作為葡萄糖傳感器的修飾玻碳電極的製備方法及其應用的製作方法

2023-11-01 23:33:57

專利名稱：作為葡萄糖傳感器的修飾玻碳電極的製備方法及其應用的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用尖晶石型納米鐵酸鎳、殼聚糖和葡萄糖氧化酶混合分散液修飾作為 葡萄糖傳感器的修飾玻碳電極的製備方法及其應用，屬電化學分析檢測技術領域。
背景技術：
生物傳感器將分析化學和生物學的技術及方法結合在一起，是一種利用生物的因子或生 物學原理來檢測或計量化合物的裝置。通常由分子識別部分(敏感元件)和轉換部分(換能器) 組成。電化學生物傳感器是生物傳感器領域中研究最多的一種類型，由於它具有諸如以下的 優點而被廣泛研究結構簡單，不需要昂貴的檢測儀器設備；操作簡便，換能器將反應能轉 換成電信號，易於檢測和轉換成數位訊號與計算機聯機，實現連續、實時、自動化檢測分析； 方法簡單，如測定過程無需對生物樣品做任何分子標記、衍生等；靈敏度高；選擇性好，復 雜的樣品往往不需要經過分離或掩蔽處理就可以直接測定；快速實時，如檢測一對生物分子 間相互作用通常用時不到1小時，而且在檢測過程中，就可以觀察到生物分子間相互作用的 結果；易於小型化、微型化，更適合臨床和現場的檢測分析。生物傳感器的研究經歷了三個 發展階段即第一代生物傳感器以氧為中繼體的電催化，第二代生物傳感器基於人造媒介體的 電催化和第三代生物傳感器的直接電催化。利用人為加入電子媒介體來解決傳遞電子的問題 是第二代生物傳感器的一大特點。這種電子媒介體是具有電催化作用的氧化還原體，起到了 酶與電極之間傳遞電子的作用。本發明便是利用在電解液中加入定量的羧酸二茂鐵作為電子 媒介體。
尖晶石型納米鐵酸鎳(NiFe204)是指和尖晶石MgO-Al203具有同樣的晶體結構的鐵酸鎳， 晶體結構屬於立方晶系。每個晶胞由八個分子組成，其中包括24個金屬離子和32個氧離子。 氧離子組成面心立方晶格，二價陽離子和三價陽離子分別佔據氧離子的兩種間隙位置(正四 面體間隙和正八面體間隙)。納米NiFe204除具有納米粒子的表面效應，體積效應，量子尺寸 效應和宏觀量子隧道效應等特性外，還具有超順磁性且能促進電子的傳遞。納米NiFe204還 具有生物共容性且無毒副作用可應用於葡萄糖傳感器。
殼聚糖(Chitosan)是甲殼素部分脫乙醯而得到的一種直鏈大分子生物多糖，是一種天然 的可再生資源，殼聚糖以其價格低廉，生物相容性好，無毒性，生物可降解性，成膜性好等 優點在生化研究領域受到日益廣泛的關注。辣根過氧化酶，葡萄糖氧化酶以及乙酞膽鹼脂酶 等許多酶己成功地固定在殼聚糖膜中並應用於生物傳感。然而因為酶的活性部位深深地位於 蛋白質的內部，如果沒有電子媒介體，生物傳感器中酶的電子傳遞效率很低，而在溶液中加
3入電子媒介體可以提高傳感器的檢測靈敏度。殼聚糖的電化學性質不活潑，導電性差，通過 向其中摻雜尖晶石型鐵酸鎳可改善其導電性。本發明在殼聚糖(Chitosan)複合膜中加入尖晶 石型納米NiFe204，製得性能穩定、導電性好以及傳遞電子速度快的安培型生物傳感器。
