一种用于检测葡萄糖的氧化铜化学修饰电极的制备方法与流程

本发明涉及一种用于检测葡萄糖的氧化铜化学修饰电极的制备方法。

背景技术：

国际糖尿病联盟(IDF)相关数据显示，2030年全世界的糖尿病患者将达到36.6亿，已成为世界公共健康问题。葡萄糖的快速、准确检测对于糖尿病的防治具有极其重要的意义。目前，常用的葡萄糖传感器为氧化铜化学修饰电极葡萄糖传感器，其主要组成和原理是：在溶液中形成三电极体系，其中氧化铜修饰电极作为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极，铂电极作为对电极；检测过程中，氧化铜修饰电极上的CuO在特定电位下被氧化成具有强氧化性的CuOOH或Cu(OH)₄^-后，对葡萄糖发挥出强氧化的作用，使得葡萄糖被氧化成葡萄糖酸，在此过程中产生响应电流，响应电流的大小与葡萄糖的浓度成正比，通过对电流强度的检测，即实现对葡萄糖浓度的检测。

不同方法制得的氧化铜化学修饰电极的氧化铜的结构不同，其葡萄糖的检出限、灵敏度也不同。水热法合成的氧化铜化学修饰电极具有良好的稳定性并实现了对葡萄糖的高灵敏度的快速检测。如Huang等人采用180℃水热法，以乙酸铜和氢氧化钠为原料，聚乙二醇400为软模板，制备出了三种不同结构的氧化铜，并用于葡萄糖的分析检测，表现出了高的灵敏度(0.91mA·mM^-1·cm^-2、1.02mA·mM^-1·cm^-2和1.43mA·mM^-1·cm^-2)和低的检出限(0.023mM、0.029mM和0.005mM)(Huang F Y,Zhong Y M,Chen J,et al.Nonenzymatic glucose sensor based on three different CuO nanomaterials.Analytical Methods,2013,5:3050–3055.)。Li等人采用100℃水热法，以氯化铜和氢氧化钠为原料，十二烷基苯磺酸钠为软模板，制备出了叶状结构的纳米氧化铜，并用于葡萄糖的分析检测，表现出了较高的灵敏度(0.246mA·mM^-1·cm^-2)、低的检出限(0.00091mM)和宽的检测范围(0.001～0.170mM)(Li Y,Wei Y Y,Shi G Y,et al.Facile Synthesis of Leaf-Like CuO Nanoparticles and Their Application on Glucose Biosensor.Electroanalysis,2011,23:497–502.)。

上述制备氧化铜的水热法，制备过程中需要用十二烷基苯磺酸钠、聚乙二醇等作为软模板，来控制氧化铜的形貌和大小；其操作复杂，制得物的质量、性能的一致性差；制备中需要用强碱如NaOH等来调节反应过程的pH值，易污染环境。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于检测葡萄糖的氧化铜化学修饰电极的制备方法，该方法工艺更简单、成本低，环境友好，且制得的修饰电极对葡萄糖的检测灵敏度高、检出限低、检测范围宽。

本发明实现其发明目的所采用的技术方案是，一种用于检测葡萄糖的氧化铜化学修饰电极的制备方法，其步骤是：

A、将可溶性铜盐配制成0.1～1.5mol/L的铜盐溶液，将尿素配制成0.1～8mol/L的尿素溶液；然后将铜盐溶液缓慢地滴加到尿素溶液中，之后再搅拌5～60分钟得混合溶液；所述的混合溶液中铜盐与尿素的摩尔比为3:2；

