基于多壁納米碳管葡萄糖氧化酶復(fù)合薄膜的葡萄糖生物傳感器

基于多壁納米碳管葡萄糖氧化酶復(fù)合薄膜的葡萄糖生物傳感器

0多層累積技術(shù)納米碳管（cnts）是日本科學(xué)家在1991年發(fā)現(xiàn)的一種新碳材料。所謂CNTs是指由單層或多層石墨片卷曲而成的具有納米尺度的管狀物質(zhì)。根據(jù)構(gòu)成CNTs的碳原子層數(shù)的不同,納米碳管可以分為單壁CNTs(single-walledcarbonnanotubes,SWCNTs)和多壁CNTs(multi-walledcarbonnanotubes,MWCNTs)兩類。由于CNTs具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能、較強(qiáng)的吸附能力、良好的生物相容性等其他材料無法比擬的特殊性質(zhì),最近,CNTs特別是MWCNTs也已逐漸被應(yīng)用于生物傳感器領(lǐng)域中。層層累積技術(shù)是近幾年來發(fā)展起來的一種在電極表面構(gòu)建多層復(fù)合薄膜的新方法。由于其步驟簡單、適用的材料較多,受到了人們的廣泛關(guān)注。此技術(shù)的核心思想是在靜電引力或共價(jià)鍵的作用下,通過在電極表面交替吸附酶和另一種電解液,從而形成完整致密的自組裝復(fù)合薄膜。目前,研制出的電流型葡萄糖傳感器普遍存在響應(yīng)電流較小、響應(yīng)時(shí)間較長、檢測線性范圍較窄等不足。以MWCNTs為導(dǎo)電介質(zhì)和酶的固定物質(zhì),利用層層累積技術(shù)固定葡萄糖氧化酶(GOx)的多層累積(MWCNTs/GOx)n復(fù)合薄膜修飾石墨電極制備出的新型葡萄糖生物傳感器,則較好地克服了上述缺點(diǎn)。此外,由于CNTs這種新型材料和層層累積技術(shù)的應(yīng)用,還賦予了傳感器一些獨(dú)特的功能。1實(shí)驗(yàn)方法1.1片制備而成石墨電極(直徑為8ue5e8mm)由熱解石墨片制備而成。在使用之前,電極先用金相砂紙(粒度為1ue5e8800)打磨,然后,置于純水中超聲清洗約20ue5e8min,晾干備用。1.2apec提出、表面改性和復(fù)合薄膜的制備MWCNTs用濃硫酸與濃硝酸的混和酸(V1/V2=3∶1)溶解分散,調(diào)其pH至3.8,并配成濃度為1ue5e8mg/mL的溶液;GOx溶于磷酸緩沖溶液(PBS,0.056ue5e8mol/L,pH=6.0)中配成5ue5e8mg/mL的溶液。層層累積自組裝過程如下:(1)將處理好的石墨電極浸入MWCNTs溶液中15ue5e8min;(2)將石墨電極置于PBS中清洗5ue5e8min;(3)將石墨電極浸入GOx溶液中20ue5e8min;(4)將石墨電極置于PBS中清洗5ue5e8min。通過過程1~4,便可在電極表面形成一層MWCNTs/GOx復(fù)合薄膜。重復(fù)上述過程若干次,即可得到經(jīng)多層MWCNTs/GOx復(fù)合薄膜修飾的電極。1.3復(fù)合薄膜修飾電極的制備所制得生物傳感器的電化學(xué)性能利用Potentiostat/Galvanostat283A型電化學(xué)測試系統(tǒng)進(jìn)行測試。測試時(shí),采用經(jīng)典三電極體系,即以經(jīng)復(fù)合薄膜修飾的石墨電極為工作電極,以Ag/AgCl為參比電極,Pt絲(直徑為1ue5e8mm)為對電極,在N2環(huán)境下,測定循環(huán)伏安曲線,掃描速度為50ue5e8mV/s。