葡萄糖氧化酶因其價格相對低廉，穩定性好，催化效率高，對D(+)-葡萄糖有高度專一 的催化氧化作用，成為人們製備葡萄糖傳感器的理想模型。

發明內容
本發明的目的是提供一種利用殼聚糖、尖晶石型納米鐵酸鎳、葡萄糖氧化酶共同修飾玻 碳電極作為葡萄糖傳感器的方法，以及該作為葡萄糖傳感器的修飾玻碳電極的使用方法。
本發明一種作為葡萄糖傳感器的修飾玻碳電極的製備方法，其特徵在於具有以下的過程 和步驟
a. 玻碳電極的預處理首先將玻碳電極用金相砂紙拋光，再依次用1.0 pm和0.3 pm和 0.05 nm的Al203懸浮液在麂皮上拋光至鏡面，最後分別用1 : 1的HN03溶液、無水乙醇和二 次蒸餾水超聲清洗乾淨，備用；
b. 玻碳電極修飾劑的配製將一定量的殼聚糖溶於醋酸溶液中，配製成質量溶度為0.5 % 的殼聚糖溶液；將一定量的尖晶石型納米鐵酸鎳分散於上述殼聚糖溶液中，然後超聲分散2 小時，形成含有尖晶石型納米鐵酸鎳的分散液；然後再將一定量的葡萄糖氧化酶加入上述分 散液中，再超聲分散3~10分鐘，使分散均勻，得到玻碳電極修飾劑；所述修飾劑各使用物 質的重量配比為殼聚糖葡萄糖氧化酶尖晶石型納米鐵酸鎳=1 : 0.4 : 0.34:
c. 修飾玻碳電極的製備取一定量的上述修飾劑滴加於清洗乾淨的玻碳電極表面，在4 'C下乾燥24小時，使電極表面形成均勻的殼聚糖/葡萄糖氧化酶/鐵酸鎳的複合膜，即製得修 飾玻碳電極。
一種作為葡萄糖傳感器的修飾玻碳電極的用途及使用方法，其用途是所述修飾玻碳電極 可直接用於葡萄糖濃度的電化學測定；使用方法即測定方法如下將尖晶石型鐵酸鎳修飾玻 碳電極作為工作電極，飽和甘汞電極作為參比電極、鉑片電極作為輔助電極，組成三電極系 統；電化學測定時，將所述修飾電極放置在以恆定速率攪拌的、pH = 7.0的磷酸鹽緩衝溶液 中；在-0.4 0.9V電位窗口中循環伏安法掃描至圖形穩定；然後再在緩衝溶液中加入少量羧 酸二茂鐵；在工作電極上施加一定的陰極電位，記錄下電流一時間曲線，當背景電流達到穩 態後，用微量進樣器加葡萄糖溶液樣品，並記錄電流響應；在不同葡萄糖溶液濃度下測得傳
感器對葡萄糖的電流響應值，並在濃度0.5 ~ 7.0 mM/L範圍內，得到電流與葡萄糖濃度的線 性關係曲線，其線性相關係數r- 0.994，利用該線性關係曲線及相應的線性方程，可用它測定葡萄糖溶液試樣的濃度。
本發明的修飾電極相當於一種新型的電化學葡萄糖傳感器，能直接用於葡萄糖的快速電 化學測定，利用尖晶石型納米鐵酸鎳粒子所得到的酶修飾電極具有催化性能高、穩定性好、 成本低等的優點，並且對葡萄糖的檢測效率高，準確度高。


圖1為本發明中殼聚糖、尖晶石型納米鐵酸鎳和葡萄糖氧化酶複合膜修飾電極的掃描電 鏡(SEM)表徵圖。
圖2為本發明中所述修飾電極在最優化條件下對葡萄糖一定濃度的響應的時間——電流 曲線圖。
具體實施例方式
現將本發明的具體實施例敘述於後。 實施例l
本實施例中的製備過程和步驟如下
