以不銹鋼針為基底的鉑和聚苯胺復(fù)合納米纖維三維功能結(jié)構(gòu)葡萄糖傳感器及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公布了一種以不銹鋼針為基底的鉑和聚苯胺復(fù)合納米纖維三維功能結(jié)構(gòu)葡萄糖傳感器及制備方法，該傳感器的制備方法包括：(1)有序金電極的制備；(2)電化學(xué)沉積法制備鉑和聚苯胺復(fù)合的納米纖維三維功能結(jié)構(gòu)薄膜；(3)葡萄糖氧化酶的吸附與交聯(lián)；(4)生物相容性薄膜涂覆；有益效果：本發(fā)明所述的以不銹鋼針為基底的鉑和聚苯胺復(fù)合納米纖維三維功能結(jié)構(gòu)葡萄糖傳感器不僅具有良好的物理與化學(xué)穩(wěn)定性，而且具有較大的檢測(cè)范圍以及較高的靈敏度，可用于生物體內(nèi)血糖濃度的檢測(cè)。
【專利說(shuō)明】以不銹鋼針為基底的鉑和聚苯胺復(fù)合納米纖維三維功能結(jié)構(gòu)葡萄糖傳感器及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及聚合物功能材料領(lǐng)域以及電化學(xué)傳感器領(lǐng)域，尤其涉及以不銹鋼針為基底的鉬和聚苯胺復(fù)合納米纖維三維功能結(jié)構(gòu)葡萄糖傳感器及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]導(dǎo)電聚合物由一些具有π鍵的聚合物經(jīng)化學(xué)或電化學(xué)手段摻雜后形成，由于其獨(dú)特的導(dǎo)電性能、可逆的摻雜過(guò)程、可控的物理化學(xué)性質(zhì)以及優(yōu)良的可加工性，可廣泛應(yīng)用于電致變色材料、電磁屏蔽等方面。其中，導(dǎo)電聚苯胺作為導(dǎo)電聚合物中的一種，由于其物理化學(xué)性質(zhì)良好、制備簡(jiǎn)單，在葡萄糖生物傳感器上得到了廣泛應(yīng)用。
[0003]鉬金屬由于其良好的化學(xué)穩(wěn)定性以及催化活性，被廣泛在導(dǎo)電聚苯胺葡萄糖生物傳感器上作為表面催化劑。然而，現(xiàn)有技術(shù)鉬在作為表面催化劑使用時(shí)均以納米顆粒的形式離散地分布在聚苯胺纖維表面，其量不足，影響對(duì)酶的整體催化能力；還有的是以鉬薄膜的形式鍍復(fù)在整個(gè)表面，使得聚苯胺三維纖維結(jié)構(gòu)被復(fù)蓋而影響到其三維纖維結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮。為要克服這些問(wèn)題，所以如何獲得一種鉬和聚苯胺復(fù)合納米纖維三維功能結(jié)構(gòu)葡萄糖傳感器及制備方法是非常有必要的。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明為克服上述的不足之處，目的在于提供一種以不銹鋼針為基底的鉬和聚苯胺復(fù)合納米纖維三維功能結(jié)構(gòu)葡萄糖傳感器，其采用鉬和聚苯胺復(fù)合的納米纖維三維結(jié)構(gòu)，其擁有比平面電極大2-3個(gè)數(shù)量級(jí)的比表面積，可容納更多的酶和固定化環(huán)境，能夠與酶密切接觸催化，有效地發(fā)揮葡萄糖傳感器的整體性能；
[0005]本發(fā)明另一目的在于提供一種該葡萄糖傳感器的制備方法，該方法能夠制造出更穩(wěn)定、高效的葡萄糖傳感器。
[0006]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案達(dá)到上述目的:一種以不銹鋼針為基底的鉬和聚苯胺復(fù)合納米纖維三維結(jié)構(gòu)葡萄糖傳感器，包括不銹鋼針1、有序納米金層2、鉬和聚苯胺復(fù)合纖維薄膜3和生物保護(hù)性膜4，有序納米金層2修飾在不銹鋼針I(yè)的外層，鉬和聚苯胺復(fù)合纖維薄膜3修飾在有序納米金層2的外層，生物保護(hù)性膜4修飾在鉬和聚苯胺復(fù)合纖維薄膜3外層，上述的不銹鋼針1、有序納米金層2、鉬和聚苯胺復(fù)合纖維薄膜3和生物保護(hù)性膜4依次呈階梯狀。
