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一种新的多层碳纳米管复合膜修饰的葡萄糖生物传感器制备[1]

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第20卷　第1期2007年1月

传感技术学报

CHINESEJOURNALOFSENSORSANDACTUATORS

Vol.20　No.1Jan.2007

PreparationofaNewGlucoseBiosensorModifiedbyMultilayerCarbonNanotubesCompositeMembrane3

WANGCun2chang

1,2

,YANGMing2hui,LUYa2shuang,QUFeng2li,SHULin,SHENGuo2li

111213

,YURu2qin

1.StateKeyLabofChemo/BiosensingandChemometrics,ChemistryandChemicalEngineeringCollege,HunanUniversity,Changsha410082,China;2.InstituteofQuzhou,Quzhou,Zhejiang324000,China

Abstract:Thecarbonnanotubesweresolubilizedinaqueoussolutionofabiopolymerchitosan(CHIT)andimmobilizedontoglassycarbonelectrodesurface.Toluidineblue(TB)wasmodifiededontotheglassycar2bonelectrodesurfacewithglutaricdialdehyde.Withtheintroductionofcarbonnanotubes(CNT),theTB2CNT2CHITcompositefilmshowssynergisticeffectbetweenCNTandTBwiththesignificantimprovementofredoxactivityofTBduetotheexcellentelectron2transferabilityofCNT.TheglassycarbonelectrodemodifiedbyTB2CNT2CHITfilmallowslowpotentialdetectionofhydrogenperoxidewithhighsensitivityandfastresponsetime.ComparedwiththeelectrodemodifiedbyTB2CHITfilm,thesensitivitywasim2provedby～20times.Usingthelayer2by2layerassemblymethod,multilayersofTB2CNT2CHITfilmshavebeenimmobilizedontoelectrodesurfaceandwiththeimmobilizationofglucoseoxidaseontothemodi2fiedelectrodesurfaceusingglutaricdialdehyde,abiosensorthatrespondssensitivelytodeterminationofglucosehasbeenrealizedat-0.2VvsSCEwithalinearrangefrom0.05to10mmol,thedetectionlimitwas10μmolglucose(S/N=3).

Keywords:carbonnanotube;toluidineblue;synergisticeffect;glucoseoxidaseEEACC:7230J

一种新的多层碳纳米管复合膜修饰的葡萄糖生物传感器制备

王存嫦1,2,阳明辉1,鲁亚霜1,渠凤丽1,舒　霖2,沈国励13,俞汝勤1

1.湖南大学化学化工学院,化学生物传感与计量学国家重点实验室,长沙410082;2.浙江省衢州学院,浙江衢州3240003

摘　要:将碳纳米管(CNT)分散在壳聚糖(CHIT)溶液中固定到玻碳电极表面,用戊二醛交联甲苯胺蓝(TB)得到复合膜(TB

-CNT-CHIT)修饰电极.由于碳纳米管具有良好的电子传递性能,与碱性生物染料甲苯胺蓝之间表现出协同作用,使甲苯

胺蓝的电化学活性得到了较大的提高.此TB2CNT2CHIT复合膜修饰的玻碳电极在较低电位下对过氧化氢具有良好的电催化性能,与TB2CHIT膜比较,测定H2O2的灵敏度增大了近20倍.将复合组份多层修饰到电极上,通过戊二醛固定葡萄糖氧化酶,制备了一种新的葡萄生物传感器,该传感器在-0.2V下对葡萄糖响应的线性范围为0.05～10mM,检测下限为10μM.传感器的灵敏度较高,响应快,性能稳定.

关键词:碳纳米管;甲苯胺蓝;协同作用;葡萄糖氧化酶

中图分类号:TP212.3　　文献标识码:A　　文章编号:100421699(2007)0120018204　　碳纳米管(CNT)具有独特的结构,大的比表面,优良的物理化学性能,已有不少文献报道将碳纳米管修饰到电极表面,用于化学以及生物传感器的制备[123].近期,将碳纳米管和一些活性材料如聚合

体,氧化还原电子媒介、金属纳米粒子等复合的研究也引起了研究者的兴趣[426].甲苯胺蓝(TB)是一种碱性生物染色体,已有报道将甲苯胺蓝修饰电极用于生物分子的电催化研究.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(20435010,20375012);浙江省衢州市科技局资助项目(20061026)收稿日期:2006203201　　修改日期:2006203202

第1期王存嫦,阳明辉等:一种新的多层碳纳米管复合膜修饰的葡萄糖生物传感器制备19

本文将碳纳米管分散在壳聚糖(CHIT)溶液中修饰到玻碳电极表面,通过戊二醛交联甲苯胺蓝形成复合组份(TB-CNT-CHIT)修饰电极.实验结果表明,当膜中有碳纳米管存在时,甲苯胺蓝的电化学活性得到了较大提高.利用层层组装技术,将复合组份多层修饰到电极上,该修饰电极在较低电位下对H2O2具有良好的电催化性能.在电极表面通过戊二醛交联葡萄糖氧化酶,可制得一种性能优良的葡萄糖生物传感器.