同時(shí),通過向體系中連續(xù)加入一定濃度的葡萄糖溶液,在相對于Ag/AgCl電極電位為+0.6ue5e8V下,測定傳感器對葡萄糖響應(yīng)的電流時(shí)間曲線。測量時(shí),利用磁力攪拌器進(jìn)行攪拌,以使葡萄糖均勻擴(kuò)散。在電化學(xué)測試過程中,以PBS做為支持溶液。所有的測試均在室溫下進(jìn)行。2結(jié)果與分析2.1mclus/gox復(fù)合薄膜層數(shù)對糖生物傳感器的伏安曲線影響伏安曲線可用于檢測薄膜在電極表面的生長情況。圖1為在PBS中測得的被不同層數(shù)MWCNTs/GOx復(fù)合薄膜修飾的葡萄糖生物傳感器的伏安曲線。由圖可知,隨著MWCNTs/GOx復(fù)合薄膜層數(shù)的增多,伏安曲線逐漸變寬。循環(huán)伏安掃描過程中,當(dāng)電極表面吸附的活性物質(zhì)增多時(shí),在相同的掃描電壓下,極化電流將增大。因此,圖1表明:隨著MWCNTs/GOx復(fù)合薄膜層數(shù)的增多,電極表面吸附的物質(zhì)的質(zhì)量逐漸增加。這說明每一層MWCNTs/GOx復(fù)合薄膜都較好地被吸附到石墨電極表面。2.2apecns權(quán)/gox復(fù)合薄膜的層數(shù)對催化劑和市場的影響圖2為被不同層數(shù)MWCNTs/GOx復(fù)合薄膜修飾的葡萄糖生物傳感器對濃度為3×10-2ue5e8mol/L葡萄糖溶液的響應(yīng)電流的直方圖。由圖可知,隨著電極表面MWCNTs/GOx復(fù)合薄膜層數(shù)的增多,傳感器的響應(yīng)電流值逐漸增大。當(dāng)MWCNTs/GOx復(fù)合薄膜的層數(shù)為6時(shí),響應(yīng)電流達(dá)到最大值;隨著MWCNTs/GOx復(fù)合薄膜層數(shù)的繼續(xù)增多,響應(yīng)電流值逐漸下降。這是因?yàn)楫?dāng)MWCNTs/GOx復(fù)合薄膜層數(shù)增多時(shí),一方面,由于電極表面將葡萄糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖酸的催化劑——GOx的質(zhì)量將增多,這樣,就會(huì)有更多的H2O2參與氧化還原反應(yīng),因此,響應(yīng)電流將增大;另一方面,由于電極表面與溶液之間的物質(zhì)的量增多,電極與溶液間的電阻也將變大,在相同的電壓下,電流值將減小。當(dāng)MWCNTs/GOx復(fù)合薄膜的層數(shù)較少時(shí),第1個(gè)方面的原因起著主導(dǎo)作用,所以,隨著MWCNTs/GOx復(fù)合薄膜層數(shù)的增多,響應(yīng)電流值逐步增大。而且,由于采用層層累積自組裝方法進(jìn)行修飾時(shí),每一層MWCNTs/GOx復(fù)合薄膜中幾乎含有相同質(zhì)量的GOx,因此,響應(yīng)電流值基本上按照線性關(guān)系增長。當(dāng)MWCNTs/GOx復(fù)合薄膜的層數(shù)較多時(shí),催化劑GOx的量開始飽和;第2個(gè)方面的原因?qū)﹄娏髯兓鹬饕饔?故隨著MWCNTs/GOx復(fù)合薄膜層數(shù)的繼續(xù)增加,響應(yīng)電流值將降低。2.3葡萄糖生物傳感器的響應(yīng)電流圖3為(MWCNTs/GOx)6葡萄糖生物傳感器對連續(xù)加入葡萄糖溶液的電流時(shí)間曲線。