B、将A步所得的混合溶液倒入水热反应釜中，进行温度为100～200℃、时间为0.5～12小时的水热反应；随后抽滤得到固态产物、再洗涤、干燥；

C、将B步的固态产物放入马弗炉中，进行煅烧分解、再自然降温、研磨后，得到氧化铜粉末；

D、将氧化铜粉末超声分散到无水乙醇中，得到氧化铜分散液；然后将Nafion溶液滴加到氧化铜分散液中，再经超声分散得到氧化铜修饰液；

E、将氧化铜修饰液滴涂到固体电极的表面，红外干燥；

F、重复E步骤的操作，直至固体电极表面的氧化铜修饰量达到0.1～5mg/cm²,即得。

本发明的机理是：

通过控制可溶性铜盐溶液往尿素溶液中滴加的速度和量来控制铜离子与尿素之间络合的程度——严格控制铜离子与尿素之间的比例(3:2)，并且将铜盐溶液缓慢地滴加入尿素溶液中，使得铜离子与配体充分络合，形成高配位数的配位单元；然后通过控制水热反应的条件(温度、压力和时间)来控制生成颗粒较大的、有一定取向的氧化铜前驱体——碱式碳酸铜；之后通过控制碱式碳酸铜的分解条件(包括温度、时间及升温速率)来调控其分解速度及产物的形貌，从而得到具有一定生长取向的米粒状氧化铜；通过添加一定量的Nafion溶液，配置成氧化铜修饰液，使其具有良好的粘接性和离子交换性能；最后通过滴涂在固体电极表面的简单操作，制备得到具有优异电化学性能的米粒状氧化铜化学修饰电极，开展葡萄糖的检测。

本发明与现有技术相比的优点与效果：

一、通过严格控制铜离子与尿素之间的比例(3:2)，并且将硝酸铜溶液缓慢地滴加入尿素溶液中，使得铜离子与配体充分络合，形成高配位数的配位单元，通过控制水热反应条件生成颗粒较大、且具有一定取向的氧化铜前驱体——碱式碳酸铜，最终通过控制碱式碳酸铜的分解条件获得亚微米级、米粒状的、呈现向外伸出形态的氧化铜。其结构的比表面积以及可用比表面积较大，可提供更多的反应位点，有利于提高检测灵敏度。亚微米级的氧化铜，与纳米级形态的氧化铜相比，具有较小的颗粒间的接触电阻，且在米粒方向具有更强的纵向电荷传递能力，也提高了检测灵敏度。

测试表明：本发明制得的氧化铜修饰电极，对葡萄糖的检出限低至0.000075mM、检测范围宽达0.001-2.361mM、灵敏度高达2.376mA·mM^-1·cm^-2。

二、在氧化铜分散液中，添加了适量的Nafion溶液，使得氧化铜米粒之间和氧化铜与固体电极之间具有良好的离子交换性能和粘接性，有利于提高检测灵敏度。

三、制备全程不使用模板剂，既避免了二次污染，也降低了成本，简化了操作。

四、不使用强碱来调节反应溶液的pH值，避免了强碱带来的危害性及对环境的污染。工艺条件温和，特别适合工业化大批量生产。

进一步，本发明A步中的可溶性铜盐为Cu(NO₃)₂、CuSO₄或CuCl₂中的一种或一种以上的混合物。

这些铜盐极易溶于水，形成均匀的溶液。在后面的恒定滴加到尿素的过程中，能严格控制铜盐的加入量，从而准确控制生成配位化合物的结构。

进一步，本发明C步中煅烧分解的升温速率为1～20℃/分钟，煅烧温度为220～600℃，煅烧时间为0.5～12小时。

水热过程中生成的碱式碳酸铜在220～600℃最易分解,0.5～12小时的煅烧分解时间，及升温速率为1～20℃/分钟的升温速率，可达到更好的控制碱式碳酸铜分解的效果。

进一步，本发明D步中的氧化铜分散液的浓度是0.5～20mg/mL，氧化铜修饰液中氧化铜与Nafion溶液中溶质的质量比为5～80﹕1。

这样，电极表面上形成的Nafion膜厚度恰当，既能起到良好的包覆氧化铜和电荷传递的作用；又不会影响电极的响应能力和灵敏度。

进一步，本发明所述的E步中的固体电极为石墨电极、玻碳电极或铂电极。

石墨电极、玻碳电极和铂电极都具有导电性好，化学稳定性高等优点，本身不参与电极反应，易于体现氧化铜对葡萄糖的本征性能。

附图说明

图1为本发明实施例一制备的氧化铜化学修饰电极表面形貌的SEM图。

图2为本发明实施例一中所制备化学修饰电极及空白电极在空白溶液和检测溶液中的循环伏安曲线图(其中曲线1为氧化铜化学修饰电极在检测液中的循环伏安曲线；曲线2为氧化铜化学修饰电极在空白液中的循环伏安曲线；曲线3为空白电极在检测液中的循环伏安曲线；曲线4为空白电极在空白液中的循环伏安曲线)。

