基于微纳泡沫金属材料的D-半乳糖传感器研究*

夏孟丽，谢乐天，吴鑫宇，惠国华*，陈裕泉

（1.浙江省林业智能监测与信息技术研究重点实验室，浙江农林大学，浙江临安311300；2.浙江大学生物医学工程学系，杭州310027）

基于微纳泡沫金属材料的D-半乳糖传感器研究*

夏孟丽1，谢乐天1，吴鑫宇1，惠国华1*，陈裕泉2

（1.浙江省林业智能监测与信息技术研究重点实验室，浙江农林大学，浙江临安311300；2.浙江大学生物医学工程学系，杭州310027）

研究了一种基于微纳泡沫镍材料的D-半乳糖定量传感器，采用泡沫镍材料作为工作电极，Pt作对电极，Ag/AgC（l饱和KCl溶液）电极作为参比电极构建三电极检测体系，采用循环伏安法（CV）和电流-时间曲线法（i-t）检测具有浓度梯度的D-半乳糖溶液。CV扫描结果表明了D-半乳糖在泡沫镍材料上发生氧化-还原反应，i-t检测结果表明在线性范围0.25 mmol/L～5.00 mmol/L内该传感器检测D-半乳糖的灵敏度为6.73×10-2mA（/cm2·（mmol/L）），检测限为17.7 μmol/L（S/N=3）。结果证明所构建的检测方法不但可以实现D-半乳糖的定量分析，并且具有较好的灵敏度和较低的检测限。对比实验结果表明该传感器具有响应速度快、成本低廉等优势，有望在糖类物质快速定量检测领域得到应用。

传感器；D-半乳糖；泡沫镍；电化学；电流密度

半乳糖是一种单糖，在动物的大脑以及神经组织内存在，是人体内糖蛋白的组成部分［1］。如果过量摄入半乳糖，在半乳糖氧化酶催化生成乙醛糖与过氧化氢，体内活性氧水平快速提高，扰乱体内代谢功能，导致体内超氧离子自由基水平显著提高，加速体内衰老，半乳糖宜适量摄入，因此饮食中半乳糖的定量监测具有重要意义［2-3］。目前糖定量检测方法大致分为酶型与非酶型。酶型糖传感器借助于相应的酶对糖的特异性氧化作用实现检测目的［4］，但活性酶物质成本高，且在电极上容易失活。非酶型传感器避免了酶型传感器的缺点，采用Pt，Au，Ni，Cu和Ag或其氧化物等作为电极传感材料，依据电化学检测信息达到糖定量分析的目标。如多壁碳纳米管（MWCNTs）结合金属Pt的葡萄糖快速响应传感器［5］、掺杂Pt的碳材料纳米级糖电化学传感器［6］。金属及其化合物具有易制备、易操作等优势，在糖检测中应用广泛［7-10］。但是该类的制备成本较高，且灵敏度和检测限尚需提高。泡沫金属材料的出现，为解决上述问题提供了新的思路，泡沫金属材料具备金属自身的物化属性，同时其三维空间结构也增大了电极与被测物的接触面积［11］。Shin等人于2003年利用电化学沉积与析氢反应结合的方式合成了空间网状形状的泡沫铜。2004年该小组继续深入研究，改变孔状大小，并且随着与基底的距离加大，网格孔径也越大，有利于化合物分子的扩散运动以及提高电极的选择性和灵敏度［12］。虽然泡沫铜在糖类物质分子检测领域有一定的研究探讨，但是由于铜的物理性质，因此在使用过程中也存在一定的局限性，比如检测限和灵敏度的限制［13］。但是目前对于其他泡沫金属材料用于糖检测领域，则少有报道。

本文提出了一种基于微米级泡沫镍电化学传感器的D-半乳糖定量识别方法，首先制备了泡沫镍敏感材料，以泡沫镍作为工作电极，对电极采用铂片，参比电极采用Ag/AgCl（饱和KCl溶液）电极，使用CV和i-t方法实验检测半乳糖液体样品，并且开展了对比检测实验。

1 材料和方法

1.1 试剂和仪器

NaOH（国药集团化学试剂有限公司），D-半乳糖（天津广福精细化学研究所），蔗糖（国药集团化学试剂有限公司），乳糖（国药集团化学试剂有限公司），葡萄糖（广东省化学试剂工程技术研究开发中心），CHI-600E电化学工作站（上海辰华仪器公司），85-2A型自动搅拌器（江苏新瑞仪器公司）。所有试剂为分析纯，水为去离子水。

