺等具有良好的选择性，可以选择性催化氧化葡萄糖。
(3)本发明的制备方法简单，成本低，耗时短，容易实现量产，可应用在设计高效、灵敏的无酶葡萄糖生物传感器中。
附图说明
图1为实施例1制备的导电聚合物生物传感器电极材料的扫描电子显微镜(SEM)图。
图2为实施例1制备的导电聚合物生物传感器电极材料的紫外可见吸收光谱(UV-vis)图。
图3为实施例5得到的葡萄糖电流响应检测结果，其中，(a)表示避光下PPy/AgNPs复合电极的I-t曲线，(b)表示光照下PPy/AgNPs复合电极的I-t曲线。
图4为对比例1得到的防干扰测试结果。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或者制造商建议的条件进行。所用未注明生产厂商者的原料、试剂等，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
一种导电聚合物生物传感器电极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)生物医用钛片的预处理：使用砂纸打磨生物医用钛片(直径10mm)以去除表面氧化层，分别用去离子水、99.7％无水乙醇和99.5％丙酮超清洗钛片各10分钟，干燥备用；
(2)PPy成核层的制备：使用德国Zahner电化学工作站，选用三电极模式，以饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，铜片为对电极，直径为10mm的生物医用钛片为工作电极，与含有0.25mol/L盐酸和0.2mol/L吡咯的水溶液为电解液共同构成小型电化学池。采用计时电流恒压法，以0.8V(vs SCE)的电压反应30s，在钛电极上沉积一层致密均匀的盐酸掺杂PPy膜，浸泡在去离子水中以除去表面没有反应的吡咯和盐酸。
(3)PPy纳米结构电极的制备：使用德国Zahner电化学工作站，选用三电极模式，以饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，铜片为对电极，上述PPy覆膜生物医用钛作为工作电极，与含有0.1mol/L多巴胺和0.2mol/L吡咯的磷酸盐缓冲溶液(PBS，6.8)为电解液共同构成小型电化学池。采用计时电流恒流法，以1.5mA/cm2的反应电流沉积40min，得到电活性PPy纳米线层，将制备的材料浸入去离子水冲洗几次，真空干燥。
(4)PPy/AgNPs复合电极的构建：将PPy纳米线电极在0.1mol/L硝酸银溶液中浸泡1h，开启氙灯(全波段，6.5W/cm2)对电极材料辐照1h，之后取出电极用去离子水冲洗5min，紫外辐照1h(λ＝254nm，2.5W/m2)，得到PPy/AgNPs复合电极。
(5)PPy/AgNPs复合电极的基本表征：采用超高分辨场发射扫描电子显微镜(SEM)表征电极的表面形貌；采用X射线能谱仪(EDS)分析电极元素组成，结果显示电极表面含有C、H、O、N、Ag元素，证明已成功合成PPy和Ag；采用紫外可见分光光度计(UV-vis)分析电极的光吸收特性，结果显示，PPy/AgNPs复合电极在太阳光全波段存在较强的吸收。
实施例2
一种导电聚合物生物传感器电极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)生物医用钛片的预处理：使用砂纸打磨生物医用钛片(直径10mm)以去除表面氧化层，分别用去离子水、99.7％无水乙醇和99.5％丙酮超清洗钛片各10分钟，干燥备用；
(2)PPy成核层的制备：使用德国Zahner电化学工作站，选用三电极模式，以饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，铜片为对电极，直径为10mm的生物医用钛片为工作电极，与含有0.25mol/L盐酸和0.2mol/L吡咯的水溶液为电解液共同构成小型电化学池。采用计时电流恒压法，以0.8V(vs SCE)的电压反应30s，在钛电极上沉积一层致密均匀的盐酸掺杂PPy膜，浸泡在去离子水中以除去表面没有反应的吡咯和盐酸。
(3)PPy纳米结构电极的制备：使用德国Zahner电化学工作站，选用三电极模式，以饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，铜片为对电极，上述PPy覆膜生物医用钛作为工作电极，与含有0.1mol/L多巴胺和0.2mol/L吡咯的磷酸盐缓冲溶液(PBS，6.8)为电解液共同构成小型电化学池。采用计时电流恒流法，以不同反应电流沉积40min，得到电活性PPy纳米线层，将制备的材料浸入去离子水冲洗几次，真空干燥。
(4)PPy/AgNPs复合电极的构建：将PPy纳米线电极在0.1mol/L硝酸银溶液中浸泡1h，开启氙灯(全波段，6.5W/cm2)对电极材料辐照1h，之后取出电极用去离子水冲洗5min，紫外辐照1h(λ＝254nm，2.5W/m2)，得到PPy/AgNPs复合电极。
