專利名稱：：鈦基底上鎳-鋁水滑石納米片陣列無酶葡萄糖傳感器電極的制作方法鈦基底上鎳-鋁水滑石納米片陣列無酶葡萄糖傳感器電極
技術(shù)領(lǐng)域：
發(fā)明涉及無酶葡萄糖傳感器電極，具體為一種鈦基底上鎳-鋁水滑石納米片陣列無酶葡萄糖傳感器電極。屬于生物、醫(yī)學(xué)、分析化學(xué)、電子儀器、電子信息等領(lǐng)域，主要用于生物、臨床醫(yī)學(xué)、化學(xué)、化工等類產(chǎn)品的電化學(xué)分析儀器中。技術(shù)背景在普通的電化學(xué)葡萄糖探測電極上，需要用殼聚糖或者Nafion將起電化學(xué)反應(yīng)作用的葡萄糖氧化酶固定在電極上。由于葡萄糖氧化酶價格昂貴，不易保存，必須低溫冷藏，容易失活，如果保存不當(dāng)，葡萄糖氧化酶就會失去催化活性，失去葡萄糖濃度探測的作用，因此，這種電極的廉價、方便和普及使用就存在著難以克服的困難；同時，固定葡萄糖氧化酶的殼聚糖或者Nafion都有微溶于水的性質(zhì)，于是，起電化學(xué)反應(yīng)作用的葡萄糖氧化酶就會隨著殼聚糖或者Nafion慢慢溶于水，即長時間或者多次的使用，電極上的葡萄糖氧化酶就會變得越來越少，其電化學(xué)性能就會越來越差。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是通過納米技術(shù)實現(xiàn)二價鎳化合物[NihAlx(0H)2]x+[An—]x/*nH20在具有電化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性的鈦基底上均勻、可控和納米結(jié)構(gòu)生長，得到一種性價比高和通用性強(qiáng)的葡萄糖無酶傳感器電極，服務(wù)于人體血糖的簡單、方便、廉價和快速檢測，保障人們身心健康，促進(jìn)社會穩(wěn)定、和諧與發(fā)展。本發(fā)明的原理是應(yīng)用在電化學(xué)過程中，二價鎳化合物在堿性溶液中氧化成三價鎳(在本發(fā)明中的二價鎳化合物為鎳-鋁水滑石材料[NihAlx(0H)2]x+[Am—]x/znH20，其中A"—為陰離子碳酸根[C03]—，硝酸根[N03]2—等)，又由于溶液中存在的葡萄糖的還原作用，使得三價鎳還原成為二價鎳，從而可以探測到電化學(xué)過程溶液中葡萄糖的存在及其多少，即無酶葡萄糖傳感器電極的工作原理。本發(fā)明的關(guān)鍵是，在具有電化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性的鈦基底上制備鎳-鋁水滑石材料納米結(jié)構(gòu)片狀陣列，由于材料的納米結(jié)構(gòu)陣列，可以達(dá)到同時保障傳感器的整體均勻性和大的表面積及高靈敏度的目的。實施本發(fā)明的目的方案是一種無酶葡萄糖傳感器電極，其特征在于，該電極為鈦基底上鎳-鋁水滑石納米片陣列構(gòu)成，其單個鎳-鋁水滑石納米片厚度2040納米、直徑200400納米，垂直、均勻、致密地分布在鈦金屬表面，呈現(xiàn)陣列形式。本發(fā)明的一種無酶葡萄糖傳感器電極制備方法包括將鈦金屬用稀氫氟酸溶液浸泡、清水沖洗后置入六水硝酸鎳、九水硝酸鋁和尿素配制的蒸餾水溶液中；然后將所述的水溶液連同鈦金屬置于高壓釜內(nèi)的聚四氟乙烯內(nèi)膽中密封加熱到70'C以上，優(yōu)選75'C-95。C，保持36小時以上，優(yōu)選36-72小時；自然冷卻后將鈦金屬取出，得到鈦基底上鎳-鋁水滑石納米片陣列無酶葡萄糖傳感器電極樣品，其中六水硝酸鎳濃度為2.036克/70-140毫升水、九水硝酸鋁濃度為1.313克/70-140毫升水，尿素濃度為4.200克/70-140毫升水。其中，所述的鈦金屬#4居需要，可為鈦片、鈦棒或鈦絲。本發(fā)明的無酶葡萄糖傳感器電極的應(yīng)用，其特征在于，用于生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)、化工、電子儀器、電子信息類產(chǎn)品中。