專利名稱：共軸實(shí)體/納米多孔金/Co₃O₄復(fù)合電極材料的制備方法及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
:本發(fā)明涉及納米金屬/氧化物結(jié)構(gòu)制備及化學(xué)分析檢測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
:用于葡萄糖檢測的生物傳感器需要具有靈敏度高、可靠性好、反應(yīng)迅速、選擇性良好以及成本低的特點(diǎn)。目前主要用于檢測的方法有:光學(xué)方法、比色法、電化學(xué)法和電化學(xué)發(fā)光法。其中，電化學(xué)方法簡單、靈敏度高、成本也很低而受到廣泛關(guān)注。通常基于生物酶的葡萄糖電化學(xué)傳感器利用生物催化劑葡萄糖脫氫酶(GDH)和葡萄糖氧化酶(GOx)。GDH基的葡萄糖生物傳感器是通過GDH酶催化電化學(xué)氧化反應(yīng)產(chǎn)生煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)，但由于NADH中電子遷移動力學(xué)緩慢，決定了其電化學(xué)氧化需要較高的電位0.7 1.0V (vs.SCE)。而GOx基的葡萄糖生物傳感器是通過催化葡萄糖氧化生成H2O2，該過程也需要超過0.6V(vs.SCE)的高電位。在如此高的電位下,多種電化學(xué)活性種類在生物體液中是共存的，如抗壞血酸、微生物C、尿酸，等，也將被氧化，從而產(chǎn)生干擾信號。而且基于生物酶的傳感器存在著如下的缺點(diǎn):(I)缺乏長期穩(wěn)定性，這是酶的固有特性；(2)酶，包括GOx在內(nèi)，價格都非常昂貴，成本較高；(3)酶的活性極其容易受到溫度，溶液PH值，濕度和其他雜質(zhì)如貴金屬的影響。而且葡萄糖氧化酶易溶于水，性質(zhì)不穩(wěn)定，并且酶的活性中心深埋在蛋白質(zhì)內(nèi)部，這些因素影響了葡萄糖生物傳感器的靈敏度、穩(wěn)定性及重現(xiàn)性，也限制了其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

針對上述生物酶催化劑所面臨的問題，非酶催化劑在葡萄糖檢測應(yīng)用上有著巨大的發(fā)展空間。最近，納米結(jié)構(gòu)的金屬氧化物由于其價格低廉，高生物兼容性和電催化活性，以及增強(qiáng)的電子轉(zhuǎn)移和吸附能力而受到廣泛的關(guān)注，將具有高催化活性的納米結(jié)構(gòu)金屬氧化物作為一種新的電極材料被引入了傳感器的應(yīng)用當(dāng)中，為改良非酶類葡萄糖生物傳感器提供了新機(jī)會。然而，金屬氧化物納米結(jié)構(gòu)超低的導(dǎo)電性能，例如室溫的Co3O4的電導(dǎo)率僅為1(T5S πΓ1，嚴(yán)重的局限他們在高敏感和可靠性、快速反應(yīng)的電化學(xué)生物傳感器中的廣泛應(yīng)用。增強(qiáng)在電化學(xué)生物傳感其中電子傳輸能力的方法之一是設(shè)計具有高催化活性物質(zhì)與高導(dǎo)電性的復(fù)合物材料。雖然目前研究主要基于零維、一維或二維納米結(jié)構(gòu)碳材料或金屬納米顆粒，并取得了初步的進(jìn)展。但這些低維納米結(jié)構(gòu)內(nèi)電子傳輸距離有限，各結(jié)構(gòu)間和與集流器的集成均會產(chǎn)生高的接觸電阻。因此由這些低維納米結(jié)構(gòu)所組裝成的整體電極的導(dǎo)電性能改性仍然很有限，限制其在高靈敏度、低檢測濃度極限和快速反應(yīng)的電化學(xué)傳感器中的廣泛應(yīng)用
發(fā)明內(nèi)容
