樹狀聚合物功能化碳納米管/鈀納米復合物的制備及其非酶葡萄糖傳感應用

侯代紅，賴國松，張海麗

(湖北師范學院 化學化工學院， 湖北 黃石 435002)

樹狀聚合物功能化碳納米管/鈀納米復合物的制備及其非酶葡萄糖傳感應用

侯代紅，賴國松，張海麗

(湖北師范學院 化學化工學院， 湖北 黃石 435002)

將樹狀聚合物(PAMAM) 通過共價反應嫁接在羧基化碳納米管(CNTs)表面后用于鈀納米粒子(Pd NPs)的原位沉積，制備成CNTs-PAMAM/Pd NPs復合物。通過殼聚糖包埋將制備的該鈀納米復合物用于玻碳電極的修飾，并通過交流阻抗法和循環伏安法對電極性能進行表征和優化，制備成可用于葡萄糖的安培檢測的非酶電化學傳感器。實驗表明，在最佳實驗條件下該傳感器可在較短時間內 (<3 s) 實現對葡萄糖的快速穩態安培響應，并可在從0.03 mmol/L至61.7 mmol/L較寬線性范圍內實現對葡萄糖的準確測定，檢出限為11.5 μmol/L。該傳感器成本低廉，性質穩定，且具有較好的選擇性和重復性，因而在實際應用中具有較好的發展前景。

非酶傳感器;葡萄糖;化學修飾電極;碳納米管;鈀納米粒子

葡萄糖的快速、準確檢測在臨床診斷和食品分析等領域中具有十分重要的意義。與比色法和熒光分析等方法相比，電化學方法由于具有較高的靈敏度、選擇性和更低的檢測成本，因而在葡萄糖的準確檢測中得到了廣泛的應用[1]。傳統方法中，人們多采用基于酶固定技術而構建的酶生物傳感器來實現葡萄糖的電化學檢測[2～4]。但是酶相對較高的價格和外界條件對酶生物活性的影響在一定程度上限制了這些酶生物傳感器的廣泛應用。

近年來的研究表明，基于葡萄糖在化學修飾電極上的直接電催化氧化而構建起來的非酶傳感器可以較好解決以上缺陷[5～7]。作為一種重要的貴金屬納米粒子，鈀納米粒子(Pd NPs) 因其良好的電催化性在非酶電化學氧化中得到了廣泛的應用[8～10]。此外，碳納米管(CNTs) 由于具有較大的比表面積和優良的電子傳遞能力，將其與Pd NPs相結合制備成納米復合物后用于電極修飾，不僅可以大大提高電極表面Pd NPs的固定含量，而且可以很好的促進電催化響應電流的提高，從而大大提高傳感器的分析性能[11]。本工作將具有128個氨基末端的五代聚酰胺樹狀聚合物(PAMAM)用于CNTs表面共價功能化后，成功實現了CNTs表面PdCl42-的吸附富集和Pd NPs的原位高含量負載。將制備的CNTs-PAMAM/Pd NPs納米復合物用于化學電極修飾，較好實現了葡萄糖的非酶電化學傳感。

1 實驗部分

1.1試劑和儀器

多壁CNT (長1-2 μm，直徑60-100 nm)購于深圳納米港公司，PAMAM (五代)、殼聚糖(CS)、多巴胺、抗壞血酸、尿酸、碳二亞胺(EDC)和N-琥珀酰亞胺(NHS)購于Sigma-Aldrich 公司(美國)，葡萄糖和氯鈀酸鉀購于上海國藥化學試劑有限公司。其它試劑都為分析純，使用前未經純化處理。不同pH值的磷酸鹽緩沖溶液(PBS)通過50 mmol/L 的NaH2PO4和Na2HPO4溶液配制而成。制備的鈀納米復合物的形貌通過FEI Quanta 400F掃描電子顯微鏡(SEM，美國)來進行表征，交流電化學阻抗實驗在CHI 660E電化學分析儀上完成，其它電化學實驗都在CHI 832 (上海辰華)上完成。

1.2CNTs-PAMAM/Pd NPs復合物的制備

CNTs-PAMAM/Pd NPs復合物的制備過程如圖1所示。首先，根據文獻[12]方法，將CNTs通過HNO3/H2SO4(v/v =3∶1) 超聲處理得到羧基功能化CNTs。接下來，將1.0 mL 0.5 mg/mL羧基化CNTs通過EDC/NHS活化后與PAMAM共價反應得到CNTs-PAMAM復合物[13]。將所得的CNTs-PAMAM在5 mL水中分散后，向其中加入554 μL 20 mmol/L K2PdCl4攪拌吸附12h，然后逐滴加入100 μL新制的0.5 mol/L NaBH4，攪拌反應1h后離心、水洗三次，最后將所得的CNTs-PAMAM/Pd NPs復合物分散于1mL pH 7.0的PBS中保存待用。

