氧化銅納米針/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料的非酶葡萄糖電化學(xué)傳感器的制備方法
【專(zhuān)利摘要】氧化銅納米針/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料的非酶葡萄糖電化學(xué)傳感器的制備方法，包括以下步驟：（1）氧化銅納米針/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料的制備：將100～300 mg Cu(OAc)2加入3～5 mL 1 mg/mL的氧化石墨烯水溶液中，混勻；然后逐滴加入5～8 mL NH3·H2O，溶液轉(zhuǎn)移進(jìn)高溫高壓反應(yīng)釜中，150～200℃反應(yīng)15～24小時(shí)；沉積物用水洗滌、離心分離、60℃干燥，既得氧化銅納米針/氮摻雜石墨烯納米復(fù)合物；（2）非酶葡萄糖電化學(xué)傳感器的制備：本發(fā)明的顯著特點(diǎn)在于制備方法簡(jiǎn)單，經(jīng)實(shí)際檢驗(yàn)本發(fā)明的傳感器檢測(cè)限達(dá)到了0.01μM，相對(duì)于現(xiàn)有公布的同類(lèi)傳感器檢測(cè)限提升10倍左右。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
氧化銅納米針/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料的非酶葡萄糖電化學(xué)傳感器的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種氧化銅納米針/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料的非酶葡萄糖電化學(xué)傳感器的制備方法，屬于化學(xué)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]葡萄糖廣泛的參與許多重要的人體代謝活動(dòng)，所以它的濃度檢測(cè)在臨床診斷，特別是對(duì)糖尿病，高血糖的早期診斷及愈后判斷具有重要意義。由于酶的本質(zhì)特性，基于酶的葡萄糖傳感器能容易的被溫度，酸度，環(huán)境及毒性化學(xué)試劑影響，而非酶葡萄糖傳感器能夠避免酶葡萄糖傳感器的一些不足，將會(huì)有更大的發(fā)展空間，使其具有更好的靈敏度，更高的選擇性和準(zhǔn)確度。
[0003]氮摻雜石墨烯由于其較好的生物兼容C-N環(huán)境，較低的制備成本，高的電子傳導(dǎo)性以及較多的化學(xué)活性位點(diǎn)，受到科研工作者極大地重視;石墨烯碳格里引入氮原子不僅能提高石墨烯吸附金屬納米顆粒的活性位點(diǎn)，還能增強(qiáng)石墨烯與納米顆粒間的相互作用，改善他們的催化性能。在本方法中，一步合成了氧化銅納米針/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料，制備了高靈敏的非酶葡萄糖電化學(xué)傳感器。
[0004]納米材料的形貌和尺寸對(duì)他們的性能有重要的影響，隨著納米材料制備技術(shù)的發(fā)展，各種形貌納米結(jié)構(gòu)的氧化銅，如納米花狀的、納米顆粒狀的、納米纖維狀的結(jié)構(gòu)已經(jīng)制備出來(lái)了；但是，這些不同納米結(jié)構(gòu)的制備及應(yīng)用都會(huì)遇到來(lái)自成本、選擇性、有機(jī)溶劑的使用、復(fù)雜的樣品準(zhǔn)備程序和制備時(shí)間長(zhǎng)的限制。復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系孔繼烈教授課題組通過(guò)6步方法制備了氧化銅納米針/還原氧化石墨烯/碳纖維修飾玻碳電極，并用于葡萄糖的測(cè)定，該研究成果已經(jīng)發(fā)表在外文期刊Talanta上，2013年出版，116卷，223-230頁(yè);該課題組首先用有毒的水合肼還原氧化石墨烯，再把還原的氧化石墨烯分散在有機(jī)溶劑N-甲基吡咯吡咯烷酮里;取一定量的碳纖維液均勻分散于有機(jī)溶劑N-甲基吡咯吡咯烷酮里，等量量取二者分散液，均勻混合，滴涂于前處理過(guò)得玻碳電極表面，得到還原氧化石墨烯/碳纖維修飾的玻碳電極，將該電極置于氯化鉀和氯化銅的混合液中，通過(guò)恒電位電解法首先制得單質(zhì)銅修飾的還原氧化石墨烯/碳纖維/玻碳電極，在通過(guò)多次循環(huán)伏安法將電極表面的單質(zhì)銅轉(zhuǎn)變成氧化銅納米針，制得氧化銅納米針/還原氧化石墨稀/碳纖維修飾的玻碳電極;利用制備的修飾電極檢測(cè)葡萄糖。