CN102507692A - 钛基底上多孔镍-铜氧化物纳米线阵列无酶葡萄糖传感器电极 - Google Patents

Abstract

钛基底上多孔镍-铜氧化物纳米线阵列无酶葡萄糖传感器电极。该电极为钛基底上镍-铜氧化物纳米颗粒交叠组装的多孔纳米线阵列结构，其单根纳米线顶端直径20±1纳米，长度2±0.2微米，垂直、均匀、致密地分布在钛金属表面，呈现阵列；单根纳米线由5±0.2纳米的氧化铜和氧化镍纳米颗粒交叠组装而成，纳米线中具有5±0.2纳米的纳米孔均匀分布。制法是：将清洁的钛金属片置入二水氯化铜，六水氯化镍和尿素的水溶液中；然后在聚四氟乙烯内胆的高压釜中密封加热到120℃，保持24小时；自然冷却后将钛金属片取出，即得电极样品的前驱体(Ni，Cu)₂(OH)₂CO₃纳米线阵列薄膜。再将前驱体样品在空气中350℃和500℃分别退火得到传感器电极。该电极应用于生物、医学、电子仪器类产品中。

Description

钛基底上多孔镍-铜氧化物纳米线阵列无酶葡萄糖传感器电极

技术领域

本发明涉及无酶葡萄糖传感器电极，具体为一种钛基底上镍-铜氧物化纳米颗粒交叠组装的多孔纳米线阵列无酶葡萄糖传感器电极。属于生物、医学、分析化学、电子仪器、电子信息等领域，主要用于生物、临床医学、化学、化工等类产品的电化学分析仪器中。

背景技术

在普通的电化学葡萄糖探测电极上，需要用壳聚糖或者Nafion将起电化学反应作用的葡萄糖氧化酶固定在电极上。由于葡萄糖氧化酶价格昂贵，不易保存，必须低温冷藏，容易失活，如果保存不当，葡萄糖氧化酶就会失去催化活性，失去葡萄糖浓度探测的作用，因此，这种电极的廉价、方便和普及使用就存在着难以克服的困难；同时，固定葡萄糖氧化酶的壳聚糖或者Nafion都有微溶于水的性质，于是，起电化学反应作用的葡萄糖氧化酶就会随着壳聚糖或者Nafion慢慢溶于水，即长时间或者多次的使用，电极上的葡萄糖氧化酶就会变得越来越少，其电化学性能就会越来越差。为了克服这些困难，本发明提出一种钛基底上镍-铜氧化物纳米颗粒交叠组装的多孔纳米线阵列无酶葡萄糖传感器电极。该无酶葡萄糖传感器电极的主要优点在于：其一，由于传感器电极不需要葡萄糖氧化酶，所以该传感器不存在“保存困难”和“失活”的问题，同时其成本大大降低。其二，在电极制备过程中由于不需要壳聚糖或者Nafion等粘结剂，所以探测材料不存在越来越少的问题，其多次使用的稳定性非常高。其三，该电极的制备方法简单方便、易于批量生产。其四，由于电极材料的多孔纳米线阵列结构，其葡萄糖探测的极限0.1μM、灵敏度高(1600μAmM^-1cm^-2)、线性范围0.1～1200μM、选择性好，抗干扰能力强，对于0.03mM的尿酸和0.01mM的抗坏血酸其响应电流分别只有0.1mM的葡萄糖溶液的4.2％和2.9％，正常人体血液中葡萄糖与尿酸和抗坏血酸含量的比在30∶1以下水平、响应快，小于5秒。

发明内容

本发明的目的是通过纳米技术实现NiO和CuO在具有电化学稳定性和生物相容性的钛基底上均匀、可控和纳米结构生长，得到一种性价比高和通用性强的NiO和CuO纳米颗粒组装的多孔纳米线阵列葡萄糖无酶传感器电极，服务于人体血糖的快速准确检测，简单、方便、廉价。

