基于微納泡沫金屬材料的D-半乳糖傳感器研究*

夏孟麗，謝樂天，吳鑫宇，惠國華*，陳裕泉

（1.浙江省林業智能監測與信息技術研究重點實驗室，浙江農林大學，浙江臨安311300；2.浙江大學生物醫學工程學系，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，謝樂天1，吳鑫宇1，惠國華1*，陳裕泉2

（1.浙江省林業智能監測與信息技術研究重點實驗室，浙江農林大學，浙江臨安311300；2.浙江大學生物醫學工程學系，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作對電極，Ag/AgC（l飽和KCl溶液）電極作為參比電極構建三電極檢測體系，采用循環伏安法（CV）和電流-時間曲線法（i-t）檢測具有濃度梯度的D-半乳糖溶液。CV掃描結果表明了D-半乳糖在泡沫鎳材料上發生氧化-還原反應，i-t檢測結果表明在線性范圍0.25 mmol/L～5.00 mmol/L內該傳感器檢測D-半乳糖的靈敏度為6.73×10-2mA（/cm2·（mmol/L）），檢測限為17.7 μmol/L（S/N=3）。結果證明所構建的檢測方法不但可以實現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限。對比實驗結果表明該傳感器具有響應速度快、成本低廉等優勢，有望在糖類物質快速定量檢測領域得到應用。

傳感器；D-半乳糖；泡沫鎳；電化學；電流密度

半乳糖是一種單糖，在動物的大腦以及神經組織內存在，是人體內糖蛋白的組成部分［1］。如果過量攝入半乳糖，在半乳糖氧化酶催化生成乙醛糖與過氧化氫，體內活性氧水平快速提高，擾亂體內代謝功能，導致體內超氧離子自由基水平顯著提高，加速體內衰老，半乳糖宜適量攝入，因此飲食中半乳糖的定量監測具有重要意義［2-3］。目前糖定量檢測方法大致分為酶型與非酶型。酶型糖傳感器借助于相應的酶對糖的特異性氧化作用實現檢測目的［4］，但活性酶物質成本高，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，采用Pt，Au，Ni，Cu和Ag或其氧化物等作為電極傳感材料，依據電化學檢測信息達到糖定量分析的目標。如多壁碳納米管（MWCNTs）結合金屬Pt的葡萄糖快速響應傳感器［5］、摻雜Pt的碳材料納米級糖電化學傳感器［6］。金屬及其化合物具有易制備、易操作等優勢，在糖檢測中應用廣泛［7-10］。但是該類的制備成本較高，且靈敏度和檢測限尚需提高。泡沫金屬材料的出現，為解決上述問題提供了新的思路，泡沫金屬材料具備金屬自身的物化屬性，同時其三維空間結構也增大了電極與被測物的接觸面積［11］。Shin等人于2003年利用電化學沉積與析氫反應結合的方式合成了空間網狀形狀的泡沫銅。2004年該小組繼續深入研究，改變孔狀大小，并且隨著與基底的距離加大，網格孔徑也越大，有利于化合物分子的擴散運動以及提高電極的選擇性和靈敏度［12］。雖然泡沫銅在糖類物質分子檢測領域有一定的研究探討，但是由于銅的物理性質，因此在使用過程中也存在一定的局限性，比如檢測限和靈敏度的限制［13］。但是目前對于其他泡沫金屬材料用于糖檢測領域，則少有報道。

本文提出了一種基于微米級泡沫鎳電化學傳感器的D-半乳糖定量識別方法，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方法實驗檢測半乳糖液體樣品，并且開展了對比檢測實驗。

1 材料和方法

1.1 試劑和儀器

NaOH（國藥集團化學試劑有限公司），D-半乳糖（天津廣福精細化學研究所），蔗糖（國藥集團化學試劑有限公司），乳糖（國藥集團化學試劑有限公司），葡萄糖（廣東省化學試劑工程技術研究開發中心），CHI-600E電化學工作站（上海辰華儀器公司），85-2A型自動攪拌器（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，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，單質鎳固定為陽極，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 檢測實驗

實驗操作使用循環伏安法和電流時間曲線法，利用0.20 M的NaOH溶液作為基礎液，泡沫鎳材料與檢測液的接觸面積約為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檢測是在+0.50 V恒電勢下進行檢測的。檢測過程中每間隔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，在磁力攪拌下達到穩定的電流響應（固定在200 r/min），每次實驗共滴加20滴，實驗時間1 200 s。在200 s開始第一次滴加。測量并記錄電流密度作為D-半乳糖濃度的函數。靈敏度由檢出電流密度參數與D-半乳糖濃度信息的線性擬合來計算。

2 實驗結果

2.1 掃描電鏡表征結果

圖1 泡沫鎳掃描電鏡圖

圖1是泡沫鎳SEM表征的結果，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狀微孔結構，多層穩定的網狀結構且連接緊密，鎳的機械性能良好，可防止網狀結構變形及塌陷，部分表面斷裂或為橫截表面，內部無斷裂。從圖中能夠觀察出，材料的空間網孔直徑分布于0.11 mm～0.25 mm范圍之內，越接近空間的內部區域其網孔直徑漸漸減小，這種特殊的空間結構有利于在溶液環境下電化學反應的進行，促進了整個電極范圍電化學反應。