將得到的樣品，用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本電子公司生產(chǎn)，型號JE0L6700F)觀察其表面生長的納米片陣列狀況，并做X射線衍射晶體結(jié)構(gòu)分析(丹東奧龍射線儀器有限公司，型號Y2000)。試驗結(jié)果表明，鎳-鋁水滑石納米片厚度2040納米、直徑200400納米，垂直、均勻、致密地分布在鈦金屬表面，呈現(xiàn)陣列形式。鎳-鋁水滑石納米片陣列無酶葡萄糖傳感器電極的性能應(yīng)用電化學(xué)工作站測試(上海辰華公司，型號CHI660C)，鈦基底上鎳-鋁水滑石納米片陣列做工作電極，鉑絲做輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極，結(jié)果表明，該工作電極靈敏度高、探測極限低、反應(yīng)速度快、線性范圍大、工作性能穩(wěn)定。本發(fā)明與現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)相比有如下優(yōu)點和積極效果1、鈦基底作為鎳-鋁水滑石納米片陣列載體，其在電化學(xué)過程中的化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性保障了電極工作的穩(wěn)定性。2、鎳-鋁水滑石納米片陣列電極直接探測葡萄糖溶液的濃度，不但省去了價格昂貴的葡萄糖氧化酶(電極呈幾十倍價格降低)，而且易于保存，室溫、空氣環(huán)境中保存、可以長期、重復(fù)多次穩(wěn)定使用。因為在普通的電化學(xué)葡萄糖探測電極上，需要用殼聚糖或者Nafion將起電化學(xué)反應(yīng)作用的葡萄糖氧化酶固定在電極上，但是，殼聚糖或者Nafion都有微溶于水的性質(zhì)，于是，起電化學(xué)反應(yīng)作用的葡萄糖氧化酶就會隨著殼聚糖或者Nafion慢慢溶于水，即長時間或者多次的使用，電極上的葡萄糖氧化酶就會變得越來越少，其電化學(xué)性能就會越來越差。但是，在鎳-鋁水滑石納米片陣列無酶葡萄糖傳感器電極上，不需要使用葡萄糖氧化酶作為電化學(xué)作用反應(yīng)物，這時起電化學(xué)反應(yīng)作用的是納米鎳-鋁i水滑石材料中本身的二價鎳與三價鎳之間的轉(zhuǎn)換。從理論上講鎳-鋁水滑石材料不會溶解在水中，因為該納米結(jié)構(gòu)材茅if是在水熱過程中生長在鈦基底上的，鎳離子數(shù)不會減少，因此傳感器的性能不會因為長期或者多次使用而變差。具有靈敏度高(大于35.O微安，每毫摩爾每升(濃度)*每平方厘米(電極面積))、探測極限低(葡萄糖濃度為0.005毫摩爾每升時，傳感器電極能反應(yīng)出人可以辨別到的電流差別)、反應(yīng)快(小于5秒)、線性范圍大(在葡萄糖濃度為0.005IO毫摩爾每升范圍內(nèi)，工作電極的電流一濃度曲線保持線性)、工作性能穩(wěn)定、價格低廉、方便適用等優(yōu)點。3、鎳-鋁水滑石納米片陣列是在水熱過程中生長在鈦基底上的，由于該材料制備方法的簡單性、易控性、能耗低、成本低和材料生長環(huán)境的均勻性，極易實現(xiàn)低成本、大批量、大面積、均勻工業(yè)化量產(chǎn)。圖1實施例1制備的樣品的顯微鏡照片圖2實施例1制備的樣品的X射線衍射3實施例2制備的樣品的顯微鏡照片圖4實施例2制備的樣品的X射線衍射5實施例3制備的樣品的顯微鏡照片圖6實施例3制備的樣品的X射線衍射7實施例1制備的樣品的測試工作電極的電流一濃度曲線具體實施方式具體配方、工藝參數(shù)和性能測試實例如下實例中工藝參數(shù)范圍，六水硝酸鎳濃度為2.036克/70-140毫升水、九水硝酸鋁濃度為1.313克/70-140毫升水，尿素濃度為4.200克/70-140毫升水；高壓釜加熱到70°C以上，更好加熱到75。C-95°C;加熱保持時間36小時以上，更好保持36-72小時。