本发明的发明原理是：应用水热方法，以二水氯化铜(CuCl₂·2H₂O)，六水氯化镍(NiCl₂·6H₂O)和尿素为原料，在具有电化学稳定性和生物相容性的钛基底上制备电极材料的前驱体(Ni，Cu)₂(OH)₂CO₃纳米线阵列；然后将前驱体纳米线阵列薄膜在空气中退火(化学反应式为：(Ni，Cu)₂(OH)₂CO₃→NiO+CuO+CO₂+H₂O)，得到具有葡萄糖电化学探测能力的NiO和CuO纳米颗粒组装的多孔纳米线阵列葡萄糖无酶传感器电极，纳米孔的形成是由于CO₂气体的挥发所致。该无酶葡萄糖传感器的工作原理是，首先NiO中的二价镍在碱性溶液中氧化成三价镍，又由于溶液中存在的葡萄糖的还原作用，使得三价镍还原成为二价镍，从而可以探测到电化学过程溶液中葡萄糖的存在及其含量(化学反应式为：NiO+OH^-→NiO(OH)+e^-，NiO(OH)+葡萄糖→Ni(OH)₂+葡萄糖内酯)。

本发明的关键是，对在具有电化学稳定性和生物相容性的钛基底上得到的前驱体纳米线阵列在空气中原位退火，可以实现钛基底上NiO和CuO纳米颗粒交叉组装的多孔纳米线阵列薄膜。这一原位退火的关键技术，可以达到同时保障传感器的整体均匀性、纳米颗粒的形成、纳米孔洞的形成和大的比表面积以及葡萄糖探测高灵敏度的目的。

实现本发明的目的方案是：

一种无酶葡萄糖传感器电极，其特征在于，该电极为钛基底上镍-铜氧物化纳米颗粒交叠组装的多孔纳米线阵列构成，其单根纳米线顶端直径20±1纳米，长度2±0.2微米，垂直、均匀、致密地分布在钛金属表面，呈现阵列；单根纳米线由5±0.2纳米的氧化铜和氧化镍纳米颗粒交叉叠组装而成，纳米线中具有5±0.2纳米的纳米孔均匀分布。

本发明的一种无酶葡萄糖传感器电极制备方法包括：将大小为3×2×0.03cm³钛金属用稀氢氟酸溶液浸泡、清水冲洗洁净后片置入0.32克二水氯化铜(CuCl₂·2H₂O)，0.24克六水氯化镍(NiCl₂·6H₂O)和0.7克尿素的80毫升水溶液中；然后在聚四氟乙烯内胆的高压釜中密封加热到120℃，保持24小时；自然冷却后将钛金属片取出，即得钛基底上电极样品的前驱体(Ni，Cu)₂(OH)₂CO₃纳米线阵列薄膜；再将钛基底上前驱体(Ni，Cu)₂(OH)₂CO₃纳米线阵列薄膜置入箱式炉在空气中350-500℃退火60分钟，得到钛基底上NiO和CuO纳米颗粒交叉叠置组装的多孔纳米线阵列薄膜状无酶葡萄糖传感器电极。

本发明的的无酶葡萄糖传感器电极应用于生物、医学、化学、化工、电子仪器和电子信息类产品。

将得到的样品，用场发射扫描电子显微镜(日本电子公司生产，型号：JEOL 6700F)和透射电子显微镜(日本电子公司生产，型号：JEOL-2100F，200kV)观察其表面生长的纳米线阵列和组成纳米线的颗粒与孔洞分布状况，并做X射线衍射晶体结构分析(丹东奥龙射线仪器有限公司，型号：Y2000)。试验结果表明，前驱体为(Ni，Cu)₂(OH)₂CO₃纳米线阵列。空气中退火后的样品为NiO和CuO纳米颗粒交叠组装的多孔纳米线阵列，其单根纳米线顶端直径20±1纳米，长度2±0.2微米，垂直、均匀、致密地分布在钛金属表面，呈现阵列；单根纳米线由5纳米的氧化铜和氧化镍纳米颗粒交叠组装而成，纳米线中具有5±0.2纳米的纳米孔均匀分布。

多孔镍-铜氧化物纳米线阵列无酶葡萄糖传感器电极的工作性能应用电化学工作站测试(上海辰华公司，型号：CHI660C，钛基底上多孔镍-铜氧化物纳米线阵列做工作电极，铂丝做辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极)，结果表明，该工作电极灵敏度高(1600μAmM^-1cm^-2)、探测极限0.1μM、抗干扰能力强、响应小于5秒、线性范围0.1～1200μM、工作性能稳定，连续一个月的使用，其探测灵敏度保持在90％以上。

