靜電紡絲法制備聚苯胺/醋酸纖維素膜修飾電極

萬其進,舒 好,尚艷利,許 佳, 廖華玲,楊年俊

(武漢工程大學化工與制藥學院，綠色化工過程教育部重點實驗室，湖北省新型反應器與綠色化學工藝重點實驗室，湖北 武漢 430074)

0 引 言

靜電紡絲技術就是在高壓靜電場條件下，利用高分子溶液或熔體，制成亞微米或納米纖維，是現今制備超細纖維最重要最可行的方法[1].納米纖維的制備也已經由無序不可控收集逐步發展到有序可控定位沉積的有序靜電納米纖維[2]；在原料方面也由傳統的聚合物高分子材料擴展到生物材料、金屬氧化物等；并制備出了具有生物兼容性、導電和傳感特性的多種功能性納米纖維.靜電紡絲納米纖維直徑一般在幾十納米至幾微米之間，最小直徑可達到1 nm[3].當加工條件不同時，制備的靜電紡絲納米纖維薄膜有著孔隙率高、孔隙尺寸小、比表面積大、纖維直徑小等優點，其典型數值一般在40～2 000 nm之間[1,4].

通過靜電紡絲技術制備的超細納米纖維或納米纖維膜，其優良的性能吸引了國內外學者在納米材料的眾多領域進行研究，如在傳感器、生物骨架、電子器件、增強復合材料、防護服、過濾材料、生物醫學材料等領域都有著良好的發展和應用潛力[1,5-9].利用靜電紡絲技術制備各種化學與生物納米纖維薄膜已見報道，如楊穎[10]等以高壓靜電紡絲技術為基礎,結合無模板劑的溶膠-凝膠法合成了直徑均勻,連續無裂痕的SiO2納米纖維，賈清秀等[11]以甲苯和DMF為溶劑，對不同含量C60的PMMA溶液進行電紡得到PMMA膜，Geon-Hyoung An[12]等以共紡的方式將SnO2、SiO2摻雜到碳納米纖維中，制得了納米纖維薄膜.

在制備生物與化學修飾電極及相應的應用方面目前已有周德鳳[13]用靜電紡絲法制備Pd基修飾ITO電極并用來檢測NO2-，王先鋒等[14]則以靜電紡絲技術為基礎制備了構建了一種基于多種結構的石英晶體微天平(QCM)傳感器，從而實現對甲醛的檢測,但是把靜電紡絲技術應用于生物傳感器上，制備納米纖維薄膜修飾電極，并用來固定生物酶，同時利用各種電化學技術手段深入進行相應的動力學上的機理研究與分析，則較為少見.本研究利用聚苯胺的導電性和醋酸纖維素的可紡性，配制成合適濃度比例的混合溶液，采用靜電紡絲法將聚苯胺和醋酸纖維素的混合溶液噴于鉑電極的表面，制備成聚苯胺/醋酸纖維素納米纖維修飾膜，并將葡萄糖氧化酶固定其上，制備成酶修飾電極，成功的采用電化學的方法進行檢測分析，并對生物小分子進行檢測應用，取得了成功.

靜電紡絲法為固定化酶構筑生物傳感器提供了一種新的方法，利用靜電紡絲法所噴出的納米纖維在電極表面形成的一種修飾物薄膜來固定酶等生物大分子，既能保證酶的生物活性又能進行相應生物分子的檢測.另外，可以利用不同的聚合物材料制備不同的化學修飾電極，從而進行不同物質的檢測.納米級別功能型聚合物本身所具有的優良的電化學性能和大的比表面積使納米纖維傳感器的傳感性能比起相應的薄膜型傳感器有了質的改變.

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

CHI660C電化學工作站(上海辰華儀器公司)；三電極系統：參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑絲電極，工作電極為鉑電極及其修飾電極；KQ-250型超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)，1006型靜電紡絲儀，Heal Force SUPER NW超純水器[力新儀器(上海)有限公司].

聚苯胺(PANI),武漢遠城科技有限公司生產；醋酸纖維素(CA)(相對分子量為17 722)，阿拉丁試劑公司生產；丙酮，天津星月化工有限公司生產；N,N-二甲基乙酰胺，成都市科龍化工試劑廠生產；葡萄糖(GOD),上海博奧生物科技有限公司生產；葡萄糖氧化酶(GOx),阿拉丁試劑公司生產;以上試劑除GOx外均為分析純.電化學實驗前溶液均通氮除氧.