图3a为本发明实施例一所得化学修饰电极在检测溶液中不同扫速下的循环伏安曲线图；

图3b为实施例一所得化学修饰电极在检测溶液中的氧化峰电流与扫速的关系曲线图。

图4a为实施例一所得化学修饰电极在不同浓度葡萄糖溶液中的i-t曲线；

图4b为实施例一所得化学修饰电极的响应电流与葡萄糖浓度之间的关系曲线图。

图5为本发明实施例一所得化学修饰电极对各种干扰物的抗干扰性能测试图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

一种用于检测葡萄糖的氧化铜化学修饰电极的制备方法，其步骤是：

A、将Cu(NO₃)₂配制成1.0mol/L的Cu(NO₃)₂溶液，将尿素配制成1.0mol/L的尿素溶液；然后将Cu(NO₃)₂溶液缓慢地滴加到尿素溶液中，之后再搅拌20分钟得混合溶液；所述的混合溶液中铜盐与尿素的摩尔比为3:2；

B、将A步所得的混合溶液倒入水热反应釜中，进行温度为130℃、时间为5小时的水热反应；随后抽滤得到固态产物、再洗涤、干燥；

C、将B步的固态产物放入马弗炉中，进行煅烧分解、再自然降温、研磨后，得到氧化铜粉末；

本例中煅烧分解的升温速率为5℃/分钟，煅烧温度为450℃，煅烧时间为4小时。

D、将氧化铜粉末超声分散到无水乙醇中，得到浓度是0.5mg/mL的氧化铜分散液；然后将Nafion溶液滴加到氧化铜分散液中，再经超声分散得到氧化铜修饰液，氧化铜修饰液中氧化铜与Nafion溶液中溶质的质量比为7.68﹕1。

E、将氧化铜修饰液滴涂到石墨电极的表面，红外干燥；

F、重复E步骤的操作，直至固体电极表面的氧化铜修饰量达到1.80mg/cm²；即得。

图1为本发明实施例一制备的氧化铜化学修饰电极表面形貌的SEM图。由图1可知，修饰材料氧化铜保持米粒状结构(长度约0.5μm左右，直径约250-320nm)，且能均匀地分散于电极表面。且米粒状氧化铜的长端都向外生长，能使修饰电极具有更大的实际比表面积和更多的反应位点，从而提高其电化学检测性能。

图2为本发明实施例一中所制备化学修饰电极及空白电极在空白溶液和检测溶液中的循环伏安曲线图(其中曲线1为氧化铜化学修饰电极在检测液中的循环伏安曲线；曲线2为氧化铜化学修饰电极在空白液中的循环伏安曲线；曲线3为空白电极在检测液中的循环伏安曲线；曲线4为空白电极在空白液中的循环伏安曲线)。

由图2的曲线3、4可知，空白电极在空白和检测溶液中，其CV曲线都未出现明显的氧化峰。由图2的曲线1可知，本例制得的氧化铜化学修饰电极在检测溶液中，其CV曲线在+0.6V处出现明显的氧化峰(峰电流为0.203mA)，这归因于Cu(Ⅱ)/Cu(Ⅲ)氧化还原对参与条件下的葡萄糖的氧化过程。

图3a为本发明实施例一所得化学修饰电极在检测溶液中不同扫速下的循环伏安曲线图；图3b为实施例一所得化学修饰电极在检测溶液中的氧化峰电流与扫速的关系曲线图。由图3a及图3b可知，在5～250mV/s扫描范围内，氧化峰峰电流随扫速的增加而增加，且峰电流与扫描成良好的线性关系；其峰电位也随之正移。

