基于三維多孔泡沫鎳材料的乳糖傳感器研究*

朱靜宜，張　亶

（1.浙江長(zhǎng)征職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)系，杭州310023；2.浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，杭州310027）

基于三維多孔泡沫鎳材料的乳糖傳感器研究*

朱靜宜1*，張亶2

（1.浙江長(zhǎng)征職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)系，杭州310023；2.浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，杭州310027）

提出了一種基于三維多孔泡沫鎳的乳糖傳感器，采用泡沫鎳材料作為工作電極，鉑電極作為對(duì)電極，在0.1 M的NaOH堿性環(huán)境中以循環(huán)伏安法（CV）和電流-時(shí)間曲線法（i-t）建立了乳糖定量檢測(cè)方法，循環(huán)伏安掃描結(jié)果證明乳糖可以被泡沫鎳氧化，電流-時(shí)間檢測(cè)結(jié)果表明乳糖在0.2 mmol/L～3.5 mmol/L的線性濃度范圍內(nèi)，泡沫鎳檢測(cè)乳糖的靈敏度為9.433 1 mA/（cm2·mmol/L），檢測(cè)限為6.8 μmol/L。本文所研究的乳糖傳感器具有響應(yīng)速度快、成本低、高靈敏度、低檢測(cè)限等優(yōu)勢(shì)，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

乳糖；泡沫鎳；傳感器；電化學(xué)；定量分析

EEACC:7230Jdoi:10.3969/j.issn.1004-1699.2015.09.007

乳糖是主要存在于哺乳動(dòng)物乳汁中的一種雙糖，一分子乳糖消化可得一分子葡萄糖和一分子半乳糖。母乳中乳糖含量為7.2 g/100 mL，牛乳中乳糖含量為4.7 g/100 mL。乳制品是新生兒主要的能量來(lái)源，乳糖為新生兒提供約20%的能量。在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，乳糖不僅在能量供給方面起重要作用，亦參與大腦的發(fā)育進(jìn)程［1-2］。然而乳糖在人體中不能直接吸收，需要在乳糖酶的作用下分解才能被吸收，缺少乳糖分解酶的人群在攝入乳糖后，未被消化的乳糖直接進(jìn)入大腸，刺激大腸蠕動(dòng)加快，造成腹鳴、腹瀉等癥狀稱乳糖不耐受癥。因此針對(duì)乳糖不耐受人群的乳糖攝入控制至關(guān)重要。傳統(tǒng)檢測(cè)乳糖的方法主要有高效液相色譜、氣相色譜等方法，檢測(cè)成本高，檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，過(guò)程復(fù)雜，并且需要專業(yè)操作人員。糖類物質(zhì)電化學(xué)檢測(cè)方法相繼涌現(xiàn)，其大致可分為酶法和非酶法兩大類，第一大類如基于葡萄糖氧化酶的葡萄糖傳感器［3］，目前已得到廣泛引用。非酶法如在功能性材料（如碳納米管、金屬氧化物納米線、納米棒等）表面修飾金屬物質(zhì)形成檢測(cè)電極，修飾過(guò)的電極對(duì)葡萄糖具有較好的催化性能［4-7］。但是以上方法也具有局限性，如酶活性降低易導(dǎo)致電極檢測(cè)性能降低、修飾電極成本高等，均限制了以上方法在實(shí)際檢測(cè)中的應(yīng)用［8-12］。

本文以泡沫鎳作為電化學(xué)檢測(cè)工作電極、鉑電極作為對(duì)電極，實(shí)驗(yàn)研究了乳糖的定量檢測(cè)方法，并開(kāi)展了對(duì)照實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明構(gòu)建的傳感器對(duì)乳糖響應(yīng)靈敏，電流密度響應(yīng)值與乳糖濃度之間具有較好的線性關(guān)系，對(duì)照實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該傳感器對(duì)氯化鈉、乙酸和糖精鈉三種對(duì)照物質(zhì)無(wú)明顯響應(yīng)。該傳感器有望于牛奶乳糖含量監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1試劑和儀器

NaOH（國(guó)藥試劑公司）；乙醇（國(guó)藥試劑公司）；乳糖（天津化學(xué)研究所）；氯化鈉（成都科龍?jiān)噭?；CHI-660電化學(xué)工作站（上海辰華）。所有試劑均為分析純，水為去離子水。