1.2 聚苯胺-醋酸纖維素電紡溶液的配制

稱取一定量的聚苯胺溶于丙酮和N,N-二甲基乙酰胺的混合溶液中，均勻攪拌2 h，再稱取一定量的CA溶于聚苯胺溶液中，待溶解后，用磁力攪拌器均勻攪拌24 h，配制成聚苯胺/醋酸纖維素電紡溶液.

1.3 靜電紡絲修飾電極的制備

將鉑電極用粒徑為0.05 μm Al2O3粉末在麂皮上拋光，超純水沖洗后，以濃H2SO4和H2O2的體積配比為3∶7的溶液浸泡5 min，超純水超聲清洗3 min，再用超純水沖洗，室溫晾干.

將打磨好的裸鉑電極用二次水沖洗后放入0.5 mol/L硫酸溶液中，于-0.2 ～1.4 V電位范圍內以100 mV/s進行連續循環掃描10圈.取出活化好的鉑電極，用二次水沖洗干凈，室溫晾干.

將處理好的鉑電極固定于靜電紡絲儀的接收板上，用配置好的溶液進行靜電紡絲15 min，即制得靜電紡絲聚苯胺/醋酸纖維素修飾電極(PANI/CA/Pt).將配制好的葡萄糖氧化酶溶液取10 μL滴涂于PANI/CA/Pt表面，室溫晾干，即制得葡萄糖氧化酶修飾電極(GOx/PANI/CA/Pt).

2 結果討論

2.1 靜電紡絲PANI/CA納米纖維的表征

圖1是靜電紡絲法制備出的PANI/CA納米纖維膜的掃描電鏡圖，由圖可知，制備的PANI/CA納米纖維薄膜，其納米纖維形態較完整，呈網狀不規則分布.納米纖維具有疏松多孔的結構，不僅能夠固定葡萄糖氧化酶，同時可以使反應底物順利通過纖維之間的間隙，大大提高了酶與底物的接觸面積.由于本實驗目前處于初步研究階段，因此，從圖1中所觀察到的靜電紡絲納米纖維之間的孔穴較大，不過可以通過調整電紡參數、電紡時間以及電紡溶液的濃度來調控納米纖維之間的孔穴大小.纖維結構及孔穴的大小對酶的固載的影響將在本研究的后續階段進行深入探究.

圖1 PANI/CA納米纖維的掃描電鏡圖Fig.1 The SEM of PANI/CA nano-fiber

2.2 不同電極在[Fe(CN)6]3-/4-中的循環伏安圖

圖2為相同條件下的裸鉑電極(a)，PANI/CA/Pt(b)，GOx/PANI/CA/Pt(c)在0.005 mol/L[Fe(CN)6]3-/4-+0.1 mol/L KCl溶液中的循環伏安圖，由曲線(a)，(b)可知，當電極表面電紡一層聚苯胺的納米纖維之后，由于納米纖維里含有導電性較差的醋酸纖維素，因而導致[Fe(CN)6]3-/4-的氧化還原峰電流明顯減小，這說明電極表面成功的修飾上了一層PANI/CA納米纖維.由曲線(b),(c)可知，曲線(c)氧化還原峰電流急劇減小，說明葡萄糖氧化酶成功的修飾在了PANI/CA/Pt表面，大分子的葡萄糖氧化酶極大的阻礙了[Fe(CN)6]3-/4-的電子傳遞.

圖2 不同修飾電極在0.005 mol/L[Fe(CN)6]3-/4-+0.1 mol/L KCl溶液中的循環伏安圖Fig.2 Cyclic voltammograms in 0.005 mol/L [Fe(CN)6]3-/4-+0.1 mol/L KCl solution 注： (a)bare Pt electrode,(b)PANI/CA/Pt,(c)GOx/PANI/CA/Pt,掃速為100 mv/s.

2.3 交流阻抗特性

圖3 不同的修飾電極在0.005 mol/L [Fe(CN)6]3-/4-+0.1 mol/L KCl溶液中的交流阻抗圖(a)Bare Pt,(b)PANI/CA/Pt, (c)GOx/PANI/CA/PtFig.3 Impedance plots of at (a)bare Pt electrode,(b)PANI/CA/Pt,(c)GOx/PANI/CA/Pt electrode in0.005 mol/l[Fe(CN)6]3-/4-+0.1 mol/l KCl solution

