一种用于测量葡萄糖浓度的复合材料修饰电极及应用的制作方法

本发明属于食品分析检测技术领域，具体涉及一种用于葡萄糖浓度测定的复合材料修饰电极及应用。

背景技术：

葡萄糖是自然界分布最广且最为重要的一种单糖，在生物学领域具有重要地位，是活细胞的能量来源和新陈代谢中间产物，人体活动所需的大部分能量是由摄入食物中的糖类提供的，这些糖类最终分解为葡萄糖才能提供能量。

测定葡萄糖的方法有很多种，其中基于葡萄糖氧化酶的生物传感器在测定时存在着固定酶容易失活、受温度影响大、测定范围较窄等缺点，因此建立无酶电化学传感器测定葡萄糖的方法具有重要的意义。电化学分析方法因检测便捷、灵敏度高、选择性好和成本低等优点而得到了广泛的应用，研究主要集中在金属或金属氧化物修饰电极，但这些电极有时表现不够稳定，所以制备一种新的修饰电极显得十分迫切。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于测量葡萄糖浓度的复合材料修饰电极及应用。本发明能够快速稳定对葡萄糖进行测定，且操作简便、灵敏度高，具有广阔的应用价值。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于测量葡萄糖浓度的复合材料修饰电极，该复合材料修饰电极通过以下方法制备得到：

(1)在麂皮上依次使用第一抛光液和第二抛光液将玻碳电极打磨至镜面，第一抛光液由粒径为300nm的α-Al₂O₃抛光粉与去离子水按质量体积比(mg/ml)1:1-3混合均匀制得，第二抛光液由粒径为50nm的α-Al₂O₃抛光粉与去离子水按质量体积比(mg/ml)1:1-3混合均匀制得，之后依次应用无水乙醇和去离子水超声洗涤电极1～2min；然后再将清洗过的玻碳电极置于浓度为0.4～0.8mol/L的稀硫酸溶液中应用循环伏安法活化，直至响应稳定；最后用去离子水将玻碳电极冲洗干净，并晾干备用。

(2)将氨基酸加入浓度为0.1～0.2mol/L、pH值为5.5～7.5的磷酸盐缓冲液中，配制浓度为1～3mmol/L的氨基酸溶液；将步骤1预处理后的玻碳电极置于氨基酸溶液中，氨基酸选自天冬氨酸、精氨酸、苏氨酸和甘氨酸；采用循环伏安法进行电化学沉积，制得聚氨基酸修饰电极，循环伏安法沉积电位为-1.2～2V，扫描速度为60～140mV/s，循环圈数为12～18圈。

(3)将金属盐加入浓度为0.4～0.6mol/L的稀硫酸中，配制浓度为6～8mmol/L的金属盐溶液，金属盐选自硫酸铜、氯铂酸和硝酸镍；将聚氨基酸修饰电极置于金属盐溶液中，采用循环伏安法进行电化学沉积，制得聚氨基酸/金属纳米复合材料修饰电极，循环伏安法沉积电位为-0.25～0.4V，扫描速度为30～80mV/s，循环圈数为22～26圈。

一种上述的复合材料修饰电极在测定葡萄糖溶液浓度中的应用；所述应用具体为：将聚氨基酸/金属纳米复合材料修饰电极修饰电极作为工作电极、银电极或氯化银电极作为参比电极、铂柱电极作为辅助电极构成三电极系统，置于含有葡萄糖的待测氢氧化钠水溶液中，氢氧化钠水溶液浓度为0.05～0.25mol/L；然后应用安培法测定葡萄糖溶液的氧化峰峰电流，安培法测量电位为0.46～0.56V；若葡萄糖溶液的浓度在6×10^-6～7.5×10^-5mol/L范围内，该氧化峰峰电流值代入公式i＝0.0031c+0.0696，得到葡萄糖溶液的浓度；若葡萄糖溶液的浓度在7.5×10^-6～2.6×10^-4mol/L范围内，该氧化峰峰电流值代入公式i＝0.0079c-0.2802，得到葡萄糖溶液的浓度。其中浓度c的单位是μmol/L，氧化电流i的单位是μA。

