基于微納泡沫金屬材料的D-半乳糖傳感器研究*

夏孟麗，謝樂(lè)天，吳鑫宇，惠國(guó)華*，陳裕泉

（1.浙江省林業(yè)智能監(jiān)測(cè)與信息技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江農(nóng)林大學(xué)，浙江臨安311300；2.浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系，杭州310027）

基于微納泡沫金屬材料的D-半乳糖傳感器研究*

夏孟麗1，謝樂(lè)天1，吳鑫宇1，惠國(guó)華1*，陳裕泉2

（1.浙江省林業(yè)智能監(jiān)測(cè)與信息技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江農(nóng)林大學(xué)，浙江臨安311300；2.浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系，杭州310027）

研究了一種基于微納泡沫鎳材料的D-半乳糖定量傳感器，采用泡沫鎳材料作為工作電極，Pt作對(duì)電極，Ag/AgC（l飽和KCl溶液）電極作為參比電極構(gòu)建三電極檢測(cè)體系，采用循環(huán)伏安法（CV）和電流-時(shí)間曲線(xiàn)法（i-t）檢測(cè)具有濃度梯度的D-半乳糖溶液。CV掃描結(jié)果表明了D-半乳糖在泡沫鎳材料上發(fā)生氧化-還原反應(yīng)，i-t檢測(cè)結(jié)果表明在線(xiàn)性范圍0.25 mmol/L～5.00 mmol/L內(nèi)該傳感器檢測(cè)D-半乳糖的靈敏度為6.73×10-2mA（/cm2·（mmol/L）），檢測(cè)限為17.7 μmol/L（S/N=3）。結(jié)果證明所構(gòu)建的檢測(cè)方法不但可以實(shí)現(xiàn)D-半乳糖的定量分析，并且具有較好的靈敏度和較低的檢測(cè)限。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該傳感器具有響應(yīng)速度快、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，有望在糖類(lèi)物質(zhì)快速定量檢測(cè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。

傳感器；D-半乳糖；泡沫鎳；電化學(xué)；電流密度

半乳糖是一種單糖，在動(dòng)物的大腦以及神經(jīng)組織內(nèi)存在，是人體內(nèi)糖蛋白的組成部分［1］。如果過(guò)量攝入半乳糖，在半乳糖氧化酶催化生成乙醛糖與過(guò)氧化氫，體內(nèi)活性氧水平快速提高，擾亂體內(nèi)代謝功能，導(dǎo)致體內(nèi)超氧離子自由基水平顯著提高，加速體內(nèi)衰老，半乳糖宜適量攝入，因此飲食中半乳糖的定量監(jiān)測(cè)具有重要意義［2-3］。目前糖定量檢測(cè)方法大致分為酶型與非酶型。酶型糖傳感器借助于相應(yīng)的酶對(duì)糖的特異性氧化作用實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目的［4］，但活性酶物質(zhì)成本高，且在電極上容易失活。非酶型傳感器避免了酶型傳感器的缺點(diǎn)，采用Pt，Au，Ni，Cu和Ag或其氧化物等作為電極傳感材料，依據(jù)電化學(xué)檢測(cè)信息達(dá)到糖定量分析的目標(biāo)。如多壁碳納米管（MWCNTs）結(jié)合金屬Pt的葡萄糖快速響應(yīng)傳感器［5］、摻雜Pt的碳材料納米級(jí)糖電化學(xué)傳感器［6］。金屬及其化合物具有易制備、易操作等優(yōu)勢(shì)，在糖檢測(cè)中應(yīng)用廣泛［7-10］。但是該類(lèi)的制備成本較高，且靈敏度和檢測(cè)限尚需提高。泡沫金屬材料的出現(xiàn)，為解決上述問(wèn)題提供了新的思路，泡沫金屬材料具備金屬自身的物化屬性，同時(shí)其三維空間結(jié)構(gòu)也增大了電極與被測(cè)物的接觸面積［11］。Shin等人于2003年利用電化學(xué)沉積與析氫反應(yīng)結(jié)合的方式合成了空間網(wǎng)狀形狀的泡沫銅。2004年該小組繼續(xù)深入研究，改變孔狀大小，并且隨著與基底的距離加大，網(wǎng)格孔徑也越大，有利于化合物分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)以及提高電極的選擇性和靈敏度［12］。雖然泡沫銅在糖類(lèi)物質(zhì)分子檢測(cè)領(lǐng)域有一定的研究探討，但是由于銅的物理性質(zhì)，因此在使用過(guò)程中也存在一定的局限性，比如檢測(cè)限和靈敏度的限制［13］。但是目前對(duì)于其他泡沫金屬材料用于糖檢測(cè)領(lǐng)域，則少有報(bào)道。

