基于葡萄糖氧化酶-聚苯胺修飾電極的電化學(xué)傳感器的研究

趙宗明

(安徽省地礦局332地質(zhì)隊測試中心　安徽黃山　245000)

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基于葡萄糖氧化酶-聚苯胺修飾電極的電化學(xué)傳感器的研究

趙宗明

(安徽省地礦局332地質(zhì)隊測試中心安徽黃山245000)

摘要：在聚苯胺修飾的玻碳電極(PANI/GCE)上進行了葡萄糖氧化酶的固載，并探討了葡萄糖在該修飾電極上的電化學(xué)響應(yīng)情況。研究了pH值、電位、溫度等條件對該傳感器電化學(xué)信號的影響。在最佳實驗條件下，在5.00×10-4mol/L-2.25×10-3mol/L范圍內(nèi)，電流信號和葡萄糖濃度呈良好的線性關(guān)系，線性相關(guān)度達到0.999，表明利用此傳感器可對葡萄糖進行電化學(xué)檢測。

關(guān)鍵詞：聚苯胺；修飾電極；葡萄糖氧化酶；生物傳感器

1　引言

人體血液中的血糖水平是衡量糖尿病臨床診斷和新陳代謝能力的重要指標,因此監(jiān)測血液中的葡萄糖含量具有重要的生物學(xué)及醫(yī)學(xué)意義。基于葡萄糖氧化酶(GOx)的電化學(xué)生物傳感器在葡萄糖濃度的檢測領(lǐng)域具有非常重要的地位。葡萄糖在GOx催化條件下，可以通過生化反應(yīng)生成過氧化氫。葡萄糖電化學(xué)傳感就是通過監(jiān)測過氧化氫的電化學(xué)信號來間接測定葡萄糖的濃度[1]。所以，制備靈敏度高、抗干擾性能強、響應(yīng)快及穩(wěn)定性好的葡萄糖氧化酶電極已成為該領(lǐng)域內(nèi)近年研究的熱點之一[2]-[5]。聚苯胺是一種具有良好生物兼容性的導(dǎo)電聚合物，當它作為導(dǎo)電中介體修飾于電極表面時，能夠為傳感器提供更大的準電容，從而可以提高傳感器檢測的靈敏度，在修飾電極領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[6]。基于此，本文制備了GOx/PANI/GCE修飾電極，并利用該修飾電極進行葡萄糖濃度的測定。

2　實驗部分

2.1儀器和材料

LK2005電化學(xué)工作站，三電極系統(tǒng)：研究電極為修飾電極，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑片電極。

所用試劑均為分析純，所用水均為二次蒸餾水。以pH=7的0.1mol/L 的磷酸緩沖溶液(PBS)，配制濃度為1.0×10-3mol/L葡萄糖溶液，進行電化學(xué)實驗，全部測試在氮氣保護下進行。

2.2修飾電極的制備

將玻碳電極(GCE)在氧化鋁粉末上拋光至鏡面，以水沖洗，再超聲清洗2分鐘，然后將電極插入0.5mol/L稀硫酸中，在0V-1.5V(vs SCE)電位區(qū)間作循環(huán)伏安掃描直到得重現(xiàn)的伏安圖，此時電極表面已達到清潔要求。

將聚苯胺超聲分散在二次蒸餾水中，形成懸浮液(10mg/ml)，移取20μL聚苯胺溶液滴涂在干凈的電極表面上，經(jīng)干燥，再滴涂20μL葡萄糖氧化酶溶液，即制得葡萄糖氧化酶/聚苯胺復(fù)合修飾電極(GOx/PANI/GCE)，在4℃條件下保存、待用。

