基于雙氫氧化物納米線修飾電極的無酶葡萄糖檢測

基于雙氫氧化物納米線修飾電極的無酶葡萄糖檢測

人體血液中的血糖值是衡量新陳代謝能力和糖尿病臨床診斷的重要指標(biāo)。血液分析和檢測對人類健康和疾病的診斷、治療和控制非常重要。臨床上最常用的葡萄糖檢測方法是葡萄糖氧化酶(GOD)分析法,它具有專一性高、反應(yīng)速率快等特點。但GOD作為一種酶,其一些弱點(如酶的活性隨時間降低,溫度對活性的影響等)限制了此類葡萄糖傳感器的應(yīng)用。利用固體催化電極來測定葡萄糖,電極可反復(fù)多次使用、檢測時間短、費用低,因此,無酶葡萄糖電化學(xué)傳感器的研制成為葡萄糖電化學(xué)傳感器的另一個研究熱點。對葡萄糖的氧化具有電催化活性,并可用于葡萄糖測定的金屬(或其金屬氧化物)電極材料有鉑、金、銥、銠、釕、銅、鈷和鎳。Park等人評述了無酶葡萄糖電化學(xué)傳感器的研究進(jìn)展,具體討論了無酶葡萄糖電化學(xué)傳感器的優(yōu)點及其研制難點。近年來,許多學(xué)者嘗試在堿液中用鎳電極通過電催化氧化反應(yīng)測定葡萄糖等有機物。雙金屬氫氧化物有水鎂石般的層次,每一個層次中二價和三價陽離子交替分布在陰離子周圍以保持電荷平衡,具有顯著的特征:層狀結(jié)構(gòu)、大的比表面積、較強的離子交換能力,這種結(jié)構(gòu)使得其適合作為電極修飾材料。Ni氫氧化物含二價陽離子(Ni2+),和其它的陽離子一樣,可吸附酶、氨基酸、基因。另外,Ni2+有獨特的電介導(dǎo)作用,在堿性環(huán)境中,Ni2+/Ni3+氧化還原電對對葡萄糖的測定非常有用,基于Ni在無酶葡萄糖傳感器中的應(yīng)用也是最近幾年才發(fā)展起來的。本文采用簡單的制備裝置,利用多孔聚碳酸酯(PC)模板在加熱條件下通過溶液滲透和共沉淀制得了Al/Ni雙氫氧化物納米線,并將其修飾到玻碳電極制成無酶葡萄糖傳感器,在堿溶液中利用Al/Ni催化氧化反應(yīng)對葡萄糖進(jìn)行了檢測。1實驗部分1.1試劑及其試劑CHI660C電化學(xué)分析儀(中國上海辰華儀器公司),三電極體系:修飾玻碳電極為工作電極,飽和甘汞電極為參比電極,鉑電極為輔助電極。XL30ESEM-TMP電子掃描電鏡(SEM)(荷蘭,菲利普)。Ni(NO3)2購于天津金匯太亞化學(xué)試劑有限公司;Al(NO3)3購于上海之臻化工有限公司;(NH2)2CO購于鄭州中天實驗儀器有限公司;多孔聚碳酸酯模板是由Whatman公司購得(PC,Anodisc47,0.2μm);C6H12O6購于廣州汕頭西隴化工分析試劑;NaOH購于深圳市一浩化工有限公司;殼聚糖(CHIT)購于美國Sigma公司。實驗采用0.1mol/LNaOH溶液為測定的支持電解質(zhì)溶液。實驗過程中使用的試劑均為分析純,所用水均為二次蒸餾水。1.2nh2/nh3溶液配制Al/Ni雙氫氧化物的制備裝置見圖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)分別混合稀釋至25mL。然后將兩種混合液分別倒入中間用PC模板(多孔聚碳酸酯模板)完全隔開的燒杯中,在95℃下放置24h,然后用乙醇和二次蒸餾水分別清洗3次,在室溫下晾干。1.3納米線陣列無酶葡萄糖傳感器的制備首先將玻碳電極(Φ=3mm)在金相砂紙上打磨,然后用Al2O3懸濁液將電極表面拋光成鏡面,再依次用硝酸(1+1)、丙酮、二次蒸餾水進(jìn)行超聲洗滌各5min,晾干。取一塊沉積了Al/Ni雙氫氧化物的PC模板用0.5%(m/V)的殼聚糖乙酸溶液潤濕貼在處理好的電極表面,晾干。用氯仿和乙醇(3+1)混合液溶解模板,將修飾好的電極鏡面向上,取0.2mL氯仿和乙醇混合液輕輕滴在電極鏡面上,3min滴加一次,5次后分別用乙醇、二次蒸餾水清洗,制得Al/Ni雙氫氧化物納米線陣列無酶葡萄糖傳感器。干燥后,Al/Ni雙氫氧化物納米線緊密地貼在電極表面,因此傳感器具有較好的穩(wěn)定性和導(dǎo)電性。