纳米晶体电解-玻碳电极直接测定葡萄糖

纳米晶体电解-玻碳电极直接测定葡萄糖

0无酶葡萄糖传感器糖、蛋白质和脂肪构成了生命活动所必需的能源材料。葡萄糖是自然界中存在最广且最重要的一种单糖,具有重要的生物学价值。葡萄糖是新陈代谢的产物,也是活细胞的能量来源。正常人血液中葡萄糖的含量变化比较稳定,而糖尿病患者血液或尿液中葡萄糖含量变化较大。通过测定人体血液中葡萄糖的含量,可以衡量人体的新陈代谢水平,也为糖尿病的诊治提供了依据。常规检测血糖高低的方法需要抽取病人的血液,是属于有创探测,病人会感到不适,而且增加了感染机会,而传统的血糖生物传感器很难满足低浓度、高灵敏度方面的要求。因此研究能够检测出低浓度的葡萄糖和具有较好的稳定性和高灵敏度的葡萄糖传感器,对于保护人类的生命健康具有重大的意义。到目前为止,测定葡萄糖的方法主要有分光光度法、电流测定法、高效液相色谱法、极谱法及毛细管电泳法等。其中分光光度法分析需要加入显色剂,而这些显色剂通常带有毒性。由于葡萄糖在紫外-可见光区的吸收峰弱,利用荧光法检测时需要进行衍生,操作复杂,分析速度慢或成本昂贵。电化学传感器能够克服这些缺点,可以快速、准确分析低浓度样品,是一种常用的检测方法。葡萄糖传感器包含酶葡萄糖传感器和无酶葡萄糖传感器。自从1967年Updike和Hicks将葡萄糖氧化酶固定在氧化电极上并首次用于体液中葡萄糖浓度的检测以来,葡萄糖传感器就得到了较好的发展。但由于葡萄糖氧化酶是一种蛋白质,因此有很多的限制条件。温度、pH、湿度以及有毒物都能影响到葡萄糖氧化酶的活性,长期保存会出现酶失活或酶量不足,使响应电流与底物浓度不成比例,影响测量的精度。因此,无酶葡萄糖电化学传感器成为另一个研究热点。Park等根据采用的电化学检测方法的不同将无酶葡萄糖电化学传感器分为三类:电位式、伏安法和电流型葡萄糖电化学传感器。其中采用计时电流法对溶液中的葡萄糖进行分析测定的电流型葡萄糖电化学传感器是目前应用较为广泛的一种。纳米材料和生物技术的发展为研制新型的生物传感器提供了良好的条件。金属纳米颗粒的比表面积大,催化效率高,吸附能力强,可应用于传感器中。最早使用的电极材料有稀有金属(如铂、金)过渡金属(如铜、镍)及合金。发展至今,多种金属、合金材料及其纳米材料都被用于该类型传感器的研制。Chen等利用花瓣核壳型AuPd纳米颗粒和离子液体修饰的玻碳电极(Au@Pd-ILs-Au@Pd/GCE)成功检测了葡萄糖。但是Au等贵金属在催化氧化的过程中容易在表面吸附中间产物而使电极中毒,并且此类电极对葡萄糖的选择性不好,很多有电活性的物质在相同的条件下都可以在电极上和葡萄糖一起被催化氧化,对葡萄糖的检测造成干扰。Liu等通过在碳纳米纤维上负载纳米Ni制备了一种新型的葡萄糖传感器。此外,Cu,Ni[15~17],Pt[18~19],Au和铝合金等也被用于电催化氧化葡萄糖。实验证明这些修饰有纳米材料的电极有直接电化学氧化葡萄糖的能力。郭仁霞等用水热合成的方法制备了以纳米碳管为载体的纳米镍复合材料,以Nafion为固定剂将复合材料修饰于玻碳电极的表面制备了一种新型葡萄糖传感器,并用于血清样品中葡萄糖的测定,取得了可喜的成果。该文采用水热合成法合成氧化亚铜纳米立方体。将其分散在Nafion溶液中直接修饰在玻碳电极表面,研制出了新型电化学无酶葡萄糖传感器,并用于直接检测葡萄糖。1实验部分1.1实验试剂和试剂CHI660D电化学工作站(上海辰华仪器公司);透射电镜图(TEM)由PhillipsEM420型透射电镜仪所得;扫描电镜图(SEM))由PhillipsXL型扫描电镜仪所得。实验中所用的三电极体系,修饰过的玻碳电极(GCE)为工作电极,铂电极为对电极,饱和甘汞电极(SCE)为参比电极。葡萄糖(分析纯)购于广东西陇化工厂;氢氧化钠(分析纯)购于成都化学试剂厂;氯化铜(CuCl2)从天津风船公司购买,其它所有试剂均为分析纯并且未经再次纯化。Nafion购于SigmaAldrich公司;聚乙二醇(PEG)-400购于天津风船化学试剂有限公司。实验过程中使用的其它试剂均为分析纯,所用水均为二次蒸馏水。测定葡萄糖时,使用的支持电解液为0.1mol/LNaOH溶液。1.2陈化、澄清法将CuCl2·2H2O0.285g和0.12gNaOH固体加入到22mL的PEG-400中,搅拌溶解后置于180℃30.00mL反应釜中,反应6h后,待反应釜降至室温,移去上层清液;然后将其转移至500mL的烧杯中,加入350mL蒸馏水搅拌30min,可以观察到溶液立即变为黄色。