:本發(fā)明的目的是提供一種具有高機(jī)械穩(wěn)定性、自支持的共軸實(shí)體/納米多孔金/Co3O4復(fù)合電極材料的制備方法及應(yīng)用，特別是在痕量葡萄糖檢測中的應(yīng)用。該發(fā)明通過原位電化學(xué)合金化/去合金化與水熱合成相結(jié)合的方式將金屬氧化物復(fù)合于三維納米多孔結(jié)構(gòu)的金屬孔道內(nèi)、并將該納米多孔結(jié)構(gòu)集成于集流器，實(shí)現(xiàn)提高電催化活性的同時最小化活性物質(zhì)與集流器接觸電阻。該復(fù)合納米結(jié)構(gòu)具有特有的雙連接納米孔道和金屬韌帶，能同時增強(qiáng)了分析物和電子的傳輸，并且納米多孔結(jié)構(gòu)所提供的超高比表面積能有效地、充分地利用金屬/氧化物復(fù)合材料增強(qiáng)的電催化活性。本發(fā)明通過喲西額技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種共軸實(shí)體/納米多孔金/Co3O4復(fù)合電極材料的制備方法，包括以下步驟a、在60°C水浴中，將純度99. 9%的無水ZnC12經(jīng)過磁子攪拌充分溶解在苯甲醇(BA99% )中得到ZnCl2/BA電解液，電解液濃度為I 2M ;b、將直徑為O. 01 O. 2mm的金線作為工作電極，Zn板作為對電極，Zn線作為參比電極，組裝成三電極電化學(xué)體系，以上混合有機(jī)溶液為電解液體在油浴中加熱并維持在100 120。。；C、在-O. 8 1. 9V的范圍內(nèi)以電化學(xué)掃描速率為5 50mV/s掃描循環(huán)，經(jīng)過20 50次合金/去合金循環(huán)過程后，得到自支持的共軸實(shí)體/納米多孔結(jié)構(gòu)的金電極材料。所述的一種共軸實(shí)體/納米多孔金/Co3O4復(fù)合電極材料的制備方法，所述步驟b中的金線經(jīng)拋光后，依次利用丙酮、乙醇和高純水清洗，最后烘干，作為工作電極。所述的一種共軸實(shí)體/納米多孔金/Co3O4復(fù)合電極材料的制備方法制備自支持的共軸實(shí)體/納米多孔結(jié)構(gòu)，制作出自支持的共軸實(shí)體/納米多孔金/Co3O4復(fù)合電極材料，包括以下步驟a、將濃度比例為3 :1的Co (NO3) 2和CTAB (十六烷基三甲基溴化銨)放在比例為6 1的乙醇和水中充分?jǐn)嚢杈鶆?；b、將權(quán)利要求1的樣品即共軸實(shí)體/納米多孔結(jié)構(gòu)的金電極材料用支撐夾夾起直立在配置溶液中央，使其四周都能充分接觸溶液；C、將準(zhǔn)備好的樣品和溶液放在反應(yīng)釜中，溫度設(shè)置為180°C，60 120min后得到自支持的共軸實(shí)體/納米多孔金/Co3O4復(fù)合電極材料。所述的一種自支持的共軸實(shí)體/納米多孔金/Co3O4復(fù)合電極材料直接用于對葡萄糖濃度的電化學(xué)測試，包括以下步驟a、將所述樣品作為工作電極，Pt作為對電極，Ag/AgCl作為參比電極，組成三電極系統(tǒng)；b、用所述樣品作為工作電極電化學(xué)測定時，將循環(huán)伏安特性曲線的范圍定為-O. 8 O. 6V進(jìn)行循環(huán)伏安法掃描；將電流-時間曲線的電壓設(shè)定為O. 26V，當(dāng)背景電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)后(I 2min)，記錄時間電流曲線段(I 2min)，并用微量進(jìn)樣器添加葡萄糖溶液樣品同時進(jìn)行攪拌(I 2min)，將在不同葡萄糖溶液濃度下測量得到的傳感器對葡萄糖的電流響應(yīng)值，在5nM 70mM范圍內(nèi)，得到電流與葡萄糖濃度的線性關(guān)系；C、所述樣品作為工作電極的電流與葡萄糖濃度的線性關(guān)系隨濃度的不同線性的斜率發(fā)生變化。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)作為電極當(dāng)作一種新型的電化學(xué)葡萄糖傳感器，直接用于葡萄糖的快速超低濃度電化學(xué)測定，自支持的共軸實(shí)體/納米多孔金/Co3O4納米顆粒復(fù)合電極材料作為電極具有催化性能高、穩(wěn)定性好、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并且對葡萄糖的檢測效率高，準(zhǔn)確度高。