本发明与现有相关技术相比有如下优点和积极效果：

1、钛基底作为多孔镍-铜氧化物纳米线阵列载体，其在电化学过程中的化学稳定性和生物相容性保障了电极优异工作性能的发挥。

2、由于传感器电极不需要葡萄糖氧化酶，所以该传感器不存在“保存困难”和“失活”的问题，同时其成本大大降低；在电极制备过程中由于不需要壳聚糖或者Nafion等粘结剂，所以探测器材料不存在越来越少的问题，保证了电极多次使用的稳定性，连续一个月的使用，其探测灵敏度保持在90％以上；由于电极材料的多孔纳米线阵列结构，其葡萄糖探测的极限低(0.1μM)、灵敏度高(1600μAm M^-1cm^-2)、线性范围大(0.1～1200μM)、选择性好(抗干扰能力强，对于0.03mM的尿酸和0.01mM的抗坏血酸其响应电流分别只有0.1mM葡萄糖溶液的4.2％和2.9％，正常人体血液中葡萄糖与尿酸和抗坏血酸含量的比在30∶1以下水平)、响应快，小于5秒。

3、由于钛基底上多孔镍-铜氧化物纳米线阵列制备方法的简单性、易控性、能耗低、成本低和材料生长环境的均匀性，极易实现电极样品的高质量、低成本工业化量产。

附图说明

图1实施例1制备的前驱体(Ni，Cu)₂(OH)₂CO₃样品扫描电子显微镜照片

图2实施例1制备的前驱体(Ni，Cu)₂(OH)₂CO₃样品X射线衍射图

图3实施例2在350℃退火制备的样品NiO/CuO扫描电子显微镜照片

图4实施例2在350℃退火制备的样品NiO/CuOX射线衍射图

图5实施例2在350℃退火制备的样品NiO/CuO透射电子显微镜照片

图6实施例3在500℃退火制备的样品NiO/CuO扫描电子显微镜照片

图7实施例3在500℃退火)制备的样品NiO/CuOX射线衍射图

图8实施例3在500℃退火)制备的样品NiO/CuO透射电子显微镜照片

图9实施例4在350℃和500℃退火样品的电流时间响应曲线

图10实施例4葡萄糖含量的定标曲线

图11实施例4在350℃退火样品的探测极限测量曲线

图12实施例4在500℃退火样品的探测极限测量曲线

图13实施例5抗干扰能力强测试图

由图可见，对于0.03mM的尿酸和0.01mM的抗坏血酸其响应电流分别只有0.1mM葡萄糖溶液的4.2％和2.9％，正常人体血液中葡萄糖与尿酸和抗坏血酸含量的比在30∶1以下水平。

图14实施例5稳定性测试图

由图可证明连续一个月的使用，其探测灵敏度保持在90％以上。

具体实施方式

具体配方、工艺参数和性能测试实例如下：

实施例1

前驱体(Ni，Cu)₂(OH)₂CO₃纳米线阵列的制备：将清洁的钛金属片(3×2×0.03cm³)置入0.32克二水氯化铜(CuCl₂·2H₂O)，0.24克六水氯化镍(NiCl₂·6H₂O)和0.7克尿素的80毫升水溶液中；然后在聚四氟乙烯内胆的高压釜中密封加热到120℃，保持24小时；自然冷却后将钛金属片取出，即得电极样品的前驱体(Ni，Cu)₂(OH)₂CO₃纳米线阵列薄膜。将样品做扫描电子显微镜和X射线衍射观察。结果表明，前驱体(Ni，Cu)₂(OH)₂CO₃纳米线垂直、均匀、致密地分布在钛金属片表面，呈现纳米线阵列结构，单根纳米线顶端直径20纳米，长度2微米。其结果图见图1和图2。

