CN108982627A - 一种无酶葡萄糖光电化学传感器以及葡萄糖浓度的检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电化学分析测试领域，具体而言，涉及一种无酶葡萄糖光电化学传感器以及葡萄糖浓度的检测方法。一种无酶葡萄糖光电化学传感器，以TiO2纳米棒阵列薄膜电极为工作电极，铂丝作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极。本发明提供的无酶葡萄糖光电化学传感器，是一种环境友好、制备简单、成本低廉、灵敏度高的一种基于TiO2纳米棒阵列薄膜电极的无酶葡萄糖光电化学传感器，基于光激发下的光电流检测，具有相互独立的激发源和电化学信号检测***，检测信号背景低、信号强，不用昂贵的仪器设备，就具备了更高的检测灵敏度，并且选择性好及稳定性好，为葡萄糖检测提供了一条简便、廉价的新途径。

Description

一种无酶葡萄糖光电化学传感器以及葡萄糖浓度的检测方法
技术领域
本发明涉及电化学分析测试领域，具体而言，涉及一种无酶葡萄糖光电化学传感器以及葡萄糖浓度的检测方法。
背景技术
葡萄糖的定量分析在临床医学、生物化学、环境监测、食品科学等领域有着极其重要的作用，开发葡萄糖传感器一直以来是传感器领域发展的重点。目前，葡萄糖的测定方法主要有红外光谱法、毛细管电泳法、荧光光谱法、光声光谱法、色度法、表面等离子体共振生物传感器以及电致化学发光法。但是，这些方法通常需要较贵的仪器设备和较复杂的试样处理，不利于推广。
相比之下，电化学生物传感器凭借其较高的灵敏度、费用较低、操作简单、样品消耗小等优点，有着较大的应用潜能。然而，限制广泛研究的葡萄糖氧化酶电化学传感器，由于受到酶的物理化学性质限制，使葡萄糖氧化酶不易长期固定在电极上，同时容易受到温度和化学环境等因素的干扰，对葡萄糖的检测结果产生影响。此外，近年来，无酶葡萄糖传感器虽引起了广泛的研究，但此类传感器大多基于金、铂、铜及其贵金属合金等纳米粒子，具有成本高、选择性差和不稳定等缺陷，不适合实际样品的检测。
光电化学传感器是以光电化学池为基础，以被检测的生物质分子为底物，当光阳极半导体受光照激发，光阳极表面的光生空穴将底物分子氧化，通过光电流的收集实现对生物分子的检测。相较于电化学传感器，光电化学传感器具有更高的灵敏度，因为其由分离的光源和电化学工作站组合而成，具有激发源和电化学检测信号相互独立的特点，使其测量的光电流具有信号背景低等特点。最近，李红波组构建了氧化亚铜薄膜基无酶-氧灵敏的葡萄糖光电化学传感器(专利201510062291.1)，这种传感器以通过检测阴极溶解氧浓度的下降来检测样品中的葡萄糖浓度，方式较为间接。董课题组发展了纳米Au/Pt-TiO2基非酶光电化学传感器检测葡萄糖，然而，这种传感器电极制备过程复杂且需要昂贵的金/铂纳米粒子。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种环境友好、制备简单、成本低廉、灵敏度高的一种基于TiO2纳米棒阵列薄膜电极的无酶葡萄糖光电化学传感器，对葡萄糖的浓度进行检测。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种无酶葡萄糖光电化学传感器，以TiO2纳米棒阵列薄膜电极为工作电极，铂丝作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极。