:圖1、自支持的共軸實(shí)體/納米多孔金/Co3O4納米顆粒復(fù)合電極材料的制作過程不意圖，其中:(a)實(shí)體金線；(b)共軸實(shí)體/納米多孔金線；(c)共軸實(shí)體/納米多孔/氧化鈷復(fù)合結(jié)構(gòu)。圖2、自支持的共軸實(shí)體/納米多孔金線的掃描電鏡(SEM)表征圖，其中:(a)共軸實(shí)體/納米多孔金線低倍SEM表征圖；(b)共軸實(shí)體/納米多孔金線橫截斷面SEM表征圖；(c)共軸實(shí)體/納米多孔金線頂視SEM表征圖。圖3、自支持的共軸實(shí)體/納米多孔金/Co3O4納米顆粒復(fù)合電極材料的掃描電鏡(SEM)表征圖。圖4、自支持的共軸實(shí)體/納米多孔金/Co3O4納米顆粒復(fù)合電極材料的透射電鏡(TEM)表征圖。圖5、自支持的共軸實(shí)體/納米多孔金/Co3O4納米顆粒復(fù)合電極材料的拉曼光譜圖。圖6、自支持的共軸實(shí)體/納米多孔金/Co3O4納米顆粒復(fù)合電極材料的XRD光譜圖。圖7、自支持的共軸實(shí)體/納米多孔金/Co3O4納米顆粒復(fù)合電極材料與20 μ m厚的多孔金韌性實(shí)驗(yàn)對比圖片，其中:(a)純納米多孔金；(b)共軸實(shí)體/納米多孔金。圖8、自支持的共軸實(shí)體/納米多孔金/Co3O4納米顆粒復(fù)合電極材料為電極在
0.5M的KOH溶液(a)含有(b)不含有IOmM葡萄糖中的循環(huán)伏安特性曲線，其中:(a)含有(b)不含有IOmM葡萄糖中的循環(huán)伏安特性曲線；(b)不含有IOmM葡萄糖中的循環(huán)伏安特性曲線。圖9、自支持的共軸實(shí)體/納米多孔金/Co3O4納米顆粒復(fù)合電極材料作為電極對葡萄糖探測的快速響應(yīng)曲線，其中:(a)快速響應(yīng)曲線，(b)標(biāo)準(zhǔn)曲線。圖10、自支持的共軸實(shí)體/納米多孔金/Co3O4納米顆粒復(fù)合電極材料作為電極的探測極限和抗干擾性，其中:(a)電極的探測極限，(b)電極的抗干擾性。
具體實(shí)施方式
:以下結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體內(nèi)容及實(shí)施方式。實(shí)施例
本實(shí)施例中的制備過程和步驟如下(I)在60°C水浴中，將純度為99. 9% ZnCl2經(jīng)過磁子攪拌充分溶解在苯甲醇(BA99% )中得到ZnCl2/BA電解液，電解液濃度為1. 5M，將直徑為O. 2mm,長1. 5cm的金線進(jìn)行拋光，然后依次利用丙酮、乙醇和高純水清洗，最后烘干，作為工作電極待用。將寬Imm長4cm的鋅線作為參比電極，將寬為5mm長4cm的鋅板作為對電極。三個電極放在上述制備溶液中，無需設(shè)置鹽橋連接，在120°C下利用三電極系統(tǒng)在金電極上掃描循環(huán)進(jìn)行電化學(xué)合金化/去合金化過程。掃描的電壓范圍為-O. 72 1. 88V(vs. Zn)，多次循環(huán)的掃描速率選定為10mV/S，經(jīng)過循環(huán)50圈后，將金電極依次在苯甲醇、乙醇和去離子水中依次序清洗。(2)將6mM的Co (NO3) 2和2mM的CTAB (十六烷基三甲基溴化銨)放在30mL乙醇和5mL水中充分?jǐn)嚢杈鶆?；將多孔金包裹的金線用支撐夾夾起直立在配置溶液中央，使自支持多孔金包裹金線結(jié)構(gòu)四周都能充分接觸溶液，將準(zhǔn)備好樣品和溶液放在反應(yīng)釜中，溫度設(shè)置為180°C，反應(yīng)90min得到自支持的共軸實(shí)體/納米多孔金/Co3O4納米顆粒復(fù)合電極材料。(3)電化學(xué)測定時，將循環(huán)伏安特性曲線的范圍定為-0.8 O. 6V進(jìn)行循環(huán)伏安法掃描，將電流-時間曲線的電壓設(shè)定為O. 26V，當(dāng)背景電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)后(2min)，記錄時間電流曲線段(2min)，并用微量進(jìn)樣器加葡萄糖溶液樣品同時進(jìn)行攪拌(2min)，將在不同葡萄糖溶液濃度下測量得到的傳感器對葡萄糖的電流響應(yīng)值，在5nM 70mM范圍內(nèi)，得到電流與葡萄糖濃度的線性關(guān)系；電流與葡萄糖濃度的線性關(guān)系隨濃度的不同線性的斜率發(fā)生變化；將干擾物質(zhì)UA (尿酸)，AP (醋氨酚)，AA (抗壞血酸)加入到三電極測試系統(tǒng)中進(jìn)行干擾探測，與葡萄糖探測步驟相同，最后滴入葡萄糖進(jìn)行抗干擾性對比。