一種定性定量檢測葡萄糖的傳感器材料及其制備方法與流程

本發明屬于傳感器制備技術領域，特別涉及到一種同時具有電化學傳感性能和比色傳感性能的傳感器材料，具有同時定性定量檢測葡萄糖和過氧化氫的功能。

背景技術：

天然生物酶作為一種高選擇性高活性的生物傳感酶，在現在的生物傳感中廣泛應用，但其在自然環境下不穩定易失活且制備成本過高等都嚴重制約了其進一步發展，而一些納米無機材料被發現擁有類似于生物傳感酶的某些特性，比如對某種特定分子具有高的反應活性和選擇性，因此成為新興的類酶生物傳感材料。在諸多生物傳感器中，葡萄糖傳感器在生物工程、醫療診斷、食品檢測方面都有著廣泛的應用，因此進一步研究開發新型葡萄糖傳感器擁有重要意義和實用價值。對于納米無機傳感材料，其發展面臨一些問題，比如：制備成本高、催化反應活性低、選擇性能差等，因此研發一種能夠快速簡單制備且擁有高的反應活性和高的選擇性的無機納米傳感材料將具有重大意義。

層狀雙金屬氫氧化物(LDHs，又稱水滑石)是一類典型的陰離子型層狀材料，由于主體層板內的二價及三價金屬離子的種類、比例和分布以及層間客體可以人為調控，且其設計合成及組裝的多樣性，由此引起了國際功能材料研究領域的廣泛興趣和高度重視。隨著將鎳、鈷、鐵等過渡金屬元素引入水滑石層板，水滑石的應用領域得到進一步拓寬。

本工作致力于研發一種能夠快速簡單制備且擁有高的反應活性和高的選擇性的多功能無機納米傳感材料應用于葡萄糖生物傳感器。

技術實現要素：

本發明的目的是基于一種同時具有電化學傳感性能和比色傳感性能的傳感器材料用于定性定量檢測葡萄糖或者定性定量檢測過氧化氫。該材料是由含鈷和鐵的水滑石納米片陣列組成，通過簡單的一步電合成的方法，將鈷鐵水滑石納米片垂直生長在導電基底上，擁有制備方法簡單，省時、高效的優點，有望作為一種新穎高效的多功能葡萄糖傳感器，應用于生物工程、醫療診斷、食品檢測等方面。

本發明所述的傳感器材料的制備方法：

a:將導電基底分別用無水乙醇、丙酮和去離子水各超聲10-20min，去除表面的雜質；

b:配制可溶二價鈷鹽和二價鐵鹽的混合鹽溶液，其中二價鈷離子濃度為0.3-3mg/mL，二價鐵離子濃度為0.3-3mg/mL；

c:以鉑絲作為對電極、飽和甘汞電極作為參比電極，步驟a處理后的導電基底作為工作電極，步驟b配制的混合鹽溶液作為電解質溶液，在10-50℃，(-0.8)-(-1.2)V電壓下電合成10-400s后，即在導電基底上垂直生長出鈷鐵水滑石納米片陣列；

d:把步驟c制得的垂直生長鈷鐵水滑石納米片陣列的導電基底置于40-80℃的烘箱中2-4天，使其在空氣中發生自氧化，即得到傳感器材料。

所述的導電基底選自泡沫鎳、鎳片、碳纖維布、導電布。

所述的可溶二價鈷鹽選自硝酸鈷、硫酸鈷、氯化鈷，二價鐵鹽選自硝酸亞鐵、硫酸亞鐵、氯化亞鐵。

將上述制備得到的傳感器材料應用于定性定量檢測葡萄糖。

將上述制備得到的傳感器材料應用于定性定量檢測過氧化氫。

上述定性定量檢測葡萄糖的方法為：

1、定性檢測：a:配制葡萄糖檢測溶液：將0.5-1mL的待測葡萄糖溶液、2-3mL的PH＝7的磷酸氫二鈉緩沖溶液和600-900μL的葡萄糖氧化酶溶液混合，置于35-40℃水浴中溫育1-2h，取上述混合溶液20-200μL加入到0.5-1mL的PH＝4的醋酸鈉緩沖溶液中，再加入150-200μL四甲基聯苯胺溶液，得到葡萄糖檢測溶液；

b:將傳感器材料0.5×0.5cm²放入葡萄糖檢測溶液中，28-32℃下溫育15-30min，觀察溶液顏色變化，然后進行紫外-可見光測試；

2、定量檢測：將傳感器材料作為工作電極，飽和甘汞電極作為參比電極，鉑絲作為工作電極，組成三電極體系對待測溶液進行循環伏安測試，得到葡萄糖濃度結果；其中待測溶液為5.6-56mg/mL的氫氧化鉀溶液與葡萄糖混合溶液，PH值為13-14；

