基于金属纳米颗粒/纳米纤维素复合物的无酶葡萄糖电化学传感器及其制备方法

摘要

本发明公开一种基于金属纳米颗粒/纳米纤维素复合物的无酶葡萄糖电化学传感器，包括由工作电极、对电极和参比电极组成的三电极体系，所述工作电极的表面覆盖有纳米纤维素/金属纳米颗粒复合物，所述纳米纤维素的表面修饰有强阳离子导电聚合物，其相应的制备方法为：纳米纤维素表面经强阳离子导电聚合物修饰后，金属纳米颗粒原位沉积在其表面，制得纳米纤维素/金属纳米颗粒复合物，将该复合物修饰工作电极即可。本发明提高对葡萄糖分析的灵敏度和选择性，使得传感器灵敏度高、响应迅速、性能稳定且抗干扰能力强，对葡萄糖检测的线性范围为4μM-15mM，检测限为1.4μM，其制备方法简单、成本低廉，且制备过程中无任何酶的介入。

说明书

技术领域

本发明属于电化学传感器技术领域，具体涉及基于金属纳米颗粒/纳米纤维素复合物的无酶葡萄糖电化学传感器及其制备方法。

背景技术

葡萄糖是主要的生命过程特征化合物，葡萄糖的检测和分析对人类的健康以及疾病的诊断、治疗和控制有着重要意义。

目前，葡萄糖的检测方法有色谱法、分光光度计法、比色法等，现有的检测方法存在的不足之处在于，灵敏度低、费力、耗时。而电化学传感器用于对葡萄糖的检测，具有灵敏度高、选择性好、响应时间短、仪器操作简单以及价格低廉等优点，逐渐成为一种极有竞争力的葡萄糖检测方法。电化学传感器分为酶促葡萄糖电化学传感器和无酶葡萄糖电化学传感器，酶促葡萄糖传感器对葡萄糖的检测具有高选择性和灵敏度，但其不足在于，稳定性低，且酶本身的性质导致检测重现性差和固定化酶活性低等问题，限制了其在葡萄糖检测方面的应用。

在无酶葡萄糖电化学传感器的制备中，用于电化学氧化葡萄糖的电极材料的电催化活性是至关重要的，研究发现，一些贵金属纳米颗粒催化氧化葡萄糖的活性非常高，同时具有良好的生物相容性，因此，可以用于制备无酶葡萄糖电化学传感器电极材料，为了提高金属纳米颗粒的稳定性和利用率，通常将金属纳米颗粒负载于载体上作为复合型电极材料，现有技术中，常用的载体材料为碳纳米管、石墨烯或碳纳米纤维等无机材料，但这些材料不可再生且造价较高。

纳米纤维素是一种可再生生物质材料，在自然界中广泛存在，具有均一形貌和尺寸、可控的表面性质、良好的生物相容性和生物降解性等优点，且成本低廉。纳米纤维素表面富电荷，在水中具有很好的胶体稳定性，可通过氢键作用形成多孔网状结构，可作为一种优良的金属纳米颗粒载体。目前，将纳米纤维素负载纳米金属粒子用于制备无酶葡萄糖电化学传感器方面还未有报道。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于金属纳米颗粒/纳米纤维素复合物的无酶葡萄糖电化学传感器，提供其相应的制备方法是本发明的另一发明目的。

基于以上目的，本发明采取以下技术方案：

基于金属纳米颗粒/纳米纤维素复合物的无酶葡萄糖电化学传感器，包括由工作电极、对电极和参比电极组成的三电极体系，所述工作电极的表面覆盖有纳米纤维素/金属纳米颗粒复合物，所述纳米纤维素（CNCs）的表面修饰有强阳离子导电聚合物。