(TB2CNT2CHIT)n膜修饰电极表面,晾干后,取8

μL0.25%戊二醛滴于修饰电极表面,放入4℃冰箱1h后,用水洗并吹干,然后滴上10μL20mg/mL的GOx,放入4℃冰箱中过夜.电极不用时,放入4℃冰箱缓冲溶液中保存.用同样的方法制备CNT2CHIT/GC,TB2CHIT/GC电极.

2　结果与讨论

2.1　多层TB2CNT2CHIT膜修饰电极的电化学表征

1　实验部分

1.1　试剂与仪器

为了研究多层TB2CNT2CHIT膜的电化学性能,实验中研究了膜中CNT和TB浓度以及膜修饰层数对电极性能的影响.

图1是保持TB浓度在1×10-4mol/L时,CNT浓度分别为0、0.5、1.0、2.0mg/mL时,修饰电极TB2CNT2CHIT/GC在PB溶液中(1/15M,pH6.98)扫描速度为50mV/s时的循环伏安(CV)图.由图中可见当壳聚糖膜中没有CNT时,电极只有一对很小不明显的氧化还原峰.随着CNT浓度的增大,TB的氧化还原峰电流逐渐增大.峰电流的增大主要是由于CNT和TB之间的协同作用,从而使TB的氧化还原活性得到了较大的提高.本实验选用CNT浓度为2.0mg/mL.

多壁碳纳米管(CNT,纯度≥95%),购于深圳市纳米港有限公司.葡萄糖氧化酶(GOx,EC1.1.3.4,TypeVII2S,196,000Unit.g-1,来源于Asper2gillusniger)和壳聚糖(CHIT,MW约为1×106)购自Sigma.甲苯胺蓝(TB)来自上海国药集团.其它试剂均用分析纯,所用水为二次蒸馏水.

CHI760B电化学工作站(上海晨华仪器有限公司),SB2200型超声仪(上海BRANSON).三电极系统:修饰的玻碳电极为工作电极,饱和甘汞电极(SCE)为参比电极,铂丝电极为对电极.1.2　碳纳米管和甲苯胺蓝修饰电极的制备

CNT的纯化:按文献处理[728].将100mgCNT

在400℃时灼烧2h,然后分散于60mL6.0MHCl溶液中超声4h,用水洗至pH为近中性时止,过滤后干燥.

0.3%(w/w)壳聚糖溶液的配制:取15mg壳聚糖加入到5mL含1.0%醋酸(v/v)的水溶液中,搅拌至完全溶解,用0.1MNaOH溶液调节pH到5.0～6.0.将纯化好的CNT分散于壳聚糖溶液中(CNT浓度为2mg/mL),超声10min,使形成均匀而稳定的胶质液.

TB2CNT2CHIT修饰电极:玻碳电极(GC,直径4mm)用6号金相砂纸打磨后,分别在0.3和0.5μm的Al2O3悬浮液中将电极表面抛光至镜面,然后依次于无水乙醇和纯水中超声5min,置红外灯下烘干.取2μLCNT2CHIT胶质液滴于玻碳电极表面,晾干.取8μL戊二醛滴于此电极表面,放入4℃冰箱中1h后,洗净吹干,接着将电极放入浓度为1・10-4mol/L的甲苯胺蓝溶液中浸泡45min,然后水洗,晾干,即得TB2CNT2CHIT单层膜修饰电极.重复上述步骤,即可制得多层(TB2CNT2CHIT)

n膜修饰电极.

图1　TB2CNT2CHIT修饰玻碳电极在不同CNT浓度下的循环伏安图.a,0;b,0.5;c,1.0;d,2.0mg/mL.底液:1/15M的磷酸缓冲溶液(PB,pH6.98).扫速:50

mV/s.