1.2 泡沫镍材料制备

聚氨酯泡沫经乙醇溶液清洗3 min后，置入4%的NaOH之中，恒温45℃的条件下5 min后取出来，去掉油渍并有效增加材料表面的粗糙程度。采用3.00 g/L CrO3与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与36.0%盐酸混合作为敏化溶液，加入单质锡在45℃的温度下敏化6 min。将处理后的功能性材料在超声条件下置入化学镀液中，在37℃条件下加入PdCl2溶液中6 min，完毕后取出材料并用去离子水清洗，置入恒温干燥箱中干燥。再把多孔泡沫材料固定为阴极，单质镍固定为阳极，在80.0 g/L NiSO4、24.0 g/L次亚磷酸钠、12.0 g/L的醋酸钠、8.0 g/L的硼酸、6.00 g/L的氯化铵的溶液中进行电镀处理，在所处理材料上沉积镍，完成处理后取出用去离子水洗净并在恒温干燥箱中烘干待用。

1.3 SEM表征

使用德国卡尔蔡司SUPRA 55 SAPPHIRE in⁃strument（CarlZeiss Microscopy GmbH 73447 Oberkochen，Germany）表征材料，电压为5.00 kV。

1.4 检测实验

实验操作使用循环伏安法和电流时间曲线法，利用0.20 M的NaOH溶液作为基础液，泡沫镍材料与检测液的接触面积约为0.25 cm2。取0.10 M的D-半乳糖溶液，CV扫描电压范围为-1.00 V～0.60 V，扫描速度为50.0 mV/s。

i-t检测是在+0.50 V恒电势下进行检测的。检测过程中每间隔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，在磁力搅拌下达到稳定的电流响应（固定在200 r/min），每次实验共滴加20滴，实验时间1 200 s。在200 s开始第一次滴加。测量并记录电流密度作为D-半乳糖浓度的函数。灵敏度由检出电流密度参数与D-半乳糖浓度信息的线性拟合来计算。

2 实验结果

2.1 扫描电镜表征结果

图1 泡沫镍扫描电镜图

图1是泡沫镍SEM表征的结果，从图1可以看出，课题组所制备的泡沫镍材料具有均匀的三维网状微孔结构，多层稳定的网状结构且连接紧密，镍的机械性能良好，可防止网状结构变形及塌陷，部分表面断裂或为横截表面，内部无断裂。从图中能够观察出，材料的空间网孔直径分布于0.11 mm～0.25 mm范围之内，越接近空间的内部区域其网孔直径渐渐减小，这种特殊的空间结构有利于在溶液环境下电化学反应的进行，促进了整个电极范围电化学反应。

2.2 CV循环扫描表征结果

图2是泡沫镍CV扫描200次表征的部分结果，从该图可以观察出，课题组所制备的泡沫镍材料具有响应稳定、反应速度快等优点。

图2 泡沫镍CV扫描图

2.3 定性分析结果

图3显示了在15.0 mL 0.2 mol/L NaOH和10.0 mL 0.10 mol/L乳糖的混合溶液中扫描的循环伏安曲线。D-半乳糖物质的氧化特征峰对应的电位约是0.60 V，相应的检出电流密度约是-0.26 mA/cm2。在上述条件下D-半乳糖在检测条件下经由烯醇化过程最终生成葡萄糖，而葡萄糖在泡沫镍材料空间中被氧化分解，这就是本文所提出传感器的检测依据。D-半乳糖的特征还原峰对应的电位是-1.00 V，对应电流密度约是0.35 mA/cm2。D-半乳糖的氧化峰电流密度和还原峰电流密度均高于NaOH溶液，表明D-半乳糖确实在泡沫镍电极表面发生了氧化-还原反应。

图3 循环伏安法检测结果

2.4 定量检测结果

图4（a）所示是D-半乳糖的定量检测结果，电流时间曲线稳定在200 s，随着检测时间的延长电流响应值按照阶梯状递增。图4（b）分别为D-半乳糖溶液定量检测结果，可以观察到每次滴加后溶液中的糖溶液浓度与电流密度值的关系是标准曲线，其函数关系如式（1）所示。式（1）经过一步变换得到式（2），在得到检测电流密度参数的情况下，可以得到相应的D-半乳糖溶液浓度。随着D-半乳糖溶液的滴入，其在碱性环境中烯醇化生成葡萄糖，因此i-t曲线呈现明显上升的趋势。从线性拟合图中得知，在0.25 mmol/L至5.00 mmol/L浓度区间中该半乳糖传感器的检测灵敏度是0.67×10-2mA/［cm2·（mmol/L）］，检测限是17.7 μmol/L（S/N=3）。