1.2泡沫鎳材料制備

使用乙醇清洗聚氨酯泡沫3 min，然后將泡沫材料放入4%NaOH溶液中，恒溫45℃，5 min后取出，以去除油漬并增大表面粗糙度。采用3 g/L CrO3與4 ml/L H2SO4混合液在37℃下粗化聚氨酯泡沫5 min。再采用SnCl2·2H2O與HCl（36%）作為敏化液，加入錫粒在45℃條件下敏化6 min。將敏化過(guò)后的泡沫材料于37℃溫度條件下置入PdCl2活化液處理6 min，然后取出以清水洗凈。然后將三維多孔泡沫材料作為陰極，金屬鎳作為陽(yáng)極，在80 g/L NiSO4、24.0 g/L次亞磷酸鈉、12.0 g/L醋酸鈉、8.0 g/L硼酸、6.0 g/L氯化銨的電鍍液中進(jìn)行電鍍，在泡沫上沉積鎳。

1.3SEM表征

使用Carl Zeiss SUPRA 55 SAPPHIRE掃描電鏡表征所制備的泡沫鎳材料，電壓選擇為5.0 kV。

1.4檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

乳糖檢測(cè)采用循環(huán)伏安法和電流-時(shí)間法，檢測(cè)實(shí)驗(yàn)于0.1 M氫氧化鈉溶液中進(jìn)行，泡沫鎳電極與溶液的接觸面積是0.25 cm2。循環(huán)伏安掃描電壓范圍為-0.22 V～+0.68 V，掃描速率為50 mV/s。電流-時(shí)間檢測(cè)是在+0.5 V恒點(diǎn)位下進(jìn)行檢測(cè)的。檢測(cè)過(guò)程中每50 s滴加一滴0.1 M的乳糖溶液，每次實(shí)驗(yàn)滴加20滴，實(shí)驗(yàn)時(shí)間1 200 s。根據(jù)樣品濃度與電流密度之間的關(guān)系建立定量檢測(cè)模型。另外本研究分別選用0.1 M氯化鈉、乙酸和糖精鈉三種物質(zhì)作為對(duì)照實(shí)驗(yàn)樣品，與乳糖的結(jié)果進(jìn)行比照，實(shí)驗(yàn)方法與乳糖一致。

2　結(jié)果與討論

2.1泡沫鎳表征

所制備的泡沫鎳材料的掃描電鏡圖結(jié)果如圖1所示，從圖1可以觀察到多孔泡沫鎳材料具有均勻的三維網(wǎng)狀孔結(jié)構(gòu)，多層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)致密穩(wěn)定并且緊密連接，形成具有三維空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固空間結(jié)構(gòu)，同時(shí)，鎳的優(yōu)良機(jī)械性能可有效保持該三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生變形或者塌陷，確保切割加工制備電極時(shí)保持其性狀不變。泡沫鎳材料表面網(wǎng)孔的直徑在0.20 mm～0.30 mm之間，泡沫材料網(wǎng)孔直徑呈現(xiàn)一定規(guī)律性分布，泡沫鎳材料各方向枝節(jié)均具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。以上分析結(jié)果表明，所制備的泡沫鎳材料的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)有利于電化學(xué)檢測(cè)。

圖1　泡沫鎳掃描電鏡圖

2.2乳糖檢測(cè)結(jié)果

2.2.1循環(huán)伏安掃描

圖2顯示了乳糖樣品的循環(huán)伏安掃描結(jié)果，乳糖溶液的氧化峰比不含乳糖溶液明顯得到提升，同時(shí)還原峰有所下降，結(jié)果表明乳糖在溶液中在+ 0.26 V左右發(fā)生了非可逆氧化還原反應(yīng)，我們推測(cè)其機(jī)理可能是乳糖在堿性條件下發(fā)生了烯醇化反應(yīng)生成葡萄糖［10］，然后生成的葡萄糖在堿性條件下于泡沫鎳表面會(huì)發(fā)生氧化-還原反應(yīng)，這是該傳感器定量檢測(cè)乳糖的理論基礎(chǔ)。

圖2　乳糖循環(huán)伏安掃描結(jié)果

2.2.2電流-時(shí)間掃描

在連續(xù)攪拌條件下連續(xù)將0.1 mol/L的乳糖溶液滴加到0.1 mol/L NaOH溶液中，電流密度響應(yīng)值呈階梯狀上升趨勢(shì)。從圖3可以觀察出溶液中乳糖濃度與電流密度之間大致呈線性關(guān)系。對(duì)參數(shù)進(jìn)行線性擬合得到電流密度在0.2 mmol/L～3.5 mmol/L的線性濃度范圍內(nèi)與乳糖濃度的線性關(guān)系公式:

