一种SnO₂/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极及其制备方法和应用的制作方法

专利名称：一种SnO₂/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极及其制备方法和应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及医学检测技术领域，具体涉及一种Sn02/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极 及其制备方法和应用。
背景技术：
糖尿病是继心血管病和肿瘤之后的第三大非传染性疾病，已成为严重威胁人类健 康的世界性公共卫生问题。因而，简单、迅速地检测和诊断血液中葡萄糖含量对糖尿病的预 防和治疗有着重要的意义。是否患有糖尿病，主要是根据病人血液中葡萄糖的浓度水平来 判断的，因此如何快速准确地测试葡萄糖浓度是需要解决的关键问题。目前，测试血液葡萄糖浓度的方法主要有3种显色法、酶电极法和荧光方法。三 种方法各有优点，酶电极法由于速度快、检测方法简单，正被越来越多地使用。它的工作原 理是基于对固定在特定载体上的葡萄糖氧化酶(Glucose Oxidase,GOD)催化氧化葡萄糖时 产生的过氧化氢电流的检测。因此，酶的固定化是传感器制备过程中最关键的步骤.。SnO2作为一种重要的宽能级半导体金属氧化物，具有独特的光学，电学性能，已应 用到太阳能电池、气体传感器、电极材料、场效应管等诸多领域，受到了各国科学家极大的 关注。到目前为止，SnO2纳米线制备方法主要有氧化铝模板法、化学气相沉积法和自蔓延 高温合成-喷射法等。氧化铝模板法是通过多孔氧化铝模板(AAO)来限制所需材料生长的 介质环境，即在有纳米尺度的孔穴衬底上淀积生长纳米线材料。其最大的优点在于所制备 出的SnO2纳米线排列高度有序，构成阵列。此方法的缺点是二次阳极氧化制备AAO模板时， 电能消耗较大，整个工艺操作较为繁锁，限制了其应用。化学气相沉积法(CVD)是利用含有 所需制备元素的一种或几种气相化合物或单质在衬底表面上进行化学反应而获得纳米材 料的方法。其材料的制备包括气体扩散、反应气体在衬底表面的吸附、表面反应、成核和生 长以及气体解吸、扩散挥发等步骤。化学沉淀法的优点是工艺比较简单，纯度较高；缺点是 沉积时间长，生长速度慢，产量比较小。本发明克服现有技术的制备复杂、响应速度慢等缺点，提供一种Sn02/Au修饰的 葡萄糖氧化酶电极及其制备方法和应用，具有制备简单、灵敏度高、响应速度快等优点，适 合工业化推广使用。金纳米粒子具有比表面积大、表面反应活性高、表面活性中心多、吸附能力强以及 有比较良好的稳定性和催化性能等特点。在酶传感器中使用纳米材料，不仅可以增加酶的 吸附量和稳定性，而且还可以提高酶的催化活性，使酶电极的电流响应灵敏度得到显著提 高。Sn02/Au复合纳米粒子制备方法简单，其修饰的酶电极电响应信号好，适合工业化推广 使用。

发明内容
本发明提供了一种Sn02/Au修饰的玻碳电极，其特征在于，包括Sn02/Au复合纳米粒子，玻碳电极；其中，所述Sn02/Au复合纳米粒子修饰在所述玻碳电极上。本发明提供了一种Sn02/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极，其特征在于，包括葡萄糖氧 化酶，和如权利要求1所述Sn02/Au修饰的玻碳电极；其中，所述葡萄糖氧化酶采用交联法 固定在Sn02/Au复合纳米粒子修饰的玻碳电极的表面。本发明还提供了一种Sn02/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极的制备方法，其特征在于， 依次包括以下步骤
步骤一玻碳电极进行预处理
先将所述玻碳电极用氧化铝粉末抛光，然后用二次蒸馏水进行冲洗，再依次在丙酮、硝 酸溶液、NaOH溶液和二次蒸馏水进行超声清洗； 步骤二 制得Sn02/Au修饰的玻碳电极
将Sn02/Au复合纳米粒子分散于pH值为6-8的PBS溶液，取3_10μ 滴加到经预处理 的玻碳电极表面之后，用高纯氮气将玻碳电极吹干，得到Sn02/Au修饰的玻碳电极； 步骤三制得Sn02/Au修饰的葡萄糖氧化酶玻碳电极
