基于石墨烯/四氧化三铁酶电极的葡萄糖传感器的研究

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糖尿病是一类以高血糖为主要特征的由体内胰岛素分泌缺陷或者组织细胞的胰岛素抵抗引起的代谢性疾病。随着近年来糖尿病患者的增多,糖尿病的早期诊断有着愈发重要的意义。葡萄糖生物传感器是用来检测液体系中葡萄糖浓度的传感器,能对血糖含量进行快速、准确的诊断,其研究备受科研工作者的关注。新型材料是推动生物传感器发展的动力。自2008年石墨烯首次被用来构建电化学生物传感器以来,业界已证实石墨烯及其复合材料快速的电子转移能力能够促进生物传感器电极附近的氧化还原过程,提升传感器的性能。以石墨烯及其复合材料修饰传感器电极成为当下研究的热点。目前石墨烯及其复合材料在葡萄糖酶生物传感器的应用中,石墨烯/纳米金等材料修饰的葡萄糖生物传感器有生物相容性差、线性范围低、制备过程复杂、成本偏高等缺点。针对这些问题,本文开展了原位合成石墨烯/四氧化三铁(rGO/Fe3O4)纳米复合材料及其在葡萄糖传感器上的应用研究,主要内容如下:(1)以改进的Hummers法合成氧化石墨烯,并通过氧化还原法在其表面原位沉积四氧化三铁,制备了rGO/Fe3O4复合材料。通过XRD、XPS和SEM等表征手段对材料的结构和表面形貌进行了研究,结果表明四氧化三铁(Fe3O4)纳米颗粒原位沉积在石墨烯表面,在氧化石墨烯(GO)与氯化亚铁(Fe Cl2·4H2O)质量比1:20条件下制备的rGO/Fe3O4的X射线衍射图谱具有尖锐的衍射峰,扫描电镜下其颗粒大小约50-100 nm。采用电化学分析方法研究了rGO/Fe3O4对过氧化氢的电催化效应,结果表明rGO/Fe3O4能够有效降低工作电极阻抗,改善工作电极的电化学性能,rGO/Fe3O4修饰的电极对过氧化氢具有较好的电催化活性。(2)以rGO/Fe3O4修饰玻碳电极(GCE),将葡萄糖氧化酶(GOx)固定在电极上,制备了rGO/Fe3O4修饰的酶电极(rGO/Fe3O4/GOx/GCE)。通过分析电极的循环伏安特性,研究了GOx的直接电化学过程,结果证明GOx固定在rGO/Fe3O4纳米复合材料修饰的电极上后可以实现GOx与传感器电极之间的直接电子传递,其表观电子转移速率常数为2.03 s-1。通过循环伏安测试和计时电流测试分析制备的修饰电极对葡萄糖的电催化响应,测试结果表明制备的葡萄糖生物传感器的灵敏度为2.645μA·mM-1,线性范围为0.5-10 mM,检测限为106.5μM。葡萄糖生物传感器的干扰测试和重复测试表明了其良好的抗干扰能力和稳定性。
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