一种基于MoS2-AuNPs-PPY复合材料无酶检测葡萄糖的电化学传感方法

摘要

一种基于MoS2‑AuNPs‑PPY复合材料无酶检测葡萄糖的电化学传感方法，通过电沉积方法将AuNPs修饰到GCE表面，起到提升电极导电性的作用；然后滴涂MoS2纳米片分散液以制备MoS2‑AuNPs/GCE电极；之后通过电聚合法将吡咯修饰在MoS2‑AuNPs/GCE表面，提高体系的电子传输速率，并为Cu(II)的复合提供支持，最后将电极在CuCl2溶液中培养1h获得MoS2‑AuNPs‑PPY‑Cu(II)/GCE电极。本发明的MoS2‑AuNPs‑PPY基电化学传感方法可实现对葡萄糖的线性检测范围为0.1nM～80nM，检测限可达到0.085nM，具有较高的灵敏度。

权利要求

1.一种基于MoS2-AuNPs-PPY复合材料无酶检测葡萄糖的电化学传感方法，其特征在于，步骤如下：

(1)将表面抛光的玻碳电极GCE浸入摩尔比为1：10:10的HAuCl4、H2SO4和Na2SO4混合溶液中，使HAuCl4、H2SO4和Na2SO4的总摩尔浓度控制为0.1-2mM，通过循环伏安法在-0.2V～1V范围内以50mV/s进行扫描，此时在玻碳电极表面发生Au的还原反应，AuNPs由电沉积方法修饰到玻碳电极表面，修饰后的电极称为AuNPs/GCE；

(2)通过超声剥离法制备MoS2纳米片：将MoS2粉末与DMF溶液按照摩尔比为1:1混合，超声处理10h-20h小时获得均匀的悬浮液；然后将制备好的悬浮液以1000rpm-3000rpm低速离心，再以10000rpm-13000rpm高速离心，最后，通过真空冷冻干燥获得MoS2纳米片；

(3)将步骤(2)得到的MoS2纳米片分散在高纯水中，得到浓度为0.1-2mg/mL的均匀悬浮液；取悬浮液滴涂于AuNPs/GCE表面，滴涂量为142μg/cm2，并于室温放置直至形成一层均匀的薄膜，即得到MoS2-AuNPs/GCE；

(4)将步骤(3)得到的MoS2-AuNPs/GCE浸入摩尔比为1：1的吡咯与H2SO4混合液中，吡咯与H2SO4混合液的总摩尔浓度控制为0.1M，通过电流-时间法在0.3-0.6V范围内进行扫描，扫描时间为200s-1000s，得到MoS2-AuNPs-PPY/GCE；

(5)将步骤(4)中得到的MoS2-AuNPs-PPY/GCE电极浸入0.01-0.2M的CuCl2溶液培养1-

2h，得到MoS2-AuNPs-PPY-Cu(II)/GCE；

(6)配置摩尔浓度为0.001-0.1M的NaOH缓冲溶液，将步骤(5)得到的MoS2-AuNPs-PPY-Cu(II)/GCE置于葡萄糖和NaOH的混合溶液中，利用差分脉冲伏安法进行测试并分析结果；测试参数为：电势范围0.1V～0.8V，电势增量4mV，振幅25mV，频率25Hz。

2.根据权利要求1所述的一种基于MoS2-AuNPs-PPY复合材料无酶检测葡萄糖的电化学传感方法，其特征在于，步骤(2)中超声处理控制为25℃，冷冻干燥时间控制为12h。

说明书

一种基于MoS2-AuNPs-PPY复合材料无酶检测葡萄糖的电化学

传感方法

技术领域

[0001] 本发明属于材料科学和电化学技术领域，涉及到一种基于MoS2-AuNPs-PPY 复合材料无酶检测葡萄糖的电化学传感方法。

背景技术

[0002] 葡萄糖广泛分布于自然界中，是生物体的主要能量物质，对新陈代谢有不可替代的作用。对葡萄糖的精准分析与快速检测在食品工业、生物化学、环境监测和医药等领域有着极其重要意义。因此发展一种快速，准确的葡萄糖浓度检测技术引起了研究者的广泛关注。

[0003] 目前，检测葡萄糖的方法主要有高效液相色谱法、光谱法、比色法、分光光度法等。虽然上述方法可实现对葡萄糖的定量检测，但是面临着仪器价格昂贵，运行成本高，检测过程繁琐等问题。此外部分方法的检测灵敏度低，精确度较差等问题在在一定程度上限制了其应用。因此，电化学传感法作为一种新兴的检测方法，由于操作简单方便、能够快速检测、易微型化且灵敏度高等优点被广泛关注。