[0007]作為優(yōu)選，所述的鉬和聚苯胺復(fù)合納米纖維薄膜孔徑為100-300納米，纖維直徑約為100-300納米。
[0008]作為優(yōu)選，所述的鉬和聚苯胺復(fù)合納米纖維薄膜中的鉬以完全包裹單根聚苯胺纖維的方式存在。
[0009]作為優(yōu)選，所述的生物保護(hù)性膜的主要成分是葡萄糖氧化酶。
[0010]一種以不銹鋼針為基底的鉬和聚苯胺復(fù)合納米纖維三維結(jié)構(gòu)葡萄糖傳感器，其制備方法的步驟如下:
[0011](I)取苯胺單體溶液，加入無(wú)機(jī)酸作為水解催化劑在低溫下攪拌，攪拌至溶液重新澄清，得到摻雜苯胺單體溶液；
[0012](2)采用不銹鋼針為基底，進(jìn)行納米化溝槽修飾，再對(duì)該基底采用化學(xué)電鍍的方法修飾有序納米金，制得有序納米金電極；
[0013](3)將步驟(I)制得的摻雜苯胺單體溶液在有序金電極基底上進(jìn)行電化學(xué)沉積，采用恒壓法，調(diào)節(jié)電化學(xué)電壓，在正電極得到固化的本征態(tài)聚苯胺；
[0014](4)將步驟(2)制得的本征態(tài)聚苯胺在磷酸鹽溶液中電化學(xué)摻雜，烘干，得到固化的導(dǎo)電態(tài)聚苯胺薄膜；
[0015](5)將步驟(3)制得的導(dǎo)電聚苯胺薄膜在鉬鹽鍍液中電化學(xué)摻雜，調(diào)節(jié)電化學(xué)電壓，烘干，得到鉬和導(dǎo)電聚苯胺復(fù)合纖維薄膜；
[0016](6)將步驟(4)制得的電極在配置好的葡萄糖氧化酶溶液中靜電吸附，溫度為15-25攝氏度，時(shí)間為0.75小時(shí)-1.25小時(shí)，靜電吸附時(shí)間與薄膜厚度相關(guān)；
[0017](7)將步驟(5)制得的電極進(jìn)行化學(xué)交聯(lián)，交聯(lián)劑為戊二醛；
[0018](8)將步驟(6)制得的電極進(jìn)行生物相容性溶劑浸泡，室溫干燥8-10小時(shí)，得到葡萄糖傳感器。
[0019]作為優(yōu)選，所述的無(wú)機(jī)酸為硝酸、硫酸其中的一種或兩種。
[0020]作為優(yōu)選，所述的低溫為0-10攝氏度。
[0021]作為優(yōu)選，所述步驟(3)中的調(diào)節(jié)電化學(xué)電壓范圍為-1一-5V。
[0022]作為優(yōu)選，所述步驟(5)中的調(diào)節(jié)電化學(xué)電壓范圍為-0.5—-2V。
[0023]作為優(yōu)選，所述的葡糖糖氧化酶溶液包含0-24mmol/L的葡萄糖氧化酶、生物活性劑和保護(hù)劑。
[0024]本發(fā)明的有益效果在于:(I)制備過(guò)程統(tǒng)一采用電化學(xué)手段，制備方法簡(jiǎn)單、操作方便、可控性強(qiáng)，可用于大規(guī)模制備。(2)以鉬和聚苯胺復(fù)合納米纖維為基底的葡萄糖生物傳感器的靈敏度和響應(yīng)速度高。(3)提供的鉬和聚苯胺復(fù)合納米纖維不僅具有微納效應(yīng)，同時(shí)，由于其復(fù)合纖維表現(xiàn)為被鉬完全包裹，該膜具有較穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)和更好的催化性質(zhì)。(4)制得的有序納米金電極表現(xiàn)為電極表面具有有序納米金溝槽。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1是本發(fā)明所述的鉬和聚苯胺復(fù)合納米纖維三維結(jié)構(gòu)葡萄糖傳感器；
[0026]圖2是本發(fā)明所述的有序納米金電極圖；
[0027]圖3是本發(fā)明所述的鉬和聚苯胺復(fù)合納米纖維圖；
[0028]圖4是本發(fā)明所述的鉬和聚苯胺復(fù)合納米纖維的能譜圖；
[0029]圖5是本發(fā)明所述的鉬和聚苯胺復(fù)合納米纖維三維結(jié)構(gòu)葡萄糖傳感器靈敏度曲線圖；
