一種基于泡沫銅材料的無酶果糖傳感器研究*

金姣姣，劉 偉，傅 均*，惠國華，陳裕泉

（1.浙江工商大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，杭州 310018；2.浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院，杭州 310027）

一種基于泡沫銅材料的無酶果糖傳感器研究*

金姣姣1，劉 偉1，傅 均1*，惠國華1，陳裕泉2

（1.浙江工商大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，杭州 310018；2.浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院，杭州 310027）

本文嘗試了一種基于泡沫銅材料的無酶果糖傳感器。以泡沫銅材料作為工作電極，Pt片作為對電極，在0.1 mol/L 的NaOH溶液中以循環(huán)伏安法（CV）和電流-時(shí)間曲線法（i-t）探索了一種無酶果糖的定量檢測方法。CV掃描結(jié)果證明果糖在泡沫銅電極表面易被氧化。i-t檢測結(jié)果表明在線性范圍0.18 mol/L～3.47 mol/L內(nèi)泡沫銅電極檢測果糖的靈敏度3.193 0 mA/（cm2·mmol/L），其檢測限為13.8 μmol/L。對比實(shí)驗(yàn)表明，泡沫銅電極對果糖具有較好的選擇性。該傳感器具有響應(yīng)速度快、成本低等優(yōu)勢，有望于糖類檢測中得到應(yīng)用。

果糖；泡沫銅；電化學(xué)；傳感器；定量分析

果糖是人體內(nèi)非常重要的一種還原性單糖。果糖的血糖指數(shù)很低，但過量過量會引起空腹血糖指數(shù)、甘油三酯和血壓升高［1-2］，因此對飲食中果糖的控制至關(guān)重要。果糖的定量定性檢測方法已有一些報(bào)道，如基于葡萄糖氧化酶的葡萄糖傳感器［3］。在酶法常由于酶活性降低而導(dǎo)致檢測失效。非酶糖類傳感器相繼涌現(xiàn)，如碳納米管表明修飾金屬Pt合成Pt-MWCNTs用于葡萄糖檢測，修飾過的Pt-MWCNTs電極具有很好的電催化活性，并且在amperometric最優(yōu)條件檢測下顯示了很好的線性關(guān)系［4］。Bo等在有序多孔碳材料孔隙中嵌入Pt合成Pt/OMCs納米材料來檢測葡萄糖［5］。銅及含銅化合物因其成本低、易于制備并且處理簡便等優(yōu)點(diǎn)，在葡萄糖檢測中得到廣泛應(yīng)用［6-8］。目前也有許多關(guān)于果糖檢測的報(bào)道，如在絲網(wǎng)印刷碳電極上修飾高分子聚合物鋨檢測果糖［9］，以LaMnO3fibers制備非酶果糖傳感器檢測果糖［10］，采用銅鈷氧化物復(fù)合納米纖維通過熱處理制備成電活性材料檢測果糖［11］，利用亞鐵氰化物修飾絲網(wǎng)印刷碳電極檢測果糖［12］，以及利用納米結(jié)構(gòu)的Ni（Ⅱ）修飾玻碳電極用于分析果糖的電氧化過程［13］。

2003年，Shin等利用電沉積與析氫反應(yīng)結(jié)合的方法合成了三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的泡沫銅。之后通過改變孔狀大小，并且隨著與基質(zhì)的遠(yuǎn)離，孔直徑越大，這將有利于分子或離子的自由移動以及提高電極的選擇性和靈敏度［14］。近年來，研究人員開展大量研究以提高泡沫銅的可塑性、改善泡沫銅的幾何形狀及機(jī)械性能等［15］。Niu等利用泡沫銅在三電極體系電化學(xué)工作站上成功的檢測了葡萄糖［16］。

本文嘗試采用泡沫銅作為工作電極，Pt為對電極，探索了果糖的定性和定量檢測方法，并開展了對照實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明傳感器對果糖響應(yīng)靈敏，i-t電流密度響應(yīng)值與果糖濃度具有良好的線性關(guān)系，對照實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明傳感器對于對照物質(zhì)無響應(yīng)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器

NaOH，乙醇（國藥集團(tuán)上海試劑公司）；D-果糖（天津廣福精細(xì)化學(xué)研究所）；氯化鈉（成都科龍?jiān)噭┕荆?；CHI-600E電化學(xué)工作站（上海辰華儀器公司）；丙酮（國藥集團(tuán)）；糖精鈉（國藥集團(tuán)）；85-2A型自動攪拌器（江蘇新瑞儀器公司）。所有試劑均為分析純，水是去離子水。