3　結(jié)果與討論

3.1聚苯胺膜上修飾葡萄糖氧化酶前后的紅外光譜

研究了聚苯胺膜修飾葡萄糖氧化酶前后紅外吸收光譜的變化情況，如圖1所示。與聚苯胺的紅外光譜相比較，可以看出聚苯胺-葡萄糖氧化酶的紅外光譜中顯示出了葡萄糖氧化酶的特征吸收。1594cm-1和1384cm-1處的吸收峰對應(yīng)于葡萄糖氧化酶上氨基的吸收。1361cm-1是氧化酶的C=O雙鍵的伸縮振動。650cm-1-900cm-1范圍內(nèi)的吸收峰可對應(yīng)于N-H基團的面內(nèi)和面外的變形振動。紅外光譜的數(shù)據(jù)表明葡萄糖氧化酶可以固載在聚苯胺的表面，且氧化酶的次級結(jié)構(gòu)保存完好。

圖1　PANI膜和GOx/PANI膜的紅外光譜圖

3.2葡萄糖在GOD/PANI/GCE修飾電極上的電化學(xué)行為

圖2　葡萄糖在PANI/GCE與GOD/PANI/GCE上的循環(huán)伏安曲線

在pH等于7.0，濃度為1×10-3mol/L的葡萄糖的PBS溶液中，在掃速50 mV/s，溫度40℃的條件下，用循環(huán)伏安法研究了葡萄糖在修飾電極上的電化學(xué)響應(yīng)情況，如圖2所示。由圖可知，聚苯胺修飾在電極表面使得充電電流得到增強，在-0.70V左右出現(xiàn)了非常強的溶解氧的還原峰，說明聚苯胺修飾層有利于溶解氧的電化學(xué)反應(yīng)。當在聚苯胺上繼續(xù)修飾葡萄糖氧化酶后，-0.70V處的氧的還原電流被明顯的抑制。根據(jù)文獻報道[7]，葡萄糖在葡萄糖氧化酶的催化作用下，與溶液中溶解氧反應(yīng)生成過氧化氫。其生化反應(yīng)式為：

Glucose+GOx (ox)→Gluconolacton+GOx(red)

(1)

GOx (red)+O2→GOx(ox)+H2O2

(2)

H2O2→O2+2H++2e

(3)

由于溶液中的溶解氧參與了葡萄糖的生化反應(yīng)而被消耗，因此，葡萄糖氧化酶修飾在電極上后，溶解氧的電化學(xué)還原峰的強度被極大的抑制。

圖3研究了不同葡萄糖濃度下的循環(huán)伏安曲線，可以發(fā)現(xiàn)隨著葡萄糖濃度的增加，-0.70V附近的還原電流逐漸減小，表明隨著葡萄糖濃度的增加，消耗于葡萄糖酶催化反應(yīng)的溶解氧的量增加，相應(yīng)的在電極上發(fā)生氧的電還原過程溶解氧的量減少，因此氧的還原電流減小。在0.80V處的氧化電流逐漸增大，說明由于葡萄糖濃度的增加，通過酶催化反應(yīng)產(chǎn)生的過氧化氫的量增加，因此過氧化氫的電氧化電流隨之增加。葡萄糖在GOx/PANI/GCE上電化學(xué)電流的變化情況表明，可以用電化學(xué)方法進行葡萄糖濃度的檢測。由于溶解氧還原電流濃度變化的幅度很大，為了獲得較好的靈敏度，在恒電位實驗中，選擇還原電位進行實驗。由于電位選擇在負電位區(qū)進行，還可以避免抗壞血酸等可能共存物質(zhì)的干擾。

圖3　不同濃度的葡萄糖在GOx/PANI/GCE上的循環(huán)伏安曲線

3.3掃速的影響

在20mV/s-300mV/s掃速范圍內(nèi)，研究了電化學(xué)電流隨掃速的變化情況，結(jié)果表明，電化學(xué)電流與掃速間成正比變化關(guān)系，說明電極過程主要由表面吸附控制。

3.4溫度的影響

控制溫度分別為25℃、30℃、35℃、40℃、45℃和50℃，研究了溫度對該葡萄糖傳感器電化學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)隨溫度的逐步升高，葡萄糖電化學(xué)信號也逐漸增強。由于在高溫下酶容易失去活性，且溶液中的水蒸發(fā)速度過快，可能影響葡萄糖的準確濃度，因此本實驗選用溫度為40℃。

3.5pH的影響

在pH 6.4-8.0的范圍內(nèi)研究了pH值對電化學(xué)電流的影響。發(fā)現(xiàn)在pH 7.0時所得到的電化學(xué)電流最強，故本實驗pH值選擇7.0。