将葡萄糖氧化酶溶液、戊二醛、Nafion溶液混合均勻后，取混合液3-10μ 滴加到经 SnO2Au修饰的玻碳电极表面，于室温中自然晾干。本发明中，所述步骤二中的Sn02/Au复合纳米粒子是通过以下方法制得
(1)在乙醇和水的混合溶液中加入SnCl2，然后加入NaOH溶液调节pH值至9.0-14. 0， 经搅拌、超声，将所得混合物置于180°C下加热，取出后依次用蒸馏水、无水乙醇清洗，得到 单晶SnO2 ；
(2)将上述步骤得到的单晶SnO2，经超声清洗后分散于柠檬酸钠溶液中，得到SnA和柠 檬酸钠的混合液；
(3)将HAuCl4溶解于蒸馏水中，并将其逐滴滴入SnA和柠檬酸钠的混合液中；
(4)将HAuC14、SnO2和柠檬酸钠的混合液在80°C下加热，搅拌后，得到Sn02/Au复合纳 米粒子。其中，所述步骤三中的葡萄糖氧化酶溶液、戊二醛、Nafion溶液的混合液为浓度 为500-2000 units/mL的葡萄糖氧化酶溶液100. 0 μ ，质量百分比浓度为2. 5%的戊二醛 50. 0 μ ,质量百分比浓度为0. 5%的Nafion溶液50. Ομ 。本发明还提供了一种Sn02/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极在血糖检测中的应用，其 特征在于，首先通过将葡萄糖溶液逐步加入基底溶液中，测定并记录电流值，建立响应电 流-葡萄糖浓度曲线；然后在相同条件下，在基底溶液中加入待测样品并记录电流值，将该 电流值代入所述电流-葡萄糖浓度曲线中，从而确定待测样品的葡萄糖浓度。其中，所述基底溶液是磷酸缓冲溶液，其pH为6-8。本发明创新地提出一种Sn02/Au复合纳米材料的合成方法，并以此制备Sn02/Au 复合纳米材料修饰的酶电极以及葡萄糖氧化酶电极。本发明首次提出的“Sn02/Au修饰的 玻碳电极”以及“Sn02/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极”，至目前尚未见文献报道。本发明的方 法简单，条件易控，具有良好的导电、负载等功效，便于批量生产，具有很好的应用前景。且 在葡萄糖检测中，具有响应速度快、灵敏度高、可以直接测定浓度等优点。本发明提供一种利用Sn02/Au修饰电极安培分析法快速检测血糖浓度的方法。为 解决上述技术问题，本发明采用的技术方案，是利用水热法合成单晶SnO2，在SnO2溶液中用酸制得纳米Au，用Sn02/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极作为安培分析的电 化学检测器，在PBS中对血清中的葡萄糖进行检测。区别于现有技术的是，本发明采用新的 合成Sn02/Au的技术并利用以该技术合成的材料修饰葡萄糖氧化酶，以取得了很好的响应。本发明中，葡萄糖在葡萄糖氧化酶的催化作用下产生葡萄糖酸和H2O2，在一定的工 作电压下，电极对H2A响应产生电流，通过电流信号与H2A的线性关系，间接测得葡萄糖的 浓度。反应过程如下
dMmaafe^;救 9狐 acid + H2Of H2O2O2 + 2H+ + 2eV
本发明Sn02/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极在血糖检测中的应用，与背景技术相比所具 有的优点检测所需时间短，仅为3秒钟，操作简单；检测灵敏度高，检测限达到2. OX 10_5， 线性范围宽(1.0X10_4 4. 1 X 10_2)，能够满足现代社会快速检测的需求，对于公共卫生事 业，临床诊断的血糖浓度的检测有着重要的意义。本发明检测的血糖浓度与传统的葡萄糖 氧化酶电极法进行比较，具有响应时间短，线性范围宽，灵敏度高等优点。本发明能满足现 代社会快速检测的需求，特别适用于临床诊断领域快速检测人体血糖浓度。


图1是本发明Sn02/Au复合纳米粒子的TEM图。图2是本发明Sn02/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极用在血糖检测时，确定的响应电 流与葡萄糖浓度之间的依存关系。
具体实施例方式现通过实施例详细说明本发明的技术方案。所有的实施例均完全按照“发明内容” 所述的具体操作步骤进行操作。因此，为避免重复，每个实施例仅罗列步骤的关键技术数 据。实施例1 单晶SnO2的制备