实施例2

将钛基底上前驱体(Ni，Cu)₂(OH)₂CO₃纳米线阵列薄膜置入箱式炉中350℃退火60分钟，得到钛基底上NiO/CuO纳米颗粒交叉组装的多孔纳米线阵列薄膜。然后用扫描电子显微镜、透射电子显微镜和X射线衍射仪观察样品的形貌和晶体结构。其结果表示在图3、图4和图5中。从图中可以看出，其纳米线阵列基本保持退火前的状态，但单根纳米线已经变成了多孔结构。纳米线由NiO和CuO纳米颗粒交叉组装而成，其纳米颗粒和纳米孔大小都在5纳米。350℃退火样品的X射线衍射结果表明，其退火温度较低，样品的成晶状态较差。

实施例3

将钛基底上前驱体(Ni，Cu)₂(OH)₂CO₃纳米线阵列薄膜置入箱式炉中500℃退火60分钟，得到钛基底上NiO和CuO纳米颗粒交叉组装的多孔纳米线阵列薄膜。然后用扫描电子显微镜、透射电子显微镜和X射线衍射仪观察样品的形貌和晶体结构。其结果表示在图6、图7和图8中。从图中可以看出，其纳米线阵列基本保持退火前的状态，但单根纳米线已经变成了多孔结构。纳米线由NiO和CuO纳米颗粒交叉组装而成，其纳米颗粒和纳米孔大小都在5纳米。500℃退火样品的X射线衍射结果表明，其退火温度较高，样品的成晶状态较好。

实施例4

分别将350℃和500℃退火的样品进行电化学性能测试。应用电化学工作站(钛基底上多孔镍-铜氧化物纳米线阵列做工作电极，铂丝做辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极)，将10μM的葡萄糖水溶液逐滴加入到0.1M的氢氧化钠水溶液中，在0.42V(根据样品的循环伏安特性曲线确定)的电化学电位条件下测试电流时间曲线(图9)，然后根据电流时间曲线决定样品的定标曲线(图10)。350℃和500℃退火的样品的探测极限测试结果分别表示在图11和图12中。测试结果表明350℃退火的样品性能都优于500℃退火的样品。

实施例5

分别将350℃和500℃退火的样品进行抗干扰性和稳定性测试。应用电化学工作站(钛基底上多孔镍-铜氧化物纳米线阵列做工作电极，铂丝做辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极)，分别测试0.03mM的尿酸、0.01mM的抗坏血酸和0.1mM葡萄糖溶液的相应电流，正常人体血液中葡萄糖与尿酸和抗坏血酸含量的比在30∶1以下水平，并将实验结果绘制成图13。结果表明，0.03mM的尿酸和0.01mM的抗坏血酸其响应电流分别只有0.1mM葡萄糖溶液的4.2％和2.9％。因此样品的抗干扰能力很强。样品工作稳定性的测试是连续一个月的使用，并比较每次测量的探测灵敏度结果。实验结果表示在图14中，其灵敏度保持在90％以上。

Claims (3)

1.一种无酶葡萄糖传感器电极，其特征在于，该电极为钛基底上镍-铜氧物化纳米颗粒交叠组装的多孔纳米线阵列构成，其单根纳米线顶端直径20±1纳米，长度2±0.2微米，垂直、均匀、致密地分布在钛金属表面，呈现阵列；单根纳米线由5±0.2纳米的氧化铜和氧化镍纳米颗粒交叉叠组装而成，纳米线中具有5±0.2纳米的纳米孔均匀分布。

2.一种无酶葡萄糖传感器电极制备方法，其特征在于，将清洁的大小为3×2×0.03cm³钛金属片置入0.32克二水氯化铜，0.24克六水氯化镍和0.7克尿素的80毫升水溶液中；然后在聚四氟乙烯内胆的高压釜中密封加热到120℃，保持24小时；自然冷却后将钛金属片取出，即得钛基底上电极样品的前驱体(Ni，Cu)₂(OH)₂CO₃纳米线阵列薄膜；再将钛基底上前驱体(Ni，Cu)₂(OH)₂CO₃纳米线阵列薄膜置入箱式炉在空气中350-500℃退火60分钟，得到钛基底上NiO和CuO纳米颗粒交叉叠组装的多孔纳米线阵列薄膜状无酶葡萄糖传感器电极。

3.权利要求1所述的无酶葡萄糖传感器电极应用，其特征在于，用于生物、医学、化学、化工、电子仪器和电子信息类产品。

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