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不同纳米颗粒对一次性使用葡萄糖传感器性能的影响（稀有金属材料与工程论文） 第36卷增刊2xx年8月稀有金属材料与工程RARE METALL TERIALSAND ENGINEERINGVo136，Supp12Auguxx不同纳米颗粒对一次性使用葡萄糖传感器性能的影响萄立，陆定，冉均国，杨丽娜，苏葆辉(四川大学材料科学与工程学院，四川成都610065)摘要为了增强一次性使用葡萄糖传感器的响应电流和灵敏度，从而提高测量准确性，并减小测定时的取血量，将不同种类、不同量的纳米颗粒，例如Au、Ag、SiO 2、A12O3加入到葡萄糖传感器的酶电极中，结果表明粒度在l040nm之间的纳米颗粒，加入到酶电极中后，SiOz纳米颗粒对传感器的响应电流有较强的增强效应；Au纳米颗粒和Ag纳米颗粒也有一定的增强作用；Al O3纳米颗粒增强作用不明显。 分析认为SiO2纳米颗粒的吸附作用是增强响应电流的主要原因。 计算得出SiO2颗粒增强的一次性葡萄糖传感器的灵敏度为8537nAmmo1L，比未加入纳米颗粒时的5685nAmmo1L有所提高。 关键词葡萄糖传感器；纳米颗粒；一次性使用；响应电流；灵敏度中图法分类号06291l2A1002一l85X (xx)S2261041引言能的影响。 由于糖尿病对人体健康有着巨大的危害，体内葡萄糖浓度的检测就显得尤为重要。 长寿命的葡萄糖传感器需要将聚合物载体与酶牢固的结合起来，作用力较强，通常需要加入交联剂作为辅助酶膜基质，从而避免反复使用过程中固定化酶的大量渗漏。 这种长期使用的葡萄糖传感器主要应用于适用于医院和家庭护理的床边仪器、固定在病人身体上的长期监测装置和体内植入装置。 一次性使用葡萄糖传感器是糖尿病监测的另一个方向，相对于长期使用的葡萄糖传感器，它具有使用方便、快捷等特点卜。 纳米颗粒具有比表面积大，表面反应活性高，表面活性中心多，催化效率高和吸附能力强等优异性质，制备纳米颗粒增强的葡萄糖传感器，得到响应迅速，灵敏度高的直接电子转移的酶电极，开辟了纳米颗粒应用的新领域。 国内已经有了许多纳米颗粒对生物传感器的影响研究45】，主要针对长期使用的葡萄糖传感器。 将纳米颗粒用于一次性葡萄糖传感器中，可以提高一次性葡萄糖传感器的测量准确性和减少测量取血量。 不同于长期使用的葡萄糖传感器，需要采用水溶性高分子材料将葡萄糖氧化酶固定化。 本文研究了这种体系中纳米颗粒的作用及对一次性葡萄糖传感器性2实验原理和方法21实验原理采用葡萄糖氧化酶作为分子识别物质，专一催化葡萄糖，使其转化成葡萄糖酸内酯和过氧化氢。 将酶包埋在水溶性高分子材料羧甲基纤维素(CMC)中自组装到Pt电极上。 然后进行葡萄糖响应电流的测试。 具体反应原理如下GODox+glucose-+gluconolactone+GODred (1)GODred+O2-GODox+H202 (2)H202-+O2+2H+2e (3) (1)式中发生的反应是葡萄糖氧化酶将葡萄糖氧化生成葡萄糖酸内酯，同时自己也由氧化形式变为还原形式，然后 (2)式中为变成还原形式的葡萄糖氧化酶与溶液中的氧分子发生反应，重新恢复氧化态，并生成过氧化氢， (3)式为过氧化氢发生分解。 产生的电流信号与过氧化氢浓度呈线性关系，而过氧化氢的浓度与溶液中的葡萄糖浓度呈线性关系，可以通过电流检测装置检测产生的微电流得到溶液中葡萄糖的浓度值。 22化学试剂及仪器使用的化学试剂均为分析纯，配制溶液的水为二次蒸馏水。 主要仪器包括天津市兰力科化学电子高技xx0225作者简介萄立，女，1967年生，博士，教授，四川大学材料科学与工程学院，四川成都610065，电话02885401280稀有金属材料与工程第36卷术有限公司的lk9805电化学分析系统；英国马尔文公司纳米粒度及zeta电位分析仪；日本jem-100sx型透射电镜。 23纳米颗粒的制备利用柠檬酸钠的强还原特性，将氯金酸还原，控制反应条件即可生成金溶胶。 利用硼氢化钠(NaBH4)还原硝酸银(AgNO3)生成银溶胶。 室温下利用正硅酸四乙酯(TOES)的水解来制备SiO2溶胶，使用氨水作为催化剂。 以异丙醇铝(AI(iPrO)3)为前驱物，二次蒸馏水为溶剂，HNO3为催化剂。 通过控制反应条件使得异丙醇铝(Al(iPrO)3)充分水解，生成氧化铝溶胶。 24葡萄糖氧化酶电极的制备与性能测试将直径为1mm的铂电极洗净、吹干待用。 移取50l溶胶颗粒，加入一定量的水溶性高分子溶液羧甲基纤维素(CMC)中，用铂丝将其搅拌均匀，然后加入一定量的GOD溶液，混合均匀。 再用铂丝进行浸涂，让GOD吸附自组装到铂电极上，将电极取出晾干5min后，保存待用。 