图4a为实施例一所得化学修饰电极在不同浓度葡萄糖溶液中的i-t曲线；图4b为实施例一所得化学修饰电极的响应电流与葡萄糖浓度之间的关系曲线图。由图4a、图4b可知，随着葡萄糖浓度的增加，氧化峰峰电流急剧增大，在0.001-2.361mM浓度范围内，峰电流与葡萄糖浓度之间存在良好的线性关系，其线性方程为：Ipa(mA)＝-0.00231+0.5239c(mM)，R＝0.99959。从曲线斜率求得，检出限为0.000075mM，灵敏度为2.376mA·mM^-1·cm^-2。

图5为本发明实施例一所得化学修饰电极对各种干扰物的抗干扰性能测试图。由图5可知，所列各干扰物对该修饰电极对葡萄糖的电化学响应几乎没有影响，说明所得修饰电极对葡萄糖具有良好的选择性。

实施例二：

一种用于检测葡萄糖的氧化铜化学修饰电极的制备方法，其步骤是：

A、将CuSO₄配制成1.0mol/L的CuSO₄溶液，将尿素配制成8mol/L的尿素溶液；然后将CuSO₄溶液缓慢地滴加到尿素溶液中，之后再搅拌60分钟得混合溶液；所述的混合溶液中铜盐与尿素的摩尔比为3:2；

B、将A步所得的混合溶液倒入水热反应釜中，进行温度为200℃、时间为0.5小时的水热反应；随后抽滤得到固态产物、再洗涤、干燥；

C、将B步的固态产物放入马弗炉中，进行煅烧分解、再自然降温、研磨后，得到氧化铜粉末；

本例中煅烧分解的升温速率为1℃/分钟，煅烧温度为220℃，煅烧时间为12小时。

D、将氧化铜粉末超声分散到无水乙醇中，得到浓度是20mg/mL的氧化铜分散液；然后将Nafion溶液滴加到氧化铜分散液中，再经超声分散得到氧化铜修饰液，氧化铜修饰液中氧化铜与Nafion溶液中溶质的质量比为80﹕1。

E、将氧化铜修饰液滴涂到玻碳电极的表面，红外干燥；

F、重复E步骤的操作，直至固体电极表面的氧化铜修饰量达到5mg/cm²；即得。

实施例三：

一种用于检测葡萄糖的氧化铜化学修饰电极的制备方法，其步骤是：

A、将CuCl₂配制成1.5mol/L的CuCl₂溶液，将尿素配制成0.1mol/L的尿素溶液；然后将CuCl₂溶液缓慢地滴加到尿素溶液中，之后再搅拌5分钟得混合溶液；所述的混合溶液中铜盐与尿素的摩尔比为3:2；

B、将A步所得的混合溶液倒入水热反应釜中，进行温度为100℃、时间为12小时的水热反应；随后抽滤得到固态产物、再洗涤、干燥；

C、将B步的固态产物放入马弗炉中，进行煅烧分解、再自然降温、研磨后，得到氧化铜粉末；

本例中煅烧分解的升温速率为20℃/分钟，煅烧温度为600℃，煅烧时间为0.5小时。

D、将氧化铜粉末超声分散到无水乙醇中，得到浓度是10mg/mL的氧化铜分散液；然后将Nafion溶液滴加到氧化铜分散液中，再经超声分散得到氧化铜修饰液，氧化铜修饰液中氧化铜与Nafion溶液中溶质的质量比为5﹕1。

E、将氧化铜修饰液滴涂到铂电极的表面，红外干燥；

F、重复E步骤的操作，直至固体电极表面的氧化铜修饰量达到0.1mg/cm²；即得。

实施例四：

一种用于检测葡萄糖的氧化铜化学修饰电极的制备方法，其步骤是：

A、将Cu(NO₃)₂和CuCl₂配制成0.5mol/L的Cu(NO₃)₂和CuCl₂混合溶液，将尿素配制成4mol/L的尿素溶液；然后将Cu(NO₃)₂和CuCl₂混合溶液缓慢地滴加到尿素溶液中，之后再搅拌30分钟得混合溶液；所述的混合溶液中铜盐与尿素的摩尔比为3:2；