該研究成果也存在一定的缺陷，如制備的氧化銅納米針易于團(tuán)聚成IMi左右的大顆粒，不易均勻分散，且電極制備過(guò)程繁瑣，還使用有毒試劑水合肼及有機(jī)溶劑N-甲基吡咯烷酮;在測(cè)定葡萄糖時(shí)，檢測(cè)限較低，只有0.ΙμΜ，中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?01110345081.5公布了相似的傳感器的制備，但其制備方法復(fù)雜，檢測(cè)限也只有700ηΜ。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種氧化銅納米針/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料的非酶葡萄糖電化學(xué)傳感器的制備方法。
[0006]本發(fā)明所提供的氧化銅納米針/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料的非酶葡萄糖電化學(xué)傳感器的制備方法，包括以下步驟:
(1)氧化銅納米針/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料的制備:本步驟中所用到的各物料采用下述量或采用與下述量相同的比例，首先將100?300 mg Cu(0Ac)2加入3?5 mL I mg/mL的氧化石墨烯水溶液中，超聲震動(dòng)30?60分鐘混勻；然后用時(shí)20?30分鐘逐滴加入5?8 mLNH3.H2O，所述的NH3.H2O質(zhì)量百分比濃度為28.0%;隨后，所獲得的棕色溶液轉(zhuǎn)移進(jìn)高溫高壓反應(yīng)釜中，150?200 0C反應(yīng)15?24小時(shí);所得黑色沉積物用水洗滌、離心分離、60°C干燥，既得氧化銅納米針/氮摻雜石墨烯納米復(fù)合物；
(2)非酶葡萄糖電化學(xué)傳感器的制備:將步驟(I)所合成的氧化銅納米針/氮摻雜石墨烯納米復(fù)合物:石墨粉:石蠟油按質(zhì)量比為0.5:2:0.8取料，攪拌混合約I小時(shí)，直到形成均勻的碳糊狀物;取該碳糊填入玻璃管內(nèi)徑為3mm的玻璃管，填入長(zhǎng)度為5 cm，從端部插入一根銅線(xiàn)作為電極連接體;得到氧化銅納米針/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料的非酶葡萄糖電化學(xué)傳感器；
進(jìn)一步的，步驟(I)中得到的氧化銅納米針/氮摻雜石墨稀納米復(fù)合物中的氧化銅是納米針狀的，針狀長(zhǎng)0.4?0.5 μπι，寬15?20 nm；
進(jìn)一步的，步驟(I)中得到的氧化銅納米針/氮摻雜石墨烯納米復(fù)合物中的氮的摻雜量為wt.6.94%?7.32%;
進(jìn)一步的，步驟(I)離心分離時(shí)轉(zhuǎn)速為3000?4000 rmp。
[0007]本發(fā)明的積極有益效果在于:本發(fā)明的顯著特點(diǎn)在于制備方法簡(jiǎn)單，復(fù)合材料采用一步即可制備完成，且條件溫和，環(huán)境友好，本發(fā)明涉及的非酶葡萄糖電化學(xué)傳感器在檢測(cè)葡萄糖時(shí)，操作簡(jiǎn)單，響應(yīng)迅速，可重復(fù)性好，價(jià)格低廉，具有更低的檢測(cè)限和更好的選擇性，經(jīng)實(shí)際檢驗(yàn)本發(fā)明的傳感器檢測(cè)限達(dá)到了 0.ΟΙμΜ，相對(duì)于現(xiàn)有公布的同類(lèi)傳感器檢測(cè)限提升10倍左右，所以本方法不僅制備過(guò)程簡(jiǎn)單，而且最后得到的電化學(xué)傳感器性能優(yōu)越，本電化學(xué)傳感器在用于葡萄糖檢測(cè)過(guò)程中不需要繁瑣的萃取步驟，不與氧反應(yīng)并且無(wú)毒；是一種簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、低價(jià)、檢測(cè)快速的電化學(xué)傳感器，在葡萄糖濃度檢測(cè)的臨床診斷，特別是對(duì)糖尿病，高血糖的早期診斷及愈后判斷具有較好的應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1氮摻雜石墨烯的掃描電鏡圖。