将12 mM SnCl2加入40mL的乙醇和水的混合溶液(体积比1 3)，然后加入0. 4 M的 NaOH溶液调节pH值为14. 0，迅速搅拌。以上混合物搅拌2小时，再超声(型号KQ_2100DA， 40 kHz, 100 W) 30分钟。最后将超声后混合物置于180°C烘干箱中加热12小时，取出。分 别用蒸馏水，无水乙醇清洗，得到纯净的Sn02。图1所示为Sn02/Au复合纳米粒子的TEM图。实施例2 Sn02/Au复合纳米粒子的制备
金纳米粒子直接生长于SnO2上。利用超声的方法将洗净的SnO2 (0.40 mM)重新分散 于50 mL稀释的柠檬酸钠(0.015 M)溶液中。将0. 2 mL的HAuCl4 (0.01 M)溶解于IOmL 的蒸馏水中，并将其逐滴滴入SnO2和柠檬酸钠的混合液中。此混合液加热(80°C)搅拌12 小时，即可得Sn02/Au复合纳米粒子。再用二次蒸馏水和无水乙醇各洗三次，真空烘干，待 用。实施例3 制备Sn02/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极
将玻碳电极用平均粒径0. 05Mm的氧化铝粉末抛光，用二次蒸馏水冲洗，一次在丙酮、 硝酸溶液、NaOH溶液和二次蒸馏水超声清洗。其中，所使用的丙酮为分析纯。硝酸溶液中，
5硝酸与水的体积比为1:1 ;NaOH与水的重量比为1:1。超声(型号KQ_2100DA)清洗30分 钟，超声条件为40 kHz, 100 W。以玻碳电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，钼丝电 极为辅助电极。将Sn02/Au复合纳米分散于pH值7. 4的PBS中，取5 μ 滴加到预处理的玻 碳电极表面，高纯氮气吹干。葡萄糖氧化酶采用交联法固定到电极表面将100.0 μ 浓度 为500-2000 units/mL的GOx溶液(葡萄糖氧化酶溶液)，50. 0 μ (2. 5%)戊二醛和50. 0 μ (0.5%) Nafion溶液混合均勻，取以上混合液5.0 μ 滴加到玻碳电极GCE/ Sn02/Au电 极表面，于室温中自然晾干，制得Sn02/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极。该Sn02/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极在不使用时，可放置于4.0 ° C的PBS溶液 中。实施例4 Sn02/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极的电化学响应
确定葡萄糖浓度与Sn02/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极响应电流的关系是通过安培分 析法快速检测葡萄糖浓度，以Sn02/Au修饰的酶电极、Ag/AgCl电极和钼丝电极分别为工作 电极、参比电极和辅助电极，基底溶液为PH7. 4的磷酸缓冲溶液。待基线稳定后，将一定体 积和浓度的葡萄糖溶液，每隔三分钟逐步加入基底溶液中，记下每个进样时Sn02/Au修饰的 酶电极的响应电流值，将全部进样的每一个及其对应响应电流的电流值对应的坐标点描绘 在直角坐标纸上。本发明中，一定体积的葡萄糖溶液是指葡萄糖溶液，一定浓度的葡萄 糖溶液是指以下表一所示的浓度。其中，直角坐标中的两个坐标中纵坐标为SnO2AidfW 的酶电极响应电流的电流值，直角坐标中的横坐标为葡萄糖的浓度，逐步连接直角坐标纸 上的所有坐标点，得到响应电流-葡萄糖浓度的曲线，该曲线是一条直线，确定葡萄糖浓度 与Sn02/Au修饰的酶电极响应电流的依从关系为线性关系。如图2所示。其中，上述直角坐标的两个坐标中的横坐标为葡萄糖的浓度，直角坐标的纵坐标 为Sn02/Au修饰的酶电极的响应电流值。上述响应电流-葡萄糖浓度曲线为一直线，用于拟 合表达响应电流与葡萄糖浓度之间依从关系的公式，拟合得到的公式为I=aX+b，其中I为 响应电流，单位是A，即安培，a, b为常数，X为葡萄糖浓度，单位为mol/L，即摩尔/升。本实施例中电化学实验采用CHI-660C型电化学分析仪(美国CH仪器公司)，基底 溶液为0. 1 M pH 7. 