本文提出了一種基于微米級(jí)泡沫鎳電化學(xué)傳感器的D-半乳糖定量識(shí)別方法，首先制備了泡沫鎳敏感材料，以泡沫鎳作為工作電極，對(duì)電極采用鉑片，參比電極采用Ag/AgCl（飽和KCl溶液）電極，使用CV和i-t方法實(shí)驗(yàn)檢測(cè)半乳糖液體樣品，并且開(kāi)展了對(duì)比檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

1 材料和方法

1.1 試劑和儀器

NaOH（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），D-半乳糖（天津廣福精細(xì)化學(xué)研究所），蔗糖（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），乳糖（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司），葡萄糖（廣東省化學(xué)試劑工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心），CHI-600E電化學(xué)工作站（上海辰華儀器公司），85-2A型自動(dòng)攪拌器（江蘇新瑞儀器公司）。所有試劑為分析純，水為去離子水。

1.2 泡沫鎳材料制備

聚氨酯泡沫經(jīng)乙醇溶液清洗3 min后，置入4%的NaOH之中，恒溫45℃的條件下5 min后取出來(lái)，去掉油漬并有效增加材料表面的粗糙程度。采用3.00 g/L CrO3與4.00 mL/L H2SO4混合液在37℃下粗化聚氨酯泡沫5 min。并使用SnCl2·2H2O與36.0%鹽酸混合作為敏化溶液，加入單質(zhì)錫在45℃的溫度下敏化6 min。將處理后的功能性材料在超聲條件下置入化學(xué)鍍液中，在37℃條件下加入PdCl2溶液中6 min，完畢后取出材料并用去離子水清洗，置入恒溫干燥箱中干燥。再把多孔泡沫材料固定為陰極，單質(zhì)鎳固定為陽(yáng)極，在80.0 g/L NiSO4、24.0 g/L次亞磷酸鈉、12.0 g/L的醋酸鈉、8.0 g/L的硼酸、6.00 g/L的氯化銨的溶液中進(jìn)行電鍍處理，在所處理材料上沉積鎳，完成處理后取出用去離子水洗凈并在恒溫干燥箱中烘干待用。

1.3 SEM表征

使用德國(guó)卡爾蔡司SUPRA 55 SAPPHIRE in?strument（CarlZeiss Microscopy GmbH 73447 Oberkochen，Germany）表征材料，電壓為5.00 kV。

1.4 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)操作使用循環(huán)伏安法和電流時(shí)間曲線(xiàn)法，利用0.20 M的NaOH溶液作為基礎(chǔ)液，泡沫鎳材料與檢測(cè)液的接觸面積約為0.25 cm2。取0.10 M的D-半乳糖溶液，CV掃描電壓范圍為-1.00 V～0.60 V，掃描速度為50.0 mV/s。

i-t檢測(cè)是在+0.50 V恒電勢(shì)下進(jìn)行檢測(cè)的。檢測(cè)過(guò)程中每間隔50 s滴加0.05 mL的D-半乳糖溶液到20.0 mL 0.20 M的NaOH溶液中，在磁力攪拌下達(dá)到穩(wěn)定的電流響應(yīng)（固定在200 r/min），每次實(shí)驗(yàn)共滴加20滴，實(shí)驗(yàn)時(shí)間1 200 s。在200 s開(kāi)始第一次滴加。測(cè)量并記錄電流密度作為D-半乳糖濃度的函數(shù)。靈敏度由檢出電流密度參數(shù)與D-半乳糖濃度信息的線(xiàn)性擬合來(lái)計(jì)算。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 掃描電鏡表征結(jié)果