[0009]圖2氧化銅納米針/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料的掃描電鏡圖。
[0010]圖3為多種傳感器在含有10.0mM葡萄糖溶液的0.2 M的NaOH的底液中的比較:a為本發(fā)明的氧化銅納米針/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料的非酶葡萄糖電化學(xué)傳感器、b為氧化銅修飾碳糊電極、c為氮摻雜石墨烯修飾碳糊電極、d為裸碳糊電極上的循環(huán)伏安圖。
[0011]圖4為本發(fā)明中在攪拌下于0.2 M的NaOH溶液中依次加入標(biāo)記濃度的葡萄糖溶液在氧化銅納米針/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料的非酶葡萄糖電化學(xué)傳感器的電流-時(shí)間曲線(xiàn)。
[0012]圖5是葡萄糖的濃度與其電流的線(xiàn)性關(guān)系圖。
[0013]圖6為采用本發(fā)明的氧化銅納米針/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料的非酶葡萄糖電化學(xué)傳感器在最佳條件下，加入生理濃度比例的葡萄糖和氯化鈉、多巴胺、抗壞血酸和尿酸等干擾物時(shí)產(chǎn)生的電流-時(shí)間曲線(xiàn)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]為了加深對(duì)本發(fā)明的理解，下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。
[0015]本發(fā)明所提供的氧化銅納米針/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料的非酶葡萄糖電化學(xué)傳感器的制備方法，其步驟如下:
(1)氧化銅納米針/氮摻雜石墨稀復(fù)合材料的一步合成:首先配制Img/mL的氧化石墨稀水溶液10 mL，加入300 mg Cu(0Ac)2，超聲混合;然后在攪拌的同時(shí)，滴加8 mL濃氨水于該混合物中；隨后，將該混合物轉(zhuǎn)入高溫高壓反應(yīng)釜中，150°C下反應(yīng)24小時(shí)，以4000 rmp的轉(zhuǎn)速離心分離出沉淀物，對(duì)合成的納米復(fù)合材料采用掃描電子顯微鏡進(jìn)行了形貌表征。如圖1所示，圖1清晰地顯示了氮摻雜石墨烯的褶皺片狀結(jié)構(gòu)，說(shuō)明本發(fā)明采用的氮摻雜方法很好的保持了石墨烯的典型結(jié)構(gòu);針狀如圖2所示，許多的氧化銅納米針大小均一，長(zhǎng)?0.4 μπι，寬?15 nm，分散均勾的銷(xiāo)定在氮摻雜石墨稀表面，大大提高了氧化銅納米針/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料的比表面積，為電催化氧化葡萄糖提供了很大的真實(shí)面積；
(2)非酶葡萄糖電化學(xué)傳感器，即本發(fā)明的氧化銅納米針/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料的非酶葡萄糖電化學(xué)傳感器的制備，將0.5 g氧化銅納米針/氮摻雜石墨烯納米復(fù)合物和2.0g石墨粉末于研缽中手動(dòng)研磨混合均勻，將石蠟油加入到上述混合物中研磨混合約I小時(shí)，形成均一的碳糊;將碳糊填充于一支玻璃管的末端(直徑為3 mm,長(zhǎng)5 cm)，另一端插入銅線(xiàn)提供電接觸，即可得到氧化銅納米針/氮摻雜石墨烯納米復(fù)合物修飾的碳糊電極，即本發(fā)明的氧化銅納米針/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料的非酶葡萄糖電化學(xué)傳感器。