1.2 泡沫銅材料制備

以乙醇清洗聚氨酯軟泡沫1 min，采用4%的NaOH溶液做浸泡處理，去除油漬和增加表面粗糙度。將聚氨酯泡沫放入溶液中，恒溫45℃，5 min后取出［14-16］。初步粗化液采用8.0 g/L KMnO4與5.0 mL/L H2SO4混合，粗化時(shí)間10 min。二步粗化采用3 g/L，CrO3與4 mL/L H2SO4混合，室溫浸泡24 h。粗化后泡沫材料開孔率顯著提高，親水性明顯增強(qiáng)。然后采用 20 g/L SnCl2·2H2O與 40 mL/L HCl （36%）作為敏化液，加入錫粒少許，在45℃條件下敏化5 min。將敏化過后的泡沫材料于37℃下放入0.2 g/L的PdCl2活化液中處理5 min，然后取出以清水洗凈。以甲醛作為還原劑鍍銅，鍍液的成分為12.0 g/L CuSO4·5H2O、42.0 g/L EDTA、20.0 g/L Na2SO4、20.0 mL/L HCHO，pH條件為12.5～13.0。然后將泡沫材料作為陰極，銅板電極作為陽極，在70 g/L CuSO4·5H2O、0.6 g/L的NaCl、0.03 g/L聚乙二醇、0.05 g/L十二烷基硫酸鈉、25 mL/L H2SO4的電鍍液中進(jìn)行電鍍，電壓5 V，在泡沫上沉積銅層。

1.3 SEM表征

使用德國卡爾蔡司SUPRA 55 SAPPHIRE instrument（Carl ZeissMicroscopy GmbH 73447 Oberkochen，Germany）表征材料，電壓為5.00 kV。

1.4 檢測實(shí)驗(yàn)

果糖檢測采用 CV法和i-t法，以0.1 mol/L NaOH作為電解質(zhì)，泡沫銅電極與溶液的接觸面積是0.17 cm2。CV掃描電壓范圍為-0.2 V～+0.7 V，掃描速率為50 mV/s。i-t檢測是在+0.5 V恒電勢下進(jìn)行檢測的。檢測過程中每50 s滴加一滴0.1 mol/L的果糖溶液，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)系建立定量分析方法。

本文選擇糖精鈉，無機(jī)鹽NaCl和有機(jī)試劑丙酮作為對照試驗(yàn)。糖精鈉，NaCl和丙酮均無還原性。以0.1 mol/L的糖精鈉，NaCl和丙酮的檢測結(jié)果作為對照與果糖的結(jié)果進(jìn)行比較。檢測方法與糖的檢測方法相同。

2 結(jié)果與討論

2.1 SEM表征結(jié)果

泡沫銅表征結(jié)果如圖1所示。從圖1（a）中可以看出，制備的泡沫銅具有均勻分布的三維網(wǎng)狀孔結(jié)構(gòu)，多層穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)且連接緊密，銅的機(jī)械性能良好，可防止網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變形及塌陷，表面的斷裂可能是由于運(yùn)輸及人為原因?qū)е?。從圖1（b）中可以看出，表面網(wǎng)孔的直徑在0.15 mm～0.35 mm之間，而其內(nèi)部的網(wǎng)孔直徑越來越小。

圖1 泡沫銅掃描電鏡圖

2.2 果糖檢測結(jié)果

2.2.1 CV檢測結(jié)果

圖2顯示了在0.1 mol/L NaOH溶液中存在或者不存在果糖時(shí)的檢測結(jié)果。當(dāng)在0.1 mol/L NaOH溶液中添加0.1 mol/L待測溶液后，對圖2及數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，加入0.1 mol/L的果糖的氧化峰比0.1 mol/L NaOH時(shí)明顯升高了，并且還原峰降低了。說明加入果糖后，溶液在+0.14 V左右發(fā)生了不可逆的氧化還原反應(yīng)。果糖是葡萄糖的同分異構(gòu)體，雖然它是一種酮糖，但它在堿性環(huán)境下會發(fā)生烯醇化反應(yīng)生成醛糖，即葡萄糖［10］，然后生成的葡萄糖在堿性溶液中在泡沫銅表面會發(fā)生氧化還原反應(yīng)，這是泡沫銅材料檢測果糖的原理。

圖2 果糖CV檢測曲線

2.2.2 i-t檢測結(jié)果

圖3 果糖i-t檢測曲線

i-t掃描結(jié)果如圖3（a）所示，我們可以看到在基線穩(wěn)定后，在攪拌條件下把0.1 mol/L的果糖溶液逐漸加入到0.1 mol/L NaOH溶液中，其在10 s左右達(dá)到穩(wěn)定值，且電流響應(yīng)值會隨著時(shí)間的呈階梯狀上升。在圖2（b）中，可以觀察每次滴加后溶液中的糖溶液濃度與電流密度值的關(guān)系也是標(biāo)準(zhǔn)曲線。從線性擬合圖中得知，果糖在 0.18 mol/L～3.47 mol/L的線性濃度范圍內(nèi)，其R2=0.998 7。泡沫銅檢測果糖的靈敏度為3.193 0 mA/（cm2·mmol/L），檢測限為13.8 μmol/L（S/N=3）。傳統(tǒng)檢測果糖的方法主要有高效液相色譜、氣相色譜等方法，檢測成本高，檢測時(shí)間長，過程復(fù)雜，并且需要專業(yè)操作人員。本文研究的方法操作簡便，檢測靈敏好，并且擁有較低的檢測限。