1.4循環(huán)伏安法cv掃描Al/Ni雙氫氧化物納米線陣列無酶葡萄糖傳感器在0.1mol/L的NaOH溶液中進(jìn)行循環(huán)伏安(CV)掃描(掃描速度為60mV/s,電位范圍為0~0.7V),然后加入葡萄糖溶液再進(jìn)行CV掃描。利用計時電流法研究不同葡萄糖濃度的響應(yīng)電流,從而確定其線性。在電解液中加入預(yù)處理好的血清樣品,用該傳感器對其進(jìn)行檢測。2結(jié)果與討論2.1電極表面al/ni雙氫氧化物用掃描電鏡(SEM)觀察了Al/Ni雙氫氧化物納米線陣列微觀表面的形態(tài)。從圖2可明顯地看到電極表面已有Al/Ni雙氫氧化物納米線陣列生成。納米線的平均直徑約為160nm,與模板分子的孔徑一致,納米線的平均長度約2.0μm。同時,通過電鏡圖看到,納米線的形貌較規(guī)則,尺寸均勻,大部分納米線都是垂直排列的。2.2al/ni雙氫氧化物納米線對葡萄糖的電化學(xué)行為影響圖3為無酶葡萄糖傳感器的循環(huán)伏安行為。在0.1mol/L的NaOH底液中,未加入葡萄糖時其循環(huán)伏安信號為曲線a,電流較小;當(dāng)加入1.0×10-3mol/L葡萄糖時,電流急劇增加(曲線b),說明Al/Ni雙氫氧化物納米線對葡萄糖的氧化有催化作用。圖4為無酶葡萄糖傳感器在相同濃度葡萄糖(1.0×10-3mol/L)中的不同掃描速度的循環(huán)伏安行為。從圖中可以看出,隨著掃描速度的不斷增加,電流值也在逐漸增大,且其電流值與掃描速率的平方根成正比(見內(nèi)置圖),說明該傳感器的電流受擴散控制。Al/Ni雙氫氧化物催化葡萄糖氧化的機理為: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+葡萄糖酸內(nèi)酯2.3實驗條件的優(yōu)化2.3.1糖底液中al/ni雙氫氧化物的電化學(xué)行為不同電極在葡萄糖底液中的計時電流響應(yīng)見圖5。從圖中可以看出,裸玻碳電極在葡萄糖底液中沒有響應(yīng);電極上直接沉積Al/Ni雙氫氧化物對葡萄糖有計時電流響應(yīng),但很小;而采用PC模板制得的Al/Ni雙氫氧化物納米線修飾的電極在葡萄糖底液中響應(yīng)電流很大,說明Al/Ni雙氫氧化物納米線對葡萄糖有較好的電催化氧化作用。2.3.2al/ni雙氫氧化物修飾電極的過電位實驗考察了不同工作電位對電極響應(yīng)電流的影響。從圖6可以看出Al/Ni雙氫氧化物納米線修飾的電極對葡萄糖的響應(yīng)電流在200~700mV之間隨著電位的升高而逐漸增大,但考慮到過電位對葡萄糖測定的影響,所以本實驗采用600mV作為工作電位。2.4糖濃度的線性關(guān)系在最優(yōu)條件下用傳感器對不同濃度的葡萄糖進(jìn)行測定。從圖7可以看出,葡萄糖濃度在2.0×10-5~1.3×10-3mol/L的范圍內(nèi)糖濃度有良好的線性關(guān)系。線性方程為:I(10-7A)=0.2218c(μmol/L)+0.1101,相關(guān)系數(shù)為0.981,檢出限為5.0×10-6mol/L。2.5傳感器的重現(xiàn)性實驗對無酶葡萄糖傳感器的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性進(jìn)行了考察。將無酶葡萄糖傳感器在濃度為2.5×10-3mol/L的葡萄糖溶液中連續(xù)掃描200圈,響應(yīng)電流基本保持不變。用該傳感器在相同濃度的葡萄糖中進(jìn)行6次連續(xù)測定,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.62%,表明該傳感器具有較好的重現(xiàn)性。實驗后將傳感器于4℃下保存15d,每天進(jìn)行一次測定,至第15d其響應(yīng)電流下降8.7%,表明該傳感器具有較好的穩(wěn)定性。2.6糖傳感器的檢測測試血清樣品源于曲靖市第一人民醫(yī)院。將無酶葡萄糖傳感器置于3個濃度的測試樣品中,按