[0016]本發(fā)明制備的非酶葡萄糖電化學(xué)傳感器在檢測(cè)葡萄糖過(guò)程中的用途及使用方法:其用途是:可直接用于電化學(xué)檢測(cè)葡萄糖。其使用方法如下:將所制備的氧化銅納米針/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料電化學(xué)傳感器作為工作電極，Ag/AgCl (填充液3 M的KCl)為參比電極、鉑絲電極作為輔助電極，組成三電極體系；測(cè)定時(shí)，首先將三電極體系置于10 mL的0.2M的NaOH溶液中；其次，在0.50V恒電位下，記錄電流-時(shí)間曲線(xiàn)，最后，當(dāng)背景電流已穩(wěn)定，在攪拌下，用微量進(jìn)樣器向0.2 M的NaOH溶液中依次加入一定濃度的葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液;在葡萄糖濃度為0.5-639 μΜ的范圍內(nèi)，葡萄糖濃度與其電流具有線(xiàn)性關(guān)系，得到其線(xiàn)性關(guān)系曲線(xiàn)(即標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn))，其線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)r = 0.9978，利用標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)對(duì)葡萄糖進(jìn)行定量分析檢測(cè)。在研究潛在干擾物質(zhì)(例如，抗壞血酸，尿酸，多巴胺，氯化鈉等物質(zhì))對(duì)葡萄糖測(cè)定的干擾情況時(shí)發(fā)現(xiàn)，在生理濃度的比例下，電極對(duì)干擾物的電流響應(yīng)不會(huì)干擾葡萄糖的分析測(cè)定。
[0017]本發(fā)明制備的非酶葡萄糖電化學(xué)傳感器在檢測(cè)葡萄糖的應(yīng)用實(shí)例:在最佳優(yōu)化的試驗(yàn)條件下，取100 yL的人血清加入到0.2 M的10 mL的NaOH底液中，利用上述電流-時(shí)間曲線(xiàn)的測(cè)定方法，恒電位0.50 V條件下，記錄電流響應(yīng)值。同樣的方法測(cè)定5個(gè)不同的人血清樣品，每個(gè)測(cè)定三次，計(jì)算得到不同人體血清中葡萄糖的含量。該結(jié)果與醫(yī)院中ECA-2000A型半自動(dòng)生化分析儀檢驗(yàn)結(jié)果基本一致，表明本發(fā)明提出的檢測(cè)方法在臨床上可以快速準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)血糖的檢測(cè)。
[0018]作為非酶葡萄糖電化學(xué)傳感器的催化作用表征:
從圖3可以看出，在無(wú)葡萄糖的0.2 M的NaOH溶液中，四種電極都沒(méi)有觀(guān)察到明顯的峰，而將10.0 mM葡萄糖加入到0.2 M的NaOH溶液中時(shí)，在裸碳糊電極上沒(méi)有出現(xiàn)葡萄糖的氧化峰，說(shuō)明裸電極對(duì)葡萄糖無(wú)催化氧化作用;但在氧化銅修飾電極上和氮摻雜石墨稀修飾電極上，都發(fā)現(xiàn)氧化電流稍提高，說(shuō)明二者對(duì)葡萄糖的氧化有微弱的催化作用;而在氧化銅納米針/氮摻雜石墨稀納米復(fù)合材料修飾電極上，于0.60 V處有一明顯劇烈增高的葡萄糖的氧化峰，其電流響應(yīng)信號(hào)是氧化銅修飾電極的9倍，表明氧化銅納米針/氮摻雜石墨烯納米復(fù)合物對(duì)葡萄糖電化學(xué)氧化具有優(yōu)異的催化作用，能明顯的加速電子傳遞。
[0019]電化學(xué)檢測(cè)葡萄糖:
在最佳試驗(yàn)條件下，本發(fā)明制備的氧化銅納米針/氮摻雜石墨烯納米復(fù)合材料電化學(xué)傳感器對(duì)葡萄糖的電流-時(shí)間響應(yīng)如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，達(dá)到95%穩(wěn)態(tài)電流的時(shí)間小于5s，隨著葡萄糖濃度的增加，傳感器對(duì)葡萄糖的響應(yīng)電流也逐漸增大，在0.5-639 μΜ范圍內(nèi)，響應(yīng)電流與葡萄糖濃度呈線(xiàn)性關(guān)系，線(xiàn)性方程為i/VA=0.3606+0.0034C/yM,線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)為0.9978，計(jì)算其最低檢測(cè)限為0.01 PM，如圖5所示。根據(jù)電極活性面積測(cè)定，計(jì)算得到氧化銅納米針/氮摻雜石墨稀納米復(fù)合材料電化學(xué)傳感器對(duì)葡萄糖的測(cè)定靈敏度高達(dá)1961 μA mM—1 cm—20
