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非酶葡萄糖传感器研究



非酶葡萄糖传感器研究
班别:13 应用化学 姓名:邓小婷 学号:13550701020 摘 要: 基于铜/氧化铜的纳米材料构建非酶葡萄糖传感器,可将这种传感器 在碱性条件和中性条件下实现了对葡萄糖的检测,有望成为在医疗诊断、生物过 程和食品工业方面具有潜在应用的理想材料, 本文主要介绍了非酶葡萄糖传感器 的研究意义并阐述基于铜/氧化铜的纳米材料非酶葡萄糖传感器的形成探究和各 种优点。 关键字:铜 引言 糖尿病(Diabetes)是一种代谢紊乱综合症,一旦控制不好会引起多种并发症。 这些并发症通过严格的控制个人血糖浓度水平是能够被大大地减少发病的程度, 甚至不发病。因此,严格监测血糖水平对糖尿病的诊断和管理密不可分,它的检 测具有重要的临床意义。 葡萄糖传感器已经经历了基于酶的和非酶的传感器的发 展,但是酶传感器摆脱不了酶所固有的不稳定性的缺点,此外,酶的应用还受其 他条件的制约,如 pH、温度、湿度和对氧气的依赖性等。加之,酶的昂贵价格, 使得传感器始终面临着构建成本的问题[1].基于以上因素,非酶葡萄糖传感器的 研究受到了极大的关注。 为了发展灵敏的非酶葡萄糖传感器,已有大量探索的一 系列各种金属和金属氧化物、 双金属纳米材料或者合金、以及金属/金属氧化物碳纳米管复合材料被提出。因此非酶传感器的研究具有重大意义和发展前景 1.基于 Cu 的电极材料 过渡金属 Cu 也被用于非酶葡萄糖电化学传感器电极的研制。Cu 电极对有机 分子的氧化作用通常被认为是与 Ni 电极具有相同的作用方式,也是在电极表面 氧化形成具有强氧化性的羟基氧化铜(CuOOH)。Cu 电极表面随着电化学反应的 进行, 将逐渐被腐蚀而钝化, 并且 Cu 电极和 Ni 电极一样缺乏对葡萄糖等糖类物 质的选择性。因此,人们不断探索应用各种基于 Cu 的修饰电极以改善对葡萄糖 的电催化氧化性能。 有研究报道 CuO 修饰的玻碳电极在碱性条件下在常规的工作 电位实现了对葡萄糖的电催化氧化,多孔结构的 Cu2O 功能化的 Cu 纳米粒子和 CuO 纳米球修饰的玻碳电极也提高了对葡萄糖的响应性能[2].液相法合成的 Cu(O H)2 纳米线修饰的 Cu 电极,具有良好的重现性并实现了对葡萄糖高灵敏度的快 纳米材料 葡萄糖 非酶传感器 电化学

速检测,可应用于实际血液样本的分析检测。 2.铜/氧化铜纳米材料的形成探究 小尺寸的纳米材料可以显著地提高活性材料的利用率以及缩短离子和电子的传 递路径。基于铜的纳米线的制备,通常经过两种途径:一种是先生成铜化合物纳 米线然后再进一步转化成目标产物纳米线; 另一种是从合成方法开始就直接使用 铜化合物纳米线然后转化成目标产物纳米线。 反应过程中常常需要表面活性剂或 者成膜聚合物用以引导形成纳米线形状和控制纳米尺寸维度。 为了保持目标产物 纳米线的维度和形状、以及目标产物的化学成分,反应过程中 Na(OH)的用量也 需要进行控制。 将铜盐里的铜离子直接还原成单质铜进行生长形成铜纳米线。反 应方程式如下:

