基于双氢氧化物纳米线修饰电极的无酶葡萄糖检测

基于双氢氧化物纳米线修饰电极的无酶葡萄糖检测

人体血液中的血糖值是衡量新陈代谢能力和糖尿病临床诊断的重要指标。血液分析和检测对人类健康和疾病的诊断、治疗和控制非常重要。临床上最常用的葡萄糖检测方法是葡萄糖氧化酶(GOD)分析法,它具有专一性高、反应速率快等特点。但GOD作为一种酶,其一些弱点(如酶的活性随时间降低,温度对活性的影响等)限制了此类葡萄糖传感器的应用。利用固体催化电极来测定葡萄糖,电极可反复多次使用、检测时间短、费用低,因此,无酶葡萄糖电化学传感器的研制成为葡萄糖电化学传感器的另一个研究热点。对葡萄糖的氧化具有电催化活性,并可用于葡萄糖测定的金属(或其金属氧化物)电极材料有铂、金、铱、铑、钌、铜、钴和镍。Park等人评述了无酶葡萄糖电化学传感器的研究进展,具体讨论了无酶葡萄糖电化学传感器的优点及其研制难点。近年来,许多学者尝试在碱液中用镍电极通过电催化氧化反应测定葡萄糖等有机物。双金属氢氧化物有水镁石般的层次,每一个层次中二价和三价阳离子交替分布在阴离子周围以保持电荷平衡,具有显著的特征:层状结构、大的比表面积、较强的离子交换能力,这种结构使得其适合作为电极修饰材料。Ni氢氧化物含二价阳离子(Ni2+),和其它的阳离子一样,可吸附酶、氨基酸、基因。另外,Ni2+有独特的电介导作用,在碱性环境中,Ni2+/Ni3+氧化还原电对对葡萄糖的测定非常有用,基于Ni在无酶葡萄糖传感器中的应用也是最近几年才发展起来的。本文采用简单的制备装置,利用多孔聚碳酸酯(PC)模板在加热条件下通过溶液渗透和共沉淀制得了Al/Ni双氢氧化物纳米线,并将其修饰到玻碳电极制成无酶葡萄糖传感器,在碱溶液中利用Al/Ni催化氧化反应对葡萄糖进行了检测。1实验部分1.1试剂及其试剂CHI660C电化学分析仪(中国上海辰华仪器公司),三电极体系:修饰玻碳电极为工作电极,饱和甘汞电极为参比电极,铂电极为辅助电极。XL30ESEM-TMP电子扫描电镜(SEM)(荷兰,菲利普)。Ni(NO3)2购于天津金汇太亚化学试剂有限公司;Al(NO3)3购于上海之臻化工有限公司;(NH2)2CO购于郑州中天实验仪器有限公司;多孔聚碳酸酯模板是由Whatman公司购得(PC,Anodisc47,0.2μm);C6H12O6购于广州汕头西陇化工分析试剂;NaOH购于深圳市一浩化工有限公司;壳聚糖(CHIT)购于美国Sigma公司。实验采用0.1mol/LNaOH溶液为测定的支持电解质溶液。实验过程中使用的试剂均为分析纯,所用水均为二次蒸馏水。1.2nh2/nh3溶液配制Al/Ni双氢氧化物的制备装置见图1。取5mLNi(NO3)2溶液(2×10-3mol/L)和2.5mL(NH2)2CO溶液(5×10-3mol/L),2.5mLAl(NO3)3溶液(1×10-3mol/L)和2.5mL(NH2)2CO溶液(5×10-3mol/L)分别混合稀释至25mL。然后将两种混合液分别倒入中间用PC模板(多孔聚碳酸酯模板)完全隔开的烧杯中,在95℃下放置24h,然后用乙醇和二次蒸馏水分别清洗3次,在室温下晾干。1.3纳米线阵列无酶葡萄糖传感器的制备首先将玻碳电极(Φ=3mm)在金相砂纸上打磨,然后用Al2O3悬浊液将电极表面抛光成镜面,再依次用硝酸(1+1)、丙酮、二次蒸馏水进行超声洗涤各5min,晾干。取一块沉积了Al/Ni双氢氧化物的PC模板用0.5%(m/V)的壳聚糖乙酸溶液润湿贴在处理好的电极表面,晾干。用氯仿和乙醇(3+1)混合液溶解模板,将修饰好的电极镜面向上,取0.2mL氯仿和乙醇混合液轻轻滴在电极镜面上,3min滴加一次,5次后分别用乙醇、二次蒸馏水清洗,制得Al/Ni双氢氧化物纳米线阵列无酶葡萄糖传感器。