[0030]圖6是本發(fā)明所述的鉬和聚苯胺復(fù)合納米纖維三維結(jié)構(gòu)葡萄糖傳感器響應(yīng)速度曲線圖；
[0031]圖7是本發(fā)明所述的鉬和聚苯胺復(fù)合納米纖維三維結(jié)構(gòu)葡萄糖傳感器靈敏度曲線以及純鉬基底的葡萄糖生物傳感器靈敏度曲線圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于此:
[0033]實(shí)施例1:本發(fā)明所述的鉬和聚苯胺復(fù)合納米纖維三維結(jié)構(gòu)葡萄糖傳感器其結(jié)構(gòu)如圖1所示:由不銹鋼針1、有序納米金層2、鉬和聚苯胺復(fù)合纖維薄膜3和生物保護(hù)性膜4四部分構(gòu)成，有序納米金層2修飾在不銹鋼針I(yè)的外層，鉬和聚苯胺復(fù)合纖維薄膜3修飾在有序納米金層2的外層，生物保護(hù)性膜4修飾在鉬和聚苯胺復(fù)合纖維薄膜3外層，上述的不銹鋼針1、有序納米金層2、鉬和聚苯胺復(fù)合纖維薄膜3和生物保護(hù)性膜4依次呈階梯狀。
[0034]制備過(guò)程如下:
[0035](I)取苯胺單體溶液，加入硝酸作為水解催化劑在低溫下攪拌，攪拌至溶液重新澄清，得到摻雜苯胺單體溶液；
[0036](2)采用不銹鋼針為基底，進(jìn)行納米化溝槽修飾，再對(duì)該基底采用化學(xué)電鍍的方法修飾有序納米金，制得有序納米金電極，其中，有序納米金電極如圖2所示
[0037](3)將步驟(I)制得的摻雜苯胺單體溶液在有序金電極基底上進(jìn)行電化學(xué)沉積，采用恒壓法，調(diào)節(jié)電化學(xué)電壓為-1V，在正電極得到固化的本征態(tài)聚苯胺；
[0038](4)將步驟(2)制得的本征態(tài)聚苯胺在磷酸鹽溶液中電化學(xué)摻雜，烘干，得到固化的導(dǎo)電態(tài)聚苯胺薄膜；
[0039](5)將步驟(3)制得的導(dǎo)電聚苯胺薄膜在鉬鹽鍍液中電化學(xué)摻雜，調(diào)節(jié)電化學(xué)電壓為-0.5V，烘干，得到鉬和導(dǎo)電聚苯胺復(fù)合纖維薄膜；其形貌表現(xiàn)為鉬納米纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)薄膜，如圖3掃描電鏡照片所示(該圖所示，該復(fù)合膜孔洞直徑為100-300納米，纖維直徑為100-300納米)。在金基底上對(duì)該薄膜做能譜測(cè)試，如圖4所示，借此可證明該薄膜被大量鉬沉積在表面，甚至完全包裹。
[0040](6)將步驟(4)制得的電極在8mmol/L葡萄糖氧化酶溶液中靜電吸附，溫度為15攝氏度，時(shí)間為0.75小時(shí)；
[0041](7)將步驟(5)制得的電極進(jìn)行化學(xué)交聯(lián)，交聯(lián)劑為戊二醛；
[0042](8)將步驟(6)制得的電極進(jìn)行生物相容性溶劑浸泡，室溫干燥8小時(shí)，得到葡萄糖傳感器。
[0043]傳感器性能測(cè)試:
[0044]制備的葡萄糖生物傳感器在體外磷酸緩沖液試劑溶液中測(cè)試，測(cè)試電壓正負(fù)極電壓差為0.55V，在200rpm磁力攪拌條件下，向測(cè)試液中逐步添加高濃度葡萄糖溶液，使測(cè)試液濃度逐步提升，獲得的葡萄糖傳感器靈敏度曲線如圖5。
[0045]在同樣條件下，向被測(cè)液中添加微量葡萄糖溶液，獲得傳感器響應(yīng)速度曲線，如圖6所示。
[0046]為了充分說(shuō)明以鉬和導(dǎo)電態(tài)聚苯胺復(fù)合納米纖維為基底的葡萄糖生物傳感器性能，還對(duì)純鉬基底葡萄糖生物傳感器進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7所示(a表示純鉬基底的葡萄糖生物傳感器靈敏度曲線，b表示鉬和聚苯胺復(fù)合納米纖維三維結(jié)構(gòu)葡萄糖生物傳感器靈敏度曲線)。
[0047]實(shí)施例2:本發(fā)明所述的鉬和聚苯胺復(fù)合納米纖維三維結(jié)構(gòu)葡萄糖傳感器制備過(guò)程如下:
[0048](I)取苯胺單體溶液，加入硫酸作為水解催化劑在低溫下攪拌，攪拌至溶液重新澄清，得到摻雜苯胺單體溶液；
[0049](2)采用不銹鋼針為基底，進(jìn)行納米化溝槽修飾，再對(duì)該基底采用化學(xué)電鍍的方法修飾有序納米金，制得有序納米金電極；
[0050](3)將步驟(I)制得的摻雜苯胺單體溶液在有序金電極基底上進(jìn)行電化學(xué)沉積，采用恒壓法，調(diào)節(jié)電化學(xué)電壓為-3V，在正電極得到固化的本征態(tài)聚苯胺；
[0051](4)將步驟(2)制得的本征態(tài)聚苯胺在磷酸鹽溶液中電化學(xué)摻雜，烘干，得到固化的導(dǎo)電態(tài)聚苯胺薄膜；
[0052](5)將步驟(3)制得的導(dǎo)電聚苯胺薄膜在鉬鹽鍍液中電化學(xué)摻雜，調(diào)節(jié)電化學(xué)電壓為-1.25V，烘干，得到鉬和導(dǎo)電聚苯胺復(fù)合纖維薄膜；
[0053](6)將步驟(4)制得的電極在12mmol/L葡萄糖氧化酶溶液中靜電吸附，溫度為20攝氏度，時(shí)間為I小時(shí)；
[0054](7)將步驟(5)制得的電極進(jìn)行化學(xué)交聯(lián)，交聯(lián)劑為戊二醛；
[0055](8)將步驟(6)制得的電極進(jìn)行生物相容性溶劑浸泡，室溫干燥9小時(shí)，得到葡萄糖傳感器。
[0056]實(shí)施例3:本發(fā)明所述的鉬和聚苯胺復(fù)合納米纖維三維結(jié)構(gòu)葡萄糖傳感器制備過(guò)程如下:
[0057](I)取苯胺單體溶液，加入硝酸和硫酸作為水解催化劑在低溫下攪拌，攪拌至溶液重新澄清，得到摻雜苯胺單體溶液；
[0058](2)采用不銹鋼針為基底，進(jìn)行納米化溝槽修飾，再對(duì)該基底采用化學(xué)電鍍的方法修飾有序納米金，制得有序納米金電極；
[0059](3)將步驟(I)制得的摻雜苯胺單體溶液在有序金電極基底上進(jìn)行電化學(xué)沉積，采用恒壓法，調(diào)節(jié)電化學(xué)電壓為-5V，在正電極得到固化的本征態(tài)聚苯胺；
[0060](4)將步驟(2)制得的本征態(tài)聚苯胺在磷酸鹽溶液中電化學(xué)摻雜，烘干，得到固化的導(dǎo)電態(tài)聚苯胺薄膜；
[0061](5)將步驟(3)制得的導(dǎo)電聚苯胺薄膜在鉬鹽鍍液中電化學(xué)摻雜，調(diào)節(jié)電化學(xué)電壓為-2V，烘干，得到鉬和導(dǎo)電聚苯胺復(fù)合纖維薄膜；
[0062](6)將步驟⑷制得的電極在16mmol/L葡萄糖氧化酶溶液中靜電吸附，溫度為25攝氏度，時(shí)間為1.25小時(shí)；
[0063](7)將步驟(5)制得的電極進(jìn)行化學(xué)交聯(lián)，交聯(lián)劑為戊二醛；
[0064](8)將步驟(6)制得的電極進(jìn)行生物相容性溶劑浸泡，室溫干燥10小時(shí)，得到葡萄糖傳感器。
[0065]以上的所述乃是本發(fā)明的具體實(shí)施例及所運(yùn)用的技術(shù)原理，若依本發(fā)明的構(gòu)想所作的改變，其所產(chǎn)生的功能作用仍未超出說(shuō)明書及附圖所涵蓋的精神時(shí)，仍應(yīng)屬本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種以不銹鋼針為基底的鉬和聚苯胺復(fù)合納米纖維三維結(jié)構(gòu)葡萄糖傳感器，其特征在于:包括不銹鋼針(I)、有序納米金層(2)、鉬和聚苯胺復(fù)合纖維薄膜(3)和生物保護(hù)性膜(4)，有序納米金層(2)修飾在不銹鋼針(I)的外層，鉬和聚苯胺復(fù)合纖維薄膜(3)修飾在有序納米金層(2)的外層，生物保護(hù)性膜(4)修飾在鉬和聚苯胺復(fù)合纖維薄膜(3)外層，上述的不銹鋼針(I)、有序納米金層(2)、鉬和聚苯胺復(fù)合纖維薄膜(3)和生物保護(hù)性膜(4)依次呈階梯狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以不銹鋼針為基底的鉬和聚苯胺復(fù)合納米纖維三維結(jié)構(gòu)葡萄糖傳感器，其特征在于:所述的鉬和聚苯胺復(fù)合納米纖維薄膜孔徑為100-300納米，纖維直徑約為100-300納米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種以不銹鋼針為基底的鉬和聚苯胺復(fù)合納米纖維三維結(jié)構(gòu)葡萄糖傳感器，其特征在于:所述的鉬和聚苯胺復(fù)合納米纖維薄膜中的鉬以完全包裹單根聚苯胺纖維的方式存在。