葡萄糖传感器、葡萄糖催化剂及其制备方法与流程

1.本发明涉及葡萄糖传感器、葡萄糖催化剂及其制备方法。


背景技术：

2.自从第一个葡萄糖生物传感器诞生以来，经过半个多世纪的不断发展和创新，葡萄糖的生物传感技术已经从第一代的通过氧气来间接检测葡萄糖的生物传感技术，逐渐过渡到通过葡萄糖氧化还原酶的直接电化学检测葡萄糖的第三代生物传感技术。葡萄糖生物传感技术的发展成熟也顺理成章地催生了生物传感器的最大市场-血糖检测和监测仪器，包括各种各样的血糖仪和近几年迅速发展起来的持续葡萄糖监测系统。持续葡萄糖监测系统以其使用方便和实时监测等特点，受到越来越多的糖尿病患者的青睐。市场上占主导地位的持续葡萄糖监测系统所使用的葡萄糖生物传感器均为以葡萄糖氧化酶为生物传感机制的电化学型生物传感器。虽然葡萄糖氧化酶的使用原则上可以提高葡萄糖生物传感器的选择性，但同时也难以摆脱氧气的制约。由于氧气是葡萄糖氧化酶催化氧化葡萄糖时的自然媒介体，这些持续葡萄糖监测系统或者存在“氧匮乏”现象，或者有不同程度的氧气干扰。更为严重的是，酶的使用，成为严重制约葡萄糖监测的一个重要的因素。由于酶对其周围环境的极度敏感性，如温度、酸碱度、化学物质和储存条件等等，使葡萄糖检测和监测仪器的使用寿命、性能、保质期和储存条件等等各方面受到严重的影响。