[0004] 葡萄糖电化学传感器根据是否含有葡萄糖氧化酶(glucose oxidase，GOx) 主要分为两种类型，酶葡萄糖传感器和无酶葡萄糖传感器。酶电化学葡萄糖传感器是将葡萄糖氧化酶(GOx)固定在电极表面，葡萄糖与GOx产生特定的催化反应，通过将反应信号以电信号形式进行采集，从而检测相应底物的浓度。然而由于酶的不稳定性，容易受环境、温度、pH等因素影响，且价格昂贵、制作过程复杂等导致其重现性差，工艺复杂，对它的应用具有一定程度的限制，因此无酶电化学传感技术应运而生。

[0005] 影响无酶电化学传感器灵敏度的主要原因是电极表面纳米材料电催化活性的优异程度，所以对于材料的选择尤为重要。近年来，二硫化钼纳米材料由于其独特的性质，如比表面积大、良好的生物相容性、灵敏的表面态，高的催化活性，被应用于葡萄糖传感器的制备中。该类传感器表现出了优越的电催化性能，但是由于二硫化钼导电性一般且片层结构容易聚集，在灵敏度方面还有待提高。而金属纳米颗粒在葡萄糖传感器中的应用，虽然在一定程度上对检测的灵敏度有了改进，但是容易受到其他离子尤其是Cl-的干扰，使贵金属中毒而失去催化活性，并且贵金属价格昂贵、选择性较差。

[0006] 综上，在电化学无酶葡萄糖传感器方面还需要不断改进，获得灵敏度更高，选择性更好的新型无酶葡萄糖电化学传感器。

发明内容

[0007] 本发明的目的是通过金纳米颗粒AuNPs和聚吡咯PPY共同修饰二硫化钼纳米片构建电化学传感体系实现对葡萄糖的检测。本发明通过利用MoS2作为电极材料，通过进一步电沉积AuNPs起到提升导电性的作用，利用聚吡咯进一步提高电极的电子传导速率，并为Cu(II)的复合提供支撑，最终基于MoS2-AuNPs-PPY 复合材料构建的电化学生物传感体系可实现对葡萄糖的灵敏、快速、特异性检测。

[0008] 本发明的技术方案：

[0009] 一种基于MoS2-AuNPs-PPY复合材料无酶检测葡萄糖的电化学传感方法，步骤如下：

[0010] (1)将表面抛光的玻碳电极GCE浸入摩尔比为1：10:10的HAuCl4、H2SO4和Na2SO4混合溶液中，使HAuCl4、H2SO4和Na2SO4的总摩尔浓度控制为0.1-2 mM，通过循环伏安法在-0.2V～1V范围内以50mV/s进行扫描，此时在玻碳电极表面发生Au的还原反应，AuNPs由电沉积方法修饰到玻碳电极表面，修饰后的电极称为AuNPs/GCE；

[0011] (2)通过超声剥离法制备MoS2纳米片：将MoS2粉末与DMF溶液按照摩尔比为1:1混合，超声处理10h-20h小时获得均匀的悬浮液；然后将制备好的悬浮液以1000rpm-3000rpm低速离心，再以10000rpm-13000rpm高速离心，最后，通过真空冷冻干燥获得MoS2纳米片；

[0012] (3)将步骤(2)得到的MoS2纳米片分散在高纯水中，得到浓度为0.1-2 mg/mL的均匀悬浮液；取悬浮液滴涂于AuNPs/GCE表面，滴涂量为142μg/cm2，并于室温放置直至形成一层均匀的薄膜，即得到MoS2-AuNPs/GCE；

[0013] (4)将步骤(3)得到的MoS2-AuNPs/GCE浸入摩尔比为1：1的吡咯与 H2SO4混合液中，吡咯与H2SO4混合液的总摩尔浓度控制为0.1M，通过电流- 时间法在0.3-0.6V范围内进行扫描，扫描时间为200s-1000s，得到 MoS2-AuNPs-PPY/GCE；

[0014] (5)将步骤(4)中得到的MoS2-AuNPs-PPY/GCE电极浸入0.01-0.2M的 CuCl2溶液培养1-2h，得到MoS2-AuNPs-PPY-Cu(II)/GCE；

[0015] (6)配置摩尔浓度为0.001-0.1M的NaOH缓冲溶液，将步骤(5)得到的 MoS2-AuNPs-PPY-Cu(II)/GCE置于葡萄糖和NaOH的混合溶液中，利用差分脉冲伏安法进行测试并分析结果；测试参数为：电势范围0.1V～0.8V，电势增量 4mV，振幅25mV，频率25Hz。