本发明的有益效果是，本发明用于测量葡萄糖浓度的聚氨基酸/金属纳米复合材料修饰电极比单一金属纳米材料修饰电极效果更好。金属纳米自身对葡萄糖具有较好的催化活性，聚氨基酸的加入进一步提高了电极稳定性、催化性和生物相容性等性能。因此，该修饰电极实现了对葡萄糖便捷、高效、稳定的测定。

附图说明

图1为PASP/GCE制备过程中的循环伏安图；

图2为PASP/Pt/GCE制备过程中的循环伏安图；

图3为Pt/GCE的扫描电镜图；

图4为PASP/Pt/GCE的扫描电镜图；

图5为不同电极在含葡萄糖的氢氧化钠溶液中循环伏安法扫描结果对比图；

图6为不同电极在不含葡萄糖的氢氧化钠溶液中循环伏安法扫描结果对比图；

图7为PASP/Pt/GCE电极在0.05～0.25mol/L NaOH浓度范围时对葡萄糖检测的循环伏安对比图；

图8为PASP/Pt/GCE电极在10～160mV/s扫描速度范围时对葡萄糖检测的循环扫描伏安对比图；

图9为PASP/Pt/GCE电极在葡萄糖浓度为6×10^-6～2.6×10^-4mol/L范围时电流随时间的响应图；

图10为PASP/Pt/GCE电极上葡萄糖响应电流值与浓度梯度标准曲线。

具体实施方式

聚氨基酸膜制备简单、稳定性好、选择性高，并带有大量的氨基和羧基，可提供许多可利用的势场，非常有利于修饰电极对被测物的电催化；金属纳米材料具有较大的比表面积和催化活性，对葡萄糖具有良好的催化氧化活性。为充分发挥上述两种材料的优势，发明人制备了一种新的用于葡萄糖测定的聚氨基酸/金属纳米复合材料修饰电极，发现其催化性能要优于金属纳米材料单独对电极修饰时的性能。

下面的实施实例可以使本专业普通技术人员更全面地理解本发明，但是本发明并不局限于此。

实施例1

制备用于葡萄糖测定的聚天冬氨酸/铂纳米复合材料修饰电极(PASP/Pt/GCE)，包括以下步骤：

(1)玻碳电极预处理：在麂皮上依次使用粒径300nm和50nmα-Al₂O₃的糊状抛光液将玻碳电极打磨至镜面，之后依次应用无水乙醇和去离子水中超声洗涤电极1min，然后再将清洗过的玻碳电极置于0.5mol/L稀硫酸溶液中，在-0.5～1.2V电位区间以100mV/s的扫速进行循环伏安活化，直至响应稳定，最后用去离子水将玻碳电极冲洗干净，并晾干备用。

(2)在对玻碳电极修饰之前，电极需在1mmol/L K₃[Fe(CN)₆]溶液中(含有0.1mol/L KCl)进行循环伏安扫描以验证电极可逆性，其中循环电位区间设为-0.2～0.8V，扫速设为60mV/s。如果[Fe(CN)6]^3-/4-在GCE上的氧化还原反应峰电位差△Ep约为64mV,说明电极表面已达到清洁和活化的要求。去离子水冲洗电极晾干备用。

(3)预处理后的玻碳电极置于2mmol/L天冬氨酸(用浓度为0.1mol/L且pH值为6的磷酸盐缓冲液)溶液中，采用循环伏安法进行电沉积。在-1.2～2V电位区间内，以100mV/s的扫描速度扫描15圈，制得聚天冬氨酸修饰电极(PASP/GCE)，如图1所示。