技术实现要素：

3.在一个方面，本发明提供了如下技术方案：葡萄糖催化剂的制备方法，包括如下步骤：1）将1~30重量份的石墨炔加入至100~1000重量份的硝酸中，于80~110℃的条件下回流反应2~8小时，然后分离、水洗并干燥；2）将1~10重量份干燥后的石墨炔分散到100~1000重量份的异丙醇中，同时依次加入0.1~1重量份的氯化亚铁和0.1~5重量份的六氯锇酸铵，得到混合溶液；3）用碱液将所述混合溶液的ph值调节至7.5~9.0，并加热至50~90℃；然后加入1~10重量份的硼氢化钠，反应10~60分钟后，过滤、清洗并干燥得到产物；4）将1~10重量份的所述产物分散到50~500重量份的乙醇中，并加入0.5~5重量份的4-(2-氨乙基)吡啶，反应10~60分钟后，过滤、清洗干燥得到葡萄糖催化剂。
4.作为优选，在步骤1）中，所述石墨炔，6~20重量份；所述硝酸，300~600重量份。
5.作为优选，在步骤2）中，所述干燥后的石墨炔，1~5重量份；所述异丙醇，400~700重量份。
6.作为优选，在步骤3）中，所述硼氢化钠，3~6重量份；在步骤4）中，所述产物，1~5重量份；所述4-(2-氨乙基)吡啶，1~3重量份。
7.在另一个方面，上述所述的葡萄糖催化剂的制备方法所制备的葡萄糖催化剂。
8.在另一个方面，葡萄糖传感器，其由以下方法制备：将上述所述的葡萄糖催化剂分
散在含有聚乙二醇二缩水甘油醚的pbs缓冲溶液中进行培养得到交联溶液，并将交联溶液滴加到碳或石墨电极上并干燥。
9.在另一个方面，葡萄糖传感器，其由以下方法制备：将含有上述所述的葡萄糖催化剂的pbs缓冲溶液滴加到碳或石墨电极上，待溶剂挥发后，在戊二醛饱和蒸汽中进行培养。
10.在另一个方面，葡萄糖传感器，其由以下方法制备：将上述所述的葡萄糖催化剂分散在含有四环氧丙基-4，4-二氨基二苯甲烷的pbs缓冲溶液中进行培养得到交联溶液，然后将交联溶液滴加到碳或石墨电极上并干燥。
11.在另一个方面，葡萄糖传感器，其由以下方法制备：将上述所述的葡萄糖催化剂分散在含有1，4-丁二醇二缩水甘油醚的pbs缓冲溶液中进行培养得到交联溶液，然后将交联溶液滴加到碳或石墨电极上并干燥。
12.在另一个方面，葡萄糖传感器，其由以下方法制备：将上述所述的葡萄糖催化剂分散在溶液中得到分散溶液，然后将分散溶液滴加到碳或石墨电极上并干燥。
13.综上所述，本发明具有以下有益效果：本发明将带有铁和锇纳米粒子的石墨炔作为葡萄糖电化学氧化时的催化剂，成功地实现了在较低电位下对葡萄糖的电化学催化氧化，进而成功地研制出了一种新型且稳定性较好的无酶葡萄糖传感器；实验表明，基于铁和锇纳米粒子的石墨炔制作的葡萄糖传感器，完全摆脱了酶对其周围环境的极度敏感性。
附图说明
14.图1为透射电镜图和元素能谱面扫图，a为带有铁和锇纳米粒子的石墨炔催化剂的透射电镜图，b和c为元素能谱面扫图；图2为循环伏安图，曲线1为葡萄糖传感器1在pbs缓冲溶液中的循环伏安图，曲线2为加入20毫摩尔/升的葡萄糖后的循环伏安图；图3为葡萄糖传感器1在含有10毫摩尔/升葡萄糖的pbs缓冲溶液中的氧气对电流信号的影响；图4为电流响应示意图，a为葡萄糖传感器1和b为葡萄糖传感器5对10毫摩尔/升葡萄糖和2毫摩尔/升抗坏血酸的电流响应示意图；图5为葡萄糖传感器5在含有10毫摩尔/升葡萄糖的pbs缓冲溶液中的稳定性。
具体实施方式
15.参照附图对本发明做进一步说明。
16.为了进一步改善葡萄糖生物传感器的性能，延长其使用寿命，特别是摆脱酶的极度脆弱性和氧气的制约，本发明将带有铁和锇纳米粒子的石墨炔作为葡萄糖电化学氧化时的催化剂，成功地实现了在较低电位下对葡萄糖的电化学催化氧化，进而成功地研制出了一种新型且稳定性较好的无酶葡萄糖传感器。实验表明，基于铁和锇纳米粒子的石墨炔制作的葡萄糖传感器，完全摆脱了酶对其周围环境的极度敏感性。而且，由于葡萄糖的电化学催化氧化无需氧气的参与，这就从根本上消除了氧气对葡萄糖生物传感器的制约，同时还大大地简化了它对选择性渗透膜的要求，这个选择性渗透膜除了有高度的生物相容性之
外，只需要能够有效地调控葡萄糖就行了。
17.本实施例公开了葡萄糖传感器的制备方法，包括如下步骤：1）将1~30重量份的石墨炔加入至100~1000重量份的硝酸中，于80~110℃的条件下回流反应2~8小时，然后分离并水洗，直至水呈中性；石墨炔过滤出来后，于60~100℃的条件下真空干燥8~24小时；优选的，石墨炔，6~20重量份；硝酸，300~600重量份；2）将1~10重量份干燥后的石墨炔分散到100~1000重量份的30~100%的异丙醇中，同时依次加入0.1~1重量份的氯化亚铁和0.1~5重量份的六氯锇酸铵，得到混合溶液；优选的，干燥后的石墨炔，1~5重量份；异丙醇，400~700重量份；3）用0.1~1mol/l的氢氧化钾溶液将混合溶液的ph值调节至7.5~9.0，并加热至50~90℃，然后加入1~10重量份的硼氢化钠，反应10~60分钟后，过滤清洗，产物在60~100℃条件下真空干燥8~24小时；优选的，硼氢化钠，3~6重量份；4）将1~10重量份的产物分散到50~500重量份的30~100%的乙醇中，并慢慢加入0.5~5重量份的4-(2-氨乙基)吡啶，反应10~60分钟后，反复过滤清洗2~6次，于20~50℃条件下真空干燥12~48小时，得到葡萄糖催化剂；优选的，产物，1~5重量份；4-(2-氨乙基)吡啶，1~3重量份。
