CN115372448A - 一种葡萄糖检测卡及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种葡萄糖检测卡及其制备方法，该制备方法包括制备CuOx/C复合纳米材料、制备葡萄糖检测酶试剂和制备葡萄糖检测卡。该葡萄糖检测卡采用所述制备方法制备。本发明能够简化CuOx/C复合纳米材料的制备过程，且实现CuOx/C复合纳米材料的高产率，进而降低葡萄糖检测卡的制造成本；同时，借助丝网印刷技术将所制备的含有CuOx/C复合纳米材料的葡萄糖检测酶试剂能够均匀涂覆在电极基片上，且碳源可以提高CuOx的导电性，使得葡萄糖检测酶试剂的电子传输能力提高，进而提升葡萄糖检测卡检测的灵敏度和精密度。

Description

一种葡萄糖检测卡及其制备方法
技术领域
本发明涉及电化学检测技术领域，具体涉及一种基于CuOx/C复合纳米材料的葡萄糖检测卡及其制备方法。
背景技术
血糖浓度是糖尿病诊断和治疗的关键指标。糖尿病患者往往需要定期检测血糖浓度（即血液中葡萄糖的浓度），根据血糖浓度合理安排饮食运动以及注射适量的胰岛素，使自身血糖浓度保持在人体正常水平，从而大大减轻糖尿病发病程度以及有效地预防糖尿病并发症。此外，葡萄糖定量检测还可应用于生物发酵工程、食品安全检测以及化工等领域。
目前，葡萄糖检测方法虽然种类多样（如高效液相色谱法、红外光谱法、分光光度计法、荧光光谱法和毛细管电泳法等），但是这些方法大多存在以下缺陷：样品处理繁琐，测试设备昂贵。
对此，业内技术人员开发了一种电化学葡萄糖传感器，被广泛应用于体外医疗诊断，尤其是床旁血糖检测设备。对于葡萄糖传感器，电极材料是决定其性能的关键因素之一。
近年来，贵金属、过渡金属、金属氧化物以及双金属体系的纳米复合材料因具有环境适应性强、灵敏度高以及响应速度快等特点，被用作葡萄糖传感器的电极材料。其中，氧化铜纳米材料（如Pt-CuO、Pd-CuO、Ag-CuO、CuO纳米纤维、CuO纳米铅、纳米结构CuO薄膜和CuO装饰碳纳米材料等）作为葡萄糖传感器的电极材料，对葡萄糖检测表现出优异的电催化活性。
然而，用于制备上述氧化铜纳米材料的方法通常为水热法、溶剂热和静电纺丝法。此类制备方法大多存在制备过程复杂，产出率低，且难以实现工业化的缺陷，导致葡萄糖传感器的制造成本增加。同时，采用此类方法制备的氧化铜纳米材料若直接涂覆在电极上，则使得涂覆层存在均匀性和重复性差的问题，进而降低了葡萄糖传感器的检测灵敏度。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于CuOx/C复合纳米材料的葡萄糖检测卡及其制备方法，用于简化CuOx/C复合纳米材料的制备过程，且实现CuOx/C复合纳米材料的高产率，进而降低葡萄糖检测卡的制造成本；同时，借助丝网印刷技术将所制备的含有CuOx/C复合纳米材料的葡萄糖检测酶试剂能够均匀涂覆在电极基片上，且碳源可以提高CuOx的导电性，使得葡萄糖检测酶试剂的电子传输能力提高，进而提升葡萄糖检测卡检测的灵敏度和精密度。其具体技术方案如下：
在第一方面，本发明提供了一种葡萄糖检测卡的制备方法，其包括以下步骤：
步骤S1、制备CuOx/C复合纳米材料
将聚乙烯吡咯烷酮和硝酸铜溶于水中，经搅拌溶解后，烘干，得到第一混合料；
将第一混合料在惰性气氛中焙烧处理后得到第二混合料；
将第二混合料研磨后得到CuOx/C复合纳米材料，其中，x的取值范围为0.01~1；
步骤S2、制备葡萄糖检测酶试剂
将步骤S1所制备的CuOx/C复合纳米材料经预处理后加入混合液中，经搅匀后制得葡萄糖检测酶试剂；其中，在所述葡萄糖检测酶试剂中所述CuOx/C复合纳米材料的质量分数为0.01%~2%；
所述混合液是在缓冲液中加入羟乙基纤维素、聚丙烯酰胺、聚乙二醇和消泡剂，且经溶解后制得；
步骤S3、制备葡萄糖检测卡
