納米氧化鈰和碳納米管修飾的過氧化氫傳感器的研制

常艷兵，馮亞娟，何 瓊

(曲靖師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，云南曲靖655011)

納米氧化鈰和碳納米管修飾的過氧化氫傳感器的研制

常艷兵，馮亞娟，何 瓊

(曲靖師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，云南曲靖655011)

研制了一種基于碳納米管(CNT)、納米CeO2、殼聚糖(CHIT)有機－無機復(fù)合膜作為固定基質(zhì)的酶生物傳感器，該復(fù)合膜結(jié)合了無機碳納米管、納米CeO2和有機材料殼聚糖的優(yōu)點，固定的辣根過氧化酶較好的保持了其生物活性．在優(yōu)化測試條件下，連續(xù)加入相同量的H2O2，該傳感器對H2O2的濃度變化產(chǎn)生迅速靈敏的響應(yīng)，當過氧化氫溶液濃度在3．2×10－6～2．0×10－3mol/L之間變化時，電極對其濃度成線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0．978．該生物傳感器具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、重現(xiàn)性好等特點，可用于實際樣品的檢測．

碳納米管;納米氧化鈰;辣根過氧化酶;過氧化氫;生物傳感器

納米材料因其特異性在催化、生物醫(yī)藥、磁介質(zhì)和生物電分析領(lǐng)域等方面有著廣闊的應(yīng)用前景［1］，隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，各種納米材料廣泛應(yīng)用于電化學(xué)生物傳感器［2－6］．

目前研究最多的電化學(xué)生物傳感器是電化學(xué)酶傳感器．酶的固定化是將酶束縛在特殊的載體上，不僅能使酶和底物之間進行分子交換，又能使酶和整體相互分隔開，保持酶催化特性的方法，該方法具有可反復(fù)使用、壽命長的特點［7－9］．目前，酶的固定方法有吸附、共價、交聯(lián)嵌入法、溶膠－凝膠法［10］、固定含酶的生物組織法、交聯(lián)酶聚集體、定向固定和共固定技術(shù)等．這些固定方法復(fù)雜，所用試劑昂貴或溶劑受環(huán)境影響比較大，穩(wěn)定性差、酶易失活．因此，開發(fā)和改善電極表面的吸附性能和建立良好的生物相容性，保持酶的活性，對傳感器性能的改進具有重要的意義［11］．將低毒、生物相容性好的無機納米材料摻雜到生物傳感器的敏感膜上，為生物材料提供合適的微環(huán)境，維持生物組分活性和改善生物傳感器性能，從而研制了葡萄糖氧化酶、辣根過氧化酶等一系列的傳感器［12－15］．殼聚糖(CHIT)具有無毒性、無刺激性、良好生物相容性、生物可降解性以及生物活性等諸多優(yōu)良性質(zhì)而在紡織、印染、制藥、食品、生物、環(huán)境保護等方面被廣泛使用［16－17］．

本實驗將碳納米管和納米CeO2分散在殼聚糖醋酸溶液中，形成有機－無機雜化膜，吸附辣根過氧化酶后修飾到電極上制成過氧化氫傳感器，將其用于樣品中過氧化氫的檢測，結(jié)果令人滿意．

1 實驗部分

1．1 試劑與儀器 CHI660D電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司);超聲波清洗器(上?？茖?dǎo)超聲波儀器有限公司);納米氧化鈰、碳納米管及殼聚糖復(fù)合膜修飾的玻碳電極作工作電極．

納米氧化鈰(浙江納米材料應(yīng)用工程技術(shù)中心);碳納米管(深圳納米技術(shù)有限公司);磷酸鹽緩沖溶液(0．067 mol/L，pH=6．47);辣根過氧化酶(HRP，上海生化試劑公司);H2O2(體積分數(shù)為30%的水溶液，上海化學(xué)試劑公司);殼聚糖(CHIT，美國Sigma公司);其它化學(xué)試劑均為分析純，水為二次蒸餾水．