[0016] 本发明的有益效果：

[0017] (1)灵敏度高，检测限可达到0.085nM(S/N＝3)；

[0018] (2)选择性高，噪声值低；

[0019] (3)成本低，有效替代了造价昂贵且易损耗的金电极。

附图说明

[0020] 图1为MoS2-AuNPs-PPY复合材料合成过程中不同阶段产物的扫描电镜图，其中，A为二硫化钼纳米片的电镜图，B为MoS2-AuNPs材料的电镜图，C为 MoS2-AuNPs-PPY的电镜图；

[0021] 图2为MoS2-AuNPs-PPY/GCE电极修饰过程中的交流阻抗图，其中，a为 GCE、b为MoS2/GCE、c为MoS2-PPY/GCE、d为MoS2-AuNPs-PPY/GCE；

[0022] 图3为本发明所述的一种用于葡萄糖检测的MoS2-AuNPs-PPY基电化学传感方法的检测过程示意图；

[0023] 图4(A)为本发明的方法获得的葡萄糖的差分脉冲伏安曲线图；

[0024] 图4(B)为本发明的方法获得的葡萄糖的峰电流值与葡萄糖浓度的线性关系图。

具体实施方式

[0025] 以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

[0026] 本发明涉及一种用于葡萄糖检测的MoS2-AuNPs-PPY基电化学传感方法。本方法通过合成MoS2纳米片以及电沉积AuNPs并将其作为电极材料，有效提升了玻碳电极的导电性；PPY对电极的进一步修饰，起到了复合Cu(II)的作用；基于MoS2-AuNPs-PPY复合材料构建的电化学传感体系在NaOH碱性介质中，使用Cu(II)/Cu(III)氧化还原对作为催化中心，在+
0.45V的氧化电位下将葡萄糖转化为葡糖酸内酯。

[0027] 下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

[0028] 实施例1：一种用于葡萄糖检测的MoS2-AuNPs-PPY基电化学传感方法。

[0029] (1)分别将30mg MoS2粉末与30mL N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液混合，DMF溶液作为剥离和分散溶剂，超声处理12小时获得均匀的悬浮液。然后将制备好的悬浮液以1000rpm离心5分钟，再以13000rpm离心10分钟，最后，通过真空冷冻干燥获得MoS2纳米片粉末；其形貌结构如图1A所示，呈现良好的二维片层结构，具有大的可接触表面积。

[0030] (2)将GCE电极依次在粒径为1μm、0.3μm和50nm的α-氧化铝抛光粉悬浮液中打磨2分钟，随后分别置于无水乙醇和高纯水中超声5分钟，去除吸附在电极表面的氧化铝粉末和有机物，用高纯水冲洗净电极后通N2吹干；将 GCE电极浸没于1mM HAuCl4溶液(含0.01M H2SO4和0.01MNa2SO4)中通过循环伏安法电沉积AuNPs，电势范围为-0.2V～1V，扫描速率为50mV/s，扫描圈数为5圈，用高纯水冲洗电极后通N2吹干，修饰后的电极被标记为AuNPs/ GCE。

[0031] (3)将1mg MoS2纳米片粉末超声分散到1mL高纯水中，得到浓度为1 mg/mL的均匀悬浮液。取10μL滴涂在AuNPs/GCE电极表面并置于室温下干燥直至在其表面形成一层均匀的薄膜，此时电极被标记为MoS2-AuNPs/GCE；其形貌结构如图1B所示，在片层结构之间可以看到颗粒状的AuNPs，粒径大约为100nm左右。

[0032] (4)将MoS2-AuNPs/GCE电极浸没于0.1M吡咯溶液(含0.1M H2SO4) 中通过电流-时间法电聚合吡咯，电势为0.5V，扫描时间为600s，用高纯水冲洗电极后通N2吹干，修饰后的电极被标记为MoS2-AuNPs-PPY/GCE；其形貌结构如图1C所示，球状的聚吡咯修饰在MoS2表面以及层间。

[0033] (5)将上述电极沉浸于0.1M的CuCl2溶液培养1h，随后用高纯水冲洗并通N2吹干，此时Cu(II)已通过和聚吡咯的络合作用自组装到电极表面，该电极被标记为MoS2-AuNPs-PPY-Cu(II)/GCE。