B、将A步所得的混合溶液倒入水热反应釜中，进行温度为150℃、时间为6小时的水热反应；随后抽滤得到固态产物、再洗涤、干燥；

C、将B步的固态产物放入马弗炉中，进行煅烧分解、再自然降温、研磨后，得到氧化铜粉末；

本例中煅烧分解的升温速率为10℃/分钟，煅烧温度为300℃，煅烧时间为6小时。

D、将氧化铜粉末超声分散到无水乙醇中，得到浓度是5mg/mL的氧化铜分散液；然后将Nafion溶液滴加到氧化铜分散液中，再经超声分散得到氧化铜修饰液，氧化铜修饰液中氧化铜与Nafion溶液中溶质的质量比为40﹕1。

E、将氧化铜修饰液滴涂到石墨电极的表面，红外干燥；

F、重复E步骤的操作，直至固体电极表面的氧化铜修饰量达到2.5mg/cm²；即得。

实施例六：

一种用于检测葡萄糖的氧化铜化学修饰电极的制备方法，其步骤是：

A、将CuCl₂和CuSO₄配制成0.2mol/L的CuCl₂和CuSO₄混合溶液，将尿素配制成6mol/L的尿素溶液；然后将CuCl₂和CuSO₄溶液缓慢地滴加到尿素溶液中，之后再搅拌10分钟得混合溶液；所述的混合溶液中铜盐与尿素的摩尔比为3:2；

B、将A步所得的混合溶液倒入水热反应釜中，进行温度为150℃、时间为6小时的水热反应；随后抽滤得到固态产物、再洗涤、干燥；

C、将B步的固态产物放入马弗炉中，进行煅烧分解、再自然降温、研磨后，得到氧化铜粉末；

本例中煅烧分解的升温速率为10℃/分钟，煅烧温度为300℃，煅烧时间为1小时。

D、将氧化铜粉末超声分散到无水乙醇中，得到浓度是3mg/mL的氧化铜分散液；然后将Nafion溶液滴加到氧化铜分散液中，再经超声分散得到氧化铜修饰液，氧化铜修饰液中氧化铜与Nafion溶液中溶质的质量比为10﹕1。

E、将氧化铜修饰液滴涂到玻碳电极的表面，红外干燥；

F、重复E步骤的操作，直至固体电极表面的氧化铜修饰量达到4mg/cm²；即得。

实施例七：

一种用于检测葡萄糖的氧化铜化学修饰电极的制备方法，其步骤是：

A、将CuCl₂、CuSO₄和Cu(NO₃)₂配制成0.8mol/L的CuCl₂、CuSO₄和Cu(NO₃)₂混合溶液，将尿素配制成6mol/L的尿素溶液；然后将CuCl₂溶液缓慢地滴加到尿素溶液中，之后再搅拌10分钟得混合溶液；所述的混合溶液中铜盐与尿素的摩尔比为3:2；

B、将A步所得的混合溶液倒入水热反应釜中，进行温度为150℃、时间为6小时的水热反应；随后抽滤得到固态产物、再洗涤、干燥；

C、将B步的固态产物放入马弗炉中，进行煅烧分解、再自然降温、研磨后，得到氧化铜粉末；

本例中煅烧分解的升温速率为10℃/分钟，煅烧温度为300℃，煅烧时间为2小时。

D、将氧化铜粉末超声分散到无水乙醇中，得到浓度是3mg/mL的氧化铜分散液；然后将Nafion溶液滴加到氧化铜分散液中，再经超声分散得到氧化铜修饰液，氧化铜修饰液中氧化铜与Nafion溶液中溶质的质量比为10﹕1。

E、将氧化铜修饰液滴涂到铂电极的表面，红外干燥；

F、重复E步骤的操作，直至固体电极表面的氧化铜修饰量达到4mg/cm²；即得。

本发明所使用的Nafion溶液，是美国杜邦公司生产的一种全氟磺酸型聚合物溶液商品。