圖1 泡沫鎳掃描電鏡圖

圖1是泡沫鎳SEM表征的結(jié)果，從圖1可以看出，課題組所制備的泡沫鎳材料具有均勻的三維網(wǎng)狀微孔結(jié)構(gòu)，多層穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)且連接緊密，鎳的機(jī)械性能良好，可防止網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變形及塌陷，部分表面斷裂或?yàn)闄M截表面，內(nèi)部無(wú)斷裂。從圖中能夠觀(guān)察出，材料的空間網(wǎng)孔直徑分布于0.11 mm～0.25 mm范圍之內(nèi)，越接近空間的內(nèi)部區(qū)域其網(wǎng)孔直徑漸漸減小，這種特殊的空間結(jié)構(gòu)有利于在溶液環(huán)境下電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，促進(jìn)了整個(gè)電極范圍電化學(xué)反應(yīng)。

2.2 CV循環(huán)掃描表征結(jié)果

圖2是泡沫鎳CV掃描200次表征的部分結(jié)果，從該圖可以觀(guān)察出，課題組所制備的泡沫鎳材料具有響應(yīng)穩(wěn)定、反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 泡沫鎳CV掃描圖

2.3 定性分析結(jié)果

圖3顯示了在15.0 mL 0.2 mol/L NaOH和10.0 mL 0.10 mol/L乳糖的混合溶液中掃描的循環(huán)伏安曲線(xiàn)。D-半乳糖物質(zhì)的氧化特征峰對(duì)應(yīng)的電位約是0.60 V，相應(yīng)的檢出電流密度約是-0.26 mA/cm2。在上述條件下D-半乳糖在檢測(cè)條件下經(jīng)由烯醇化過(guò)程最終生成葡萄糖，而葡萄糖在泡沫鎳材料空間中被氧化分解，這就是本文所提出傳感器的檢測(cè)依據(jù)。D-半乳糖的特征還原峰對(duì)應(yīng)的電位是-1.00 V，對(duì)應(yīng)電流密度約是0.35 mA/cm2。D-半乳糖的氧化峰電流密度和還原峰電流密度均高于NaOH溶液，表明D-半乳糖確實(shí)在泡沫鎳電極表面發(fā)生了氧化-還原反應(yīng)。

圖3 循環(huán)伏安法檢測(cè)結(jié)果

2.4 定量檢測(cè)結(jié)果

圖4（a）所示是D-半乳糖的定量檢測(cè)結(jié)果，電流時(shí)間曲線(xiàn)穩(wěn)定在200 s，隨著檢測(cè)時(shí)間的延長(zhǎng)電流響應(yīng)值按照階梯狀遞增。圖4（b）分別為D-半乳糖溶液定量檢測(cè)結(jié)果，可以觀(guān)察到每次滴加后溶液中的糖溶液濃度與電流密度值的關(guān)系是標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)，其函數(shù)關(guān)系如式（1）所示。式（1）經(jīng)過(guò)一步變換得到式（2），在得到檢測(cè)電流密度參數(shù)的情況下，可以得到相應(yīng)的D-半乳糖溶液濃度。隨著D-半乳糖溶液的滴入，其在堿性環(huán)境中烯醇化生成葡萄糖，因此i-t曲線(xiàn)呈現(xiàn)明顯上升的趨勢(shì)。從線(xiàn)性擬合圖中得知，在0.25 mmol/L至5.00 mmol/L濃度區(qū)間中該半乳糖傳感器的檢測(cè)靈敏度是0.67×10-2mA/［cm2·（mmol/L）］，檢測(cè)限是17.7 μmol/L（S/N=3）。

傳統(tǒng)糖物質(zhì)的定量分析方法主要依靠高效液相色譜、色譜-質(zhì)譜聯(lián)用等技術(shù)，檢測(cè)費(fèi)用高昂并且操作繁瑣，且需要經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的熟練操作工程師。本文研究的方法操作簡(jiǎn)便，檢測(cè)靈敏好，并且擁有較低的檢測(cè)限，并且對(duì)D-半乳糖具有靈敏的響應(yīng)。

