葡萄糖、尿素、抗坏血酸在铂电极上的循环伏安曲线
糖尿病是常见的多发性疾病, 表现为人体血糖浓度不正常的升高. 葡萄糖传感器可广泛用于糖尿病的临床检测、食品分析及葡萄糖燃料电池等领域.电化学葡萄糖传感器通常由换能器(电极)和传感元件(葡萄糖氧化酶、催化剂等)组成, 其灵敏度和稳定性取决于换能器的物理化学性能和传感元件的催化活性. 葡萄糖传感器还可在人体环境下使用, 这要求葡萄糖传感器的材料具有化学稳定性和生物相容性. 许多金属电极, 包括镍、铜、铂、金等都可用于葡萄糖的检测, 但是葡萄糖氧化产物容易吸附在电极表面而使电极钝化.
炭类电极以其宽电势窗口、低背景电流、低成本、生物相容、化学稳定等优点成为制作生物传感器的优选材料之一. 许多炭材料, 包括玻碳、金刚石、类金刚石(DLC)等都可以催化氧化葡萄糖并用于葡萄糖传感器的研制. 然而大部分的传感器都使用氧化酶作为传感元件.由于氧化酶的性能受到温度、pH值、氧含量等多种因素的影响, 因此不含酶的葡萄糖传感器的研制更有利于传感器性能的提高.
炭电极材料中DLC薄膜表现出优良的生物相容性、化学惰性、耐溶液腐蚀以及低成膜温度.通过掺入氮、磷、镍等元素, 导电的DLC薄膜在水溶液中还表现出宽电势窗口、低背景电流、表面抗污染等, 并适于作为葡萄糖传感器的换能器材料. 此外, 对DLC薄膜表面进行纳米粒子修饰还可大大提高DLC薄膜的电化学活性和催化活性.为了简化实验过程, 也可以直接将这些金属掺入DLC薄膜. 例如, 在炭材料中掺入具有优良催化活性的铂金属, 将铂作为催化剂可以有效提高炭电极的电化学活性. Pocard等利用热解法(600℃)在玻碳中掺入铂纳米粒子来增强其对H+还原的电化学活性. Joo等合成了多孔铂碳阵列材料. You等通过射频溅射制备了铂化类石墨炭薄膜, 并研究了其对过氧化氢和葡萄糖的催化氧化活性.Ivandini等研究了铂化金刚石电极催化氧化过氧化氢的机理.Menegazzo等通过脉冲激光沉积技术制备了铂和金掺杂的DLC薄膜, 并研究了铁氰化钾等氧化还原体系在该电极表面的电化学行为.然而, 对于铂化DLC(DLC-Pt)薄膜电极催化氧化葡萄糖的研究工作相对很少.
浙江理工大学赵海新等人采用磁控溅射技术共溅射石墨靶和铂靶,制备铂化类金刚石(DLC-Pt)薄膜. 利用X射线光电子能谱和激光拉曼光谱表征DLC-Pt薄膜的成分和微观结构,采用循环伏安法研究葡萄糖在DLC-Pt薄膜表面的氧化行为. 结果表明, DLC-Pt薄膜中有更多的sp2杂化碳原子, 铁氰化钾在DLC-Pt薄膜表面的氧化还原反应受扩散控制. 葡萄糖在−0.8V的电位下发生氧化反应, 且在这个电位下葡萄糖的氧化信号不受尿素和抗坏血酸氧化信号的干扰.葡萄糖氧化电流和其浓度在2~22mmol/L的范围内呈线性关系. 因此DLC-Pt薄膜有望用做葡萄糖传感器检测血液中葡萄糖的浓度.