4的磷酸缓冲溶液(KH2P04/Na2HP04)。工作电位为0. 5 0. 8 V，温度为 室温，整个安培检测是在搅拌状态下进行的。不同已知浓度的葡萄糖溶液加入5mL的 PBS中，检测所得的结果示于表一，在拟合公式中，a=3. 7668E-6，b=7. 7972E-6 (R2=O. 9993)， 最低检测限为2.0 X 10_5 mol/L，线性范围为0.01 41 mmol/L。而现有技术中，比如使用罗 康全血糖仪检测血糖时，通常能够达到的检测限为6. OX 10_4，线性范围为0. 06 33 mmol/ L0表一 Sn02/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极的电化学响应
权利要求
1.一种Sn02/Au修饰的玻碳电极，其特征在于，包括Sn02/Au复合纳米粒子，玻碳电极； 其中，所述Sn02/Au复合纳米粒子修饰在所述玻碳电极上。
2.—种Sn02/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极，其特征在于，包括葡萄糖氧化酶，和如权利 要求1所述Sn02/Au修饰的玻碳电极；其中，所述葡萄糖氧化酶采用交联法固定在Sn02/Au 复合纳米粒子修饰的玻碳电极的表面。
3.如权利要求2所述葡萄糖氧化酶电极的制备方法，其特征在于，依次包括以下步骤步骤一玻碳电极进行预处理先将所述玻碳电极用氧化铝粉末抛光，然后用二次蒸馏水进行冲洗，再依次在丙酮、硝 酸溶液、NaOH溶液和二次蒸馏水进行超声清洗；步骤二 制得Sn02/Au修饰的玻碳电极将Sn02/Au复合纳米粒子分散于pH值为6-8的PBS溶液，取3_10μ 滴加到经预处理 的玻碳电极表面之后，用高纯氮气将玻碳电极吹干，得到Sn02/Au修饰的玻碳电极；步骤三制得Sn02/Au修饰的葡萄糖氧化酶玻碳电极将葡萄糖氧化酶溶液、戊二醛、Nafion溶液混合均勻后，取混合液3-10μ 滴加到经 SnO2Au修饰的玻碳电极表面，于室温中自然晾干。
4.如权利要求3所述葡萄糖氧化酶电极的制备方法，其特征在于，所述步骤二中的 SnO2Au复合纳米粒子是通过以下方法制得(1)在乙醇和水的混合溶液中加入SnCl2，然后加入NaOH溶液调节pH值至9.0-14. 0， 经搅拌、超声，将所得混合物置于180°C下加热，取出后依次用蒸馏水、无水乙醇清洗，得到 单晶SnO2 ；(2)将上述步骤得到的单晶SnO2，经超声清洗后分散于柠檬酸钠溶液中，得到SnA和柠 檬酸钠的混合液；(3)将HAuCl4溶解于蒸馏水中，并将其逐滴滴入SnA和柠檬酸钠的混合液中；(4)将HAuC14、SnO2和柠檬酸钠的混合液在80°C下加热，搅拌后，得到Sn02/Au复合纳 米粒子。
5.如权利要求3所述葡萄糖氧化酶电极的制备方法，其特征在于，所述步骤三中的葡 萄糖氧化酶溶液、戊二醛、Nafion溶液的混合液为浓度为500-2000units/mL的葡萄糖氧 化酶溶液100. O μ ,质量百分比浓度为2. 5%的戊二醛50. O μ ,质量百分比浓度为0. 5%的 Nafion 溶液 50. Ομ 。
6.如权利要求2所述葡萄糖氧化酶电极在血糖检测中的应用，其特征在于，首先通 过将葡萄糖溶液逐步加入基底溶液中，测定并记录电流值，建立响应电流-葡萄糖浓度曲 线；然后在相同条件下，在基底溶液中加入待测样品并记录电流值，将该电流值代入所述电 流-葡萄糖浓度曲线中，从而确定待测样品的葡萄糖浓度。
7.如权利要求6所述的应用，其特征在于，所述基底溶液是磷酸缓冲溶液，其pH为6-8。
全文摘要
本发明公开了一种SnO2/Au修饰的玻碳电极，包括SnO2/Au复合纳米粒子和玻碳电极；其中，所述SnO2/Au复合纳米粒子修饰在所述玻碳电极上。本发明还公开了一种所述SnO2/Au修饰的葡萄糖氧化酶电极及其制备方法和应用。本发明具有响应时间短，线性范围宽，灵敏度高等优点，适用于临床诊断领域快速检测人体血糖浓度。
文档编号G01N27/38GK102128868SQ20101061420
公开日2011年7月20日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者卫银银, 张苧丹, 施国跃, 朱民, 李康, 李颖, 白静, 肖飞, 赖彦君, 金利通 申请人:华东师范大学