本发明提供的无酶葡萄糖光电化学传感器，是一种环境友好、制备简单、成本低廉、灵敏度高的一种基于TiO2纳米棒阵列薄膜电极的无酶葡萄糖光电化学传感器，基于光激发下的光电流检测，具有相互独立的激发源和电化学信号检测***，检测信号背景低、信号强，不用昂贵的仪器设备，就具备了更高的检测灵敏度，并且选择性好及稳定性好，为葡萄糖检测提供了一条简便、廉价的新途径。
进一步地，所述TiO2纳米棒阵列薄膜电极通过以下方法制备：
导电基底预处理后，加入钛酸四丁酯进行水热反应，然后经退火处理，得到覆盖TiO2纳米棒阵列薄膜电极。
进一步地，所述导电基底包括FTO导电玻璃或ITO导电玻璃。
进一步地，所述导电基底预处理为：对所述导电基底进行超声清洗、冲洗，并在室温下晾干。
优选地，所述超声清洗为：将所述导电基底依次使用丙酮、乙醇和超纯水进行超声清洗。
以将导电基底充分处理，为后续的水热反应提供良好的基础，使得得到的TiO2纳米棒阵列薄膜分布均匀。
进一步地，所述水热反应中的各试剂为：去离子水、盐酸溶液和钛酸四丁酯的体积比例为15:15:0.1-1，其中，所述盐酸溶液的质量浓度为36.5％～38％。
如在不同的实施例中，去离子水、盐酸溶液和钛酸四丁酯的体积比例可以为15:15:0.1、15:15:0.2、15:15:0.3、15:15:0.5、15:15:0.8、15:15:1等等。
进一步地，取去离子水和盐酸溶液搅拌成均匀溶液，加入钛酸四丁酯进行水热反应。
具体地，采用的导电基底的尺寸一般为1.8-2.5厘米×2.3-3.0厘米。
水热反应中的各试剂为：取15ml去离子水和15ml质量浓度为36.5％～38％的盐酸搅拌成均匀溶液，加入0.1～1mL的钛酸四丁酯进行水热反应。
水热反应在高压反应釜中进行，即将上述的溶液转入50ml的高压反应釜，然后将清洗好的导电基底斜置于反应釜内壁，进而在一定条件下进行水热反应。
进一步地，所述水热反应为：于150～220℃下反应120～240分钟。如在不同的实施例中，可以为150℃下反应240分钟、180℃下反应200分钟、200℃下反应150分钟、220℃下反应120分钟等等。
进一步地，所述水热反应完成后与所述退火处理之间还包括：取出所述导电基底，去离子水冲洗基底表面薄膜，干燥。
干燥的目的是去除薄膜表面的水分。如可采用室温自然晾干，也可以在50℃左右干燥，一般干燥1h以上即可。
进一步地，所述退火处理为：干燥的薄膜电极还于400～550℃温度热处理1～6h，自然冷却之后即得到所述TiO2纳米棒阵列薄膜电极。
如在不同的实施例中，干燥的薄膜电极可以于400℃温度热处理6h、450℃温度热处理3h、500℃温度热处理3h、550℃温度热处理1h、500℃温度热处理2h等等。
本发明还提供了一种葡萄糖浓度的检测方法，将上述的无酶葡萄糖光电化学传感器***含有葡萄糖的电解质溶液中，并将所述无酶葡萄糖光电化学传感器与电化学工作站连接；
采用电流-时间测试技术，在光照条件下，检测葡萄糖氧化的光电信号，得到葡萄糖浓度。
本发明提供的葡萄糖浓度的检测方法，基于光激发下的电流检测，具有激发源和电化学检测信号相互独立，检测信号背景低，不需要较贵的仪器设备和较复杂的试样处理，具有较高的检测灵敏度，为葡萄糖检测提供了一条简便、廉价的新途径。
进一步地，所述电解质溶液包括硫酸溶液、氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、磷酸缓冲盐溶液、硫酸钠溶液。
电解质溶液浓度通常采用浓度为0.1～1mol/L。
不同的电解质溶液采用不同的偏电位检测，如NaOH溶液的浓度为1mol/L，在偏电位为-0.8～-0.5V vs.SCE下，进行葡萄糖氧化的光电信号检测。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的TiO2薄膜电极的葡萄糖光电化学传感器，基于光激发下的光电流检测，具有相互独立的激发源和电化学信号检测***，检测信号背景低、信号强，不用昂贵的仪器设备，具备了更高的检测灵敏度。