1．2 CNT的處理 取100 mg CNT在350℃下煅燒2 h，除去殘余的無定形碳，然后將熱處理后的CNT分散在60 mL硝酸(7．0 mol/L)中，不斷攪拌，140℃回流12 h，以除去殘留的催化劑．離心分離，用去離子水洗滌至上層清液pH值為中性，最后在120℃下干燥2 h，得到純凈的CNT．

1．3 CeO2/CNT/CHIT溶液的制備 稱取2．5 mg碳納米管和25 mg CeO2納米粉末溶于殼聚糖乙酸溶液中，攪拌1 h，超聲波振蕩15 min，待碳納米管和納米 CeO2粉末均勻分散后得到 CeO2/CNT/ CHIT膜液．

1．4 H2O2傳感器的制備

1．4．1 GC/CeO2/CNT/CHIT/HRP電極的制備稱取15 mg辣根過氧化酶，用磷酸鹽緩沖溶液(pH =6．47)配成0．5 mL溶液．取5 μL此溶液和5 μL CeO2/CNT/CHIT膜液混合均勻后液涂于預(yù)處理好的玻碳電極表面，4℃下干燥過夜，使用前用磷酸鹽緩沖溶液(0．067 mol/L，pH=6．47)洗滌酶電極，除去未固定在電極表面的酶．

1．4．2 GC/CNT/CHIT/HRP電極的制備 稱取2．0 mg CNT溶于4 mL殼聚糖乙酸溶液中，超聲波振動15 min，取5 μL此混合液和5 μL HRP酶混勻后涂于預(yù)處理好的玻碳電極表面，4℃下干燥過夜待用．

1．4．3 GC/CeO2/CHIT/HRP電極的制備 稱取1．0 mg納米CeO2溶于1 mL殼聚糖乙酸溶液中，超聲波振動15 min，取5 μL此混合液和5 μL HRP酶混勻后涂于預(yù)處理好的玻碳電極表面，4℃下干燥過夜，電極不用時，置于冰箱中4℃保存．

2 結(jié)果與討論

2．1 循環(huán)伏安行為 為了考察辣根過氧化酶的催化作用，比較了GC/CeO2/CNT/CHIT/HRP傳感器在不同底液中的循環(huán)伏安行為，如圖1，其中(a)磷酸鹽緩沖溶液(pH=6．47);(b)含有1．0×10－3mol/L對苯二酚的磷酸鹽緩沖溶液(pH=6．47); (c)含有1．0×10－3mol/L對苯二酚和過氧化氫的磷酸鹽緩沖溶液(pH=6．47)．可見在磷酸鹽緩沖溶液(pH=6．47)中，酶電極產(chǎn)生較低的背景電流:在含有1．0 mmol/L對苯二酚的0．067 mol/L磷酸鹽緩沖溶液(pH=6．47)中產(chǎn)生一對氧化還原峰，但背景電流信號仍比較低;在1．0 mol/L對苯二酚的0．067 mol/L PBS(pH=6．47)溶液中加入1．0 mmol/L H2O2后氧化峰電流減少還原峰電流明顯增大，證實HRP對H2O2具有很好的催化作用．

同時考察了掃描速度對傳感器的影響，當掃描速度從20到100 mV/s變化時，傳感器在含有1．0 mmol/L H2O2及1．0 mmol/L對苯二酚的緩沖溶液中的循環(huán)伏安行為(圖2)，從圖2中(a)到(e)隨著掃描速度的增大峰電流逐漸增大．為了考察電流的特性，將峰電流對掃描速度的平方根作圖(見內(nèi)置圖)，從圖中可以看出，峰電流與掃描速度的平方根成正比，說明此電流為擴散控制的電流．