2.5 對照實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4是0.1 mol/L果糖、糖精鈉、NaCl和丙酮i-t趨勢的比較結(jié)果。從疊加圖中可以看出，果糖溶液有很高的響應(yīng)趨勢，而隨著0.1 mol/L NaOH中糖精鈉、NaCl和丙酮的增多，其電流幾乎沒有變化，原因在于糖精鈉、NaCl和丙酮沒有還原性。果糖具有較強(qiáng)的還原性，在堿性溶液中果糖會發(fā)生烯醇化反應(yīng)生成葡萄糖，泡沫銅表面會有電子的轉(zhuǎn)移，進(jìn)而以電流的形式被檢測軟件記錄，其結(jié)果就是兩者的電流趨勢及強(qiáng)度很相似，并且都有很強(qiáng)的電流響應(yīng)值。對于非還原性物質(zhì)糖精鈉、NaCl和丙酮來說，三者在泡沫銅表面幾乎沒有發(fā)生任何氧化還原反應(yīng)，即泡沫銅表面沒有電子轉(zhuǎn)移而沒有出現(xiàn)響應(yīng)信號。

圖4 對照實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

本文以泡沫銅為工作電極，鉑片為電極，采用CV和i-t方法探索了果糖的定量檢測。CV掃描結(jié)果表明葡萄糖可被泡沫銅電極氧化產(chǎn)生電流，這是該傳感器的檢測基礎(chǔ)。i-t掃描結(jié)果表明在線性范圍0.18 mol/L～3.47 mol/L范圍內(nèi)該果糖傳感器檢測靈敏度為3.193 0 mA/（cm2·mmol/L），檢測限為13.8 μmol/L。泡沫銅的微米級微孔結(jié)構(gòu)增大了溶液接觸面積，提高果糖檢測靈敏度，根據(jù)果糖濃度與電流密度之間的線性關(guān)系實(shí)現(xiàn)果糖的定量檢測。對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該傳感器對糖精鈉、NaCl和丙酮無明顯響應(yīng)。我們將開展進(jìn)一步的研究工作探索該傳感器在膳食糖類快速檢測中的應(yīng)用。

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金姣姣（1991-），女，碩士研究生，浙江工商大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，主要從事食品質(zhì)量與安全等領(lǐng)域研究；

傅 均（1980-），男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師。1999～2009年在浙江大學(xué)本科和直攻博學(xué)習(xí)，2009年至今在浙江工商大學(xué)任教。主要研究方向?yàn)橹悄芑t(yī)學(xué)儀器、人工嗅覺及其氣敏傳感器、模式識別，junfu@zjgsu.edu.cn；

惠國華（1980-），男，副教授，碩士生導(dǎo)師，2008年獲浙江大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位，后赴法國國家科學(xué)研究中心從事生物信號處理的訪問研究，現(xiàn)于浙江工商大學(xué)食品與生物工程學(xué)院任教，主要從事細(xì)胞傳感器、氣敏傳感技術(shù)、智能儀器儀表、食品質(zhì)量與安全等領(lǐng)域研究，承擔(dān)國家自然科學(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30余篇，多為SCI、EI收錄，ghui@zjgsu.edu.cn。

Study of Non-Enzymetic Fructose Sensor Based on Cu Foam Materials*

JIN Jiaojiao1，LIU Wei1，F(xiàn)U Jun1*，HUI Guohua1，CHEN Yuquan2
（1.College of Computer Science and Information Engineering，Zhejiang Gongshang University，Hangzhou 310018，China；2.College of Biomedical Engineering and Instrument Science，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

A non-enzymatic fructose sensor was investigated.Cu foam material was used as working electrode，and Pt electrode was counter electrode.In 0.1 mol/L NaOH solution，cyclic voltammetry（CV）and amperometric current-time （i-t）methods were utlized to detect fructose quantitatively.CV scanning results indicated that fructose was easily oxidized on the surface of Cu foam electrode.i-t measurement results demonstrated that this sensor presented a sensitivity of 3.193 0 mA/（cm2·mmol/L）.Its detecting limit was 13.8 μmol/L in linear range between 0.18 mmol/L and 3.47 mol/L.Negative control results demonstrated that Cu foam electrode had good selectivity.This sensor presented anvantages including rapid responses，low cost，etc.It is promising in sweetener detection.

fructose；Cu foam；electrochemistry；sensor；quantitative analysis EEACC：7230J

TP212.6

A

1004-1699（2015）04-0603-04

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.04.025

項(xiàng)目來源：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（81000645，61305030）；浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動計(jì)劃項(xiàng)目（2014R408021）；浙江工商大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目（12-160，12-161，13-157，13-158）

2014-11-09 修改日期：2015-01-13