表1 反应电流、纳米形貌和电化学性能的关系
反应电流(mA/cm<sup>2</sup>) 0.6 1.5 2.0
纳米形貌 无规则纳米颗粒 纳米线 无规则纳米颗粒
氧化峰值电流(mA) 1.196 1.330 1.100
实施例3
一种导电聚合物生物传感器电极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)生物医用钛片的预处理：使用砂纸打磨生物医用钛片(直径10mm)以去除表面氧化层，分别用去离子水、99.7％无水乙醇和99.5％丙酮超清洗钛片各10分钟，干燥备用；
(2)PPy成核层的制备：使用德国Zahner电化学工作站，选用三电极模式，以饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，铜片为对电极，直径为10mm的生物医用钛片为工作电极，与含有0.25mol/L盐酸和0.2mol/L吡咯的水溶液为电解液共同构成小型电化学池。采用计时电流恒压法，以0.8V(vs SCE)的电压反应30s，在钛电极上沉积一层致密均匀的盐酸掺杂PPy膜，浸泡在去离子水中以除去表面没有反应的吡咯和盐酸。
(3)PPy纳米结构电极的制备：使用德国Zahner电化学工作站，选用三电极模式，以饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，铜片为对电极，上述PPy覆膜生物医用钛作为工作电极，与含有0.1mol/L多巴胺和0.2mol/L吡咯的磷酸盐缓冲溶液(PBS，6.8)为电解液共同构成小型电化学池。采用计时电流恒流法，以1.5mA/cm2反应电流沉积40min，得到电活性PPy纳米线层，将制备的材料浸入去离子水冲洗几次，真空干燥。
(4)PPy/AgNPs复合电极的构建：将PPy纳米线电极在不同浓度的硝酸银溶液中浸泡1h，开启氙灯(全波段，6.5W/cm2)对电极材料辐照1h，之后取出电极用去离子水冲洗5min，紫外辐照1h(λ＝254nm，2.5W/m2)，得到PPy/AgNPs复合电极。
表2 硝酸银浓度和银纳米颗粒形貌的关系
硝酸银浓度(mol/L) 0.05 0.10 0.15
银纳米颗粒形貌 颗粒较少 颗粒适中 出现团聚现象
氧化峰值电流(mA) 1.305 1.330 1.233
实施例4
导电聚合物生物传感器的循环伏安特性测试，包括以下步骤：
采用德国Zahner电化学工作站，以实施例1制备的PPy/AgNPs复合电极作为工作电极(工作区域限制为0.785cm2)，Ag/AgCl电极作为参比电极，铂片作为对电极，分别以0.1mol/L NaOH溶液和含有1mmol/L葡萄糖的NaOH溶液(NaOH浓度为0.1mol/L)为电解液，扫描速率为50mV/s。相同条件下对实施例1步骤(3)制备PPy纳米结构电极进行测试作为对照。结果如下表3，银的修饰使PPy电极的氧化还原电位减小，催化活性得以增强。当在NaOH溶液中注入1mmol/L葡萄糖，PPy/AgNPs复合电极的阳极电流峰值显著增加，表明葡萄糖分子在电极表面发生了电化学氧化反应，进而证实PPy/AgNPs复合电极具备检测葡萄糖的可能性。
表3
Figure BDA0003411560080000091
实施例5
导电聚合物生物传感器用于高效、灵敏、宽范围地检测葡萄糖浓度，包括以下步骤：
采用德国Zahner电化学工作站，以实施例1制备的PPy/AgNPs复合电极作为工作电极(工作区域限制为0.785cm2)，Ag/AgCl电极作为参比电极，铂片作为对电极，以0.1mol/LNaOH溶液为电解液，以维持碱性环境。将氙灯置于距电解池25cm处并开启，此时功率密度为6.5W/cm2。在实验过程中，将整个装置固定。设定偏置电压为0.6V(vs Ag/AgCl)，每5min向不断搅拌的电解液溶液中连续注入葡萄糖原液使电解液中葡萄糖浓度变为0.1mmol/L，记录电极的实时电流响应，建立加入的葡萄糖溶液浓度-电流响应标准曲线，并拟合线性方程。为了比较，将整个系统置于避光的环境中重复上述测试。
结果显示，黑暗时，随着葡萄糖的加入，电流持续增加但响应较弱，仅能线性响应0.1～0.8mmol/L范围的浓度，拟合的线性关系为Y＝2.86273X+0.39967，R2＝0.99。光照后电流响应约为黑暗的两倍，线性响应范围扩展到0.1～25mmol/L，在0.1～3mmol/L范围内线性关系为Y＝1.90853X+2.75374，R2＝0.97，在3～25mmol/L范围内线性关系为Y＝0.92488X+5.73361，R2＝0.99。
对比例1
导电聚合物生物传感器的防干扰性能测试，包括以下步骤：