3、上述定性定量檢測葡萄糖完成后，取出傳感器材料，洗滌干燥后，可重復檢測使用6次以上。

本發明制備的鈷鐵水滑石納米片尺寸均勻、結構規整、比表面積大。將該納米片陣列結構應用于葡萄糖的電化學傳感器和比色傳感器，具有檢測濃度范圍寬、靈敏度高、檢測限低、重復利用性好、操作回收方便等諸多優點。具體表現為：1、該定性定量檢測葡萄糖的傳感器材料對于電分析檢測葡糖糖具有良好的響應，其用于無酶葡萄糖生物傳感器靈敏度可達10.63μAμM^-1cm^-2，線性范圍為0-1000μM，循環重復使用6次后，傳感性能可保持95％以上，且對抗壞血酸、多巴胺、尿素等具有很好的抗干擾性能；2、該定性定量檢測葡萄糖的傳感器材料作為一種類過氧化氫酶無機納米材料在葡萄糖的比色傳感分析和過氧化氫比色傳感分析中具有良好的變色響應，其用于類過氧化氫酶葡萄糖生物傳感器線性范圍為0-800μM，循環重復使用4次后，傳感性能可保持90％以上，且對抗壞血酸、多巴胺、尿素等具有很好的抗干擾性能。

附圖說明

圖1是實施例1得到的鈷鐵水滑石納米片陣列的XRD譜圖；橫坐標為2θ，單位：度；縱坐標為強度。

圖2是實施例1得到的鈷鐵水滑石納米片陣列的掃描電鏡照片。

圖3是實施例1得到的鈷鐵水滑石納米片陣列的投射電鏡照片。

圖4是實施例1得到的葡萄糖電化學測試結果(包括循環伏安曲線、時間-電流曲線)。

圖5是實施例1得到的葡萄糖比色傳感測試結果(紫外-可見光吸收光譜圖)。

圖6是鈷鐵水滑石的微觀結構模型及其電化學和比色傳感檢查葡萄糖的機理示意圖。

具體實施方式

【實施例1】

1).傳感器材料的合成：

a:將導電基底泡沫鎳分別用無水乙醇、丙酮和去離子水各超聲15min，去除表面的雜質；

b:配制混合鹽溶液25mL，其中硝酸鈷濃度為3mg/mL，硫酸亞鐵濃度為3mg/mL；

c:以步驟a處理后的泡沫鎳作為工作電極、鉑絲作為對電極、飽和甘汞電極作為參比電極，步驟b配制的混合鹽溶液作為電解質溶液，在-1V電壓下合成鈷鐵水滑石納米片陣列，電合成時間為100s，合成溫度為25℃；

d:把步驟c制得的垂直生長鈷鐵水滑石納米片陣列的泡沫鎳置于60℃的烘箱中2天，使其在空氣中發生自氧化，即得到傳感器材料。

2).定性檢測葡萄糖：

a:配制葡萄糖檢測溶液：將1mL不同濃度的葡萄糖溶液、3mL磷酸氫二鈉緩沖溶液(PH＝7)和800μL葡萄糖氧化酶溶液(1M)混合，置于37℃水浴中溫育2h，取上述混合溶液200μL加入到1mL醋酸鈉緩沖溶液中(PH＝4)，再加入200μL四甲基聯苯胺(1M)溶液，得到不同濃度的葡萄糖檢測溶液；

b:將傳感器材料0.5×0.5cm²放入葡萄糖檢測溶液中，30℃下溫育30min，觀察溶液顏色變化，然后進行紫外-可見光測試。

3).定量檢測葡萄糖：

a:將傳感器材料直接作為工作電極，飽和甘汞電極作為參比電極，鉑絲作為工作電極，組成三電極體系；以100mL 0.1M氫氧化鉀溶液作為電解質溶液，用微量進樣器向里面添加葡萄糖溶液，通過控制葡萄糖的加入量制成不同濃度的葡萄糖電化學測試溶液，首先進行循環伏安測試，找出最佳電壓，在最佳電壓下，記錄時間-電流曲線，得到不同濃度葡萄糖下的電流響應曲線。