(1) 玻碳電極的預處理首先將玻碳電極用金相砂紙拋光，再依次用1.0pm和0.3 pm 和0.05 nm的八1203懸浮液在麂皮上拋光至鏡面，最後分別用1 : 1的HN03溶液、無水乙醇 和二次蒸餾水超聲清洗乾淨，備用；
(2) 玻碳電極修飾劑的配製將一定量的殼聚糖溶於醋酸溶液中，配製成質量溶度為
0.5%的殼聚糖溶液；將一定量的尖晶石型納米鐵酸鎳分散於上述殼聚糖溶液中，然後超聲分 散2小時，形成含有尖晶石型納米鐵酸鎳的分散液；然後再將一定量的葡萄糖氧化酶加入於 上述分散液中，再超聲分散3 10分鐘，使分散均勻，得到玻碳電極修飾劑；所述修飾劑各 使用物質的重量配比為殼聚糖葡萄糖氧化酶尖晶石型納米鐵酸鎳=1 : 0.4 : 0.34;
(3) 修飾玻碳電極的製備取一定量的上述修飾劑滴加於清洗乾淨的玻碳電極表面，在 4'C下乾燥24小時，使電極表面形成均勻的殼聚糖/葡萄糖氧化酶/鐵酸鎳的複合膜，即製得
修飾玻碳電極。
修飾玻碳電極作為葡萄糖傳感器對葡萄糖溶液濃度的電化學測定測定方法的過程如下
將尖晶石型鐵酸鎳修飾玻碳電極作為工作電極，飽和甘汞電極作為參比電極、鉑片電極
作為輔助電極，組成三電極系統；電化學測定時，將所述修飾電極放置在以恆定速率攪拌的、 pH = 7.0的磷酸鹽緩衝溶液中；在-0.4 0.9V電位窗口中循環伏安法掃描至圖形穩定；然後再 在緩衝溶液中加入少量羧酸二茂鐵；在工作電極上施加一定的陽極電位，記錄下電流一時間 曲線，當背景電流達到穩態後，用微量進樣器加葡萄糖溶液樣品，並記錄電流響應；在不同
5葡萄糖溶液濃度下測得傳感器對葡萄糖的電流響應值，並在濃度0.5 ~ 7.0 mM/L範圍內，得 到電流與葡萄糖濃度的線性關係曲線；其線性方程為/0iA) = 3.442 C(mM) + 0.429，其線 性相關係數^ = 0.994，利用該線性關係曲線及相應的線性方程，可用它測定葡萄糖溶液試樣 的濃度。
作為葡萄糖傳感器的修飾玻碳電極的表徵
通過掃描電鏡(SCE)可以觀察尖晶石型NiFe204/殼聚糖(Chitosan) /葡萄糖氧化酶(Gox) 複合膜的表面形態，如圖1所示。從圖中可以看出，尖晶石型NiFe204在殼聚糖和葡萄糖氧 化酶形成的膜中成島狀分布，這種特定的結構有助於酶和基底之間的電子傳遞，從而導致傳 感器產生好的電流響應。
電化學測定
在最佳測試條件下，晶石型NiFe2(V殼聚糖(Chitosan) /葡萄糖氧化酶(Gox)複合膜修 飾電極對葡萄糖的計時電流響應如圖2所示。由圖可見，達到95。/。穩態電流的時間為4s，響 應時間非常短，這主要是因為製得的殼聚糖生物複合膜具有良好的生物相容性、多孔性以及 較強的導電性。隨著葡萄糖濃度的增加，傳感器對葡萄糖的電流響應逐漸增大，在0.5 7.0mM 範圍內，電流與葡萄糖濃度成線性關係。
本發明方法製備的電極，重現性和穩定性良好。循環伏安掃描30圈後幾乎沒有什麼變化。 電極不用時在4 'C的冰箱中存放30日後，電流響應保持在90%以上。且不受鎳鐵等金屬離 子，果糖木糖等其它糖類的幹擾，專一性好。其測限為0.02mM (信噪比為3)。
權利要求