1.3傳感器的制備及電化學檢測

將玻碳電極(GCE，直徑3 mm) 用0.05 μm的氧化鋁拋光成鏡面，1∶1硝酸、無水乙醇和水超聲洗凈后，取5 μL以上CNTs-PAMAM/Pd NPs復合物分散液滴涂在其表面，室溫下晾干后滴加3 μL 1.0 mg/mL的CS (1%醋酸溶液)，室溫晾干后即可得到所需的傳感器。以制備的傳感器為工作電極，鉑柱為輔助電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極組成三電極系統，進行交流電化學阻抗、循環伏安法和安培法實驗。

2 結果與討論

2.1CNTs-PAMAM/Pd NPs的制備及表征

實驗采用羧基化CNTs作為載體，首先通過EDC/NHS偶聯劑的作用下使富含氨基的PAMAM共價結合在CNTs表面，進而利用PAMAM優良的內部納米級空腔和豐富的表面氨基來吸附富集高含量的PdCl42-，最后用NaBH4還原劑原位制備成富含高含量Pd NPs的CNTs納米復合物。從圖2所示的實驗制備所得產物的SEM圖片中，我們可以看到大量的納米粒子附著在納米管表面，這一結果證明了CNTs-PAMAM/Pd NPs復合物的成功制備。

圖1 CNTs-PAMAM/Pd NPs納米復合物的制備過程

2.2傳感器的制備及表征

將制備的CNTs-PAMAM/Pd NPs納米復合物用于電極修飾，并通過電化學阻抗表征了該傳感器的制備過程。從圖3我們可以看出，CNTs-PAMAM/Pd NPs修飾電極電化學阻抗與裸電極相比明顯降低，說明該納米復合物的修飾可以有效的促進鐵氰化鉀探針在電極表面的電子傳遞速率。為了增加電極的穩定性，當進一步在該修飾電極表面覆蓋一層CS后，其電化學阻抗的增加。該阻抗增加是由于電極表面修飾的非導電CS聚合物對電子傳遞的阻礙作用引起的，這一阻抗變化也證明了傳感器的成功制備。

2.3傳感器的電化學行為及催化響應

實驗通過循環伏安方法考察了傳感器的電化學行為及其對葡萄糖的電催化響應情況。從圖4看出，當傳感器在50 mmol/L pH 7.4 PBS中循環掃描時出現兩對明顯的氧化還原峰，一對峰在電位(-0.4，-0.6V)處對應于PdOH的氧化還原；另一對在(0.35，-0.1V)處的峰應該屬于電極表面的Pd NPs在形成鈀氧化物過程中表現出來的電化學行為[14]。當向底液中加入15 m mol/L葡萄糖后，我們可以觀察到明顯的氧化電流增加，這說明該CNTs-PAMAM/Pd NPs修飾電極對葡萄糖具有良好的電催化氧化作用。該傳感器的催化機理為：

圖2 CNTs-PAMAM/PdNPs的SEM圖

Pd+OH-→PdOH+e-

PdOH+glucose→Pd+glucolactone

與此對比，CNT-PAMAM修飾電極在pH 7.4 PBS中沒有表現出明顯的氧化還原峰，當向底液中加入15 m mol/L葡萄糖后其響應電流也無明顯的變化，這也證明了CNTs-PAMAM/Pd NPs修飾電極對葡萄糖的電催化氧化是由于納米復合物上高含量Pd NPs的優良的電催化性能而引起的。因此基于該CNTs-PAMAM/Pd NPs修飾電極對葡萄糖良好的電催化氧化作用，可以方便的實現對葡萄糖的非酶電化學檢測。

圖3 裸電極GCE (a), CNTs-PAMAM/Pd NPs (b) 和 CNTs-PAMAM/Pd NPs/CS (c)修飾電極在含有5.0 m mol/L K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6](1∶1)中的0.1 mol/L KCl溶液中的交流阻抗圖譜

圖4 CNT-PAMAM (a, b), CNTs-PAMAM/Pd NPs/CS (c, d) 修飾電極在pH 7.4 PBS (a, c)和含有15 m mol/L葡萄糖的pH 7.4 PBS (b, d)中的循環伏安圖