圖4 半乳糖定量檢測(cè)結(jié)果

2.5 對(duì)照實(shí)驗(yàn)結(jié)果

葡萄糖、乳糖等物質(zhì)通常與半乳糖相伴而生，因此，我們選擇葡萄糖、乳糖、蔗糖作為半乳糖的對(duì)照實(shí)驗(yàn)樣品［14］。圖5（a）所示為對(duì)照實(shí)驗(yàn)的CV掃描結(jié)果，為0.10 mol/L的半乳糖、葡萄糖、乳糖和蔗糖的電流時(shí)間掃描曲線(xiàn)，從圖中看D-半乳糖與其他的對(duì)比物質(zhì)有不同的特異性曲線(xiàn)，原因在于D-半乳糖與葡萄糖、乳糖、果糖有不同的還原性。圖5（b）為四種糖樣品的i-t定量檢測(cè)結(jié)果，4種糖溶液溶液有一定的響應(yīng)趨勢(shì)，而其它三種糖滴入檢測(cè)溶液后穩(wěn)定電流密度值變化有所不同。從圖5可以觀(guān)察出葡萄糖的電流最高，乳糖和半乳糖次之，而蔗糖最低。這幾種糖因其具有不同的還原性，在堿性溶液環(huán)境中在泡沫鎳表面易被氧化而產(chǎn)生響應(yīng)電流，依據(jù)氧化電流密度變化可以實(shí)現(xiàn)定量判斷。這幾種糖如果在溶液中共存，那么我們又如何實(shí)現(xiàn)定性定量檢測(cè)檢測(cè)結(jié)果呢？圖5（c）所示為四種糖溶液CV掃描信號(hào)的隨機(jī)共振信噪比響應(yīng)曲線(xiàn)［15-17］，從圖中可以看出不同糖的特征峰的位置和高度均不同，我們可以根據(jù)特征峰的位置來(lái)判斷檢測(cè)液中是否含有該類(lèi)糖，根據(jù)各個(gè)峰的高度比值，去反推檢測(cè)液中所含有糖類(lèi)物質(zhì)的濃度，從而實(shí)現(xiàn)定性定量檢測(cè)的目標(biāo)。對(duì)照實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，泡沫鎳對(duì)對(duì)比物質(zhì)不具有特異性響應(yīng)，因此可用作實(shí)現(xiàn)對(duì)D-半乳糖的定性檢測(cè)。

圖5 對(duì)照實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.6 傳感器重復(fù)性與壽命

本部分考察所提出的半乳糖傳感器的檢測(cè)重復(fù)性與壽命。重復(fù)性與功能性敏感材料、檢測(cè)條件有關(guān)，要遵循規(guī)定步驟來(lái)制備泡沫鎳材料。檢測(cè)條件為標(biāo)準(zhǔn)條件下，重復(fù)性測(cè)試方法：①空載檢測(cè)；②在上述檢測(cè)環(huán)境下向基底溶液中逐滴滴加0.1 mol/L的D-半乳糖，重復(fù)檢測(cè)10次。檢測(cè)結(jié)果如圖6（a）和（b）所示。圖6（a）表明該傳感器對(duì)空白樣品的響應(yīng)具有較好的重現(xiàn)性。圖6（b）表明在i-t掃描實(shí)驗(yàn)中，在200 s之后，測(cè)量結(jié)果具有較好的重復(fù)性。計(jì)算RSD，計(jì)算結(jié)果表明RSD＜5.00%，說(shuō)明所提出的傳感器具有良好的重復(fù)性。泡沫金屬材料僅僅作為催化劑為檢測(cè)化學(xué)反應(yīng)提供相應(yīng)的催化功能，因此檢測(cè)過(guò)程中無(wú)消耗。為了驗(yàn)證這個(gè)結(jié)論，我們將使用過(guò)的傳感器經(jīng)洗脫干燥后再次用于檢測(cè)，結(jié)果表明經(jīng)洗脫后的傳感器依然具有較好的重復(fù)性，因?yàn)榕菽饘俨牧系闹谱鞒杀颈阋耍ㄗh該半乳糖傳感器一次性檢測(cè)后拋棄。