電化學交流阻抗(EIS)是表征修飾電極界面的強有力工具，可以通過電極表面與電解液之間的阻抗變化提供相應的信息.而在含有探針分子[Fe(CN)6]3-/4-的情況下，復平面阻抗譜上的高頻部分是受動力學控制的區域，低頻部分是受擴散控制的區域[15].圖3為不同修飾電極在裸鉑電極(a)，PANI/CA/Pt(b)，GOx/PANI/CA/Pt(c)含有0.005 mol/L的[Fe(CN)6]3-/4-探針的0.1 mol/L KCl溶液中的交流阻抗圖(頻率范圍為0.05～100 KHz，施加的電位幅度為5 mV).曲線(a)中在其較寬的頻率范圍內幾乎是一條直線，這表明電極是受傳質控制(即擴散控制)的，[Fe(CN)6]3-/4-非常容易到達電極表面，而一微小半圓出現在較窄的高頻部分，這表明在該有限頻率范圍內，電極是受傳荷控制(即動力學控制)的，故推測整個電極過程以擴散控制為主[16-18]；由曲線(b)可知在PANI/CA納米纖維修飾到電極表面之后，高頻部分半圓直徑顯著增大；當葡萄糖氧化酶修飾到PANI/CA修飾電極表面上，高頻部分半圓直徑急劇增大，這表明整個電極過程由以擴散控制為主變成傳荷控制為主；而以上結果與三種電極在[Fe(CN)6]3-/4-中循環伏安圖的結果一致，這也充分證明了PANI/CA/Pt，GOx/PANI/CA/Pt修飾電極已經成功制備.

2.4 靜電紡絲PANI/CA/Pt在H2SO4中的電化學行為

為了進一步證明已制備成功的PANI/CA/Pt電極具有其相應的電化學活性，進行了PANI/CA/Pt電極在H2SO4中的電化學行為研究.圖4中是幾種不同的電極在0.5 mol/L的H2SO4中的循環伏安圖，其中裸鉑電極(a)，CA/Pt(b)，PANI/CA/Pt(c).從圖中可以很明顯的觀察到，曲線(c)是聚苯胺在H2SO4中的特征曲線，而曲線(a)和曲線(b)并沒有此特征曲線，這充分可以說明，靜電紡絲聚苯胺納米纖維不僅成功修飾到鉑電極表面并且這種修飾電極能夠表現出其相應的電化學活性.

圖4 不同的修飾電極在0.5 mol/L H2SO4溶液中的循環伏安圖(掃速100 mv/s)Fig.4 Cyclic voltammograms in 0.5 mol/l H2SO4 solution with scan rate of 100 mV/s注： (a)Bare Pt Electrode;(b)CA/Pt;(c)PANI/CA/Pt Electrode.

2.5 GOx/PANI/CA/Pt對葡萄糖溶液的響應

圖5是在pH 7.0的PBS緩沖溶液中GOx/PANI/CA/Pt對2×10-5mol/L葡萄糖溶液的i-t響應曲線.由圖中可知，該修飾電極對葡萄糖有明顯的催化作用.用PANI/CA納米纖維作為酶的固定材料呈現出了良好的固定效果，為生物傳感器的制備打下了基礎.

圖5 GOx/PANI/CA/Pt在pH 7.0的PBS溶液中對葡萄糖溶液的i-t響應曲線Fig.5 Typical i-t responses of GOx/PANI/CA/Pt for glucose in pH 7.0 PBS

2.6 穩定性與重現性

本實驗測定了GOx/PANI/CA/Pt的重復性及穩定性，用9支不同的電極在同種濃度的葡萄糖溶液中進行測量，測得響應電流的相對標準偏差為(4.7%),這說明電極有良好的重現性.用一支電極平行測定10次同種濃度的葡萄糖溶液，電流基本穩定，說明該電極能夠重復多次使用，使用在二次蒸餾水中放置15 d后的電極測定同一濃度的葡萄糖溶液，其峰電流有稍微減小，峰電流減小接近5%.表明GOx/PANI/CA/Pt具有較長的使用壽命和良好的穩定性，可以用于葡萄糖的分析測定.

3 結 語

通過靜電紡絲法成功的制備出了PANI/CA納米纖維，并將其修飾在了鉑電極表面，制備出了PANI/CA/Pt修飾電極；成功的把葡萄糖氧化酶固定在了PANI/CA/Pt電極上，并且對葡萄糖有一定的催化作用.這說明，用靜電紡絲法制備的修飾電極能夠很好的運用于生物傳感器的制備及應用上.

致謝

感謝國家自然科學基金委、武漢工程大學研究生處的資助.

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