[0020]本發(fā)明制備的非酶葡萄糖電化學(xué)傳感器的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性?xún)?yōu)異。對(duì)于同一個(gè)葡萄糖傳感器，10次測(cè)定的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.67%，對(duì)于5組葡萄糖傳感器，5次測(cè)定的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為5.30% ο電極不用時(shí)室溫存放一星期，電流仍保持為初始電流的90%。而且在生理比例濃度下，測(cè)定誤差<10%時(shí)，抗壞血酸，尿酸，多巴胺，氯化鈉等物質(zhì)幾乎不干擾測(cè)定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.氧化銅納米針/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料的非酶葡萄糖電化學(xué)傳感器的制備方法，其特征在于包括以下步驟: (1)氧化銅納米針/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料的制備:本步驟中所用到的各物料采用下述量或采用與下述量相同的比例，首先將100?300 mg Cu(OAc)2加入3?5 mL I mg/mL的氧化石墨烯水溶液中，超聲震動(dòng)30?60分鐘混勻；然后用時(shí)20?30分鐘逐滴加入5?8 mLNH3.H2O，所述的NH3.H2O質(zhì)量百分比濃度為28.0%;隨后，所獲得的棕色溶液轉(zhuǎn)移進(jìn)高溫高壓反應(yīng)釜中，150?200 0C反應(yīng)15?24小時(shí);所得黑色沉積物用水洗滌、離心分離、60°C干燥，既得氧化銅納米針/氮摻雜石墨烯納米復(fù)合物； (2)非酶葡萄糖電化學(xué)傳感器的制備:將步驟(I)所合成的氧化銅納米針/氮摻雜石墨烯納米復(fù)合物:石墨粉:石蠟油按質(zhì)量比為0.5:2:0.8取料，攪拌混合約I小時(shí)，直到形成均勻的碳糊狀物;取該碳糊填入玻璃管內(nèi)徑為3mm的玻璃管，填入長(zhǎng)度為5 cm，從端部插入一根銅線(xiàn)作為電極連接體;得到氧化銅納米針/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料的非酶葡萄糖電化學(xué)傳感器。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化銅納米針/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料的非酶葡萄糖電化學(xué)傳感器的制備方法，其特征在于:步驟(I)中得到的氧化銅納米針/氮摻雜石墨稀納米復(fù)合物中的氧化銅是納米針狀的，針狀長(zhǎng)0.4?0.5 μ??，寬15?20 nm。3.據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化銅納米針/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料的非酶葡萄糖電化學(xué)傳感器的制備方法，其特征在于:步驟(I)中得到的氧化銅納米針/氮摻雜石墨稀納米復(fù)合物中的氮的摻雜量為wt6.94%?7.32%。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化銅納米針/氮摻雜石墨烯復(fù)合材料的非酶葡萄糖電化學(xué)傳感器的制備方法，其特征在于:步驟(I)離心分離時(shí)轉(zhuǎn)速為3000?4000 rmp。
【文檔編號(hào)】G01N27/416GK105842321SQ201610180866
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年3月28日
【發(fā)明人】楊素玲, 李剛, 郭瑋, 趙俊紅, 侯琳琳
【申請(qǐng)人】安陽(yáng)師范學(xué)院