實施例1鎳-鋁水滑石納米片陣列電極制備將2.036克六水硝酸鎳(Ni(N03)2*6H20)、1.313克九水硝酸鋁(A1(N03)3.9H20)、4.200克尿素(C0N2H4)溶于70.0毫升水中，用磁力攪拌器攪拌，使其充分溶解，混合均勻，配成混合溶液；將厚度0.2毫米、寬度2.0毫米、長度60.0毫米的鈦金屬片用稀氫氟酸(HF)溶液浸泡、清水沖洗后置入已經(jīng)配置的溶液中；然后將所述的溶液連同鈦金屬置于高壓釜內(nèi)的聚四氟乙烯內(nèi)膽中密封加熱到95。C,保持36小時；自然冷卻后將鈦金屬片取出，得到鈦基底上鎳-鋁水滑石納米片陣列無酶葡萄糖傳感器電極樣品。將樣品做掃描電子顯微鏡(圖l)和X射線衍射(圖2)觀察。結(jié)果表明，鎳-鋁水滑石納米片垂直、均勻、致密地分布在鈦金屬片表面，呈現(xiàn)納米片狀陣列結(jié)構(gòu)，單個納米片的厚度為20-40納米，直徑為200-400納米。實施例2鎳-鋁水滑石納米片陣列電極制備將2.036克六水硝酸鎳(Ni(N03)26H20)、1.313克九水硝酸鋁(A1(N。3)3.歸)、4.200克尿素(CO線)溶于140毫升水中，用磁力攪拌器攪拌，使其充分溶解，混合均勻，配成混合溶液；將厚度0.2毫米、寬度2.0毫米、長度60.0毫米的鈦金屬片用稀氫氟酸(HF)溶液浸泡、清水沖洗后置入巳經(jīng)配置的溶液中；然后將所述的水溶液連同鈦金屬置于高壓釜內(nèi)的聚四氟乙烯內(nèi)膽中密封加熱到95'C，保持72小時；自然冷卻后將鈦金屬片取出，得到鈦基底上鎳-鋁水滑石納米片陣列無酶葡萄糖傳感器電極樣品。將樣品做掃描電子顯微鏡(圖3)和X射線衍射(圖4)觀察。結(jié)果表明，鎳-鋁水滑石納米片垂直、均勻、致密地分布在鈦金屬片表面，呈現(xiàn)納米片狀陣列結(jié)構(gòu)，單個納米片的厚度為20-40納米，直徑為200-400納米。實施例3鎳-鋁水滑石納米片陣列電極制備將2.036克六水硝酸鎳(Ni(N03)2，6H20)、1.313克九水硝酸鋁(A1(N03)3.9H20)、4.200克尿素(C0N2H4)溶于70.0毫升水中，用磁力攪拌器攪拌，使其充分溶解，混合均勻，配成混合溶液；將厚度0.2毫米、寬度2.0毫米、長度60.0毫米的鈦金屬片用稀氫氟酸(HF)溶液浸泡、清水沖洗后置入已經(jīng)配置的溶液中；然后將所述的水溶液連同鈦金屬置于高壓釜內(nèi)的聚四氟乙烯內(nèi)膽中密封加熱到75°C，保持72小時；自然冷卻后將鈦金屬片取出，得到鈦基底上鎳-鋁水滑石納米片陣列無酶葡萄糖傳感器電極樣品。將樣品做掃描電子顯微鏡(圖5)和X射線衍射(圖6)觀察。結(jié)果表明，鎳-鋁水滑石納米片垂直、均勻、致密地分布在鈦金屬片表面，呈現(xiàn)納米片狀陣列結(jié)構(gòu)，單個納米片的厚度為20-40納米，直徑為200-400納米。實施例4采用實施例1制備的樣品，做鎳-鋁水滑石納米片陣列電極葡萄糖濃度探測性能測試鎳-鋁水滑石納米片陣列無酶葡萄糖傳感器電極的工作性能測試，應(yīng)用的電化學(xué)工作站為上海辰華公司，型號為CHI660C的設(shè)備，鈦基底上鎳-鋁水滑石納米片陣列做工作電極，鉑絲做輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極。將100毫摩爾每升的葡萄糖溶液滴入0.l摩爾每升的氫氧化鈉緩沖液中，在0.9伏工作電壓，不同葡萄糖濃度條件下(0.00510毫摩爾每升)，測試工作電極的電流一濃度曲線結(jié)果如圖7。結(jié)果表明，工作電極具有靈敏度高(大于35.0微安，每毫摩爾每升(濃度)，每平方厘米(電極面積))、探測極限低(葡萄糖濃度為0.005毫摩爾每升時，傳感器電極能反應(yīng)出人可以辨別到的電流差別)、反應(yīng)快(小于5秒)、線性范圍大(在葡萄糖濃度為0.00510毫摩爾每升范圍內(nèi)，工作電極的電流一濃度曲線保持線性)、工作性能穩(wěn)定等優(yōu)點。