传统糖物质的定量分析方法主要依靠高效液相色谱、色谱-质谱联用等技术，检测费用高昂并且操作繁琐，且需要经过培训的熟练操作工程师。本文研究的方法操作简便，检测灵敏好，并且拥有较低的检测限，并且对D-半乳糖具有灵敏的响应。

图4 半乳糖定量检测结果

2.5 对照实验结果

葡萄糖、乳糖等物质通常与半乳糖相伴而生，因此，我们选择葡萄糖、乳糖、蔗糖作为半乳糖的对照实验样品［14］。图5（a）所示为对照实验的CV扫描结果，为0.10 mol/L的半乳糖、葡萄糖、乳糖和蔗糖的电流时间扫描曲线，从图中看D-半乳糖与其他的对比物质有不同的特异性曲线，原因在于D-半乳糖与葡萄糖、乳糖、果糖有不同的还原性。图5（b）为四种糖样品的i-t定量检测结果，4种糖溶液溶液有一定的响应趋势，而其它三种糖滴入检测溶液后稳定电流密度值变化有所不同。从图5可以观察出葡萄糖的电流最高，乳糖和半乳糖次之，而蔗糖最低。这几种糖因其具有不同的还原性，在碱性溶液环境中在泡沫镍表面易被氧化而产生响应电流，依据氧化电流密度变化可以实现定量判断。这几种糖如果在溶液中共存，那么我们又如何实现定性定量检测检测结果呢？图5（c）所示为四种糖溶液CV扫描信号的随机共振信噪比响应曲线［15-17］，从图中可以看出不同糖的特征峰的位置和高度均不同，我们可以根据特征峰的位置来判断检测液中是否含有该类糖，根据各个峰的高度比值，去反推检测液中所含有糖类物质的浓度，从而实现定性定量检测的目标。对照实验结果表明，泡沫镍对对比物质不具有特异性响应，因此可用作实现对D-半乳糖的定性检测。

图5 对照实验结果

2.6 传感器重复性与寿命

本部分考察所提出的半乳糖传感器的检测重复性与寿命。重复性与功能性敏感材料、检测条件有关，要遵循规定步骤来制备泡沫镍材料。检测条件为标准条件下，重复性测试方法：①空载检测；②在上述检测环境下向基底溶液中逐滴滴加0.1 mol/L的D-半乳糖，重复检测10次。检测结果如图6（a）和（b）所示。图6（a）表明该传感器对空白样品的响应具有较好的重现性。图6（b）表明在i-t扫描实验中，在200 s之后，测量结果具有较好的重复性。计算RSD，计算结果表明RSD＜5.00%，说明所提出的传感器具有良好的重复性。泡沫金属材料仅仅作为催化剂为检测化学反应提供相应的催化功能，因此检测过程中无消耗。为了验证这个结论，我们将使用过的传感器经洗脱干燥后再次用于检测，结果表明经洗脱后的传感器依然具有较好的重复性，因为泡沫金属材料的制作成本便宜，建议该半乳糖传感器一次性检测后抛弃。

半乳糖传感器的寿命取决于其空间三维结构的稳定性，在室温以及80%的相对湿度条件下存放一年，仍没有出现明显的变化。

图6 电流密度响应检测结果

3 结论

本文提出一种采用功能性微纳泡沫镍材料的半乳糖定量检测传感器，工作电极使用制备的泡沫镍材料，对电极为铂片，参比电极选用Ag/AgCl（饱和KCl溶液）电极，采用循环伏安检测方法和电流时间曲线检测方法测量具有浓度梯度的D-半乳糖溶液，CV检测结果表明D-半乳糖分子在泡沫金属空间结构中被氧化，i-t检测结果表明在线性范围0.25 mmol/L至5.00 mmol/L浓度范围内，该半乳糖传感器的检测灵敏度是0.67×10-2mA/（cm2·（mmol/L）），检测限是17.7 μM（S/N=3），D-半乳糖溶液定量检测模型为：半乳糖浓度=（R2=0.988 0）。对比实验结果表明该传感器具备较好的选择性。

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夏孟丽（1995-），女，四川省简阳人，浙江农林大学本科生在读，研究方向为生物技术、检测技术；

惠国华（1980-），男，副教授，硕士生导师，2008年获浙江大学工学博士学位，现于浙江农林大学信息工程学院从事教学科研工作，先后主持国家自然科学基金、省科技项目等多项，已发表SCI、EI论文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

项目来源：浙江农林大学人才科研项目（2015FR020）；国家自然基金项目（81000645）；浙江省公益技术研究项目（2016C31G2100263）

2016-05-02 修改日期：2016-07-11