单原子葡萄糖电化学工作电极的制备方法技术

本发明专利技术单原子葡萄糖电化学工作电极的制备方法包括：碳纳米管吡啶化修饰；碳纳米管季铵化修饰和羧基活化；单原子催化剂的合成；葡萄糖电化学工作电极制备，提纯的单原子催化剂分散在水中，得到9

【技术实现步骤摘要】
单原子葡萄糖电化学工作电极的制备方法


[0001]本专利技术属于单原子催化剂
，涉及单原子催化剂在葡萄糖电化学传感领域的应用，特别涉及了一种单原子葡萄糖电化学工作电极的制备方法。

技术介绍

[0002]糖尿病是一种以持续的高血糖为特征的代谢性疾病，目前已经成为全球性的公共健康难题。国际糖尿病联盟的最新数据显示，全球现有5.37亿糖尿病患者，几乎每十个成年人中就有一名糖尿病患者。糖尿病会诱发冠心病、周围神经病变、糖尿病足等多种并发症，已经成为威胁人类生命健康的一大杀手。
[0003]迄今为止，糖尿病尚无根治的方法。临床上最有效的监护方法就是实时监测患者血液中葡萄糖浓度，将血糖浓度维持在正常范围。血糖监测数据是为糖尿病患者制定治疗方案的依据，也是评估治疗效果的重要指标，更能及时发现患者低血糖情况，从而预防急性意外事件的发生。因此，发展应用于血糖监测的葡萄糖传感技术，在糖尿病等疾病的检测、治疗等领域有着至关重要的意义。
[0004]目前血糖监测的方法主要有光学法、比色法、能量代谢法和电化学法等。其中，电化学法因其灵敏度高、响应快速、操作简单，被广泛的应用在葡萄糖工作电极中。电化学法具有快速响应时间和很宽的检测范围，测得的电化学信号可以转化为相应的葡萄糖浓度，能够很好的实现对葡萄糖浓度的定量分析。
[0005]然而，现有的葡萄糖电化学工作电极也存在着一些问题，主要体现在：1、工作电压高，体内的干扰物质在较高电压下会发生氧化，对葡萄糖检测的准确性有较大影响；2、葡萄糖氧化酶可以特异性将葡萄糖氧化为葡萄糖内酯，通常情况下氧气作为葡萄糖氧化酶的电子受体参与反应，但是组织液中氧气浓度很低，会导致测试结果不准确。
[0006]中国专利CN202010246108.4公开了一种葡萄糖监测探头的工作电极，该工作电极具备：基底层，其设置在柔性衬底上；传感层，其通过涂覆传感层试剂而形成在所述基底层上，能够与血液或组织液中的葡萄糖发生化学反应，所述传感层试剂包括金属聚合物、葡萄糖酶、碳纳米管和交联剂，所述碳纳米管吸附所述金属聚合物和所述葡萄糖酶，对所述碳纳米管添加氨基修饰以使所述金属聚合物、所述碳纳米管紧密形成共价键结合，并与葡萄糖酶结合；半透膜，其形成在所述传感层上，控制葡萄糖分子的通过率；以及生物相容膜，其形成在所述半透膜上。根据本公开，能够降低工作电极工作电压，降低干扰，延长葡萄糖监测探头的使用寿命，并且提高对于葡萄糖的反应灵敏度。
[0007]它的缺点：该专利的传感层试剂中，氨基修饰的碳纳米管，与金属氧化还原聚合物、葡萄糖氧化酶和交联剂发生共价键反应。其中金属氧化还原聚合物包括聚乙烯基二茂铁、铁氰化钾的季铵化聚(4
‑
乙烯基吡啶)、铁氰化钾的季铵化聚(1
‑
乙烯基吡啶)，亚铁氰化物的季铵化聚(4
‑
乙烯基吡啶)、亚铁氰化物的季铵化聚(1
‑
乙烯基咪唑)、锇2,2
’‑
双吡啶络合物配位到聚(1
‑
乙烯基吡啶)、锇2,2
’‑
双吡啶络合物配位到聚(4
‑
乙烯基吡啶)、钴2,2
’‑
双吡啶络合物配位到聚(1
‑
乙烯基吡啶)、钴2,2
’‑
双吡啶络合物配位到聚(4
‑
乙烯基吡啶)。
这类的金属氧化还原聚合物其存在诸多缺点：1)二茂铁、铁氰化钾基团、锇2,2
’‑
双吡啶络合物、钴2,2
’‑