干燥后,Al/Ni双氢氧化物纳米线紧密地贴在电极表面,因此传感器具有较好的稳定性和导电性。1.4循环伏安法cv扫描Al/Ni双氢氧化物纳米线阵列无酶葡萄糖传感器在0.1mol/L的NaOH溶液中进行循环伏安(CV)扫描(扫描速度为60mV/s,电位范围为0~0.7V),然后加入葡萄糖溶液再进行CV扫描。利用计时电流法研究不同葡萄糖浓度的响应电流,从而确定其线性。在电解液中加入预处理好的血清样品,用该传感器对其进行检测。2结果与讨论2.1电极表面al/ni双氢氧化物用扫描电镜(SEM)观察了Al/Ni双氢氧化物纳米线阵列微观表面的形态。从图2可明显地看到电极表面已有Al/Ni双氢氧化物纳米线阵列生成。纳米线的平均直径约为160nm,与模板分子的孔径一致,纳米线的平均长度约2.0μm。同时,通过电镜图看到,纳米线的形貌较规则,尺寸均匀,大部分纳米线都是垂直排列的。2.2al/ni双氢氧化物纳米线对葡萄糖的电化学行为影响图3为无酶葡萄糖传感器的循环伏安行为。在0.1mol/L的NaOH底液中,未加入葡萄糖时其循环伏安信号为曲线a,电流较小;当加入1.0×10-3mol/L葡萄糖时,电流急剧增加(曲线b),说明Al/Ni双氢氧化物纳米线对葡萄糖的氧化有催化作用。图4为无酶葡萄糖传感器在相同浓度葡萄糖(1.0×10-3mol/L)中的不同扫描速度的循环伏安行为。从图中可以看出,随着扫描速度的不断增加,电流值也在逐渐增大,且其电流值与扫描速率的平方根成正比(见内置图),说明该传感器的电流受扩散控制。Al/Ni双氢氧化物催化葡萄糖氧化的机理为:Ni(OH)2+OH−→NiO(OH)+H2O+e−(ΟΗ)2+ΟΗ-→ΝiΟ(ΟΗ)+Η2Ο+e-NiO(OH)+葡萄糖→Ni(OH)2+→Νi(ΟΗ)2+葡萄糖酸内酯2.3实验条件的优化2.3.1糖底液中al/ni双氢氧化物的电化学行为不同电极在葡萄糖底液中的计时电流响应见图5。从图中可以看出,裸玻碳电极在葡萄糖底液中没有响应;电极上直接沉积Al/Ni双氢氧化物对葡萄糖有计时电流响应,但很小;而采用PC模板制得的Al/Ni双氢氧化物纳米线修饰的电极在葡萄糖底液中响应电流很大,说明Al/Ni双氢氧化物纳米线对葡萄糖有较好的电催化氧化作用。2.3.2al/ni双氢氧化物修饰电极的过电位实验考察了不同工作电位对电极响应电流的影响。从图6可以看出Al/Ni双氢氧化物纳米线修饰的电极对葡萄糖的响应电流在200~700mV之间随着电位的升高而逐渐增大,但考虑到过电位对葡萄糖测定的影响,所以本实验采用600mV作为工作电位。2.4糖浓度的线性关系在最优条件下用传感器对不同浓度的葡萄糖进行测定。从图7可以看出,葡萄糖浓度在2.0×10-5~1.3×10-3mol/L的范围内糖浓度有良好的线性关系。线性方程为:I(10-7A)=0.2218c(μmol/L)+0.1101,相关系数为0.981,检出限为5.0×10-6mol/L。2.5传感器的重现性实验对无酶葡萄糖传感器的重现性和稳定性进行了考察。将无酶葡萄糖传感器在浓度为2.5×10-3mol/L的葡萄糖溶液中连续扫描200圈,响应电流基本保持不变。用该传感器在相同浓度的葡萄糖中进行6次连续测定,相对标准偏差为4.62%,表明该传感器具有较好的重现性。实验后将传感器于4℃下保存15d,每天进行一次测定,至第15d其响应电流下降8.7%,表明该传感器具有较好的稳定性。2.6糖传感器的检测测试血清样品源于曲靖市第一人民医院。将无酶葡萄糖传感器置于3个浓度的测试样品中,按