AgAgC1电极作为参比电极，接于电化学系统的参比电极；制备的葡萄糖氧化酶电极作为工作电极，接于电化学工作站的工作电极；然后一起放入装有一定浓度葡萄糖溶液的小烧杯内，置于37恒温水浴锅中，记录电流在不同时间的电流响应值。 以20s时测得的电流值为参考值，可以得到不同葡萄糖浓度下的电流响应曲线、葡萄糖传感器的灵敏度和线性响应范围等数据。 3结果与讨论31纳米颗粒的表征采用透射电镜和Zeta电位分析仪表征溶胶中的纳米颗粒。 制备的Au纳米颗粒为球形颗粒，平均粒径10nm左右，集中分布于712nm。 Ag纳米颗粒平均粒径为1020nm。 SiO2纳米颗粒为球形颗粒，大小为1020nm，颗粒非常均匀。 Al2O3颗粒也为球形，粒度分布比较宽大约为1040nm。 实验中还发现，制备的氧化铝溶胶中的Al2O3纳米颗粒在保存过程中继续长大，为了避免Al2O3纳米颗粒的长大，在溶胶中加入了适量硝酸。 以SiO2为例，透射电镜图片见图1。 32不同纳米颗粒的电流响应值图2是在电压04v下加入不同种类纳米颗粒的葡萄糖传感器的电流响应曲线。 可以看出，在相同的葡萄糖溶液中(200mgd1)，时间为20s时，SiO2纳米颗粒的响应电流值最大，是未加入纳米颗粒的酶电极的响应电流值的220倍；Au纳米颗粒的响应电流次之；Ag纳米颗粒又比Au纳米颗粒有所减小，但加入Ag纳米颗粒的酶电极，10s前的响应电流值很大，响应速度很快；类似的还有Al2O3纳米颗粒，它的响应电流在前10s也很大，但在20s以后的电流，不及前3种纳米颗粒大。 总体来说，加入Au、Ag、SiO2这3种纳米颗粒后，葡萄糖传感器的响应电流都比不加入纳米颗粒时的有所增加，但Al2O3纳米颗粒对葡萄糖传感器的响应电流值增强作用不明显。 图l SiO2纳米颗粒的透射电镜照片Fig1TEM micrographof Si02nanoparticles(d=1020nm)图2不同纳米颗粒的电流响应Fig2Response currentsof di ferent nanoparticles综合分析认为，Au纳米颗粒和Ag纳米颗粒可以加快电子交换速度4，而且作为纳米颗粒具有比表面积大、表面自由能高、吸附能力强等特点，能吸附更多的葡萄糖氧化酶，提高响应电流，但Ag可能产生银镜反应，使得对它的深入研究会很复杂，故没有进行更深入研究。 SiO2的导电性介于Au、Ag和Al2O3之间，但是加入SiO2纳米颗粒，使葡萄糖传感器的响应电流增加得比Au纳米颗粒和Ag纳米颗粒还大。 虽然块体材料的导电性并不等于纳米颗粒的导电性，但是由于没有本实验状态下直接测量纳米颗粒导电性的证据，分析认为sio2纳米颗粒使响应电流增加的主要原因是因为sio2提供了一个更好的吸附环境，吸附了更多的葡o舳加印如加如加增刊2萄立等不同纳米颗粒对一次性使用葡萄糖传感器性能的影响263萄糖氧化酶，使得响应电流得到大幅增加。 由于酶是活性物质，Al2O3纳米颗粒的制备与保存方法可能影响了Al2O3纳米颗粒的应用性能。 33不同纳米颗粒加入量的电流响应值331加入SiO2纳米颗粒图3是在电压04V下，在酶电极中加入不同量的SiO2纳米颗粒(20gl，30gl，50g1)，测量浓度为200mgdl的葡萄糖溶液得出的响应电流曲线。 可以看出，随着SiO2纳米颗粒加入量的增加，响应电流也在不断增加。 其中20S时加入50gl SiO2纳米颗粒比加入30l响应电流增加250nA；加入30glSiO2纳米颗粒比加入20l响应电流增加510nA。 结果表明随着SiO2纳米颗粒加入量的增加，响应电流的增长趋势变缓。 分析其原因，是因为siO2纳米颗粒增大响应电流，主要是通过其吸附作用，而在酶电极的制作过程中，加入的酶量是固定的，加入再多SiO2纳米颗粒，也只能吸附那么多酶，所以随着SiO2纳米颗粒量的增加，响应电流的增长趋势变缓。 ts图3纳米SiO2加入量对电流响应值的影响Fig_3E fectof amount of S102nanoparticle onresponse current332加入Au纳米颗粒在酶电极中加入不同量的Au纳米颗粒(30gl，50ul，70g1)，在电压04V下，测量浓度为200mgdl的葡萄糖溶液，得出的响应电流曲线图4所示。 可以看出，随着Au纳米颗粒加入量的增加，响应电流也在不断增加。 但30Hl到50l响应电流增加得不明显。 其中20S时加入70gl Au纳米颗粒比加入50Hl响应电流增加372nA；加入50glAu纳米颗粒比加入30ul响应电流增加38nA。 可以看出随着加入量的增加，在高加入量时，响应电流的增长幅度变大，与SiO，纳米颗粒的规律不同。 分析其原因，是因为水溶性体系中Au纳米颗粒的吸附作用不如SiO2纳米颗粒，Au纳米颗粒需要增大到一定量。 