首先，在电极基片上丝网印刷所述葡萄糖检测酶试剂，烘干，形成酶试剂层；
其次，配置全氟化树脂溶液，涂覆在所述酶试剂层上，烘干，形成全氟化树脂层；
最后，在所述电极基片上依次粘贴双面胶层和亲水膜，滚切，装瓶，形成葡萄糖检测卡。
进一步的，在步骤S1中，所述第一混合料中的聚乙烯吡咯烷酮和硝酸铜的质量比为0.2：1~7：1；所述焙烧处理的条件为烧结温度为400~700℃，烧结时间为1~6h；在达到烧结温度前，还需要升温处理，具体是控制升温速率为5~10℃/min，将温度从室温逐步升高至烧结温度；对第二混合料的研磨时间为4~72h。
进一步的，在步骤S2中，所述预处理是将所述CuOx/C复合纳米材料加入水中进行超声处理。
进一步的，在步骤S2的混合液中，所述羟乙基纤维素的质量分数为0.2%~5%，聚丙烯酰胺的质量分数为0.3%~15%，聚乙二醇的质量分数为0.2%~5%和消泡剂的质量分数为0.02%~0.1%。
进一步的，所述缓冲液包括Tris-Hcl缓冲液、Hepes缓冲液、PBS缓冲液和TES缓冲液中的至少一种；所述缓冲液的pH值为6.0~10.0。
进一步的，所述葡萄糖检测卡的制备方法还包括冷藏处理，具体是将步骤S2所制备的葡萄糖检测酶试剂在冷藏温度为2~8℃、冷藏时间为0.3~3h的条件下进行冷藏处理。
进一步的，在步骤S3中，所述全氟化树脂溶液包括质量分数为2%~10%的全氟化树脂和质量分数为90%~98%的无水乙醇。
进一步的，在步骤S3中，对所述全氟化树脂层采用的烘干条件为：烘干温度为25-50℃，烘干时间为5~15min。
进一步的，在步骤S3中，对所述酶试剂层采用的烘干条件为：烘干温度为25-50℃，烘干时间为5~15min。
在第二方面，本发明提供了一种葡萄糖检测卡，其采用所述葡萄糖检测卡的制备方法制备得到。
应用本发明的技术方案，至少具有以下有益效果：
（1）本发明中所述葡萄糖检测卡的制备方法，在步骤S1中采用聚乙烯吡咯烷酮和硝酸铜组合焙烧制备CuOx/C复合纳米材料，一方面，利用聚乙烯吡咯烷酮焙烧后生成产物碳；另一方面，在硝酸铜焙烧后生成产物CuO时，利用聚乙烯吡咯烷酮抑制CuO生长，从而使得由聚乙烯吡咯烷酮和硝酸铜焙烧后的产物CuO和产物碳形成具有较大的比面积和高催化活性的CuOx/C复合纳米材料；同时，该制备过程简单，且产量高，有助于工业化生产，也能够降低葡萄糖检测卡的制造成本；再一方面，CuOx/C复合纳米材料用于葡萄糖检测时具有协同效果，具体的，CuOx本身作为电催化物质，具有电催化活性强和环境适应性强的优点，且碳源可以提高CuOx的导电性，使得葡萄糖检测酶试剂的电子传输能力提高，进而提升对葡萄糖检测的灵敏度和精密度；在CuOx/C复合纳米材料中x的取值范围为0.01~1，一方面便于提高所述葡萄糖检测卡的灵敏度，另一方面便于优化所述葡萄糖检测卡的定码方程的线性关系；
在步骤S2中将所述CuOx/C复合纳米材料加入混合液中，利用混合液中的羟乙基纤维素、聚丙烯酰胺和聚乙二醇的协同作用能够使得所制备的葡萄糖检测酶试剂成为凝胶状态，便于提升CuOx/C复合纳米材料在混合液中均匀分散后的稳定性，确保葡萄糖检测酶试剂中CuOx/C复合纳米材料分布均匀，进一步提升对葡萄糖检测的灵敏度和精密度；
在步骤S2中采用消泡剂，能够消除葡萄糖检测酶试剂中的气泡，确保所制备的葡萄糖检测酶试剂组分分散稳定。
（2）本发明中所述葡萄糖检测卡，在所述电极基片上借助丝网印刷将所制备的葡萄糖检测酶试剂均匀涂覆在电极基片上，用于提升葡萄糖检测卡检测的灵敏度；同时，葡萄糖检测酶试剂中的CuOx/C复合纳米材料具有较大的比表面积，使得酶试剂层具有较好的灵敏度和重复性。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例1中测得的电流均值-浓度值线性拟合得到的定码方程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种葡萄糖检测卡的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1、制备CuOx/C复合纳米材料