(2)传感器无需酶制剂的加入，极大降低了成本，简化了试样处理，增强了稳定性。
(3)本发明的TiO2薄膜电极的无酶葡萄糖光电化学传感器与非酶贵金属基葡萄糖电化学传感器如：基于铂、金、铜、铂-铅、铂-碲等纳米粒子的无酶葡萄糖传感器相比，具有成本低、选择性好及稳定性好等特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例1中制得的TiO2纳米棒阵列薄膜电极的扫描电镜图；
图2为本发明实施例1中制得的TiO2纳米棒阵列薄膜电极的X-射线衍射(a)和紫外-可见漫反射光谱图(b)；
图3为本发明实施例5中制得的TiO2纳米棒阵列薄膜电极的光电氧化葡萄糖的线性扫描曲线图；
图4为本发明实施例6中制得的TiO2纳米棒阵列薄膜电极的葡萄糖光电化学传感器随葡萄糖浓度变化的光电流曲线图(a)和其校准曲线图(b)；
图5为本发明实施例7中制得的TiO2纳米棒阵列薄膜电极的无酶葡萄糖光电化学传感器的电极反应示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
TiO2纳米棒阵列薄膜电极的制备，包括如下步骤：
(1)将FTO导电玻璃切成2厘米×2.5厘米尺寸，依次使用丙酮、乙醇和超纯水对FTO进行超声清洗，然后冲洗，并在室温下晾干；
(2)取15ml去离子水和15ml盐酸(36.5％～38％)搅拌成均匀溶液，加入0.2mL的钛酸四丁酯，搅拌10分钟后，将溶液转入50ml的高压反应釜，然后将清洗好的导电基底斜置于反应釜内壁，于180℃下水热反应120分钟，待反应完后，取出导电基底，去离子水冲洗基底表面薄膜，并在50℃左右干燥1h；
(3)将步骤(2)中获得的干燥的薄膜电极于450℃温度热处理2h，自然冷却之后即得到TiO2纳米棒阵列薄膜电极。
图1为本发明实施例中TiO2纳米棒阵列薄膜的表面微观形貌，呈现均匀的纳米棒阵列结构。
图2为本发明实施例中制得的TiO2纳米棒阵列薄膜电极的X-射线衍射(a)和紫外-可见漫反射光谱图(b)。图2a所述的XRD图谱表明制得的TiO2薄膜为金红石相二氧化钛。图2b所述的紫外-可见漫反射光谱图表明制得的TiO2薄膜主要吸收400nm以下的光。
实施例2
TiO2纳米棒阵列薄膜电极的制备，包括如下步骤：
(1)将ITO导电玻璃切成2厘米×2.5厘米尺寸，依次使用丙酮、乙醇和超纯水对ITO进行超声清洗，然后冲洗，并在室温下晾干；
(2)取15ml去离子水和15ml盐酸(36.5％～38％)搅拌成均匀溶液，加入0.1mL的钛酸四丁酯，搅拌5分钟后，将溶液转入50ml的高压反应釜，然后将清洗好的导电基底斜置于反应釜内壁，于150℃下水热反应240分钟，待反应完后，取出导电基底，去离子水冲洗基底表面薄膜，并在50℃±5℃干燥1h；
(3)将步骤(2)中获得的干燥的薄膜电极于400℃温度热处理6h，自然冷却之后即得到TiO2纳米棒阵列薄膜电极。
经检测，本发明实施例中TiO2纳米棒阵列薄膜电极的表面微观形貌，呈现均匀的纳米棒阵列结构。
经X-射线衍射和紫外-可见漫反射检测，表明制得的TiO2薄膜为金红石相二氧化钛；紫外-可见漫反射光谱图表明制得的TiO2薄膜主要吸收400nm以下的光。
实施例3
TiO2纳米棒阵列薄膜电极的制备，包括如下步骤：
(1)将FTO导电玻璃切成2厘米×2.5厘米尺寸，依次使用丙酮、乙醇和超纯水对FTO进行超声清洗，然后冲洗，并在室温下晾干；
