基于过渡金属化合物纳米材料的无酶型葡萄糖传感器研究

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糖尿病,是胰岛素分泌缺陷或其生物作用受阻而引起的一种慢性、内分泌代谢性疾病。随着人类经济和生活水平的提高,营养和生活方式发生了改变,糖尿病患者(主要是II型糖尿病)的人数呈显著增长趋势。糖尿病的发生是遗传因素与环境因素共同作用的结果。活动量减少、肥胖、饮食结构变化、妊娠及心理应激等是导致糖尿病发生的主要环境因素。糖尿病及其伴随的并发症,已然成为对人类的健康和生命造成严重危害的公共卫生问题,如冠心病、中风、高血压、糖尿病肾病、失明和截肢等。目前,糖尿病的临床治疗方法主要是对患者的血糖严格监测,而使血糖浓度处于安全范围。这对于病情控制及预防严重并发症十分重要。目的:糖尿病是一种胰岛素分泌缺陷或其生物作用受阻而引起的慢性、内分泌代谢性疾病。目前糖尿病还无法完全治愈,临床采用的治疗手段主要是对患者血糖进行严格的监控,以确保患者血糖浓度处于安全范围。血糖的精准测定和动态监测,对实现糖尿病的临床诊断和个人监护十分必要。因此,发展快速、灵敏、稳定和商品化的葡萄糖检测装置成为了必然的诉求。本研究采用便宜、易得的原料和较简单的方法合成了两种过渡金属化合物,并以此构建了两种葡萄糖无酶型电化学传感器。方法:首先,过渡金属化合物纳米材料的制备与传感器的构建方法如下。在第一章中,采用溶剂热法,以乙二醇为溶剂,氯化铜、氯化钴、硫脲为原料,合成了CuCo2S4纳米花。将得到的黑色粉末溶于0.5%的Nafion水溶液,并超声30分钟得到分散均匀的混合液。将该混合液滴涂于打磨好的玻碳电极表面,即构建了CuCo2S4/GCE无酶型葡萄糖传感器。在第二章中,采用两步水热法制备了NiMoO4纳米棒(NiMoO4 NRs)。第一步:在水溶剂中以葡萄糖为原料水热合成了纳米碳球;第二步:以纳米碳球为模板,将硝酸镍、钼酸钠和纳米碳球于水中混合均匀,水热反应获得双金属镍、钼氢氧化物;第三步:将上述双金属氢氧化物于空气中400oC退火处理1 h,即得到NiMoO4纳米棒。将合成的NiMoO4纳米棒溶于0.5%的Nafion水溶液,超声混匀后滴涂于玻碳电极表面,构建了NiMoO4 NRs/GCE无酶型葡萄糖传感器。此外,纳米材料的表征采用了扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和X射线光电子能谱仪(XPS)。传感器性能的研究采用循环伏安法(CV)和计时电流法(i-t)等方法进行。结果:SEM、XRD和XPS图表明我们成功制备了CuCo2S4纳米花和NiMoO4纳米棒。CV和i-t结果显示,两种纳米材料对葡萄糖的氧化有良好的催化活性。利用计时电流法对传感器的工作电位和催化材料的负载量进行了优化。在最优实验条件下,采用计时电流法对葡萄糖进行检测,CuCo2S4/GCE的线性范围为0.5μM2.5 mM,检出限为0.1μM(S/N=3),灵敏度为3858μA?mM-1?cm-2;NiMoO4NRs/GCE的线性范围为0.2μM2.633 mM和2.63310.133 mM,检出限为0.02μM(S/N=3),两段线性范围的灵敏度分别为469.3μA?mM-1?cm-2和277.6μA?mM-1?cm-2。结论:我们成功制备了对葡萄糖的氧化有良好催化活性的双金属化合物纳米材料,并基于此构建了CuCo2S4/GCE和NiMoO4 NRs/GCE传感器。这两种传感器均对葡萄糖有良好的电化学响应,以及较好的重现性、稳定性和抗干扰能力等。相对于其他报道的无酶型葡萄糖传感器,CuCo2S4/GCE具有更高的灵敏度和较低的检出限,而NiMoO4 NRs/GCE具有更低的检出限和更宽的线性范围。两种传感器均成功用于实际血样中血糖的检测,加标回收率较高。
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