3.6恒電位的選擇

采用恒電位技術(shù)，得到了不同電位條件下的電流-時間曲線，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在-0.80V時，電流強度達到最大值。故選擇-0.80V作為葡萄糖的檢測電位。

3.7傳感器的響應(yīng)情況

用恒電位技術(shù)，在-0.80V電位條件下，研究了葡萄糖濃度與電化學(xué)電流間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)在5×10-4mol/L-2.25×10-3mol/L濃度范圍內(nèi)，葡萄糖的濃度與電流信號表現(xiàn)出良好的線性變化關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達到0.999。

3.8抗干擾實驗

研究了一些葡萄糖共存物，如半胱氨酸、抗壞血酸、尿酸等在修飾電極上的電化學(xué)響應(yīng)情況。發(fā)現(xiàn)上述物質(zhì)的存在對葡萄糖的測定基本無影響。

4　結(jié)論

在聚苯胺修飾層上進行了葡萄糖氧化酶的固載，制備了基于葡萄糖氧化酶的電化學(xué)傳感器。用電化學(xué)方法和紅外光譜對該傳感器進行了研究，發(fā)現(xiàn)葡萄糖氧化酶在修飾電極上很好的保持了生物活性。對影響傳感器響應(yīng)性能的各種因素進行了研究，在最佳實驗條件下，進行了葡萄糖的檢測，發(fā)現(xiàn)在0.5mM-2.25mM濃度范圍內(nèi)，電流信號與葡萄糖濃度間具有良好的線性關(guān)系。

參 考 文 獻

[1]周海暉，陳宏，寧曉輝，羅勝聯(lián)，魏萬之，曠亞非，鉑修飾超細纖維聚苯胺在葡萄糖生物傳感方面的應(yīng)用[J].分析化學(xué)研究簡報，2004,11:1445-1449

[2]陳文靜，屈建瑩，基于靜電吸附碳納米管和殼聚糖固定葡萄糖氧化酶的生物傳感器[J].分析化學(xué)研究簡報，2009,5:733-736

[3]馬國仙，仲慧，陸天虹，夏永姚，葡萄糖氧化酶在炭黑上的固定及直接點化學(xué)[J].物理化學(xué)學(xué)報，2007,23(7)：1053-1058

[4]丁收年，單丹，張靜，薛懷國，孫岳明，葡萄糖氧化酶在氧化鉍納米多晶膜中的固定劑生物傳感[J].東南大學(xué)學(xué)報，2010,40(6)：1327-1331

[5]向燦輝，孫志勇，謝青季，去甲腎上腺素聚合膜固定葡萄糖氧化酶用于葡萄糖傳感[J].四川師范大學(xué)學(xué)報，2010,33(3)：372-376

[6]J. Liu, M. Agarwal, K. Varahramyan, Glucose sensor based on organic thin film transistor using glucose oxidase and conducting polymer, Sensors and Actuators B: Chemical, 2008, 135 : 195-199

收稿日期：2016-12-10

作者簡介：趙宗明(1964-)，男，安徽省地礦局332地質(zhì)隊測試中心，巖礦分析專業(yè)，高級工程師，長期從事實驗測試工作。

中圖分類號：O652.9

文獻標識碼：A

文章編號：1672-9994(2016)01-0032-03

Study on Electrochemical Sensor Based on Glucose Oxidase/Polyaniline Modified Glassy Carbon Electrode

ZHAO Zong-ming

Abstract：A new amperometric glucose biosensor is developed by immobilizing glucose oxidase onto the surface of PNAI modified glassy carbon electrodes. The electrochemical signal of glucose was investigated. Several impact factors such as pH, temperature, and applied potential were studied. Under the optimal condition, the electrochemical signals changed linearly with the concentration of glucose in the range of 5×10-4-2.25×10-3mol/L with a correlation coefficient of R=0.999. The results revealed the prepared biosensor might be used in the detection of glucose.

Key words：polyaniline (PANI); modified electrode; glucose oxidase; biosensor