電流密度=0.19 226+0.10 601×乳糖濃度（R2=0.986 33）

泡沫鎳檢測(cè)乳糖的靈敏度為9.433 1 mA/（cm2· mmol/L），檢測(cè)限為6.8 μmol/L。相比較儀器分析方法，本研究提出的方法具有操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)速度快、靈敏高、低檢測(cè)限等優(yōu)勢(shì)。泡沫鎳材料以其易制備、成本低、高靈敏度、低檢測(cè)限等優(yōu)勢(shì)，有望于作為乳糖特異性檢測(cè)材料在乳制品中乳糖含量檢測(cè)中得到應(yīng)用。在電化學(xué)測(cè)量中，多孔材料一般具有相互貫通或封閉的孔洞構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有相對(duì)密度低、比強(qiáng)度高、比表面積高等優(yōu)勢(shì)［13］。同理，泡沫鎳的三維空間微米級(jí)多孔結(jié)構(gòu)有效增大電極與溶液的接觸面積，有助于提升乳糖的檢測(cè)靈敏度。如前文所述，現(xiàn)有酶型乳糖傳感器由于在儲(chǔ)存過(guò)程中酶活性降低而導(dǎo)致電極檢測(cè)性能降低，同時(shí)在電極表面修飾具有特異性酶物質(zhì)的成本相對(duì)較高。而本文提出的乳糖傳感器不需要添加成本較高的酶物質(zhì)，并且其電極材料如能批量生產(chǎn)成本相對(duì)低廉，為乳糖檢測(cè)提供了新思路。

圖3　乳糖i-t檢測(cè)曲線

2.5對(duì)照實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4顯示了0.1 M乳糖、氯化鈉、乙酸和糖精鈉的電流-時(shí)間曲線掃描結(jié)果，該傳感器對(duì)乳糖具有明顯的響應(yīng)，而對(duì)氯化鈉、乙酸和糖精鈉沒(méi)有明顯響應(yīng)，結(jié)果表明該傳感器對(duì)乳糖具有較好的選擇性。

圖4　對(duì)照實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.6檢測(cè)重復(fù)性

檢測(cè)重復(fù)性是傳感器的重要參數(shù)，該乳糖傳感器的檢測(cè)重復(fù)性與工作電極泡沫鎳材料、檢測(cè)環(huán)境密切相關(guān)。在泡沫鎳材料制備過(guò)程中必須嚴(yán)格按照上述比例配制各種溶液和各步驟的操作條件等。實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)環(huán)境均控制在標(biāo)準(zhǔn)條件下。重復(fù)性測(cè)試方法:以0.1 M乳糖為例，在上述檢測(cè)環(huán)境下，重復(fù)檢測(cè)15次，計(jì)算RSD，結(jié)果顯示RSD＜5%，說(shuō)明檢測(cè)重復(fù)性良好。

該傳感器為一次性使用即拋。但是我們?nèi)匀婚_(kāi)展了經(jīng)過(guò)高濃度乳糖溶液后，經(jīng)過(guò)洗脫再次檢測(cè)低濃度溶液，結(jié)果表明依然保持良好的準(zhǔn)確度。原因在于該傳感器表面的鎳并沒(méi)有直接參與到乳糖的檢測(cè)中去，而是作為催化劑在乳糖的檢測(cè)中起到催化作用，因此檢測(cè)過(guò)程對(duì)電極表面并沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的損傷。但是由于我們?cè)跍y(cè)量不同濃度溶液的時(shí)候，如果要重復(fù)使用的話，就必須要對(duì)電極進(jìn)行徹底的清洗，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且該傳感器的制作成本比較低，因此確定該傳感器為一次性使用即拋。

3　結(jié)論

本文使用泡沫鎳為工作電極，鉑電極作為對(duì)電極，構(gòu)建了一種基于三維多孔泡沫鎳材料的乳糖傳感器。循環(huán)伏安掃描結(jié)果表明泡沫鎳電極具有對(duì)乳糖的氧化能力，氧化過(guò)程中產(chǎn)生電子流動(dòng)進(jìn)而形成氧化電流，這是該乳糖傳感器的定量檢測(cè)依據(jù)。電流-時(shí)間掃描結(jié)果表明乳糖在0.2 mmol/L～3.5 mmol/L的線性濃度范圍內(nèi)，泡沫鎳檢測(cè)乳糖的靈敏度為9.433 1 mA/（cm2·mmol/L），檢測(cè)限為6.8 μmol/L泡沫鎳的三維空間微米級(jí)多孔結(jié)構(gòu)有效增大電極與溶液的接觸面積，提升乳糖的檢測(cè)靈敏度，依據(jù)電流密度與乳糖濃度之間的線性構(gòu)效關(guān)系以實(shí)現(xiàn)乳糖的定量檢測(cè)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該傳感器對(duì)乳糖具有較好的選擇性。乳糖不耐受癥影響了一部分人的生活，因此對(duì)于奶及奶制品中乳糖的監(jiān)測(cè)具有重要意義。我們將開(kāi)展進(jìn)一步的研究工作，以探索該傳感器在牛奶乳糖含量遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。

［1］ 姜毅.新生兒乳糖不耐受［J］.中國(guó)新生兒科雜志，2014，29 （6）:414-417.