研究了保持CNT浓度为2.0mg/mL时,TB浓度分别为1×10-2、1×10-3、1×10-4时电极的响应电流.发现TB浓度小于1×10-4mol/L时,电流响应较小,这是由于膜中TB浓度过小,使电极表面催化活性位点少的缘故.当浓度大于1×10-4mol/L,继续增大浓度电极响应无明显增大.本实验选择TB浓度为1×10-4mol/L.

图2为多层TB2CNT22CHIT膜修饰玻碳电极在PB溶液中(1/15M,pH6.98)扫描速度为50mV/s的CV图.由图可见,电流响应随膜的层数的

葡萄糖氧化酶的固定:取2μLCHIT溶液滴于

增多而增大,这表明多层膜修饰电极,电极表面催化

20传　感　技　术　学　报2007年

活性位点增多.但当膜的层数超过三层后,电极氧化还原峰电位差变大,表明膜太厚时,将影响电子的传

递.实验中以选用修饰膜三层为宜.

上的TB活性较低.电极CNT2CHIT/GC对H2O2响应有一定增大(曲线b).随着膜中CNT的加入,TB2CNT2CHIT/GC对H2O2的响应明显增大(曲线a),与电极TB2CHIT/GC和CNT2CHIT/GC相比较,响应电流分别扩大了20倍和10倍.响应电流的增大同样是因为CNT和TB的协同作用,使TB的氧化还原活性明显地增加,从而使修饰电极的催化能力得到了较大提高.而(TB2CNT2CHIT)3/GC电极与TB2CNT2CHIT/GC电极相比,响应电流又增大了将近3倍.对1mMH2O2连续测定10次,相对误差为3.8%,表明电极有较好的重现性.

图2　不同TB2CNT2CHIT层数修饰玻碳电极的循环伏安图.a,一层;b,二层;c,三层.其他条件如图1.

图3为电极TB2CNT2CHIT/GC在PBS溶液中(1/15MpH=6.98)扫描速度为20、50、100、200、300、400mV/s时所得到的CV图.从图可见,电极的氧化还原峰电流随扫描速度的增大而增大,并与扫速的平方根呈线性关系,表明电极表面为扩散控制过程.

图4　三层TB2CNT2CHIT膜修饰电极对连续加入1

mMH2O2的响应.内置图为单层TB2CNT2CHIT(a),CNT2CHIT(b),TB2CHIT(c)修饰电极对1mMH2O2

响应比较.测试电位,-0.2Vvs.SCE.底液:1/15M的磷酸缓冲溶液(PB,pH6.98).

2.3　葡萄糖电极的响应性能

图5为(TB2CNT2CHIT)3/GC葡萄糖电极置于PB溶液中(1/15M、pH6.98),在恒电位为-0.2

图3　三层TB2CNT2CHIT修饰玻碳电极在不同扫描速度下的循环伏安图.从内到外:20,50,100,200,300,400

mV/s.内置图为氧化还原峰电流于扫描速度平方根的关

V时连续加入0.5mM葡萄糖的时间-电流曲线

图.图中插图为该电极的校准曲线.从图可见,检测

系.底液:1/15M的磷酸缓冲溶液(PB,pH6.98).

为了测定采用层层修饰TB2CNT2CHIT/GC

电极的稳定性,将电极置于PBS溶液中(1/15M、pH6.98),在-0.8～0.4V之间以50mV/s连续扫描20圈,电极的峰电流仅减少约5%,表明CNT和TB在电极上有较好的稳定性.2.2　电极对过氧化氢的响应

考察了(TB2CNT2CHIT)3/GC电极对过氧化氢的响应性能.图4(a)为(TB2CNT2CHIT)3/GC修饰电极在PB溶液中(1/15M、pH6.98),电位为-0.2V时连续加入1mMH2O2的时间—电流响应曲线.图4(b)为TB2CNT2CHIT/GC,TB∃CHIT/GC,CNT2CHIT/GC修饰电极对过氧化氢

图5　三层TB2CNT2CHIT膜修饰葡萄糖电极对连续加入0.5mmol葡萄糖的响应.内置图为校准曲线.测试电位,-0.2Vvs.SCE.底液:1/15mol的磷酸缓冲溶液

(PB,pH6.98).