2.2 CV循環掃描表征結果

圖2是泡沫鎳CV掃描200次表征的部分結果，從該圖可以觀察出，課題組所制備的泡沫鎳材料具有響應穩定、反應速度快等優點。

圖2 泡沫鎳CV掃描圖

2.3 定性分析結果

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伏安曲線。D-半乳糖物質的氧化特征峰對應的電位約是0.60 V，相應的檢出電流密度約是-0.26 mA/cm2。在上述條件下D-半乳糖在檢測條件下經由烯醇化過程最終生成葡萄糖，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依據。D-半乳糖的特征還原峰對應的電位是-1.00 V，對應電流密度約是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-半乳糖確實在泡沫鎳電極表面發生了氧化-還原反應。

圖3 循環伏安法檢測結果

2.4 定量檢測結果

圖4（a）所示是D-半乳糖的定量檢測結果，電流時間曲線穩定在200 s，隨著檢測時間的延長電流響應值按照階梯狀遞增。圖4（b）分別為D-半乳糖溶液定量檢測結果，可以觀察到每次滴加后溶液中的糖溶液濃度與電流密度值的關系是標準曲線，其函數關系如式（1）所示。式（1）經過一步變換得到式（2），在得到檢測電流密度參數的情況下，可以得到相應的D-半乳糖溶液濃度。隨著D-半乳糖溶液的滴入，其在堿性環境中烯醇化生成葡萄糖，因此i-t曲線呈現明顯上升的趨勢。從線性擬合圖中得知，在0.25 mmol/L至5.00 mmol/L濃度區間中該半乳糖傳感器的檢測靈敏度是0.67×10-2mA/［cm2·（mmol/L）］，檢測限是17.7 μmol/L（S/N=3）。

傳統糖物質的定量分析方法主要依靠高效液相色譜、色譜-質譜聯用等技術，檢測費用高昂并且操作繁瑣，且需要經過培訓的熟練操作工程師。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，并且對D-半乳糖具有靈敏的響應。

圖4 半乳糖定量檢測結果

2.5 對照實驗結果

葡萄糖、乳糖等物質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照實驗樣品［14］。圖5（a）所示為對照實驗的CV掃描結果，為0.10 mol/L的半乳糖、葡萄糖、乳糖和蔗糖的電流時間掃描曲線，從圖中看D-半乳糖與其他的對比物質有不同的特異性曲線，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定量檢測結果，4種糖溶液溶液有一定的響應趨勢，而其它三種糖滴入檢測溶液后穩定電流密度值變化有所不同。從圖5可以觀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，在堿性溶液環境中在泡沫鎳表面易被氧化而產生響應電流，依據氧化電流密度變化可以實現定量判斷。這幾種糖如果在溶液中共存，那么我們又如何實現定性定量檢測檢測結果呢？圖5（c）所示為四種糖溶液CV掃描信號的隨機共振信噪比響應曲線［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，我們可以根據特征峰的位置來判斷檢測液中是否含有該類糖，根據各個峰的高度比值，去反推檢測液中所含有糖類物質的濃度，從而實現定性定量檢測的目標。對照實驗結果表明，泡沫鎳對對比物質不具有特異性響應，因此可用作實現對D-半乳糖的定性檢測。

圖5 對照實驗結果

2.6 傳感器重復性與壽命

本部分考察所提出的半乳糖傳感器的檢測重復性與壽命。重復性與功能性敏感材料、檢測條件有關，要遵循規定步驟來制備泡沫鎳材料。檢測條件為標準條件下，重復性測試方法：①空載檢測；②在上述檢測環境下向基底溶液中逐滴滴加0.1 mol/L的D-半乳糖，重復檢測10次。檢測結果如圖6（a）和（b）所示。圖6（a）表明該傳感器對空白樣品的響應具有較好的重現性。圖6（b）表明在i-t掃描實驗中，在200 s之后，測量結果具有較好的重復性。計算RSD，計算結果表明RSD＜5.00%，說明所提出的傳感器具有良好的重復性。泡沫金屬材料僅僅作為催化劑為檢測化學反應提供相應的催化功能，因此檢測過程中無消耗。為了驗證這個結論，我們將使用過的傳感器經洗脫干燥后再次用于檢測，結果表明經洗脫后的傳感器依然具有較好的重復性，因為泡沫金屬材料的制作成本便宜，建議該半乳糖傳感器一次性檢測后拋棄。

半乳糖傳感器的壽命取決于其空間三維結構的穩定性，在室溫以及80%的相對濕度條件下存放一年，仍沒有出現明顯的變化。

圖6 電流密度響應檢測結果

3 結論

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傳感器，工作電極使用制備的泡沫鎳材料，對電極為鉑片，參比電極選用Ag/AgCl（飽和KCl溶液）電極，采用循環伏安檢測方法和電流時間曲線檢測方法測量具有濃度梯度的D-半乳糖溶液，CV檢測結果表明D-半乳糖分子在泡沫金屬空間結構中被氧化，i-t檢測結果表明在線性范圍0.25 mmol/L至5.00 mmol/L濃度范圍內，該半乳糖傳感器的檢測靈敏度是0.67×10-2mA/（cm2·（mmol/L）），檢測限是17.7 μM（S/N=3），D-半乳糖溶液定量檢測模型為：半乳糖濃度=（R2=0.988 0）。對比實驗結果表明該傳感器具備較好的選擇性。

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夏孟麗（1995-），女，四川省簡陽人，浙江農林大學本科生在讀，研究方向為生物技術、檢測技術；

惠國華（1980-），男，副教授，碩士生導師，2008年獲浙江大學工學博士學位，現于浙江農林大學信息工程學院從事教學科研工作，先后主持國家自然科學基金、省科技項目等多項，已發表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

項目來源：浙江農林大學人才科研項目（2015FR020）；國家自然基金項目（81000645）；浙江省公益技術研究項目（2016C31G2100263）

2016-05-02 修改日期：2016-07-11