当加入量增加后，除了释放到测试溶液中的纳米颗粒和葡萄糖氧化酶，电极上会残留一些纳米颗粒和葡萄糖氧化酶，这时Au纳米颗粒传导电子能力也起着重要作用。 ts图4纳米Au加入量对电流响应值的影响Fig4E fectof amountofAu nanoparticleon glucose biosensor总之，一次性使用葡萄糖传感器时，葡萄糖氧化酶随水溶性高分子材料的溶解释放到测试溶液中，纳米颗粒的主要作用是制备酶电极时能够吸附更多的酶组装到电极上。 另一方面，由于电极上会残留一些纳米颗粒和葡萄糖氧化酶，在一定量时纳米颗粒的导电性也起到了作用。 选择了对葡萄糖传感器响应电流增强作用最强的SiO2纳米颗粒，测试了葡萄糖传感器校正曲线。 ；31Cmgdl-图5纳米SiO2增强的葡萄糖传感器的响应电流Fig5Response cu rent of SiO2nanoparticle enhancedglucosebiosensor以20s时电流值为参考，得到不同葡萄糖浓度的电流响应曲线如图5所示。 加入SiO2纳米颗粒的电流响应明显比04V下没加入纳米颗粒的高，经计算加入SiO2的传感器，其灵敏度为8537nAmmo1L，也比04V未加纳米颗粒的5685nAmmo1L高。 所以，纳米SiO2的加入明显增大了响应电流，提高了传感器的灵敏度。 但是灵敏度的提高并没有长期使用的葡萄糖传感器明显L4，由于一次性使用葡萄糖传感器中纳米颗粒参与电极反应的机制是不同的，还需要更深入的研究。 264稀有金属材料与工程第36卷4结论1)制备了4种不同种类的纳米颗粒(ag、au、al 203、SiO2)，粒度在10-40nm之间。 分别加入到酶电极中后，发现SiO2纳米颗粒对一次性使用葡萄糖传感器的响应电流具有最强的增强效应；Au纳米颗粒和Ag纳米颗粒也有一定的增强作用；AI2O3纳米颗粒增强作用不明显。 2)一次性使用葡萄糖传感器的响应电流随着SiO2纳米颗粒和Au纳米颗粒加入量的增加而增加。 SiO2纳米颗粒对一次性使用葡萄糖传感器的响应电流的增强作用，主要是通过其较强的吸附作用，而Au纳米颗粒的导电性也起到了重要作用。 3)加入SiO2纳米颗粒制得的一次性使用葡萄糖传感器，在50400mgdl浓度范围内，响应电流与葡萄糖浓度关系呈线性上升趋势，线性较好，传感器的灵敏度为8537nAmmo1L，相对于未加入纳米颗粒时5685nAmmo1L。 的灵敏度，有一定程度的提高。 参考文献References1】Zhao Linshuang(赵林双)，Chen Yushi(陈玉石)，Xiang Guangda(光大)et a1Journal ofDiabetes(华糖尿病杂志)【J】，xx，l3 (6)4482】PritchardG J，Bateson JE，HillB Seta1UnitedStatesPatentP】1998，5，7627703】Suzuki H，Kumagai ABiosensors andBioelectronicsJ，xx，l8l2894】Tang Fangqiong(唐芳琼)，Meng Xianwei(孟宪伟)，Chen Dong(陈东)et a1Science inChina SerB(国科学，B辑)J】2000，30 (2)ll95】Wu Baoyan(吴宝艳)，Yang Yu(杨钰)，Song Zhao(宋昭)et a1High TechnologyLetters(高技术通讯)J】，xx，l5 (6)50effect ofdifferent nanoparticleson propertiesof glucose biosensor for singleuse gouli，lu ding，ran junguo，yang lina，su baohui(school ofmaterialsscience andengineering，sichuan university，chengdu610065，china)abstractin orderto improvemeasurement precisionand decreaseamountofblood neededfor themeasurement，by meansof enhancingthe response curentand thesensitivity,diferentkinds andquantities ofnanoparticles，such asau，ag，sio2，and a1203were addedinto theenzyme electrodesof glucose sensorf o r single usethe resultsindicate thatamong thenanoparticles from10nm to40nm