将聚乙烯吡咯烷酮和硝酸铜溶于水中，经搅拌溶解后，烘干，得到第一混合料；
将第一混合料在惰性气氛（具体为氩气）中焙烧处理后得到第二混合料；
将第二混合料研磨后得到CuOx/C复合纳米材料，其中，x的取值范围为0.5；
步骤S2、制备葡萄糖检测酶试剂
将步骤S1所制备的CuOx/C复合纳米材料经预处理后加入混合液中，经搅匀后制得葡萄糖检测酶试剂；其中，在所述葡萄糖检测酶试剂中所述CuOx/C复合纳米材料的质量分数为0.3%；
所述混合液是在缓冲液中加入羟乙基纤维素、聚丙烯酰胺、聚乙二醇和消泡剂（为常规消泡剂），且经溶解后制得；
步骤S3、制备葡萄糖检测卡
首先，在电极基片（具体为PET材质）上丝网印刷所述葡萄糖检测酶试剂，烘干，形成酶试剂层；
其次，配置全氟化树脂溶液，涂覆在所述酶试剂层上，烘干，形成全氟化树脂层（具体是nafion层）；
最后，在所述电极基片上依次粘贴双面胶层和亲水膜（所述酶试剂层和全氟化树脂层均位于双面胶层内），滚切，装瓶，形成葡萄糖检测卡；在所述亲水膜层上设有气孔；
在所述电极基片上设置工作电极、对电极和参比电极，所述工作电极、对电极和参比电极的材质均为碳、银-碳、金或者钯-碳中的任何一种。所述酶试剂层和全氟化树脂层均涂覆设置在所述工作电极和对电极上。
所述全氟化树脂层可以有效地阻止血液或细胞外液中的大部分干扰成分进入工作电极和对电极酶试剂层表面，有助于提高工作电极和对电极对葡萄糖的选择性。
在步骤S1中，所述第一混合料中的聚乙烯吡咯烷酮和硝酸铜的质量比为2：1；所述焙烧处理的条件为烧结温度为550℃，烧结时间为2h；在达到烧结温度前，还需要升温处理，具体是控制升温速率为5℃/min，将温度从室温逐步升高至烧结温度；本实施例1采用的焙烧条件用于确保所制备的CuOx/C复合纳米材料具有较大的比表面积；在焙烧时采用的烧结炉包括气氛钢带炉、真空管式炉以及高温箱式气氛炉中的任何一种；对第二混合料的研磨时间为4h；在研磨时采用的研磨处理设备包括但不限于砂磨机、卧式球磨机、震动研磨机、行星式球磨机，本实施例1中优选为行星式球磨机；所用球磨介质包括但不限于氧化锆球以及不锈钢球，本实施例1中优选为氧化锆球；研磨方式包括但不限于干磨和湿磨，本实施例1优选为干磨。
在步骤S2中，所述预处理是将所述CuOx/C复合纳米材料加入水中进行超声处理。采用超声处理用于避免所述CuOx/C复合纳米材料团聚，即通过超声处理后的CuOx/C复合纳米材料在混合液中具有更好的分散性。
在步骤S2的混合液中，所述羟乙基纤维素的质量分数为1%，聚丙烯酰胺的质量分数为6%，聚乙二醇的质量分数为1%和消泡剂的质量分数为0.07%。
所述缓冲液为Hepes缓冲液；所述缓冲液的pH值为6.8。使用所述缓冲液便于提高所述葡萄糖检测酶试剂涂覆后的成膜质量。
在Hepes缓冲液中溶解聚丙烯酰胺时，应在37℃水浴条件下充分搅拌溶解。
所述葡萄糖检测卡的制备方法，还包括冷藏处理，具体是将步骤S2所制备的葡萄糖检测酶试剂在冷藏温度为2~8℃、冷藏时间为2h的条件下进行冷藏处理。该冷藏处理用于使所述葡萄糖检测酶试剂充分消泡，且使所述葡萄糖检测酶试剂中的各种组分性能更加稳定。
在步骤S3中，所述全氟化树脂溶液包括质量分数为5%的全氟化树脂和质量分数为95%的无水乙醇。
在步骤S3中，对所述酶试剂层和全氟化树脂层采用的烘干条件均为：烘干温度为25-50℃，烘干时间为5~15min。
一种葡萄糖检测酶试剂，采用所述葡萄糖检测卡的制备方法制备得到。
本发明在实施例1的基础上，还做了实施例2-6，其与实施例1的区别具体参见表1所示。