合成方法中,高浓度 NaOH 的应用是为了阻止铜离子形成氢氧化铜沉淀物; 适量 EDA 的使用是为了控制目标产物的形态。通过对两者用量的优化,找到最适 用量的 NaOH 和 EDA,经两者协同效应以生成形态和维度理想的 1-D 铜纳米线。 N2H4 是还原剂的作用,将铜离子还原成单质铜。根据实验 TE M 表征结果和文献 报道,铜纳米线是单晶结构,沿着其(110)晶面进行生长。反应过程中,还原 出的单质铜纳米粒子相互团簇形成纳米线生长的成核点, 然后继续附加在成核点 上以径向方式不断聚积,按(110)晶面方向沿伸生长形成纳米线[3]。 3.Cu 纳米线(CuNWs)的优点 由一种简易、尺寸可控的湿化学法合成一种能实现超灵敏的和选择性好的 非酶葡萄糖传感器的 Cu 纳米线(CuNWs)催化剂。CuNWs 对葡萄糖的电氧化反应 作用的电化学性质通过循环伏安法进行了充分研究。 其优越的导电性和突出的催 化性能, 对葡萄糖的计时安培检测,由 CuNWs 修饰的玻碳电极展现出非凡的检测 限和伴随优良灵敏度。 而且开发的葡萄糖传感器的性能也不受氧气的制约和氯离 子的毒化[4]。此外,在干扰物的正常生理水平的浓度下,来自抗坏血酸、醋氨 酚、 果糖和蔗糖的干扰可以忽略不计,证明了 CuNWs 修饰的玻碳电极的优异的选 择性。对人血清样本中葡萄糖浓度的定量检测的准确度好和精密度高,意味着 CuN Ws 在发展具有灵敏性和选择性的非酶葡萄糖传感器的成功应用。

4.氧化铜(CuO)纳米材料的优点 基于金属铜表面易被氧化成氧化铜,故进一步研究了氧化铜(CuO)纳米材料对 检测葡萄糖的应用, 并探究了分别在最大电流响应的峰电位和初始氧化过程的电 位下的检测响应。CuO 纳米线(CuONWs)由一个简易的反应过程制得。在 CuNWs 的合成方法基础上, 直接将 CuNWs 进行高温锻烧即得 CuONWs。 SEM 和 TEM 用以表 征所制备的 CuONWs 的形态、表面性质和晶体结构。此外,XRD 研究了黑色终产 物的成分组成。用 CuONWs 构建的非酶传感器在 0.05M NaOH 溶液中对葡萄糖的检 测表现出极好的电化学性能[5]。 此外,来自生理浓度水平的果糖和蔗糖的干扰 微不足道,进一步证明了 Cu O N W s 优良的选择性。这些结果证明,C u O N W s 在用于葡萄糖非酶检测的具有灵敏性和选择性的传感器的发展具有巨大的潜 在应用。与 CuNWs 前体的光滑表面很不相同(图 1、2),锻烧所得的 CuONWs 的 表面非常粗糙并带有小的凸起,这可能是与氧气反应发生分子结构变化的缘故。 凹凸不平的表面可为后续葡萄糖的电化学催化反应提供较大的接触反应面积 [6]。

图 1.CuNWs 的 SEM 图 5.结语

图 2.CuONWs 的 SEM 图

根据非酶葡萄糖生物传感器发展的主流趋势, 本论文简单阐述基于铜/氧化 铜的纳米材料用于构建具有操作简单、低成本、高灵敏度、快速和选择性响应的 非酶葡萄糖电化学传感器。 铜纳米材料具有许多优良特性,可以被广泛应用于多 个领域中,一直是关注的热点。不同形态结构的铜/氧化铜纳米材料决定了它们 对葡萄糖检测的电化学性质的不同。通过简单、经济的合成方法就可获得对增强 传感应用具有特殊性能的铜/氧化铜纳米材料。这种电化学生物传感器将对血糖 的检测起到不可衡量的作用!

参考文献 [1] 王 亮 , 尚 会 建 , 王 丽 梅 . 葡 萄 糖 检 测 方 法 研 究 进 展 [J]. 河 北 工 业 科 技.2010.27(2)132-135. [2] 兰丹.基于纳米金增强的酶基化学发光生物传感器的研究[D].陕西师范 大学.2008. [3] 庄贞静,肖丹,李毅.无酶葡萄糖电化学传感器的研究进展[J].化学研究 与应用.2009.21(11)1486-1493 [4] 吴国权.多壁碳纳米管和纳米金修饰金电极葡萄糖传感器的研究[D].华 南理工大学.2010 [5] 汪晓霞.金纳米材料用于葡萄糖生物传感器的研究[D].南京航空航天大 学.2007 [6] 张玉婵.基于铜/氧化铜纳米材料的非酶葡萄糖传感器研究[D].生物医学工程. 2012


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