的线性范围为0.05～10mM,检测下限为10μM(S/N=3),该电极的响应时间小于10s.对浓度为0.5mM的葡萄糖连续进行10次测定,测定相对标

响应的比较.从图4(b)可见,电极TB∃CHIT/GC对H2O2只有微弱的响应信号(曲线c),这说明电极

准偏差为5.2%.该电极使用1个月后,对葡萄糖的

第1期王存嫦,阳明辉等:一种新的多层碳纳米管复合膜修饰的葡萄糖生物传感器制备21

响应电流仍保持在85%左右.良好的稳定性表明CNT和TB在电极表面的稳定性,其中壳聚糖能很

氨基固定葡萄糖氧化酶所制备的葡萄糖传感器,可基本实现葡萄糖的无干扰测定.该传感器具有灵敏度高,响应快,性能稳定等特点.参考文献:

[1]　WangJX,LiMX,ShiZJ,LiNQ,GuZN.DirectElectro2

chemistryofCytochromecataGlassyCarbonElectrodeModi2fiedwithSingle2WallCarbonNanotubes[J].AnalChem,2000,74:199321997.

[2]　LinYH,LuF,TuY,RenZF.GlucoseBiosensorsBasedon

CarbonNanotubeNanoelectrodeEnsembles[J].NanoLett,2004,4:1912195.

[3]　LuoHX,ShiZJ,LiNQ,GuZN,ZhuangQK.Investiga2

tionoftheElectrochemicalandElectrocatalyticBehaviorofSingle2WallCarbonNanotubeFilmonaGlassyCarbonElec2trode[J].AnalChem,2001,73:9152920.

[4]　GanZH,ZhaoQ,GuZN,ZhuangQK.Electrochemical

StudiesofSingle2wallCarbonNanotubesasNanometer2SizedActivatorsinEnzyme2CatalyzedReaction[J].AnalChimAc2ta,2004,511:2392247.[5]　ZhangMG,GorskiW.ElectrochemicalSensingPlatform

BasedontheCarbonNanotubes/RedoxMediators2BiopolymerSystem[J].JAmChemSoc,2005,127:205822059.

[6]　QuinnBM,DekkerC,LemaySG.ElectrodepositionofNo2

bleMetalNanoparticlesonCarbonNanotubes[J].JAmChemSoc,2005,127:614626147.

[7]　ValentiniF,AmineA,OrlanducciS,TerranovaML,Palles2

chiG.CarbonNanotubePurification:PreparationandCharac2terizationofCarbonNanotubePasteElectrodes[J].AnalChem,2003,75:13221.

[8]　ChiangIW,BrinsonBE,SmalleyRE,MargraveJL,Hauge

RH.PurificationandCharacterizationofSingle2WallCarbonNanotubes[J].JphysChemB,2001,105:115721161.

好的保持酶的催化活性.

测试了可能干扰物质对葡萄糖测定的影响.由于本实验中使用较低的检测电位,使抗坏血酸,尿酸等物质基本不干扰对葡萄糖的测定.如图6所示,0.1mM的抗坏血酸,尿酸和对乙酰氨基酚等对葡萄糖的测定基本不产生干扰.

图6　三层TB2CNT2CHIT膜修饰葡萄糖电极对连续加入1mmol葡萄糖(Glu),0.1mmol抗坏血酸(AA),0.1mmol尿酸(UC),0.1mmol对乙酰氨基酚(AP)的电流响应.测试电位,-0.2Vvs.SCE.底液:1/15mol的磷酸缓冲溶液(PB,pH6.98).3　结　论

由CNT和TB两种材料所形成的TB2CNT2CHIT复合组分,结合了CNT和TB两种物质的特性,在用于电极的修饰膜中,显示了电化学氧化还原活性的协同作用,与TB2CHIT膜相比,TB的氧化还原活性明显的得到了增强.采用多层膜组装技术,(TB2CNT2CHIT)3/GC修饰电极对过氧化氢有灵敏的响应,且检测电位低.通过复合膜中CHIT的

王存嫦(19552),女,教授,从事高等学校教学、科研工作,主要开展化学生物传感器件、化学教学和化学教育教学改革的研究.先后主持和参与了省自然科学基金、省教育厅科研基金以及省教育科学\"九五\"规划课题的研究工作,近年来,在国内外学术刊物上发表论文二十余篇,获省高等教育省级教学成果二等奖一项,省\"九五\"教育科学研究课题优秀成果二等奖一项,hnwcc@126.com.

沈国励(19382),男,教授,博士生导师,从事高等学校教学、科研工作,主要开展化学生物传感器研究,glshen@hnu.cn.

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