[00122500]基于微纳米Co3O4/ZnO复合电极的葡萄糖类电化学传感器研制

糖尿病患者最显著的临床表现是因血液中葡萄糖含量过高而导致的高血糖。众所周知,葡萄糖直接参与人体的各项新陈代谢过程,因此,只有血糖浓度保持在一个合适的范围内才能保证体内各组织器官的正常的新陈代谢。当血糖浓度过高,极易引发多种并发症,使体内部分器官病变、坏死,甚至危及患者生命。因而,开发对葡萄糖浓度实时、快速和精确的检测方法对于糖尿病的预防、诊断和治疗具有重要意义。电化学传感器因其具有由于操作简单方便、能够快速检测、检测限较低和线性范围较宽等优点,经过近六十年的发展,利用电化学传感器检测血糖浓度已经成为了血糖监测领域的主流方法。本项目来自山西省重点研发计划（国际科技合作）项目,研发一种基于新型微纳米Co3O4复合材料的简单、精准、灵敏度高的电化学传感器。通过简单水热法制备不同的微纳米Co3O4基复合材料,制备成电化学传感器的工作电极,以葡萄糖作为典型检测对象,使其对葡萄糖的检测灵敏度5mA·mM-1·cm-2,检出限达1μM。 本项目由中北大学总体负责,提出方案并实施;韩国根特大学国际校区协助进行基于Co3O4复合材料活性材料的合成机理及工作机理研究。通过合作解决成本低、选择性好和灵敏度高的微纳米Co3O4复合材料电极制备的关键技术。同时本项目与太原北方中超科技有限公司进行产学研合作,加速成果在健康监控、食品安全和环境监控等领域中的推广应用。 项目的特色与创新之处 有两点。一是以Co3O4等过渡金属氧化物作为葡萄糖传感器电极的活性材料,克服了传统葡萄糖生物酶电极制造成本高、测试环境要求苛刻、稳定性差的缺陷,并且进一步提高了传感器的灵敏度和抗干扰性能。二是采用简单的水热-热分解法,通过催化剂组成比例的调节、合适分散剂的选用以及制备工艺条件的控制,得到了高比表面积的团簇纤维状Co3O4电极活性材料。同时通过形貌和成分调控进一步增大电极表面活性材料的比表面积,增多反应位点,提升电子迁移速率,提高其催化活性,所制备的Co3O4基葡萄糖电化学传感器均具有良好的抗干扰性。 本项目有待后期继续研究和完善,合成的无酶传感器电极材料作为新一代电化学传感器活性材料,具有深入研究的价值,有望取代现有的基于生物酶材料的葡萄糖电化学检测材料,降低血糖检测成本。对中北大学材料学科的建设与发展、人才培养和科研水平的提高有着重要的促进意义。 存在问题及改进意见。本研究以合成Co3O4纳米材料为基础,通过Zn2+形貌诱导合成的棱柱状Co3O4团簇和水热法合成的CuCo2O4二元氧化物材料相比一步水热法合成的Co3O4纳米材料,以上三种材料对葡萄糖的电化学检测灵敏度分别达到了7.4 mA·mM-1·cm-2,11.715 mA·mM-1·cm-2和15.950 mA·mM-1·cm-2,尽管这一指标已经可以满足对葡萄糖的检测需求,然而以上材料仍存在一些缺陷。首先,以上材料在对葡萄糖检测时依赖OH-离子参与,因此无法实现在中性环境下对葡萄糖浓度的定量检测分析。其次,以上材料对葡萄糖的线性检测浓度范围较低,未达到人体血糖所处的浓度范围区间,因此,距离监测人体血糖的实际应用还有很遥远的差距。为解决上述问题,在后续的研究中,可以尝试从以下方面入手。首先,在实现中性环境检测方面,可以尝试利用光电催化原理,通过利用具有光电催化活性的材料在中性水溶液中催化氧化葡萄糖,从而实现在中性环境中测定葡萄糖浓度。其次,为提升材料的线性检测范围,可以尝试将活性材料与其他具有更高线性范围的材料复合,利用氧化物之间的协同效应提高检测的线性范围。。