2．2 電極的選擇 為了考察不同修飾電極對H2O2的催化性能，比較了CeO2/CNT/CHIT/HRP、CeO2/CHIT/HRP和CNT/CHIT/HRP 3種過氧化氫傳感器在含有1．0 mmol/L對苯二酚和0．1 mmol/L H2O2的磷酸鹽緩沖液(pH=6．47)中的計時電流動態(tài)響應(yīng)見圖3，其中(a)納米氧化鈰、碳納米管和殼聚糖復(fù)合膜修飾的辣根過氧化酶電極的計時電流動態(tài)響應(yīng);(b)納米氧化鈰和殼聚糖復(fù)合膜修飾的辣根過氧化酶電極的計時電流動態(tài)響應(yīng);(c)碳納米管和殼聚糖復(fù)合膜修飾的辣根過氧化酶電極的計時電流動態(tài)響應(yīng)．從圖中可以看出3種修飾電極的計時響應(yīng)電流由高到低依次為 GC/CeO2/CNT/CHIT/HRP、GC/CeO2/CHIT/HRP、GC/CNT/ CHIT/HRP，表明無機納米粒子CeO2、CNT與有機物CHIT一起對H2O2有協(xié)同催化作用．因此，本實驗選擇GC/CeO2/CNT/CHIT/HRP作為傳感器用于檢測H2O2．

2．3 測量條件的優(yōu)化

2．3．1 苯二酚用量對傳感器的影響 圖4為不同濃度的對苯二酚存在時酶電極的響應(yīng)電流．從圖可看出，電流響應(yīng)隨著對苯二酚濃度的增加而增大，達到飽和后下降．電子媒介濃度較低時，酶－媒介動力機制將限制響應(yīng)的線性范圍，而電子媒介濃度較高時，背景電流又太大，因此在本實驗選擇使用1．0 mmol/L的對苯二酚．

2．3．2 pH的影響 考察了緩沖液pH值在4．92～8．04范圍內(nèi)對傳感器的影響．如圖5所示，在pH值為6．47時，響應(yīng)電流最大，之后隨pH值的增大響應(yīng)電流反而逐漸減?。虼耍緦嶒炦x擇6．47為最佳pH值．

2．3．3 工作電位的影響 在不同工作電位下測定了傳感器的響應(yīng)電流，實驗結(jié)果表明，電位在350 mV至－40 mV區(qū)間，傳感器的響應(yīng)電流平緩增加，但幅度不大;從－40 mV降至－300 mV區(qū)間，傳感器的響應(yīng)電流顯著增大．為了避免其它物質(zhì)的干擾，選擇拐點－40 mV作為安培測量時的工作電位．

2．4 傳感器的性能

2．4．1 傳感器的響應(yīng)性能 在優(yōu)化實驗條件下向底液中連續(xù)加入等量H2O2，分別用GC/CeO2/CNT/ CHIT/HRP、GC/CeO2/CHIT/HRP、GC/CNT/CHIT/ HRP修飾電極進行測定，其電流計時曲線如圖6，校正曲線見內(nèi)置圖，在含有對苯二酚的硫酸鹽緩沖溶液中連續(xù)加入20 μL 1．0×10－3mol/L H2O2進行測定，其中(a)納米氧化鈰、碳納米管和殼聚糖復(fù)合膜修飾的辣根過氧化酶電極對H2O2的動態(tài)響應(yīng);(b)納米氧化鈰和殼聚糖復(fù)合膜修飾的辣根過氧化酶電極對H2O2的動態(tài)響應(yīng);(c)碳納米管和殼聚糖復(fù)合膜修飾的辣根過氧化酶電極對H2O2的動態(tài)響應(yīng)．從圖中可以看出，用納米氧化鈰、殼聚糖復(fù)合膜修飾的辣根過氧化酶電極和碳納米管、殼聚糖復(fù)合膜修飾的辣根過氧化酶電極對H2O2進行測定，響應(yīng)電流較弱，且測定H2O2溶液的濃度線性范圍較窄，線性較差，相關(guān)系數(shù)較?。眉{米氧化鈰、碳納米管和殼聚糖復(fù)合膜修飾的辣根過氧化酶電極進行檢測時，當H2O2的濃度發(fā)生變化，傳感器會產(chǎn)生迅速靈敏的響應(yīng)，說明酶電極有優(yōu)良的電催化行為．響應(yīng)電流值隨H2O2濃度的增加而增大，當H2O2達到一定濃度時電流也達到飽和，說明此時酶的活性位點被底物飽和．測定H2O2溶液的濃度線性范圍是3．2×10－6～2．0×10－3mol/L，回歸方程為i=0．783+18．67C，相關(guān)系數(shù)為0．978．