4).比色傳感抗干擾性能測試：

a:配制干擾溶液：(1mL)0.1mg/mL葡萄糖溶液+(3mL)磷酸氫二鈉緩沖溶液(PH＝7)+(800μL)葡糖糖氧化酶溶液(1M)，置于37℃水浴中溫育2h，取上述混合溶液(200μL)加入到1mL醋酸鈉緩沖溶液中(PH＝4)，再加入200μL四甲基聯苯胺(TMB)溶液(1M)，得到葡萄糖檢測溶液；

b:分別向a中的葡萄糖檢測溶液中加入50μM抗壞血酸溶液(AA)、50μM多巴胺溶液(DA)、50μM尿酸溶液(UA)，分別得到含有AA、UA、DA的測試溶液；

c:將傳感器材料0.5×0.5cm²放入b中三種分別含有AA、UA、DA的測試溶液中，30℃下溫育30min，觀察溶液顏色變化；然后進行紫外-可見光測試。

5).電化學傳感抗干擾性能測試：

a:分別向含有0.1mg/mL的葡萄糖的0.1M氫氧化鉀溶液中加入50μM抗壞血酸溶液(AA)、50μM多巴胺溶液(DA)、50μM尿酸溶液(UA)，分別得到含有AA、UA、DA的測試溶液；

b:將傳感器材料直接作為工作電極，飽和甘汞電極作為參比電極，鉑絲作為工作電極，組成三電極體系，以b中得到的分別含有AA、UA、DA的三種測試溶液作為電解質，進行電化學性能測試，記錄時間-電流曲線，得到AA、UA、DA對葡萄糖測試的影響。

6).重復使用性能檢測：上述定性定量檢測完成后，將工作電極取出，洗滌干燥，繼續定性定量檢測，重復6次后，將每次的結果進行對比。

【實施例2】

1).傳感器材料的合成：

a:將導電基底碳纖維布分別用無水乙醇、丙酮和去離子水各超聲15min，去除表面的雜質；

b:配制混合鹽溶液25mL，其中硝酸鈷濃度為3mg/mL，硫酸亞鐵濃度為3mg/mL；

c:以步驟a處理后的碳纖維布作為工作電極、鉑絲作為對電極、飽和甘汞電極作為參比電極，步驟b配制的混合鹽溶液作為電解質溶液，在-1V電壓下合成鈷鐵水滑石納米片陣列，電合成時間分別控制在100s，合成溫度為25℃；

d:把步驟c制得的垂直生長鈷鐵水滑石納米片陣列的碳纖維布置于60℃的烘箱中2天，使其在空氣中發生自氧化，即得到傳感器材料。

2).定性檢測過氧化氫：

a:配制過氧化氫檢測溶液：取不同濃度的過氧化氫溶液(200μL)加入到1mL醋酸鈉緩沖溶液中(PH＝4)，再加入200μL四甲基聯苯胺(TMB)溶液(1M)，得到不同濃度的過氧化氫檢測溶液；

b:將傳感器材料0.5×0.5cm²放入過氧化氫檢測溶液中，30℃下溫育30min，觀察溶液顏色變化,然后進行紫外-可見光測試。

3).定量檢測：

a:將傳感器材料直接作為工作電極，飽和甘汞電極作為參比電極，鉑絲作為工作電極，組成三電極體系；

b:電化學傳感性能測試時，以100mL 0.1M氫氧化鉀溶液作為電解質溶液，用微量進樣器向里面添加過氧化氫溶液，通過控制過氧化氫的加入量制成不同濃度的過氧化氫電化學測試溶液，首先進行循環伏安測試，找出最佳電壓，在最佳電壓下，記錄時間-電流曲線，得到不同濃度過氧化氫下的電流響應曲線。

4).比色傳感抗干擾性能測試：

a:取0.1mg/mL過氧化氫溶液(200μL)加入到1mL醋酸鈉緩沖溶液中(PH＝4)，再加入200μL四甲基聯苯胺(TMB)溶液(1M)，得到過氧化氫檢測溶液；

b:分別向a中的過氧化氫測試溶液中加入50μM抗壞血酸溶液(AA)、50μM多巴胺溶液(DA)、50μM尿酸溶液(UA)，分別得到含有AA、UA、DA的測試溶液；

c:將傳感器材料0.5×0.5cm²放入b中三種分別含有AA、UA、DA的測試溶液中，30℃下溫育30min，觀察溶液顏色變化,然后進行紫外-可見光測試。

5).電化學傳感抗干擾性能測試：

a:分別向含有0.1mg/mL的過氧化氫的0.1M氫氧化鉀溶液中加入50μM抗壞血酸溶液(AA)、50μM多巴胺溶液(DA)、50μM尿酸溶液(UA)，分別得到含有AA、UA、DA的測試溶液；

b:將傳感器材料直接作為工作電極，飽和甘汞電極作為參比電極，鉑絲作為工作電極，組成三電極體系,以b中得到的分別含有AA、UA、DA的三種測試溶液作為電解質，進行電化學性能測試。記錄時間-電流曲線，得到AA、UA、DA對過氧化氫測試的影響。

6).重復使用性能檢測：上述定性定量檢測完成后，將工作電極取出，洗滌干燥，繼續定性定量檢測，重復6次后，將每次的結果進行對比。