(4)PASP/GCE置于8mmol/L氯铂酸(用0.5mol/L稀硫酸配制)溶液中，采用循环伏安法进行电沉积。在-0.25～0.4V电位区间内，以50mV/s的扫描速度扫描24圈，制得聚天冬氨酸/铂纳米复合材料修饰电极(PASP/Pt/GCE)，如图2所示。去离子水冲洗吸附在电极表面未反应的物质，晾干备用。

图3和图4分别为Pt/GCE和PASP/Pt/GCE电极的扫描电镜图。观察到在图3中，铂纳米颗粒已成功地沉积在GCE表面，但纳米铂颗粒比较稀疏，且为单层，沉积量较少；而在图4中，由于预先在GCE表面沉积了聚天冬氨酸薄膜，所以当沉积铂时，更多地铂纳米颗粒被修饰在了电极表面。

图5和图6分别为不同电极在含葡萄糖和不含葡萄糖的氢氧化钠溶液中循环伏安法扫描对比图。不论在图5还是在图6中，PASP/Pt/GCE循环伏安响应电流均要大于Pt/GCE、PASP/GCE和GCE的响应电流，这体现了复合材料相较单一材料的优势；对于同一电极在含葡萄糖和不含葡萄糖的氢氧化钠溶液的对比中，图5均要大于图6，这说明修饰电极确实对葡萄糖产生了催化响应。

如图7所示，循环伏安法优化PASP/Pt/GCE检测葡萄糖时的氢氧化钠浓度。氢氧化钠浓度范围为0.05～0.25mol/L。考虑到电极稳定性和消耗等因素，选自0.1mol/L作为检测的最佳浓度值。

如图8所示，循环伏安法优化PASP/Pt/GCE检测葡萄糖时的扫描速度。实验在10～160mV/s扫速下进行，观察到随着扫速增加，响应电流增大，但是增加幅度逐渐减缓，另外考虑到峰形稳定，故选自120mV/s作为最佳扫速。

在上述实验条件下，采用安培法在0.5V恒电位下对浓度梯度为6×10^-6～2.6×10^-4mol/L的葡萄糖溶液进行定量测定，并绘制氧化电流与浓度关系标准曲线。在磁力搅拌下，连续加入1ml浓度分别为0.25、0.5、0.75和1mol/L的葡萄糖溶液，图9为得到的电流随时间响应图。在一定范围内，葡萄糖溶液浓度越大，对应的响应电流值就越大，通过一系列峰电流值与浓度的一一对应关系绘制出反映响应电流值与浓度关系的标准曲线，图10为得到的葡萄糖响应电流值与浓度关系标准曲线，两者呈现良好的线性关系，在6×10^-6～7.5×10^-5范围内，线性方程为i＝0.0031c+0.0696，线性相关系数R＝0.9994；在7.5×10^-6～2.6×10^-4范围内，线性方程为i＝0.0079c-0.2802。其中浓度c的单位是μmol/L，氧化电流i的单位是μA，线性相关系数R＝0.9994，检测限为2×10^-6mol/L(S/N＝3)。

根据上述获得的线性方程，即可实现对未知浓度的葡萄糖溶液样品进行浓度测定。三电极体系为基础，以本发明制备的修饰电极作为工作电极，银/氯化银电极为参比电极，铂柱电极为辅助电极。实验在CHI660E电化学工作站上进行，其附属的计算机软件进行实验参数设置和数据获取，将在0.5V恒电位安培法下获得的葡萄糖溶液电流响应值i带入线性方程，即可得到该葡萄糖溶液的浓度。

实施例2

制备用于葡萄糖测定的聚天冬氨酸/铂纳米复合材料修饰电极(PASP/Pt/GCE)，包括以下步骤：

(1)玻碳电极预处理：在麂皮上依次使用粒径300nm和50nmα-Al₂O₃的糊状抛光液将玻碳电极打磨至镜面，之后依次应用无水乙醇和去离子水中超声洗涤电极90s，然后再将清洗过的玻碳电极置于0.4mol/L稀硫酸溶液中，在-0.6～1.4V电位区间以120mV/s的扫速进行循环伏安活化，直至响应稳定，最后用去离子水将玻碳电极冲洗干净，并晾干备用。