2．4．2 傳感器的重現(xiàn)性 在0．1 mmol/L H2O2溶液中考察了HRP酶電極響應(yīng)電流的重現(xiàn)性，用同一根過氧化氫傳感器連續(xù)測定16次，其相對標準偏差為4．67%，說明該傳感器具有很好的重現(xiàn)性．

2．4．3 干擾實驗 為了考察電極的選擇性，在優(yōu)化實驗條件下測定了草酸、酒石酸、抗壞血酸、谷氨酸、葡萄糖等對GC/CeO2/CHIT/CNT/HRP電極的影響，結(jié)果見表1．從測定結(jié)果可以看出，在相同測定條件下，以上物質(zhì)對GC/CeO2/CNT/CHIT/HRP電極響應(yīng)電流都沒有明顯干擾．

表1 干擾物質(zhì)對電極的影響Table 1 The effects of interfering substances on electrode

2．5 樣品及加標回收檢測 為了考察該傳感器的實用性，用其測定市售利爾康質(zhì)量分數(shù)為3%的過氧化氫消毒液(溫州康林醫(yī)療器械有限公司)中H2O2的濃度，并與高錳酸鉀氧化還原滴定法測定的濃度對比，結(jié)果見表2．實驗結(jié)果證明利用該傳感器和氧化－還原滴定法所測得的結(jié)果無明顯差異，具有較高的一致性，這表明用該傳感器檢測H2O2的方法可行．

在優(yōu)化實驗條件下，向市售利爾康質(zhì)量分數(shù)為3%的過氧化氫消毒液(以用該過氧化氫傳感器檢測其平均濃度1．005 0 mmol/L作為計算相對標準偏差的平均濃度)中加入不同濃度的標準過氧化氫溶液，按實驗方法進行檢測，加標回收測定結(jié)果列于表3．從檢測結(jié)果可以看出，回收率較好，相對標準偏差較低．

表2 實際樣品的測定Table 2 Determination of H2O2in actual sample(n=5)

表3 加標回收的測定結(jié)果Table 3 Recovery test of H2O2standards(n=7)

3 結(jié)語

本文研制了一種利用CeO2/CNT/CHIT復(fù)合膜作為固定基質(zhì)的新型H2O2傳感器，這種有機－無機復(fù)合膜結(jié)合了兩種材料的優(yōu)勢，用該復(fù)合膜固定的HRP具有更高的生物活性．將傳感器用于檢測H2O2，獲得了令人滿意的結(jié)果．該傳感器具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、重現(xiàn)性好、制作簡單等優(yōu)點，可用于實際樣品的檢測．

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Study on the Hydrogen Peroxide Biosensor Modified by Cerium Oxide Nanoparticles and Carbon Nanotube

CHANG Yanbing，F(xiàn)ENG Yajuan，HE Qiong

(School of Chemistry and Chemical Engineering，Qujing Normal College，Qujing 655011，Yunnan)

We presented an novel enzyme biosensor based on Carbon nanotube(CNT)，CeO2nanoparticles and chitosan of inorganic-organic complex film as immobilization matrix with good stability．This material combined the advantages of inorganic CNT，CeO2nanoparticles and organic polymer CHIT，and it maintained a good biological activity that fixed horseradish peroxidase．While adding the same amount of H2O2continuously under the condition of optimization test，the sensor produces high sensitive response to H2O2concentration change．When the concentration of hydrogen peroxide solution changes from 3．2×10－6to 2．0×10－3mol/L，there is a linear relation between electrode and its concentration，and the correlation is 0．978．This biosensor has a fast response，a high sensitivity，a good reproducibility．It can be used for the actual sample testing．

carbon nanotube(CNT);Cerium oxide nanoparticles;HRP;hydrogen peroxide;biosensor

O657．15

A

1001－8395(2016)04－0571－05

10．3969/j．issn．1001－8395．2016．04．021

(編輯 周 俊)

2015－05－29

云南省教育廳科學(xué)研究基金(2013Y014)和云南省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃(201310684002)

常艷兵(1980—)，男，副教授，主要從事電分析化學(xué)及生物傳感器方面的研究，E－mail:chang－yanbing@126．com