18.上述所述的葡萄糖催化剂的制备方法所制备的葡萄糖催化剂。
19.具体实施例：葡萄糖电化学氧化催化剂的制备：将10g石墨炔加入至500ml的65%的硝酸中，在100℃的油浴中回流5小时，然后离心分离并水洗，直到水呈中性，石墨炔过滤出来后，在80℃条件下真空干燥12小时。
20.将2克干燥后的石墨炔分散到500ml的75%的异丙醇中，依次加入0.3g氯化亚铁和1g六氯锇酸铵，得到混合溶液，然后用0.5ml/l的氢氧化钾溶液将混合溶液的ph值调到8.0，并加热到70℃，然后在搅拌下慢慢加入4g的硼氢化钠，30钟后，过滤清洗，产物在80℃条件下真空干燥12小时。
21.将2g干燥后的产物分散到100ml的50%的乙醇中，在搅拌下慢慢加入2g的4-(2-氨乙基)吡啶，反应30分钟后，反复过滤清洗4次，产物（葡萄糖催化剂）在30℃条件下真空干燥24小时。
22.如图1所示，在石墨炔上，铁和锇均以纳米粒子的形式存在，元素能谱面扫图表明它们都较均匀的分散在石墨炔上。
23.葡萄糖传感器1，其由以下方法制备：将上述所述的葡萄糖催化剂均匀分散在含有1~20%的聚乙二醇二缩水甘油醚的pbs缓冲溶液中进行室温培养5~60分钟，将带有4-(2-氨乙基)吡啶的葡萄糖催化剂进行化学交联得到交联溶液，然后将交联溶液滴加到碳或石墨电极上，室温下干燥12~48小时即可。具体的：将葡萄糖催化剂均匀分散在含有5%的聚乙二醇二缩水甘油醚的pbs缓冲溶液中，室温下培养30分钟，将带有4-(2-氨乙基)吡啶的葡萄糖催化剂进行化学交联，然后将溶液滴加到碳或石墨电极上，室温下干燥24小时即可。
24.葡萄糖传感器2，其由以下方法制备：将含有上述所述的葡萄糖催化剂的pbs缓冲溶液滴加到碳或石墨电极上，待溶剂挥发后，在戊二醛饱和蒸汽中进行培养10~120分钟，将带有4-(2-氨乙基)吡啶的葡萄糖催化剂通过戊二醛交联，形成一层稳定的膜。具体的：
将含有葡萄糖催化剂的pbs缓冲溶液滴加到碳或石墨电极上，待溶剂完全挥发以后，在戊二醛饱和蒸汽中培养60分钟，将带有4-(2-氨乙基)吡啶的葡萄糖催化剂通过戊二醛交联，形成一层稳定的膜。
25.葡萄糖传感器3，其由以下方法制备：将上述所述的葡萄糖催化剂分散在含有0.2~10%的四环氧丙基-4，4-二氨基二苯甲烷的pbs缓冲溶液中进行室温培养5~30分钟，将带有4-(2-氨乙基)吡啶的葡萄糖催化剂进行化学交联得到交联溶液，然后将交联溶液滴加到碳或石墨电极上，室温干燥12~48小时。具体的：将葡萄糖催化剂均匀分散在含有2%的四环氧丙基-4，4-二氨基二苯甲烷的pbs缓冲溶液中，室温下培养15分钟，将带有4-(2-氨乙基)吡啶的葡萄糖催化剂进行化学交联，然后将溶液滴加到碳或石墨电极上，室温下干燥24小时。
26.葡萄糖传感器4，其由以下方法制备：将上述所述的葡萄糖催化剂分散在含有0.2~10%的1，4-丁二醇二缩水甘油醚的pbs缓冲溶液中进行室温培养5~30分钟，将带有4-(2-氨乙基)吡啶的葡萄糖催化剂进行化学交联得到交联溶液，然后将交联溶液滴加到碳或石墨电极上，室温下干燥12~48小时。具体的：将葡萄糖催化剂均匀分散在含有1%的1，4-丁二醇二缩水甘油醚的pbs缓冲溶液中，室温下培养20分钟，将带有4-(2-氨乙基)吡啶的葡萄糖催化剂进行化学交联，然后将溶液滴加到碳或石墨电极上，室温下干燥24小时。
27.葡萄糖传感器5，其由以下方法制备：将上述所述的0.1~2g的葡萄糖催化剂分散在溶液中得到分散溶液，然后将分散溶液滴加到碳或石墨电极上，室温下自然干燥12~48小时。具体的：将0.5g的葡萄糖催化剂均匀分散在溶液中，然后将溶液滴加到碳或石墨电极上，室温下自然干燥24小时。
28.如图2所示，葡萄糖带有铁和锇纳米粒子的石墨炔催化剂的电化学催化氧化发生在0.15~0.5伏之间，葡萄糖的检测电位可以在0.4~0.5伏的任何电位。如图3所示，当我们把葡萄糖的检测电位定在0.4伏时，其电流信号非常稳定，更重要的是，如前所述，现有的持续葡萄糖监测系统的葡萄糖生物传感器都是在葡萄糖氧化酶的基础上制备的，在对葡萄糖检测时，氧气就成了制约持续葡萄糖监测系统性能的一个主要因素，或者出现“氧匮乏”，极大地限制了灵敏度，或者成为葡萄糖监测时的一个不可忽视的干扰因素，影响葡萄糖生物传感器的线性和准确性。而我们这个葡萄糖传感器是通过带有铁和锇纳米粒子的石墨炔催化剂直接电化学氧化葡萄糖，完全不需要氧气参与，从根本上消除了氧气的影响。实验结果也证实氧气对葡萄糖检测无任何干扰，如图3所示，当在含有10毫摩尔/升的葡萄糖的pbs缓冲溶液中通入空气或氧气时，或者当溶液中的氧气被氩气完全除去后，葡萄糖传感器的电流没有任何的变化。
29.另一方面，由于抗坏血酸的氧化还原电位在0.2~0.3伏之间，当我们在0.4伏测葡萄糖时，抗坏血酸有明显的干扰（如图4中的a部分所示）。当我们用含有的催化剂薄膜的葡萄糖传感器5，由于抗坏血酸分子在生理酸碱度下带负电，催化剂薄膜中的带负电荷的可以显著降低抗坏血酸的干扰（如图4中的b部分所示）。
30.在此基础上，我们对这个葡萄糖催化膜长期稳定性进行了测试，在长达两个星期的连续测试中，响应电流（灵敏度）的变化不到1%（如图5所示），这就为开发高准确性和高稳定性的葡萄糖传感器创造了条件。
31.以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。