半乳糖傳感器的壽命取決于其空間三維結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在室溫以及80%的相對(duì)濕度條件下存放一年，仍沒(méi)有出現(xiàn)明顯的變化。

圖6 電流密度響應(yīng)檢測(cè)結(jié)果

3 結(jié)論

本文提出一種采用功能性微納泡沫鎳材料的半乳糖定量檢測(cè)傳感器，工作電極使用制備的泡沫鎳材料，對(duì)電極為鉑片，參比電極選用Ag/AgCl（飽和KCl溶液）電極，采用循環(huán)伏安檢測(cè)方法和電流時(shí)間曲線(xiàn)檢測(cè)方法測(cè)量具有濃度梯度的D-半乳糖溶液，CV檢測(cè)結(jié)果表明D-半乳糖分子在泡沫金屬空間結(jié)構(gòu)中被氧化，i-t檢測(cè)結(jié)果表明在線(xiàn)性范圍0.25 mmol/L至5.00 mmol/L濃度范圍內(nèi)，該半乳糖傳感器的檢測(cè)靈敏度是0.67×10-2mA/（cm2·（mmol/L）），檢測(cè)限是17.7 μM（S/N=3），D-半乳糖溶液定量檢測(cè)模型為：半乳糖濃度=（R2=0.988 0）。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該傳感器具備較好的選擇性。

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夏孟麗（1995-），女，四川省簡(jiǎn)陽(yáng)人，浙江農(nóng)林大學(xué)本科生在讀，研究方向?yàn)樯锛夹g(shù)、檢測(cè)技術(shù)；

惠國(guó)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，現(xiàn)于浙江農(nóng)林大學(xué)信息工程學(xué)院從事教學(xué)科研工作，先后主持國(guó)家自然科學(xué)基金、省科技項(xiàng)目等多項(xiàng)，已發(fā)表SCI、EI論文40余篇，deliver1982@163.com。

Study of D-Galactose Sensor by Using Micro-Nano Metal Foam Material*

XIA Mengli1，XIE Letian1，WU Xinyu1，HUI Guohua1*，CHEN Yuquan2
（1.Key Laboratory of Forestry Intelligent Monitoring and Information Technology of Zhejiang Province，Zhejiang A&F University，Lin’an Zhejiang 31130，China；2.Department of Biomedical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

A quantitative D-galactose sensor by using micro-nano nickel foam material was proposed.Ni foam mate?rial as the working electrode，Pt electrode against a saturated Ag/AgCl（saturated KCl solution）electrode as the refer?ence electrode constructed three-electrode detection system.Cyclic voltammetry（CV）and current-time（i-t）curve methods were used to detect a concentration gradient of D-galactose solution.CV scanning results demonstrated that oxidation-reduction procedure of D-galactose molecules occurs on the nickle foam material.I-t scanning results indi?cated that the proposed sensor presented the sensitivity of 6.73×10-2mA/（cm2·mM）and detecting limit of 17.7 μM（S/N=3）in linear range between 0.25 mM and 5.00 mM.The proposed sensor not only presented quantitative analy?sis ability for D-galactose，but also had good sensitivity and low detecting limit.Control experimental results showed that this sensor had some advantages including rapid analysis，low cost，etc.It is expected to carbohydrate rapid quantitative detection of application fields.

sensor；D-galactose；Ni foam；electrochemistry；current density

TP393

A

1004-1699（2016）11-1643-05

EEACC：7230 10.3969/j.issn.1004-1699.2016.11.003

項(xiàng)目來(lái)源：浙江農(nóng)林大學(xué)人才科研項(xiàng)目（2015FR020）；國(guó)家自然基金項(xiàng)目（81000645）；浙江省公益技術(shù)研究項(xiàng)目（2016C31G2100263）

2016-05-02 修改日期：2016-07-11