為了得到最佳的電催化效果，實驗進一步通過循環伏安法考察了傳感器對不同pH值的50 m mol/L PBS中1 m mol/L葡萄糖的催化氧化電流的大小。結果表明，從溶液pH從6.2增加到7.4，傳感器的催化氧化電流逐漸增大；當溶液pH高于7.4后，氧化峰電流反而隨著pH的增加而減小。由于在pH 7.4的PBS中該傳感器可以得到最大催化氧化電流，故實驗選擇pH 7.4作為本工作的最優條件。

2.4葡萄糖的安培檢測

在攪拌條件下向底液中加入不同濃度的葡萄糖，通過穩態安培法考察了傳感器在-0.1 V的安培響應。從圖5可以看出，隨著葡萄糖的加入，傳感器立即產生明顯的安培電流響應，其響應時間小于3s.在從0.03 m mol/L至11. 2 m mol/L和11.2 m mol/L至61.7 m mol/L較寬的濃度范圍內，安

培響應電流與葡萄糖濃度成良好線性關系，其線性回歸方程分別為I(μA)=7.2218 - 1.4824C

(m mol/L) (R=0.9993)和I(μA) =-1.5531-0.6705C(m mol/L) (R=0.9986)，檢出限為11.5 μmol/L.

2.5傳感器的選擇性、穩定性和重現性

實驗通過向底液中加入一定濃度可能的干擾物，結合其安培響應考察了傳感器的選擇性。從圖 6可以看出，當向底液中依次加入0.1 m mol/L 多巴胺、蔗糖、抗壞血酸和0.2 m mol/L 尿酸后，該傳感器上沒有產生無明顯的安培電流響應。這一結果表明，這些物質對葡萄糖的測定沒有明顯干擾，該非酶傳感器對葡萄糖具有較好的選擇性。

實驗還考察了傳感器的重復性和穩定性。將同一支傳感器用于1 m mol/L葡萄糖重復測定五次，其測定結果的相對標準偏差為2.3%；采用相同方法制備5支傳感器用于1 m mol/L葡萄糖的安培檢測，其測定結果的相對標準偏差為4.8%，說明傳感器具有較好的重復性。此外，將制備的傳感器置于4℃冰箱保存一個月之后，其響應電流不低于初始值88%，說明該傳感器具有較好的穩定性。

圖5 CNTs-PAMAM/Pd NPs/CS修飾電極對葡萄糖的安培響應曲線及安培響應電流與葡萄糖濃度的線性關系(內插圖)。工作電位：-0.1V

圖6 檢測條件下該傳感器對1mmol/L葡萄糖,0.1mmol/L多巴胺,0.1mmol/L乳糖,0.1mmol/L抗壞血酸,0.1mmol/L尿酸和0.625mmol/L葡萄糖催化響應。

3 結論

基于羧基化CNTs表面的樹狀聚合物功能化，成功實現了CNTs上Pd NPs的高含量原位沉積。將制備的CNTs-PAMAM/Pd NPs納米復合物用于電極修飾，可以較好實現對葡萄糖的電催化氧化氧化，進而發展了一種性能良好的非酶葡萄糖電化學傳感器。該傳感器對葡萄糖響應速度快，且具有較寬的線性范圍和較低的檢測限，穩定性和重復性良好，因而具有一定的應用前景。

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Keywords: nonenzymatic sensor;glucose;chemically modified electrode;carbon nanotubes;palladium nanoparticles

Preparationofdendrimerfuncationalizedcarbonnanotube/Pdnanoparticlescompositefornonenzymaticglucosebiosensing

HOU Dai-hong,LAI Guo-song,ZHANG Hai-li

(College of Chemistry and Chemical Engineering,Hubei Normal University,Huangshi 435002,China)

Polyamidoamine (PAMAM) dendrimer was covalently grafted with carboxylated carbon nanotubes (CNTs) for the in situ deposition of palladium nanoparticles (Pd NPs). Based on the electrode modification with the as-prepared CNTs-PAMAM/Pd NPs nanocomposites and the further coating of chitosan on its surface, a nonenzymatic amperometric glucose biosensor was developed. Electrochemical impedance spectroscopy and cyclic voltammetry were used to characterize and optimize the performance of the sensor. Under the optimal conditions, this sensor exhibited a rapid amperometric response towards glucose (less than 3 s), and a wide linear range from 0.03 to 61.7 m mol·L-1was obtained with a detection limit of 11.5 μmol·L-1(S/N=3). This biosensor has low cost, good stability, selectivity and repeatability, thus indicating great potentials for practical applications.

2013—12—08

湖北省教育廳重點項目(D2010250);國家自然科學基金(21075030)

侯代紅(1987— )，女，湖北公安人，碩士研究生.

O167.3

A

1009-2714(2014)01- 0037- 05

10.3969/j.issn.1009-2714.2014.01.008