双吡啶络合物的氧化峰电位都高于0.2V，该电位下仍抗坏血酸、尿酸等干扰物质会发生氧化还原反应，干扰葡萄糖监测的准确度。2)上述的过渡金属络合物与聚合物直接配位，中间无碳氢链作为连接，会导致金属络合物与酶之间传递电子速率大大降低，影响灵敏度和检测稳定性。
[0008]中国专利CN202010832447.0公开了一种基于含过渡金属配合物介质的阳离子氧化还原聚合物水凝胶的葡萄糖电化学传感器，及其制备方法。所述葡萄糖电化学传感器的传感层包括含过渡金属配合物介质的阳离子氧化还原聚合物、葡萄糖氧化酶和交联剂。本专利技术的葡萄糖电化学传感器能够特异性检测葡萄糖，且其稳定电流信号与葡萄糖浓度线性相关系数高；能够排除干扰物质对葡萄糖检测的影响；还能够排除溶液中氧气浓度对葡萄糖检测的影响。
[0009]它的缺点：该专利提供的过渡金属配合物的阳离子氧化还原聚合物的金属位点(M)与二联咪唑和二联吡啶衍生物的N元素配位形成的是M
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N5的结构，其结构没有M
‑
N6稳定，电子传递效率相比M
‑
N6也有明显的差距。而且该专利的图1可以清晰看出阳离子氧化还原聚合物的氧化还原峰在0.2V左右，该电位下仍抗坏血酸、尿酸等干扰物质会发生氧化还原反应，会干扰葡萄糖监测的准确度。
[0010]美国专利US7，090，756公开了几种新型的过渡金属(Fe，Co，Ru，Os，V)配合物。过渡金属配合物可以在酶基电化学传感器中充当氧化还原介质，它们可以高效的接受或提供电子到酶，并且快速与传感器交换电子。过渡金属配合物的配体包括至少一个取代或未取代的双咪唑配体，并可以进一步包括第二个取代或未取代的双咪唑配体或者双吡啶、吡啶基咪唑配体。该专利还公布了过渡金属共价键方式链接在高分子聚合物骨架上面。
[0011]它的缺点：该专利公开的聚合物骨架包括，聚(4
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乙烯基吡啶)、聚(N
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乙烯吡啶)、聚丙氨酸、聚乙烯/马来酸酐共聚物、甲基乙烯醚/丙来酸酐共聚物、聚乙烯二苯乙烯、聚丙胺、聚赖氨酸、羧基聚乙烯吡啶和聚(4
‑
苯乙烯磺酸钠)。使用这些聚合物骨架存在诸多缺点：1)聚合物合成和提纯困难；2)聚合物与过渡金属共价结合工艺负载；3)这类聚合物不具备电子传递的功能，会影响酶与电极之间的电子传递效率。
[0012]结合对相关背景问题的了解，本专利技术提供了一种单原子葡萄糖电化学工作电极及其制备方法。
[0013]本专利结构上相比以上专利制备更加简单，而且避免了高分子聚合物的参与。从结构上来分析：中国专利CN202010246108.4(硅基)是高分子聚合物与过渡金属配合物形成金属
‑
N5相连，再加入氨基修饰的碳纳米管辅助电子传递；中国专利CN202010832447.0(微泰)是高分子聚合物与过渡金属配合物金属
‑
N5相连；美国专利US7，090，756(雅培)是高分子聚合物与过渡金属配合物金属N6相连。以上专利连续过渡金属配合物活性位点都与高分子聚合物相连，本专利直接用碳纳米管作为载体，与单原子位点相连，避免了引入高分子聚合物，使得制备更加简单，结构更清晰。
[0014]本专利技术提供的单原子葡萄糖电化学工作电极能够特异性检测葡萄糖，能在低工作电压下检测葡萄糖，可以排除干扰物质对葡萄糖检测的影响；低氧条件下对不同葡萄糖浓度表现出良好的线性关系，能够排除溶液中氧气浓度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单原子葡萄糖电化学工作电极的制备方法，它包括以下步骤：(一)、碳纳米管吡啶化修饰(a)、碳纳米管(CNT)的纯化先将碳纳米管分散在浓度为8