所述金属纳米颗粒的负载量为1%-20%，金属纳米颗粒的负载量是指纳米纤维素/金属纳米颗粒复合物中，金属纳米颗粒的重量与该复合物总重量的比值。

所述纳米纤维素呈棒状，其表面带有负电荷，长度为150-200nm，直径为10-20nm。

所述强阳离子导电聚合物为聚二烯丙基二甲基氯化铵（PDDA）。

所述金属纳米颗粒为Au或Pt，粒径为2-10nm。

所述金属纳米颗粒由金属前驱体获得，金属前驱体为AuCl₄^-或PtCl₆^2-。

所述工作电极为玻碳电极，对电极为铂丝或铂片，参比电极为Ag/AgCl电极。

制备基于金属纳米颗粒/纳米纤维素复合物的无酶葡萄糖电化学传感器的方法，包括以下步骤：

（1）将微晶纤维素经过硫酸铵氧化处理后，经透析、均质、旋蒸得0.1wt%的纳米纤维素悬浮液；

（2）将500ml步骤（1）的纳米纤维素悬浮液与2.5-5.0g的20wt%强阳离子导电聚合物混合，超声分散1-2h后，搅拌12-24h，加入2.5-5.0g氯化钠继续搅拌12-24h，离心洗涤5-8次，再加水分散即得0.05wt%强阳离子导电聚合物-纳米纤维素悬浮液；

（3）将200ml步骤（2）的强阳离子导电聚合物-纳米纤维素悬浮液与1.01-25.00ml阴离子型金属前驱体水溶液混合，金属前驱体水溶液中金属含量为1mg/ml，超声分散1-2h后，搅拌条件下，滴加过量的NaBH₄水溶液，透析后即得纳米纤维素/金属纳米颗粒复合物；

（4）将工作电极打磨、超声洗涤后，取步骤（3）的纳米纤维素/金属纳米颗粒复合物对工作电极表面进行涂覆，烘干，即得纳米纤维素/金属纳米颗粒复合物修饰的工作电极；

（5）将步骤(4)得到的纳米纤维素/金属纳米颗粒复合物修饰的工作电极与对电极、参比电极，组成基于金属纳米颗粒/纳米纤维素复合物的无酶葡萄糖电化学传感器。

进一步地，步骤（1）中微晶纤维素酸水解过程为：将5g微晶纤维素加入到300-500ml的过硫酸铵溶液中，过硫酸铵溶液浓度为1-2mol/l，在温度为60-70℃、搅拌速度为500-600r/min下搅拌6-16h。

进一步地，步骤（3）中所述金属前驱体为AuCl₄^-或PtCl₆^2-；所述NaBH₄水溶液浓度为0.05mol/l，滴加30-60ml；透析时，直至透析液电导率恒定时结束。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1）本发明的工作电极的表面覆盖有纳米纤维素/金属纳米颗粒复合物，该复合物采用具有生物相容性优异且廉价的纳米纤维素为基体材料，其表面经过导电强阳离子聚合物修饰后，负载小粒径的金属纳米颗粒，将该复合物修饰在电化学传感器的工作电极上，为葡萄糖的催化氧化提供较大的电化学活性面积，进而提高对葡萄糖分析的灵敏度和选择性，使得传感器灵敏度高、响应迅速、性能稳定且抗干扰能力强，对葡萄糖检测的线性范围为4μM-15mM，检测限为1.4μM。

2）本发明制备方法通过静电吸附作用在纳米纤维素表面吸附上导电强阳离子聚合物，使纳米纤维素表面带上均匀的正电荷，并且提高了其导电性；经导电强阳离子聚合物修饰的纳米纤维素通过静电吸附作用将阴离子型金属前驱体均匀的吸附在其表面，通过加入过量的NaBH₄水溶液，实现小粒径金属纳米颗粒的原位沉积，在其表面金属纳米颗粒分布均匀且高度分散，为葡萄糖的催化氧化提供较大的电化学活性面积，进而提高对葡萄糖分析的灵敏度和选择性，制备方法简单、成本低廉，且制备过程中无任何酶的介入。

附图说明

图1为实施例1中的Au/PDDA-CNCs复合物的透射电镜照片。

图2为实施例1的i-t曲线图。

图3为实施例1的响应电流与葡萄糖浓度的线性关系图。

图4为实施例2中的Pt/PDDA-CNCs复合物的透射电镜照片。

图5为实施例2的干扰物质下i-t曲线图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1

基于金属纳米颗粒/纳米纤维素复合物的无酶葡萄糖电化学传感器，包括由玻碳电极、铂丝和Ag/AgCl电极组成的三电极体系，所述玻碳电极的表面覆盖有纳米纤维素/金属纳米颗粒复合物，所述纳米纤维素呈棒状，表面带有负电荷，长度为150-200nm，直径为10-20nm，其表面修饰有PDDA，该复合物中金属纳米颗粒为Au，粒径分布范围为2.6-4.9nm，平均粒径为3.75nm，其负载量为5%。