[0034] 与此同时，采用交流阻抗法对上述步骤(2)到步骤(4)之间的电极修饰过程进行表征，结果如图2所示。在交流阻抗谱图中高频区的半圆代表了电子传递限制过程，半圆直径越大意味着电极/溶液界面处电子传递阻力(Rct)越大， MoS2修饰之后的电极，半圆直径增大，说明电子传递速率减慢，随着PPY和 AuNPs相继修饰到电极表面，电子传递阻力逐渐减小，说明电极/溶液界面处电子传递速率加快，以上结果证实了金纳米颗粒和聚吡咯修饰的二硫化钼纳米片提升了传感体系的导电性能。

[0035] (6)将上述电极置于0.1M NaOH缓冲溶液中进行葡萄糖的检测，在碱性介质中Cu(II)被氧化为Cu(III)，Cu(III)具有极强的氧化性，将葡萄糖转化为葡糖酸内酯。检测方法为差分脉冲伏安法(DPV)，检测过程在CHI660D电化学工作站上进行，反应前后的MoS2-AuNPs-PPY-Cu(II)/GCE电极作为工作电极，铂丝电极作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，检测溶液为0.1M NaOH缓冲溶液，检测参数如下：电势范围为0.1V～0.8V，电势增量为4mV，振幅为25mV，频率为25Hz。检测结果如图4A所示，当葡萄糖浓度在0.1nM～80nM范围内增加时，峰电流值逐渐增加。图4B进一步揭示了峰电流变化与葡萄糖浓度之间的关系，可见该方法可实现在0.1nM～80nM范围内对葡萄糖的灵敏检测，由三倍信噪比(S/N＝3)计算得出该方法的检出限为0.085nM，并且在上述线性范围内峰电流与葡萄糖浓度满足如下拟合方程：

[0036] I(μA)＝2.6142[glucose，nM]+3.6688

[0037] 相关系数为0.998。

[0038] 实施例2：一种用于葡萄糖检测的N-CNF/AuNPs基电化学传感方法。

[0039] 1)分别将50mg MoS2粉末与50mL N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液混合， DMF溶液作为剥离和分散溶剂，超声处理15小时获得均匀的悬浮液。然后将制备好的悬浮液以2000rpm离心5分钟，再以12000rpm离心10分钟，最后，通过真空冷冻干燥获得MoS2纳米片粉末。

[0040] (2)将GCE电极依次在粒径为1μm、0.3μm和50nm的α-氧化铝抛光粉悬浮液中打磨2分钟，随后分别置于无水乙醇和高纯水中超声5分钟，去除吸附在电极表面的氧化铝粉末和有机物，用高纯水冲洗净电极后通N2吹干；将 GCE电极浸没于5mM HAuCl4溶液(含0.05M H2SO4和0.05MNa2SO4)中通过循环伏安法电沉积AuNPs，电势范围为-0.2V～1V，扫描速率为50mV/s，扫描圈数为3圈，用高纯水冲洗电极后通N2吹干，修饰后的电极被标记为AuNPs/ GCE。

[0041] (3)将5mg MoS2纳米片粉末超声分散到10mL高纯水中，得到浓度为0.5 mg/mL的均匀悬浮液。取20μL滴涂在AuNPs/GCE电极表面并置于室温下干燥直至在其表面形成一层均匀的薄膜，此时电极被标记为MoS2-AuNPs/GCE。

[0042] (4)将MoS2-AuNPs/GCE电极浸没于0.2M吡咯溶液(含0.2M H2SO4) 中通过电流-时间法电聚合吡咯，电势为0.5V，扫描时间为400s，用高纯水冲洗电极后通N2吹干，修饰后的电极被标记为MoS2-AuNPs-PPY/GCE。

[0043] (5)将上述电极沉浸于0.2M的CuCl2溶液培养0.5h，随后用高纯水冲洗并通N2吹干，此时Cu(II)已通过和聚吡咯的络合作用自组装到电极表面，该电极被标记为MoS2-AuNPs-PPY-Cu(II)/GCE。

[0044] (6)将上述电极置于0.1M NaOH缓冲溶液中进行葡萄糖的检测，在碱性介质中Cu(II)被氧化为Cu(III)，Cu(III)具有极强的氧化性，将葡萄糖转化为葡糖酸内酯，进而实现对葡萄糖的高灵敏检测，检测过程示意图如图3所示。检测方法为差分脉冲伏安法(DPV)，检测过程在CHI660D电化学工作站上进行，反应前后的MoS2-AuNPs-PPY-Cu(II)/GCE电极作为工作电极，铂丝电极作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，检测溶液为0.1M NaOH缓冲溶液，检测参数如下：电势范围为0.1V～0.8V，电势增量为4mV，振幅为25mV，频率为 25Hz。