銅鎳納米復(fù)合結(jié)構(gòu)陣列的無酶葡萄糖特性研究

孫愛鑫　狄文浩　劉晨晨　陳德祥　崔光亮

摘 要：隨著生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和社會(huì)生活水平的提高，對(duì)各種疾病的檢測(cè)成為非常重要的課題。葡萄糖是表征生物代謝過程的一種重要化合物，也是能量的重要來源，血液中葡萄糖濃度過高則會(huì)引起糖尿病等疾病，從而威脅人體健康。實(shí)現(xiàn)對(duì)葡萄糖的快速、準(zhǔn)確檢測(cè)對(duì)人體健康和糖尿病等疾病的診斷有著重要意義。本研究希望利用構(gòu)建銅鎳二維納米復(fù)合結(jié)構(gòu)陣列材料，利用其二維納米結(jié)構(gòu)、周期性陣列、大比表面積等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)葡萄糖濃度檢測(cè)的目的，并構(gòu)建相應(yīng)的納微傳感器件，最終獲得基于二維納米復(fù)合結(jié)構(gòu)陣列的無酶葡萄糖檢測(cè)元件與設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：葡萄糖檢測(cè);生物傳感器;電沉積;納米材料

1 正文

糖尿病是世界性的多發(fā)病和常見病，由于其可能引起心臟病、腎衰竭、失明等多種并發(fā)癥，已成為僅次于心血管病和癌癥的第三大危險(xiǎn)性疾病。目前對(duì)糖尿病的治療主要是通過患者頻繁檢測(cè)自身的血糖濃度并注射適量的胰島素來實(shí)現(xiàn)的。通過這種方法使其血糖濃度保持在4.4-6.6mmol

（80-120mgdL：1）的正常水平，這樣可以大大減輕并發(fā)癥的發(fā)病程度，甚至不發(fā)病。因此，研發(fā)一種靈敏度高、選擇性好、使用方法簡(jiǎn)單的血糖檢測(cè)工具對(duì)糖尿病的診新和治療具有十分重要的臨床意義。葡萄糖傳感器的研究一直是化學(xué)與生物傳感器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，特別是無酶葡萄糖傳感器具有穩(wěn)定性好和成本低，工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，近些年吸引了越來越多人的關(guān)注。酶葡萄糖生物傳感器已經(jīng)經(jīng)過了五十年的發(fā)展歷程，研究人員積極的探索使酶葡萄糖傳感器經(jīng)歷了三代變革。

到目前為止，各地的研究者已經(jīng)報(bào)道了很多在電極表面固定酶的方法，其中包括直接吸附法，溶膠--凝膠固定法，交聯(lián)法等等。雖然取得了一些很好的效果，但受限于酶自身結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致的許多問題，如受氧氣的限制，穩(wěn)定性較差、重現(xiàn)性較低、容易受到周圍環(huán)境影響等，依然沒有得到很好的解決，而無酶葡萄糖生物傳感器很好的克服這些不足。

Li等團(tuán)隊(duì)通過水熱法制備碳量子點(diǎn)（CQDs）/八面體氧化亞銅（Cu2O）納米復(fù)合材料的新型納米結(jié)構(gòu)電催化劑，設(shè)計(jì)了用于葡萄糖檢測(cè)的非酶電化學(xué)傳感器。該方法制備過程簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了對(duì)葡萄糖的安培檢測(cè)，但其線性響應(yīng)范圍在0.02-4.3mA（人體正常血糖濃度為4.4-6.6mmol），無法正常應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)上的血糖檢測(cè)。Yuan等團(tuán)隊(duì)采用電沉積法制備了氧化亞銅/氧化氮/氧化石墨烯（GO）修飾玻碳電極（GC），葡萄糖的檢測(cè)線性范圍在0.01-6mmol，也無法覆蓋人體正常的血糖標(biāo)準(zhǔn)。

本研究擬通過利用二維電化學(xué)原位組裝方法構(gòu)建Cu-Ni二維納米有序陣列材料，探究制備過程溫度，頻率，幅度，電壓等對(duì)納米結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)過程的影響，確定最佳制備方案，利用小型真空離子濺射儀濺射電極的方法構(gòu)建電子元件，通過四探針測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行葡萄糖檢測(cè)的電學(xué)特性測(cè)試干擾測(cè)試特定工作電壓下進(jìn)行，探究Cu-Ni納米材料對(duì)不同濃度的葡萄糖溶液的響應(yīng)，通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)人體正常血糖濃度的檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

首先，利用二維電化學(xué)原位組裝方法構(gòu)建特殊結(jié)構(gòu)的納微有序陣列材料，納微有序陣列形貌的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像如圖1所示。圖中可以看到樣品呈竹節(jié)樣排列，呈現(xiàn)出均勻的周期長(zhǎng)度和良好的長(zhǎng)程順序性。

為了進(jìn)一步證實(shí)納微材料中Cu元素和Ni元素的化合價(jià)，對(duì)納微材料又進(jìn)行了X射線光電子能譜（XPS）測(cè)試，其結(jié)果如圖2所示。從圖（a）中可以明顯地看出Cu 2p在952.5 ev和932.7 eV的位置有兩個(gè)較強(qiáng)的信號(hào)峰，分別對(duì)應(yīng)于Cu的Cu2p1/2和Cu2p2/3，與Cu結(jié)合能相一致;從圖（b）中可以看出Ni 2p在858.4 eV的位置處有一個(gè)峰，對(duì)應(yīng)于Ni的結(jié)合能信號(hào)峰，表明該納微材料中含有Ni元素。結(jié)果表明異質(zhì)結(jié)構(gòu)是由銅和鎳構(gòu)成的，沒有其他雜質(zhì)。

利用計(jì)時(shí)電流法測(cè)量Cu-Ni無酶葡萄糖傳感器對(duì)葡萄糖的線性響應(yīng)范圍，圖3（a）是Cu-Ni納微材料在0.1 mol/L KOH條件下對(duì)5mmol/L的葡萄糖溶液的計(jì)時(shí)電流反應(yīng)，可見該材料對(duì)葡萄糖溶液的響應(yīng)靈敏，且響應(yīng)時(shí)間不超過3s。由圖3（b）中的曲線關(guān)系為葡萄糖濃度與電流值的線性關(guān)系圖。從圖中可以看出該納微結(jié)構(gòu)材料對(duì)葡萄糖濃度的線性響應(yīng)范圍在0.5-20mmol/L之間，響應(yīng)度與葡萄糖濃度呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，并完全包含人體的正常范圍（4.4-6.6mmol），說明我們制備的材料時(shí)可以用于人體葡萄糖檢測(cè)的。

3 結(jié)論

我們利用二維電沉積法制備了銅-鎳納微結(jié)構(gòu)材料，基于此材料設(shè)計(jì)制備了葡萄糖檢測(cè)元件，并進(jìn)行了葡萄糖線性敏感特性研究。研究結(jié)果表明Cu-Ni納微材料在堿性條件下對(duì)葡萄糖氧化具有高的電催化活性，具有優(yōu)異的性能，可以在較快時(shí)間內(nèi)檢測(cè)葡萄糖濃度變化，其線性檢測(cè)范圍為0.5-20mmol/L，可以用于人體葡萄糖的檢測(cè)。

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作者簡(jiǎn)介：

孫愛鑫（1998- ），男，漢族，山東臨沂人，本科，學(xué)士，主要研究（工作）方向：低維物理功能器件、物理學(xué)。