由圖可知,隨著葡萄糖溶液濃度的增高,傳感器的響應(yīng)電流也逐漸增大,當(dāng)葡萄糖濃度為3×10-2ue5e8mol/L時(shí),響應(yīng)電流達(dá)到1.63ue5e8μA。而利用殼聚糖(chitosan,CS)作為酶的吸附載體、采用同種方法制備出的(CS/GOx)6復(fù)合薄膜修飾的葡萄糖生物傳感器對3×10-2ue5e8mol/L葡萄糖的響應(yīng)電流僅為0.51ue5e8μA。因此,與CS相比,MWCNTs的使用使得傳感器的響應(yīng)電流增加了約2.2倍。圖4為(MWCNTs/GOx)6復(fù)合薄膜修飾的葡萄糖生物傳感器對加入葡萄糖的響應(yīng)時(shí)間曲線。由圖可知,該傳感器達(dá)到95ue5e8%穩(wěn)定狀態(tài)的響應(yīng)時(shí)間僅為6.7ue5e8s,具有較高的響應(yīng)靈敏度。2.4動(dòng)力學(xué)線性回歸分析根據(jù)圖3的電流時(shí)間曲線,可以得到如圖5所示的(MWCNTs/GOx)6復(fù)合薄膜修飾的葡萄糖生物傳感器對葡萄糖響應(yīng)的工作曲線。當(dāng)葡萄糖濃度為5×10-4~1.5×10-2ue5e8mol/L時(shí),工作曲線近似為直線,且其線性回歸方程為I=0.803ue5e847+29.3C,式中I為響應(yīng)電流,μA;C為葡萄糖濃度,mol/L;其相關(guān)系數(shù)R=0.992。該傳感器對葡萄糖的最低檢測濃度為0.9×10-4ue5e8mol/L,而(CS/GOx)6復(fù)合薄膜修飾的葡萄糖生物傳感器的線性范圍為7×10-4~1.3×10-2ue5e8mol/L,對葡萄糖的最低檢測濃度為1×10-4ue5e8mol/L。故(MWCNTs/GOx)6復(fù)合薄膜修飾的葡萄糖生物傳感器擁有較寬的線性范圍和較低的檢測濃度。2.5其他生物傳感器材料當(dāng)CNTs用酸溶液處理時(shí),CNTs的末端被打開,羧基被引入到打開的末端處,這個(gè)特殊結(jié)構(gòu)使得CNTs的末端能夠吸附GOx。而由于該吸附是通過共價(jià)鍵將CNTs與GOx相結(jié)合起來的,故這兩者的連接將更加緊密和穩(wěn)定。此外,由于CNTs有巨大的表面積(其臨界表面積可達(dá)2ue5e8630ue5e8m2/g),可以在其表面和內(nèi)部吸附大量的GOx。這就是CNTs和應(yīng)用于生物傳感器中的其他材料(如,金屬材料、高分子材料和一些電子介體)的主要區(qū)別。被CNTs吸附的大量的GOx使得被其修飾的電極在葡萄糖溶液中能夠產(chǎn)生較高的響應(yīng)電流。此外,CNTs的吸附場能夠引起被其吸附的晶粒的規(guī)則排列,故吸附在CNTs表面的GOx有較好的定向作用。同時(shí),CNTs良好的導(dǎo)電性能和宏觀隧道效應(yīng)使其成為固定化酶與電極以及固定化酶之間有效的電子介體,故顯著提高了MWCNTs/GOx復(fù)合薄膜修飾的葡萄糖生物傳感器的響應(yīng)電流和響應(yīng)靈敏度。3提高響應(yīng)電流由于CNTs具有良好的導(dǎo)電性能、吸附性能和生物相容性,以CNTs為電子介體和GOx吸附載體,利用層層累積技術(shù)制備出的葡萄糖生物傳感器具有良好的綜合電化學(xué)性能。與利用相同方法制備出的(CS/GOx)6復(fù)合薄膜修飾的葡萄糖生物傳感器相比,(MWCNTs/GOx)6復(fù)合薄膜修飾的葡萄糖生物傳感器具