采用德国Zahner电化学工作站，以实施例1制备的PPy/AgNPs复合电极作为工作电极(工作区域限制为0.785cm2)，Ag/AgCl电极作为参比电极，铂片作为对电极，以0.1mol/LNaOH溶液为电解液，以维持碱性环境。将氙灯置于距电解池25cm处并开启，此时功率密度为6.5W/cm2。在实验过程中，将整个装置固定。设定偏置电压为0.6V(vs Ag/AgCl)，向不断搅拌的电解液溶液中分别注入葡萄糖原液和干扰物质(多巴胺、抗坏血酸、尿酸)使电解液中对应物质的浓度变为1mmol/L，记录电极的实时电流响应。
结果显示，电极对干扰物质无响应，而当注入葡萄糖后电极产生明显的电流响应，表明PPy/AgNPs电极对于葡萄糖具有较好的选择性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种导电聚合物生物传感器电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用无模板电化学聚合方法，在电化学工作站的控制下，以生物医用钛作为工作电极，导电金属作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，以含有氯离子和吡咯单体的溶液为电解液，在恒压模式下进行反应得到PPy成核层；然后以沉积PPy成核层的钛片作为工作电极，以含有多巴胺和吡咯单体的缓冲溶液为电解液，在恒流模式下进行反应得到PPy纳米结构电极；
(2)将PPy纳米结构电极在银离子溶液中浸泡一段时间后，采用氙灯光源辐照一段时间，然后洗涤，再于紫外光中进行固定，干燥，得到PPy/AgNPs复合电极，即为导电聚合物生物传感器电极材料。
2.根据权利要求1所述一种导电聚合物生物传感器电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述银离子溶液中，银离子的浓度为0.05～0.15mol/L；
步骤(2)所述浸泡时间为30～120min。
3.根据权利要求1所述一种导电聚合物生物传感器电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述氙灯光源辐照的时间为30～120min；光强为5～10W/cm2，所述氙灯光源进行太阳光全波段辐照；
步骤(2)所述紫外辐照的时间为10～30min；光强为1～5W/m2。
4.根据权利要求1所述一种导电聚合物生物传感器电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述含有氯离子和吡咯单体的溶液中，氯离子的浓度为0.1～0.3mol/L，吡咯的浓度为0.1～0.3mol/L；
步骤(1)所述恒压模式下的恒定电压为0.7～1.0V，反应时间为10～50s。
5.根据权利要求1所述一种导电聚合物生物传感器电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述含有多巴胺和吡咯单体的缓冲溶液中，多巴胺的浓度为0.05～0.15mol/L，吡咯的浓度为0.1～0.3mol/L；
步骤(1)所述恒流模式下恒定电流为0.6～2.0mA/cm2，反应时间为20～50min。
6.根据权利要求1所述一种导电聚合物生物传感器电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述导电金属为铜；
步骤(1)中缓冲溶液为pH为6.8～7.4的PBS溶液；
步骤(2)所述银离子溶液为硝酸银溶液。
7.权利要求1～6任一项所述方法制得的一种导电聚合物生物传感器电极材料。
8.权利要求7所述一种导电聚合物生物传感器电极材料在检测葡萄糖中的应用。
9.根据权利要求8所述一种导电聚合物生物传感器电极材料在检测葡萄糖中的应用，其特征在于，用于检测葡萄糖浓度的方法如下：
(1)在电化学工作站的控制下，采用计时电流法，以Ag/AgCl电极作为参比电极，铂片作为对电极，以权利要求7所述导电聚合物生物传感器电极材料作为工作电极，形成三电极体系，电解液为碱性溶液；将氙灯光源置于与电解池水平位置上并开启，同时施加恒定电压，在电解液中加入不同质量葡萄糖，实时记录对应的电流响应，建立电解液中葡萄糖浓度-电流响应标准线性曲线；
(2)在与步骤(1)相同的条件下，在电解液中加入未知浓度的葡萄糖溶液，实时记录对应的电流响应，根据步骤(1)所得的标准曲线换算出未知浓度的葡萄糖溶液的浓度。
10.根据权利要求9所述一种导电聚合物生物传感器电极材料在检测葡萄糖中的应用，其特征在于，步骤(1)所述碱性溶液为0.1mol/L的NaOH溶液；所述恒定电压为0.4～0.7V；所述葡萄糖溶液的浓度为0.1～25mmol/L；所述氙灯光强为5～10W/cm2。
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