一種作為葡萄糖傳感器的自支持的共軸實(shí)體/納米多孔金/Co3O4納米顆粒復(fù)合電極材料作為電極的用途及方法，其用途是直接用于葡萄糖濃度的電化學(xué)測定；使用方法如下電化學(xué)測定時，將循環(huán)伏安特性曲線的范圍定為-O. 8 O. 6V進(jìn)行循環(huán)伏安法掃描，將電流-時間曲線的電壓設(shè)定為O. 26V,當(dāng)背景電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)后(I 2min),記錄時間電流曲線段(I 2min)，并用微量進(jìn)樣器加葡萄糖溶液樣品同時進(jìn)行攪拌(I 2min)，將在不同葡萄糖溶液濃度下測量得到的傳感器對葡萄糖的電流響應(yīng)值，在5nM 70mM范圍內(nèi)，得到電流與葡萄糖濃度的線性關(guān)系；電流與葡萄糖濃度的線性關(guān)系隨濃度的不同線性的斜率發(fā)生變化作為葡萄糖傳感器的自支持的共軸實(shí)體/納米多孔金/Co3O4納米顆粒復(fù)合電極材料的表征通過掃描電鏡(SEM)觀察到自支持的共軸實(shí)體/納米多孔金/Co3O4納米顆粒復(fù)合電極材料的表面形態(tài)，參閱圖2和圖3。從圖中可以看出，共軸實(shí)體/納米多孔金線表面的三維雙連續(xù)的多孔結(jié)構(gòu)均勻，有效的提高了材料的比表面積，自支持的共軸實(shí)體/納米多孔金/Co3O4納米顆粒復(fù)合電極材料表面被Co3O4納米顆粒均勻覆蓋包裹，在導(dǎo)電性很大的情況下，更加增大了該復(fù)合結(jié)構(gòu)的比表面積，同時可以有效發(fā)揮Co3O4顆粒的特性，從而導(dǎo)致傳感器產(chǎn)生高敏感的電流響應(yīng)。參閱圖5和圖6，自支持多孔金包裹金線及自支持多孔金包裹金線被Co3O4顆粒再包裹的一種核殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了 XRD和DES的表征，證明該結(jié)構(gòu)制備過程的產(chǎn)物確為Co3O4顆粒。韌性測定
將本發(fā)明的電極材料和20um厚的多孔金分別做韌性測試，并實(shí)時跟蹤其最大彎折度，發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的自支持的共軸實(shí)體/納米多孔金/Co3O4納米顆粒復(fù)合電極材料任意彎折成任何形狀而不折斷。電化學(xué)測定在最佳測試條件下，自支持的共軸實(shí)體/納米多孔金/Co3O4納米顆粒復(fù)合電極材料對葡萄糖的循環(huán)伏安和計時電流的響應(yīng)參閱圖8所示。該電極材料在比自支持共軸實(shí)體/納米多孔金線有更大的電流密度，并且參閱圖10其探測葡萄糖時電流響應(yīng)時間非常短，這主要是因?yàn)橥ㄟ^本方法制備的自支持的共軸實(shí)體/納米多孔金/Co3O4納米顆粒復(fù)合電極材料具有良好的生物相容性、多孔性及超高的導(dǎo)電性。圖9顯示的是隨著葡萄糖濃度的增加，傳感器對葡萄糖的響應(yīng)逐漸增大，并且電流與葡萄糖濃度成線性關(guān)系。本發(fā)明制備的電極，參閱圖10其探測葡萄糖時電流響應(yīng)時間非常短，小于Is。對葡萄糖探測的敏感性高，探測最小葡萄糖濃度為5nM，對干擾物質(zhì)UA (尿酸)，AP (醋氨酚)，AA (抗壞血酸)抵抗性高。
權(quán)利要求