表1
Figure DEST_PATH_IMAGE001
对比例1：
与实施例1不同的是，在步骤S1中不加入硝酸铜。
对比例2：
与实施例1不同的是，在步骤S1中不加入聚乙烯吡咯烷酮。
对比例3：
与实施例1不同的是，在步骤S2中不加入聚丙烯酰胺。
对比例4：
选用市售的便携式葡萄糖检测仪及其葡萄糖检测卡。
将实施例1~6以及对比例1~4对应的10种葡萄糖检测卡与配套电化学检验仪配合使用，进行以下电流和灵敏度测试：
首先，在100mmol/L NaOH溶液中配置不同葡萄糖浓度的葡萄糖样本溶液；在各所述葡萄糖样本溶液中含有葡萄糖的浓度分别为0.5mmol/L、1mmol/L、2mmol/L、4mmol/L、8mmol/L和12mmol/L。
其次，分别测试100mmol/L NaOH溶液和不同浓度的葡萄糖样本溶液的电流值，得到电流均值-浓度的数据，并计算其电流均值-浓度之间的灵敏度，具体数据参见表2。
表2
Figure DEST_PATH_IMAGE002
Figure DEST_PATH_IMAGE003
由表2数据知，本发明采用实施例1-6得到的葡萄糖检测卡在测试中具有明显的电流信号和较高的灵敏度。
而由对比例1、3和4得到的葡萄糖检测卡在测试中无明显的电流信号，且灵敏度明显降低。这是因为对比例1未加入硝酸铜，其在所制备的葡萄糖检测酶试剂中无法形成CuOx，故没有电子介体，无法进行测试。对比例3未加入聚丙烯酰胺，其在制备葡萄糖检测酶试剂时无法成膜，故无法形成合格且完整的葡萄糖检测卡。对比例4对应的葡萄糖检测卡为市售的葡萄糖检测卡，只能够显示最终结果，而不能够显示相应的电流均值，也就无法计算其灵敏度。
至于对比例2得到的葡萄糖检测卡在测试中虽然具有明显的电流信号，但是灵敏度相对降低。这是因为对比例2未加入聚乙烯吡咯烷酮，其无法为葡萄糖检测酶试剂提供碳源，使其电子传输能力降低，进而降低灵敏度。
由表2数据获得的电流均值-浓度的数据，采用线性拟合得到一次性拟合曲线，所述一次性拟合曲线即为定码方程。图1是本发明实施例1提供的CuOx/C复合纳米材料的葡萄糖检测卡的定码方程。同理，可获得实施例2~6以及对比例1~4对应的定码方程，将各定码方程输入至对应的电化学检验仪中，对表3中不同浓度的葡萄糖样本溶液进行测试，并记录测量结果，根据测量结果计算准确度以及精密度，具体数据参见表3。
表3
Figure DEST_PATH_IMAGE004
Figure DEST_PATH_IMAGE005
由表3数据知：
相比于对比例4，本发明采用实施例1-6得到的葡萄糖检测卡在测试葡萄糖浓度时，其相对偏差能够保持在6.00%以内，其精密度CV能够控制在5.00%以内，具有明显的优势。
而由对比例1和对比例3得到的葡萄糖检测卡无法检测到相应的葡萄糖浓度，其机理在于：
对比例1未加入硝酸铜，其在所制备的葡萄糖检测酶试剂中无法形成CuOx，故没有电子介体，无法对葡萄糖进行电催化，故无法形成电信号，从而不能对葡萄糖浓度进行定量检测。
对比例3未加入聚丙烯酰胺，其在制备葡萄糖检测酶试剂时无法成膜，故无法形成合格且完整的葡萄糖检测卡，从而无法对葡萄糖浓度进行定量检测。
对比例2对应的葡萄糖检测卡的灵敏度和精密度不及实施例1~6，其机理在于：对比例2未加入聚乙烯吡咯烷酮，其所制备的葡萄糖检测酶试剂中仅含有CuOx成分，不含有碳源，无法形成CuOx/C复合纳米材料，虽然，此时CuOx能够电催化葡萄糖形成电信号，但是葡萄糖检测酶试剂中不含有导电物质，如碳导电物质，且CuOx颗粒较粗，比表面积小，因此也难以对葡萄糖进行定量检测。
本发明还对实施例1-6和对比例1-4所制备的葡萄糖检测卡进行抗干扰测试，具体测试过程参照GKF-B01-C《血糖检测系统干扰物质测试方案》，测试结果参见表4。
表4
Figure DEST_PATH_IMAGE006
由表4数据知：