所得粗产品在室温下陈化24h,至溶液上层变澄清下层为绿色青苔状的固体。移去上层清液,分离(用倾注的方法)得到沉淀。用水、无水乙醇充分冲洗后,将产品在室温下干燥,即得氧化亚铜纳米立方体(Cu2ONanocube)并在干燥条件下密封保存待用。1.3修饰电极的制备将玻碳电极(φ=3mm)在金相砂纸上打磨,接着用Al2O3悬浊液将电极表面抛光成镜面,电极再依次放入硝酸(1∶1)、乙醇、二次蒸馏水中各超声洗涤10min,晾干。将Nafion与氧化亚铜纳米立方体按一定比例混合后,取出10μL滴到电极表面,制成氧化亚铜纳米立方体的修饰电极(Cu2ONCs/GCE),干燥过夜后待用。电极不用时,于4℃下保存。1.4葡萄糖传感器的工作原理所有的电化学检测均是通过三电极系统完成。不同电极对葡萄糖的催化氧化效果通过CV图来表征,CV扫描时的速度为10mV/s。在对无酶葡萄糖的测定中,Cu2ONCs/GC电极作为葡萄糖传感器在0.1mol/L的NaOH溶液中并在所需的电位下进行测定,待电流值稳定后再进行数据记录。利用计时电流法研究不同葡萄糖浓度的响应电流,从而检测传感器的性能。2结果与讨论2.1纳米实际体外晶体结构用透射电镜对通过多元醇还原法制得的Cu2O纳米立方体进行表征。如图1所示,可以看出所得Cu2O为立方体结构,推测其为实心结构,而后的研究也证明了这点。图1所示Cu2O立方体的真实粒径应为100nm左右。对于Cu2O纳米立方体的晶体结构也进行了研究。如图1b所示,单颗Cu2O纳米立方体及其对应的电子衍射花样。衍射图中小光斑有序排列,还有两个被宽化的环状光圈,由此可得到该实验所制的Cu2O纳米立方体是多晶晶体结构。宽化的衍射环是由于纳米多晶的晶粒很小大概在1~3nm之间,导致了环的宽化。2.2亚铜氧化葡萄糖传感器的电性能2.2.1还原电流的测定考察了GCE、Cu2ONCs/Nafion/GCE,在0.1mol/LNaOH和500mV下,用计时电流法测定葡萄糖的还原电流。如图2所示,GCE(图2a)对葡萄糖无催化作用,传感器(图2b)对葡萄糖的催化响应性能明显优于GCE,说明氧化亚铜纳米立方体对葡萄糖有显著的催化作用。2.2.2葡萄糖的循环伏安比较了Cu2ONCs/Nafion/GCE在含有1mol/L葡萄糖的0.1mol/LNaOH溶液(b)和只有支持电解液(a)时的循环伏安图。如图3所示,加入葡萄糖后,氧化峰增大,表明葡萄糖在氧化亚铜纳米立方体修饰的电极上发生了电催化氧化。2.3葡萄糖传感器的实验条件的优化2.3.1传感器循环伏安行为s考察了扫描速度对传感器响应性能的影响,当扫描速度从20到100mV/s变化时,传感器循环伏安行为如图4。峰电流随着扫描速度的增加而增大。同时为了考察电流的特性,将峰电流对扫描速度的平方根作图(见内置图),从内置图可看出,峰电流与扫描速度的平方根成正比,说明此电流为扩散控制电流。2.3.2不同ph对葡萄糖的影响考察了Cu2ONCs/Nafion/GCE传感器在pH为7.4的PBS溶液和0.1mol/LNaOH溶液中的响应电流,结果见图5。a曲线为pH为7.4的PBS溶液,电极对葡萄糖无明显响应;b曲线为传感器在0.1mol/LNaOH溶液中,响应较好且稳定,说明只有在碱性条件下葡萄糖才容易被氧化。所以,选择0.1mol/LNaOH溶液为测试底液。这个实验结果符合电极材料催化氧化葡萄糖的机理。2.3.3v内变化对传感器响应性能的影响考察了Cu2ONCs/Nafion/GCE电极工作电位在0.40~0.90V内变化对传感器响应性能的影响,结果见图6,响应电流在0.40至0.90V之间随着电位上升,电流急剧上升后缓慢下降。电极的响应电流在0.50V~0.80V间出现平台。为避免更高电位下的干扰物质的氧化,故0.50V为工作电位。2.4葡萄糖浓度对响应电流曲线的影响在优化实验条件下Cu2ONCs/Nafion/GCE无酶葡萄糖传感器,在0.1mol/LNaOH溶液中,逐次加入葡萄糖得其响应电流曲线如图7。从图中可以看出,随着葡萄糖浓度的不断增加,响应电流也随之变大。内置图为校正曲线,线性范围为9.9×10-5~1.14×10-2mol/L,检测下限为3.3×10-5mol/L。线性相关系数为0.991。2.5血清葡萄糖含量为了考察传感器的实用性,将该传感器直接用于检测血清样品葡萄糖含量,并与传统葡萄糖氧化酶法测量结果相比较(由云南师范大学校医院提供)(见表1)。说明该传感器能用于真实样品中葡萄糖的测定。3cu2o2cs/nafion