［2］ 曹碧霞.腹脹新生兒乳糖不耐受情況分析［J］.實(shí)用醫(yī)學(xué)雜志，2011，27:986-987.

［3］ Clark L C，Lyons C.Electrode Systems for Continuous Monitoringin Cardiovascular Surgery［J］.Ann New York A cad Sci，1962，102:29-45.

［4］ Fan Z J，Liu B，Liu X H，et al.A Flexible and Disposable Hybrid Electrode Based on Cu Nanowires Modified Graphene Transparent Electrode for Non-Enzymatic Glucose Sensor［J］.Electrochimica Acta，2013，109:602-608.

［5］ Meng F H，Shi W，Sun Y N，et al.Nonenzymatic Biosensor Based on CuxO Nanoparticles Deposited on Polypyrrole Nanowires for Improving Detection Range［J］.Biosensors and Bioelectronics，2013，42:141-147.

［6］ Xu D，Luo L Q，Ding Y P，et al.A Novel Nonenzymatic Fructose Sensor Based on Electrospun LaMnO3Fibers［J］.Journal of Electroanalytical Chemistry，2014，727:21-26.

［7］ Bo X J，Ndamanisha J C，Bai J，et al.Nonenzymatic Amperometric Sensor of Hydrogen Peroxide and Glucose Based on Pt Nanoparticles/Ordered Mesoporous Carbon Nanocomposite［J］.Talanta，2010，82（1）:85-91.

［8］ Meng F H，Shi W，Sun Y N，et al.Nonenzymatic Glucose Sensor Based on Cu-Cu2S Nanocomposite Electrode［J］.Electrochemistry Communications，2012，24:53-56.

［9］ Rong L Q，Yang C，Qian Q Y，et al.Study of the Nonenzymatic Glucose Sensor Based on Highly Dispersed Pt Nanoparticles Supported on Carbon Nanotubes［J］.Talanta，2007，72（2）:819-824.

［10］Biscay J，Rama E C，García M B G，et al.Amperometric Fructose Sensor Based on Ferrocyanide Modified Screen-Printed Carbon Electrode［J］.Talanta，2012，88:432-438.

［11］Antiochia R，Gorton L.A New Osmium-Polymer Modified Screen-Printed Graphene Electrode for Fructose Detection［J］. Sensors and Actuators B，2014，195:287-293.

［12］Wang Y，Wang W，Song W B.Binary CuO/Co3O4Nanofibers for Ultrafast and Amplified Electrochemical Sensing of Fructose［J］. Electrochimica Acta，2011，56（27）:10191-10196.

［13］Seung Mok Lee，Lalhmunsiama，Thanhmingliana，et al.Porous Hybrid Materials in the Remediation of Water Contaminated with As （III）and As（V）［J］.Chemical Engineering Journal，2015，270: 496-507.

朱靜宜（1982-），女，漢族，浙江杭州人，碩士，副教授，主要參與方向?yàn)閭鞲衅骷夹g(shù)。先后承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金、省自然科學(xué)基金等多項(xiàng)科研項(xiàng)目，已發(fā)表論文十余篇，多為SCI、EI收錄，zhujingyi_1@126.com。

Study of Lactose Sensor Using 3-D Porous Ni Foam Materials*

ZHU Jingyi1*，ZHANG Dan2
（1.Department of Computer and Information Technology，ZheJiang ChangZheng Vocational&Technical College，Hangzhou 310023，China；2.College of Computer Science and Technology，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

A lactose sensor using 3-D porous Ni foam material was investigated.Ni foam material was used as working electrode，and Pt electrode was used as counter electrode.In 0.1 M NaOH solution，cyclic voltammetry（CV）and amperometric current-time（i-t）methods were utlized to quantitatively measure lactose.CV scanning results indicated that lactose could be easily oxidized on the surface of Ni foam electrode.I-t measurement results demonstrated that this sensor presented a sensitivity of 9.433 1 mA/（cm2·mmol/L）in linear range from 0.2 mmol/L to 3.5 mmol/L. Its detecting limit was 6.8 μmol/L.This sensor had some anvantages including fast response，low cost，high sensitivity，low detecting limint，etc.It is promising in practical applications.

lactose；Ni foam；electrochemistry；sensor；quantitative analysis

TP212.6

A

1004-1699（2015）09-1303-04

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然基金項(xiàng)目（61305030）；浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（Y107003）；浙江省高技能人才培養(yǎng)和技術(shù)創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目（2013R30056）

2015-03-30修改日期:2015-07-06