其制备方法为：

（1）将5g微晶纤维素加入到350ml的1mol/l过硫酸铵溶液中，在温度为60℃、搅拌速度为600r/min下搅拌16h后，置于透析袋中透析，直至透析液电导率恒定，将透析后样品在25000Psi压力下均质5次后，在温度为56℃下，旋蒸，得0.1wt%的纳米纤维素悬浮液；

（2）将500ml步骤（1）的CNCs悬浮液与3.0g的20wt%PDDA混合，超声分散1h后，搅拌12h，加入3.0g氯化钠，继续搅拌24h，在转速为17000r/min下离心15min，用去离子水洗涤，重复离心洗涤5次，再加去离子水分散，即得0.05wt%PDDA-CNCs悬浮液；

（3）将200ml步骤（2）的PDDA-CNCs悬浮液与5.26ml的1mgAu/mL氯金酸水溶液混合，超声分散1.5h后，在转速为500r/min磁力搅拌条件下，逐滴加入40ml的0.05mol/lNaBH₄水溶液，继续搅拌2h后，置于透析袋中透析，直至透析液电导率不再改变，即得Au/PDDA-CNCs复合物；

（4）将玻碳电极依次在0.5μm和0.05μm氧化铝浆上打磨至光亮，然后依次用去离子水和乙醇超声洗涤干净，用移液枪取5μL步骤（3）所得Au/PDDA-CNCs复合物样品（其含量为1mg/mL），滴涂到玻碳电极上，用红外灯烘干，即得Au/PDDA-CNCs复合物修饰的玻碳电极；

（5）将步骤(4)的Au/PDDA-CNCs复合物修饰的玻碳电极作为工作电极，铂丝作为对电极，Ag/AgCl电极作为参比电极，组成基于Au/PDDA-CNCs复合物的无酶葡萄糖电化学传感器。

实施例2

基于金属纳米颗粒/纳米纤维素复合物的无酶葡萄糖电化学传感器，包括由玻碳电极、铂丝和Ag/AgCl电极组成的三电极体系，所述玻碳电极的表面覆盖有纳米纤维素/金属纳米颗粒复合物，所述纳米纤维素呈棒状，表面带有负电荷，长度为150-200nm，直径为10-20nm，其表面修饰有PDDA，该复合物中金属纳米颗粒为Pt，粒径分布范围3.8-9.7nm，平均粒径为6.1nm，其负载量为10%。

其制备方法为：

（1）将5g微晶纤维素加入到400ml的2mol/l过硫酸铵溶液中，在温度为70℃、搅拌速度为600r/min下搅拌6h后，置于透析袋中透析，直至透析液电导率恒定，将透析后样品在25000Psi压力下均质5次后，在温度为56℃下，旋蒸，得0.1wt%的纳米纤维素悬浮液；

（2）将500ml步骤（1）的CNCs悬浮液与4.0g的20wt%PDDA混合，超声分散1h后，搅拌24h，加入4.0g氯化钠，继续搅拌24h，在转速为17000r/min下离心20min，用去离子水洗涤，重复离心洗涤5次，再加去离子水分散，即得0.05wt%PDDA-CNCs悬浮液；

（3）将200ml步骤（2）的PDDA-CNCs悬浮液与11.11ml的1mgPt/mL氯铂酸水溶液混合，超声分散2.0h后，在转速为500r/min磁力搅拌条件下，逐滴加入50ml的0.05mol/lNaBH₄水溶液，继续搅拌2h后，置于透析袋中透析，直至透析液电导率不再改变，即得Pt/PDDA-CNCs复合物；

（4）将玻碳电极依次在0.5μm和0.05μm氧化铝浆上打磨至光亮，然后依次用去离子水和乙醇超声洗涤干净，用移液枪取5μL步骤（3）所得Pt/PDDA-CNCs复合物样品（其含量为1mg/mL），滴涂到玻碳电极上，用红外灯烘干，即得Pt/PDDA-CNCs复合物修饰的玻碳电极；

（5）将步骤(4)的Pt/PDDA-CNCs复合物修饰的玻碳电极作为工作电极，铂丝作为对电极，Ag/AgCl电极作为参比电极，组成基于Pt/PDDA-CNCs复合物的无酶葡萄糖电化学传感器。