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種以不銹鋼針為基底的鉬和聚苯胺復(fù)合納米纖維三維結(jié)構(gòu)葡萄糖傳感器，其特征在于:所述的生物保護(hù)性膜的主要成分是葡萄糖氧化酶。
5.一種制備如權(quán)利要求1所述的葡萄糖傳感器的方法，其特征在于:其步驟如下: (1)取苯胺單體溶液，加入無(wú)機(jī)酸作為水解催化劑在低溫下攪拌，攪拌至溶液重新澄清，得到摻雜苯胺單體溶液； (2)采用不銹鋼針為基底，進(jìn)行納米化溝槽修飾，再對(duì)該基底采用化學(xué)電鍍的方法修飾有序納米金，制得有序納米金電極； (3)將步驟(1)制得的摻雜苯胺單體溶液在有序金電極基底上進(jìn)行電化學(xué)沉積，采用恒壓法，調(diào)節(jié)電化學(xué)電壓，在正電極得到固化的本征態(tài)聚苯胺； (4)將步驟(2)制得的本征態(tài)聚苯胺在磷酸鹽溶液中電化學(xué)摻雜，烘干，得到固化的導(dǎo)電態(tài)聚苯胺薄膜； (5)將步驟(3)制得的導(dǎo)電聚苯胺薄膜在鉬鹽鍍液中電化學(xué)摻雜，調(diào)節(jié)電化學(xué)電壓，烘干，得到鉬和導(dǎo)電聚苯胺復(fù)合纖維薄膜； (6)將步驟(4)制得的電極在配置好的葡萄糖氧化酶溶液中靜電吸附，溫度為15-25攝氏度； (7)將步驟(5)制得的電極進(jìn)行化學(xué)交聯(lián)，交聯(lián)劑為戊二醛； (8)將步驟(6)制得的電極進(jìn)行生物相容性溶劑浸泡，室溫干燥8-10小時(shí)，得到葡萄糖傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種制備如權(quán)利要求1所述的葡萄糖傳感器的方法，其特征在于:所述步驟(1)中的無(wú)機(jī)酸為硝酸、硫酸其中的一種或兩種。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種制備如權(quán)利要求1所述的葡萄糖傳感器的方法，其特征在于:所述步驟⑴中的低溫為0-10攝氏度。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種制備如權(quán)利要求1所述的葡萄糖傳感器的方法，其特征在于:所述步驟(3)中的調(diào)節(jié)電化學(xué)電壓范圍為-1一-5V。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種制備如權(quán)利要求1所述的葡萄糖傳感器的方法，其特征在于:所述步驟(5)中的調(diào)節(jié)電化學(xué)電壓范圍為-0.5一-2V。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種制備如權(quán)利要求1所述的葡萄糖傳感器的方法，其特征在于:所述步驟(6)中的葡糖糖氧化酶溶液包含濃度為0-24mmol/L的葡萄糖氧化酶、生物活性劑和保 護(hù)劑。
【文檔編號(hào)】G01N27/26GK103983675SQ201410242601
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月30日
【發(fā)明者】陳裕泉, 王滄, 陳大競(jìng), 陳瑋, 管文軍, 潘敏 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)