1.一種共軸實(shí)體/納米多孔金/Co3O4復(fù)合電極材料的制備方法，包括以下步驟: a、在60°C水浴中，將純度99.9 %的無水ZnCl2經(jīng)過磁子攪拌充分溶解在苯甲醇(BA99% )中得到ZnCl2/BA電解液，電解液濃度為I 2M ; b、將直徑為0.01 0.2mm的金線作為工作電極，Zn板作為對電極，Zn線作為參比電極，組裝成三電極電化學(xué)體系，以上混合有機(jī)溶液為電解液體在油浴中加熱并維持在100 120。。； C、在-0.8 1.9V的范圍內(nèi)以電化學(xué)掃描速率為5 50mV/s掃描循環(huán)，經(jīng)過20 50次合金/去合金循環(huán)過程后，得到自支持的共軸實(shí)體/納米多孔結(jié)構(gòu)的金電極材料。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種共軸實(shí)體/納米多孔金/Co3O4復(fù)合電極材料的制備方法，所述步驟b中的金線經(jīng)拋光后，依次利用丙酮、乙醇和高純水清洗，最后烘干，作為工作電極。
3.按照權(quán)利要求1所述的一種共軸實(shí)體/納米多孔金/Co3O4復(fù)合電極材料的制備方法制備自支持的共軸實(shí)體/納米多孔結(jié)構(gòu)，制作出自支持的共軸實(shí)體/納米多孔金/Co3O4復(fù)合電極材料，包括以下步驟: a、將濃度比例為3:1的Co (NO3) 2和CTAB (十六烷基三甲基溴化銨)放在比例為6:1的乙醇和水中充分?jǐn)嚢杈鶆颍? b、將權(quán)利要求1的樣品即共軸實(shí)體/納米多孔結(jié)構(gòu)的金電極材料用支撐夾夾起直立在配置溶液中央，使其四周都能充分接觸溶液； C、將準(zhǔn)備好的樣品和溶液放在反應(yīng)釜中，溫度設(shè)置為180°C，60 120min后得到自支持的共軸實(shí)體/納米多孔金/Co3O4復(fù)合電極材料。
4.按照權(quán)利要求3所述的一種自支持的共軸實(shí)體/納米多孔金/Co3O4復(fù)合電極材料直接用于對葡萄糖濃度的電化學(xué)測試，包括以下步驟: a、將所述樣品作為工作電極，Pt作為對電極，Ag/AgCl作為參比電極，組成三電極系統(tǒng)； b、用所述樣品作為工作電極電化學(xué)測定時，將循環(huán)伏安特性曲線的范圍定為-0.8 0.6V進(jìn)行循環(huán)伏安法掃描；將電流-時間曲線的電壓設(shè)定為0.26V，當(dāng)背景電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)后(I 2min),記錄時間電流曲線段(I 2min),并用微量進(jìn)樣器添加葡萄糖溶液樣品同時進(jìn)行攪拌(I 2min)，將在不同葡萄糖溶液濃度下測量得到的傳感器對葡萄糖的電流響應(yīng)值，在5nM 70mM范圍內(nèi)，得到電流與葡萄糖濃度的線性關(guān)系； C、所述樣品作為工作電極的電流與葡萄糖濃度的線性關(guān)系隨濃度的不同線性的斜率發(fā)生變化。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種共軸實(shí)體/納米多孔金/Co3O4復(fù)合電極材料的制備方法及應(yīng)用，利用電化學(xué)合金化/去合金化原位刻蝕技術(shù)制備自支持共軸實(shí)體/納米多孔金電極材料，并在該材料的外層多孔金上通過水熱合成的方式修飾Co3O4納米顆粒作為一種新型生物傳感器的金屬/氧化物復(fù)合電極的制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明是基于三電極電化學(xué)體系，在金線上通過電化學(xué)合金化/去合金化制備自支持共軸實(shí)體/納米多孔金電極材料，該材料在硝酸鈷和十六烷基三甲基溴化銨溶液通過水熱合成過程后制得自支持的共軸實(shí)體/納米多孔金/Co3O4的復(fù)合納米結(jié)構(gòu)，并將該材料用于葡萄糖的電化學(xué)檢測。結(jié)果表明由于Au和Co3O4的交互作用和特有的微觀結(jié)構(gòu)共同效應(yīng)，該材料對葡萄糖具有極高敏感度。
文檔編號G01N27/48GK103076375SQ20121056301
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月21日
發(fā)明者郎興友, 付紅穎, 姚麗君, 文子, 楊萍, 朱永福, 趙明, 李建忱, 蔣青 申請人:吉林大學(xué)