(2)预处理后的玻碳电极置于1.5mmol/L天冬氨酸(用浓度为0.15mol/L且pH值为6.5的磷酸盐缓冲液)溶液中，采用循环伏安法进行电沉积。在-1.2～2V电位区间内，以120mV/s的扫描速度扫描18圈，制得聚天冬氨酸修饰电极(PASP/GCE)。

(3)PASP/GCE置于6mmol/L氯铂酸(用0.4mol/L稀硫酸配制)溶液中，采用循环伏安法进行电沉积。在-0.25～0.4V电位区间内，以60mV/s的扫描速度扫描26圈，制得聚天冬氨酸/铂纳米复合材料修饰电极(PASP/Pt/GCE)。去离子水冲洗吸附在电极表面未反应的物质，晾干备用。

用该实施例制备的复合材料修饰电极用实施例1所示的方法测量已知浓度的葡萄糖溶液的氧化峰峰电流，若葡萄糖溶液的浓度在6×10^-6～7.5×10^-5mol/L范围内，该氧化峰峰电流值代入公式i＝0.0031c+0.0696，得到葡萄糖溶液的浓度；若葡萄糖溶液的浓度在7.5×10^-6～2.6×10^-4mol/L范围内，该氧化峰峰电流值代入公式i＝0.0079c-0.2802，得到葡萄糖溶液的浓度。得到的葡萄糖溶液的浓度与其实际浓度一致；且操作简便、响应灵敏。

实施例3

制备用于葡萄糖测定的聚天冬氨酸/铂纳米复合材料修饰电极(PASP/Pt/GCE)，包括以下步骤

(1)玻碳电极预处理：在麂皮上依次使用粒径300nm和50nmα-Al₂O₃的糊状抛光液将玻碳电极打磨至镜面，之后依次应用无水乙醇和去离子水中超声洗涤电极2min，然后再将清洗过的玻碳电极置于0.6mol/L稀硫酸溶液中，在-0.8～1.5V电位区间以140mV/s的扫速进行循环伏安活化，直至响应稳定，最后用去离子水将玻碳电极冲洗干净，并晾干备用。

(2)预处理后的玻碳电极置于3mmol/L天冬氨酸(用浓度为0.2mol/L且pH值为7的磷酸盐缓冲液)溶液中，采用循环伏安法进行电沉积。在-1.2～2V电位区间内，以80mV/s的扫描速度扫描12圈，制得聚天冬氨酸修饰电极(PASP/GCE)。

(3)PASP/GCE置于7mmol/L氯铂酸(用0.6mol/L稀硫酸配制)溶液中，采用循环伏安法进行电沉积。在-0.25～0.4V电位区间内，以40mV/s的扫描速度扫描22圈，制得聚天冬氨酸/铂纳米复合材料修饰电极(PASP/Pt/GCE)。去离子水冲洗吸附在电极表面未反应的物质，晾干备用。

用该实施例制备的复合材料修饰电极用实施例1所示的方法测量已知浓度的葡萄糖溶液的氧化峰峰电流，若葡萄糖溶液的浓度在6×10^-6～7.5×10^-5mol/L范围内，该氧化峰峰电流值代入公式i＝0.0031c+0.0696，得到葡萄糖溶液的浓度；若葡萄糖溶液的浓度在7.5×10^-6～2.6×10^-4mol/L范围内，该氧化峰峰电流值代入公式i＝0.0079c-0.2802，得到葡萄糖溶液的浓度。得到的葡萄糖溶液的浓度与其实际浓度一致；且操作简便、响应灵敏。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。