本发明采用实施例1-6得到的葡萄糖检测卡具有与对比例4相同的抗干扰效果。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种葡萄糖检测卡的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、制备CuOx/C复合纳米材料
将聚乙烯吡咯烷酮和硝酸铜溶于水中，经搅拌溶解后，烘干，得到第一混合料；
将第一混合料在惰性气氛中焙烧处理后得到第二混合料；
将第二混合料研磨后得到CuOx/C复合纳米材料，其中，x的取值范围为0.01~1；
步骤S2、制备葡萄糖检测酶试剂
将步骤S1所制备的CuOx/C复合纳米材料经预处理后加入混合液中，经搅匀后制得葡萄糖检测酶试剂；其中，在所述葡萄糖检测酶试剂中所述CuOx/C复合纳米材料的质量分数为0.01%~2%；
所述混合液是在缓冲液中加入羟乙基纤维素、聚丙烯酰胺、聚乙二醇和消泡剂，且经溶解后制得；
步骤S3、制备葡萄糖检测卡
首先，在电极基片上丝网印刷所述葡萄糖检测酶试剂，烘干，形成酶试剂层；
其次，配置全氟化树脂溶液，涂覆在所述酶试剂层上，烘干，形成全氟化树脂层；
最后，在所述电极基片上依次粘贴双面胶层和亲水膜，滚切，装瓶，形成葡萄糖检测卡。
2.根据权利要求1所述的葡萄糖检测卡的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述第一混合料中的聚乙烯吡咯烷酮和硝酸铜的质量比为0.2：1~7：1；所述焙烧处理的条件为烧结温度为400~700℃，烧结时间为1~6h；在达到烧结温度前，还需要升温处理，具体是控制升温速率为5~10℃/min，将温度从室温逐步升高至烧结温度；对第二混合料的研磨时间为4~72h。
3.根据权利要求1所述的葡萄糖检测卡的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述预处理是将所述CuOx/C复合纳米材料加入水中进行超声处理。
4.根据权利要求1所述的葡萄糖检测卡的制备方法，其特征在于，在步骤S2的混合液中，所述羟乙基纤维素的质量分数为0.2%~5%，聚丙烯酰胺的质量分数为0.3%~15%，聚乙二醇的质量分数为0.2%~5%和消泡剂的质量分数为0.02%~0.1%。
5.根据权利要求1所述的葡萄糖检测卡的制备方法，其特征在于，所述缓冲液包括Tris-Hcl缓冲液、Hepes缓冲液、PBS缓冲液和TES缓冲液中的至少一种；所述缓冲液的pH值为6.0~10.0。
6.根据权利要求1所述的葡萄糖检测卡的制备方法，其特征在于，还包括冷藏处理，具体是将步骤S2所制备的葡萄糖检测酶试剂在冷藏温度为2~8℃、冷藏时间为0.3~3h的条件下进行冷藏处理。
7.根据权利要求1所述的葡萄糖检测卡的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，所述全氟化树脂溶液包括质量分数为2%~10%的全氟化树脂和质量分数为90%~98%的无水乙醇。
8.根据权利要求1所述的葡萄糖检测卡的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，对所述全氟化树脂层采用的烘干条件为：烘干温度为25-50℃，烘干时间为5~15min。
9.根据权利要求1所述的葡萄糖检测卡的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，对所述酶试剂层采用的烘干条件为：烘干温度为25-50℃，烘干时间为5~15min。
10.一种葡萄糖检测卡，其特征在于，采用如权利要求1-9中任一项所述的葡萄糖检测卡的制备方法制备得到。
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