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12mol/L的浓盐酸溶液中浸泡18
‑
30h，然后在上述浓盐酸溶液中回流4
‑
6h，之后依次用水、乙醇和丙酮洗涤上述碳纳米管，直到洗涤液的pH为7，然后将得到的固体在真空度为
‑
0.1MPa、温度为70℃的真空干燥箱内干燥18
‑
30h，得到纯化的碳纳米管(CNT)；(b)、重氮盐的制备将1份的亚硝酸钠溶解在1.5
‑
2份的水中，将1
‑
1.5份的4
‑
氨基吡啶溶解在1
‑
1.2份浓度为3
‑
5mol/L的盐酸中，然后在冰水浴中，将两种溶液混合并搅拌30
‑
60min，得到亚硝酸钠和4
‑
氨基吡啶的混合溶液；(c)、碳纳米管吡啶化修饰(CNT
‑
py)将步骤(a)的90
‑
110mg纯化的碳纳米管分散在190
‑
210mL的N,N
‑
二甲基甲酰胺(DMF)中，在超声波下分散50
‑
150min后，得到纯化碳纳米管的溶液，再将上述纯化碳纳米管的溶液冷却至0℃，然后将从上述步骤(b)中得到的11
‑
15ml的亚硝酸钠和4
‑
氨基吡啶的混合溶液滴加到上述纯化碳纳米管的溶液中，先在0℃下搅拌2
‑
4h，再在室温下搅拌12
‑
16h，过滤并收集所得产物，然后依次用2mol/L盐酸、2mol/L氢氧化钠、水和丙酮洗涤并去除所得产物上的杂质，使得洗涤液pH为7，最后将洗涤后得到的固体置入真空度为
‑
0.1MPa的真空干燥箱内，在70℃下干燥18至30h后，得到吡啶修饰的碳纳米管(CNT
‑
py)；(二)、碳纳米管季铵化修饰和羧基活化(d)、碳纳米管季铵化(CNT
‑
py
‑
BHA)取上述步骤(c)得到的75
‑
80mg吡啶修饰的碳纳米管(CNT
‑
py)，在其中加入1.8
‑
2.2mL无水N,N
‑
二甲基甲酰胺(DMF)中进行超声波分散，然后再加入20
‑
25mg的6
‑
溴己酸(6
‑
BHA)，将溶液在90℃下搅拌20
‑
26h，待溶液冷却至室温后，缓慢地倒入18
‑
22mL乙酸乙酯溶液中并快速搅拌，过滤得到固体，固体在真空度为
‑
0.1MPa的真空干燥箱内，在温度70℃干燥18至30h得到季铵化修饰的碳纳米管(CNT
‑
py
‑
BHA)；(e)、碳纳米管的羧基活化取上述步骤(d)得到的50
‑
52mg的季铵化修饰的碳纳米管(CNT
‑
py
‑
BHA)，加入1.8
‑
2.2mL无水N,N
‑
二甲基甲酰胺(DMF)中超声波分散，然后再加入17.5
‑
19mg的N,N,N',N'
‑
四甲基
‑
O
‑
(N
‑
琥珀酰亚胺)脲四氟硼酸盐(TSTU)，得到悬浮液，将上述悬浮液搅拌10
‑
20min后，再加入8
‑
12μL的N,N
‑
二异丙基乙胺，并将得到的溶液搅拌7
‑
9h，得到碳纳米管羧基活化的溶液；其特征在于：(三)、单原子催化剂的合成(f)、单原子位点Os
‑
N6金属前驱体合成将320
‑
330mg的N,N
’‑
二甲基
‑
2,2
’‑
联咪唑和430
‑
440mg的(NH4)2OsCl6分别倒入11
‑
13mL乙二醇溶液中，在氮气保护下，在135
‑
145℃下搅拌22
‑
26h，得到反应混合物；将270
‑
278mg的N
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：甘建民，兰春波，
申请(专利权)人：民康医疗科技天津有限公司，
类型：发明
国别省市：