(2)取15ml去离子水和15ml盐酸(36.5％～38％)搅拌成均匀溶液，加入1mL的钛酸四丁酯，搅拌15分钟后，将溶液转入50ml的高压反应釜，然后将清洗好的导电基底斜置于反应釜内壁，于220℃下水热反应120分钟，待反应完后，取出导电基底，去离子水冲洗基底表面薄膜，并在50℃左右干燥1h；
(3)将步骤(2)中获得的干燥的薄膜电极于550℃温度热处理1h，自然冷却之后即得到TiO2纳米棒阵列薄膜电极。
经检测，本发明实施例中TiO2纳米棒阵列薄膜电极的表面微观形貌，呈现均匀的纳米棒阵列结构。
经X-射线衍射和紫外-可见漫反射检测，表明制得的TiO2薄膜为金红石相二氧化钛；紫外-可见漫反射光谱图表明制得的TiO2薄膜主要吸收400nm以下的光。
实施例4
TiO2纳米棒阵列薄膜电极的制备，包括如下步骤：
(1)将FTO导电玻璃切成2厘米×2.5厘米尺寸，依次使用丙酮、乙醇和超纯水对FTO进行超声清洗，然后冲洗，并在室温下晾干；
(2)取15ml去离子水和15ml盐酸(36.5％～38％)搅拌成均匀溶液，加入0.5mL的钛酸四丁酯，搅拌10分钟后，将溶液转入50ml的高压反应釜，然后将清洗好的导电基底斜置于反应釜内壁，于180℃下水热反应150分钟，待反应完后，取出导电基底，去离子水冲洗基底表面薄膜，并在50℃左右干燥2h；
(3)将步骤(2)中获得的干燥的薄膜电极于500℃温度热处理3h，自然冷却之后即得到TiO2纳米棒阵列薄膜电极。
经检测，本发明实施例中TiO2纳米棒阵列薄膜电极的表面微观形貌，呈现均匀的纳米棒阵列结构。
经X-射线衍射和紫外-可见漫反射检测，表明制得的TiO2薄膜为金红石相二氧化钛；紫外-可见漫反射光谱图表明制得的TiO2薄膜主要吸收400nm以下的光。
实施例5
将实施例1制得的TiO2纳米棒阵列薄膜电极作为工作电极、Pt片为对电极、饱和甘汞电极SCE为参比电极，并将三电极***与电化学工作站连接；以AM1.5G太阳能模拟器为光源(光强为100mW/cm2)，在1mol/L的NaOH电解质溶液，测试加入或不加入葡萄糖时的线性扫描曲线，测试结果见图3。
图3表明，加入非常低的葡萄糖(浓度为0.4mmol/L)后的光电流明显高于在空白NaOH电解质中测的光电流，说明TiO2具有光电催化氧化葡萄糖的能力。
同样地，实施例2-4制得的TiO2纳米棒阵列薄膜电极同实施例1以同样的方法检测，实施例2-4制得的TiO2纳米棒阵列薄膜电极作为工作电极、Pt片为对电极、饱和甘汞电极SCE为参比电极，检测加入非常低的葡萄糖(浓度为0.4mmol/L)后的光电流明显高于在空白NaOH电解质中测的光电流，同样说明TiO2具有光电催化氧化葡萄糖的能力。
实施例6
葡萄糖浓度的检测方法，步骤如下：
(1)将实施例1制得的TiO2纳米棒阵列薄膜电极作为工作电极、铂丝作为对电极，饱和甘汞作为参比电极，建立三电极***，即本发明提供的无酶葡萄糖光电化学传感器，将三电极***含有一定浓度葡萄糖的1mol/L的NaOH溶液中，并将三电极***与电化学工作站连接；
(2)采用步骤(1)中的三电极体系，采用电流-时间测试技术，偏电位为-0.65Vvs.SCE下，在模拟太阳光的照射下进行葡萄糖氧化的光电信号检测。
(3)根据葡萄糖底物浓度与检测光电流的校正曲线，测定待测溶液中葡萄糖的含量。
图4a为本发明TiO2纳米棒阵列薄膜电极的葡萄糖光电化学传感器随葡萄糖浓度变化的光电流曲线图。图4a中，左边的曲线与右边的箭头指示的线条逐级对应。
图4a检测结果显示，随着葡萄糖浓度的增大，光电流明显成增大趋势。
图4b为光电流-浓度的校准曲线，结果表明光电流在葡萄糖浓度为0mM～0.2mM范围内成线性关系，对应的检测灵敏度分别为201.5uA·cm-2·mM-1。证明该光电化学传感器有较高的灵敏度。