实施例3

基于金属纳米颗粒/纳米纤维素复合物的无酶葡萄糖电化学传感器，包括由玻碳电极、铂丝和Ag/AgCl电极组成的三电极体系，所述玻碳电极的表面覆盖有纳米纤维素/金属纳米颗粒复合物，所述纳米纤维素呈棒状，表面带有负电荷，长度为150-200nm，直径为10-20nm，其表面修饰有PDDA，该复合物中金属纳米颗粒为Au，粒径分布范围2.2-3.9nm，平均粒径为2.9nm，其负载量为1%。

其制备方法为：（1）300ml的1mol/l过硫酸铵溶液；（2）2.5g的20wt%PDDA，2.5g氯化钠，继续搅拌12h；（3）1.01ml的1mgAu/mL氯金酸水溶液，30mlNaBH₄水溶液，超声分散1h，其它步骤同实施例1。

实施例4

基于金属纳米颗粒/纳米纤维素复合物的无酶葡萄糖电化学传感器，包括由玻碳电极、铂丝和Ag/AgCl电极组成的三电极体系，所述玻碳电极的表面覆盖有纳米纤维素/金属纳米颗粒复合物，所述纳米纤维素呈棒状，表面带有负电荷，长度为150-200nm，直径为10-20nm，其表面修饰有PDDA，该复合物中金属纳米颗粒为Pt，粒径分布范围6.8-16.3nm，平均粒径为12.4nm，其负载量为20%。

其制备方法为：（1）500ml的1mol/l过硫酸铵溶液；（2）5.0g的20wt%PDDA，超声分散2h，5.0g氯化钠；（3）25ml的1mgPt/mL氯铂酸水溶液，60mlNaBH₄水溶液，其它步骤同实施例2。

实施例5

在透射电子显微镜下对实施例1-4的纳米纤维素/金属纳米颗粒复合物进行观察，发现制得的复合物分散度良好，无团聚现象。

其中，图1是实施例1的纳米纤维素/金属纳米颗粒复合物的透射电镜照片，由图1可知，CNCs的长度为150-200nm，直径为10-20nm，Au纳米颗粒的粒径分布范围为2.6-4.9nm，平均粒径为3.7nm。

图4是实施例2的纳米纤维素/金属纳米颗粒复合物的透射电镜照片，由图4可知，CNCs的长度为150-200nm，直径为10-20nm，Pt纳米颗粒的粒径分布范围为3.8-9.7nm，平均粒径为6.1nm。

实施例6性能测试

6.1对实施例1的无酶葡萄糖电化学传感器进行电化学测试

测试方法：使用电化学工作站进行电化学测试，30mL0.1M氢氧化钠溶液作为反应溶液，溶液搅拌速度为200rpm，设定电压是0.2V，采用i-t工作方式，每隔50s添加一定浓度葡萄糖溶液，记录电流信号，每添加葡萄糖溶液后，电流达到稳态电流的时间少于5秒，表明电化学传感器可以迅速灵敏的检测到葡萄糖，其电流信号如图2和3。

由图2和图3所示，实施例1的无酶葡萄糖电化学传感器检测葡萄糖浓度的线性范围为4μM-9.5mM，灵敏度为62.8μAmM^-1cm^-2，检测限为1.4μM（S/N=3）(相关系数为0.9994)。由此可知，实施例1的无酶葡萄糖电化学传感器的检测线性范围宽、灵敏度高、检测限低，对葡萄糖检测性能好。

6.2对实施例2的无酶葡萄糖电化学传感器在干扰物质下对葡萄糖检测的选择性

测试方法：使用电化学工作站进行电化学测试，30mL0.1M氢氧化钠溶液作为反应溶液，溶液搅拌速度为200rpm，设定电压0.2V，采用i-t工作方式，每隔50s依次添加一定浓度的抗坏血酸、尿酸和葡萄糖，记录电流信号，其电流信号如图5。

由5所示，实施例2的无酶葡萄糖电化学传感器对抗坏血酸和尿酸的响应电流极小，与葡萄糖响应电流相比，几乎可以忽略，表明实施例2的电化学传感器具有良好的抗干扰性，对葡萄糖检测具有高的选择性。