1、一種作為葡萄糖傳感器的修飾玻碳電極的製備方法，其特徵在於具有以下的過程和步驟a.玻碳電極的預處理首先將玻璃態碳電極即玻碳電極用金相砂紙拋光，再依次用1.0μm和0.3μm和0.05μm的Al2O3懸浮液在麂皮上拋光至鏡面，最後分別用1∶1的HNO3溶液、無水乙醇和二次蒸餾水超聲清洗乾淨，備用；b.玻碳電極修飾劑的配製將一定量的殼聚糖溶於醋酸溶液中，配製成質量溶度為0.5％的殼聚糖溶液；將一定量的尖晶石型納米鐵酸鎳分散於上述殼聚糖溶液中，然後超聲分散2小時，形成含有尖晶石型納米鐵酸鎳的分散液；然後再將一定量的葡萄糖氧化酶加入於上述分散液中，再超聲分散3～10分鐘，使分散均勻，得到玻碳電極修飾劑；所述修飾劑各使用物質的重量配比為殼聚糖葡萄糖氧化酶尖晶石型納米鐵酸鎳＝1∶0.4∶0.34；c.修飾玻碳電極的製備取一定量的上述修飾劑滴加於清洗乾淨的玻碳電極表面，在4℃下乾燥24小時，使電極表面形成均勻的殼聚糖/葡萄糖氧化酶/鐵酸鎳的複合膜，即製得修飾玻碳電極。
2、 一種作為葡萄糖傳感器的修飾玻碳電極的用途及使用方法，其用途是所述修飾玻碳電極 可直接用於葡萄糖濃度的電化學測定；使用方法即測定方法如下將尖晶石型鐵酸鎳修飾玻 碳電極作為工作電極，飽和甘汞電極作為參比電極、鉑片電極作為輔助電極，組成三電極系 統；電化學測定時，將所述修飾電極放置在以恆定速率攪拌的、pH = 7.0的磷酸鹽緩衝溶液 中；在-0.4 0.9V電位窗口中循環伏安法掃描至圖形穩定；然後再在緩衝溶液中加入少量羧 酸二茂鐵；在工作電極上施加一定的陽極電位，記錄下電流一時間曲線，當背景電流達到穩 態後，用微量進樣器加葡萄糖溶液樣品，並記錄電流響應；在不同葡萄糖溶液濃度下測得傳 感器對葡萄糖的電流響應值，並在濃度0.5 ~ 7.0 mM/L範圍內，得到電流與葡萄糖濃度的線 性關係曲線，其線性相關係數r- 0.994，利用該線性關係曲線及相應的線性方程，可用它測 定葡萄糖溶液試樣的濃度。
全文摘要
本發明涉及一種利用尖晶石型納米鐵酸鎳、殼聚糖和葡萄糖氧化酶混合分散液修飾玻碳電極作為葡萄糖傳感器的製備方法及其應用，屬電化學分析檢測技術領域。本發明主要是用尖晶石型納米鐵酸鎳加入到固定葡萄糖氧化酶的殼聚糖溶液中，以促進電子的傳遞，並用於葡萄糖的電化學測定。本發明中作為葡萄糖傳感器的修飾玻碳電極的製備方法如下首先將尖晶石型鐵酸鎳分散於一定濃度的殼聚糖溶液中，超聲分散均勻，隨後加入一定量的葡萄糖氧化酶，繼續超聲至分散均勻，即製得鐵酸鎳/殼聚糖/葡萄糖氧化酶修飾劑。將該修飾劑滴加於清洗乾淨的玻碳電極表面，在4℃下乾燥24小時，使電極表面形成一層均勻的複合膜，既製得修飾玻碳電極，也即可作為一種葡萄糖傳感器，直接用於葡萄糖的快速電化學測定。
文檔編號G01N27/49GK101581691SQ20091005386
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月26日 優先權日2009年6月26日
發明者丁亞平, 徐彥紅, 麗 李, 李秋霞, 霞 王, 羅立強 申請人:上海大學