實施例5采用實施例1制備的樣品，做鎳-鋁水滑石納米片陣列電極對實際人體血漿中血糖濃度探測性能測試測量用電化學(xué)工作站為上海辰華公司，型號為CHI660C的設(shè)備，鈦基底上鎳-鋁水滑石納米片陣列做工作電極，鉑絲做輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極。新鮮的血漿樣品由華中師范大學(xué)校醫(yī)院提供，血漿樣品在醫(yī)院用自動生化分析儀測定血糖含量，然后再用鎳-鋁水滑石納米片陣列做工作電極在電化學(xué)工作站上測量。測量時，取1毫摩爾血漿于測量池中，再加入2毫摩爾，0.1摩爾每升的氫氧化鈉緩沖液，攪拌均勻后用傳感器測量其響應(yīng)電流；樣品中葡萄糖含量通過傳感器的濃度校正曲線計算，其結(jié)果列于下表1中。人體血漿中血糖的正常含量一般在4—8毫摩爾每升范圍，低于這個范圍或者高于這個范圍可能屬于低血糖或者高血糖。實際樣品的測量表明，1到4號樣品血漿中血糖濃度在正常值，5號樣品屬于高血糖含量血漿。測量結(jié)果與自動生化分析儀測定的一致。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>權(quán)利要求1、一種無酶葡萄糖傳感器電極，其特征在于，該電極為鈦基底上鎳-鋁水滑石納米片陣列構(gòu)成，其單個鎳-鋁水滑石納米片厚度20～40納米、直徑200～400納米，垂直、均勻、致密地分布在鈦金屬表面，呈現(xiàn)陣列形式。2、一種無酶葡萄糖傳感器電極制備方法，其特征在于，制備方法包括將鈦金屬用稀氫氟酸溶液浸泡、清水沖洗后置入六水硝酸鎳、九水硝酸鋁和尿素配制的蒸餾水溶液中；然后將所述的水溶液連同鈦金屬置于高壓釜內(nèi)的聚四氟乙烯內(nèi)膽中密封加熱到70。C以上，保持36小時以上；自然冷卻后將鈦金屬取出，得到鈦基底上鎳-鋁水滑石納米片陣列無酶葡萄糖傳感器電極樣品，其中六水硝酸鎳濃度為2.036克/70-140毫升水、九水硝酸鋁濃度為1.313克/70-140毫升水，尿素濃度為4.200克/70-140毫升水。3、如權(quán)利要求2所述的一種無酶葡萄糖傳感器電極制備方法，其特征在于，所述的鈦金屬為鈦片、鈦棒或鈦絲。4、如權(quán)利要求2所述的一種無酶葡萄糖傳感器電極制備方法，其特征在于，所述的水溶液連同鈦金屬置于高壓釜內(nèi)的聚四氟乙烯內(nèi)膽中密封加熱到75°C-95°C，保持36-72小時。5、權(quán)利要求1所述的無酶葡萄糖傳感器電極的應(yīng)用，其特征在于，用于生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)、化工、電子儀器、電子信息類產(chǎn)品中。全文摘要鈦基底上鎳-鋁水滑石納米片陣列無酶葡萄糖傳感器電極。該電極為鈦基底上鎳-鋁水滑石納米片陣列構(gòu)成，其單個鎳-鋁水滑石納米片厚度20～40納米、直徑200～400納米，垂直、均勻、致密地分布在鈦金屬表面，呈現(xiàn)陣列形式。制法將鈦金屬用稀氫氟酸溶液浸泡、清水沖洗后置入六水硝酸鎳、九水硝酸鋁和尿素配置的水溶液中；然后在高壓釜內(nèi)的聚四氟乙烯內(nèi)膽中密封加熱到70℃以上，保持36小時以上；自然冷卻后將鈦金屬取出，即得電極樣品，其中六水硝酸鎳濃度為2.036克/70-140毫升水、九水硝酸鋁濃度為1.313克/70-140毫升水，尿素濃度為4.200克/70-140毫升水。該電極應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)、電子儀器類產(chǎn)品中。探測葡萄糖靈敏度高、探測極限低、反應(yīng)速度快、線性范圍大、工作性能穩(wěn)定。文檔編號G01N27/30GK101598697SQ20091006329公開日2009年12月9日申請日期2009年7月24日優(yōu)先權(quán)日2009年7月24日發(fā)明者劉金平,新李,艾漢華,黃新堂申請人:華中師范大學(xué)