另外，实施例2-4制得的TiO2纳米棒阵列薄膜同实施例1具有一致的检测葡萄糖浓度的效果。
实施例7
本发明提供的TiO2纳米棒阵列薄膜电极的葡萄糖光电化学传感器的检测机理如图5所示。
图5为本发明TiO2纳米棒阵列薄膜电极的葡萄糖光电化学传感器的电极反应示意图，该葡萄糖光电化学传感器以TiO2薄膜电极作为工作电极、铂丝作为对电极，饱和甘汞作为参比电极。光激发TiO2半导体产生电子和空穴，空穴迁移到电极表面将葡萄糖氧化，电子经由外接电路流到对电极形成电流回路，得到光电流信号，根据光电流-葡萄糖浓度的校准曲线，对葡萄糖浓度进行检测。
综上可知，本发明提供的无酶葡萄糖光电化学传感器，基于光激发下的光电流检测，具有相互独立的激发源和电化学信号检测***，检测信号背景低、信号强，不用昂贵的仪器设备，就具备了更高的检测灵敏度；传感器无需酶制剂的加入，极大降低了成本，简化了试样处理，增强了稳定性；相对于其他纳米粒子的无酶葡萄糖传感器相比，具有成本低、选择性好及稳定性好等特点。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (10)

1.一种无酶葡萄糖光电化学传感器，其特征在于，以TiO2纳米棒阵列薄膜电极为工作电极，铂丝作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极。
2.根据权利要求1所述的无酶葡萄糖光电化学传感器，其特征在于，所述TiO2纳米棒阵列薄膜电极通过以下方法制备：
导电基底预处理后，加入钛酸四丁酯进行水热反应，然后经退火处理，得到覆盖TiO2纳米棒阵列薄膜电极。
3.根据权利要求2所述的无酶葡萄糖光电化学传感器，其特征在于，所述导电基底包括FTO导电玻璃或ITO导电玻璃。
4.根据权利要求2所述的无酶葡萄糖光电化学传感器，其特征在于，所述导电基底预处理为：对所述导电基底进行超声清洗、冲洗，并在室温下晾干；
优选地，所述超声清洗为：将所述导电基底依次使用丙酮、乙醇和超纯水进行超声清洗。
5.根据权利要求2所述的无酶葡萄糖光电化学传感器，其特征在于，所述水热反应中的各试剂为：去离子水、盐酸溶液和钛酸四丁酯的体积比例为15:15:0.1-1，其中，所述盐酸溶液的质量浓度为36.5％～38％；
进一步地，取去离子水和盐酸溶液搅拌成均匀溶液，加入钛酸四丁酯进行水热反应。
6.根据权利要求5所述的无酶葡萄糖光电化学传感器，其特征在于，所述水热反应为：于150～220℃下反应120～240分钟。
7.根据权利要求2-6任一项所述的无酶葡萄糖光电化学传感器，其特征在于，所述水热反应完成后与所述退火处理之间还包括：取出所述导电基底，去离子水冲洗基底表面薄膜，干燥。
8.根据权利要求7所述的无酶葡萄糖光电化学传感器，其特征在于，所述退火处理为：干燥的薄膜电极还于400～550℃温度热处理1～6h，自然冷却之后即得到所述TiO2纳米棒阵列薄膜电极。
9.一种葡萄糖浓度的检测方法，其特征在于，将权利要求1-8任一项所述的无酶葡萄糖光电化学传感器***含有葡萄糖的电解质溶液中，并将所述无酶葡萄糖光电化学传感器与电化学工作站连接；
采用电流-时间测试技术，在光照条件下，检测葡萄糖氧化的光电信号，得到葡萄糖浓度。
10.根据权利要求9所述的检测方法，其特征在于，所述电解质溶液包括硫酸溶液、氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、磷酸缓冲盐溶液、硫酸钠溶液。
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