TiO2納米管陣列孔徑調控葡萄糖氧化酶生物傳感器性能

饒超，董依慧，莊偉，鄔新兵，洪啟亮，劉暢，陸小華

?

TiO2納米管陣列孔徑調控葡萄糖氧化酶生物傳感器性能

饒超1，董依慧1，莊偉2，鄔新兵1，洪啟亮1，劉暢1，陸小華1

（1南京工業大學材料化學工程國家重點實驗室，江蘇南京 210009；2南京工業大學國家生化工程技術研究中心，江蘇南京 211816）

采用電化學陽極氧化法制備出不同孔徑（21、62、83、102 nm）的TiO2納米管陣列（TNA），研究了孔徑對固定化葡萄糖氧化酶（GOx）的傳感器性能的影響。循環伏安測試結果表明固定在不同孔徑大小的TNA上的GOx在葡萄糖溶液中均具有良好的酶活性。計時電流法和交流阻抗法測試發現，當孔徑是83 nm時，靈敏度達到最大值27.2 μA·(mmol·L-1)-1·cm-2。調控TNA的孔徑可改變固定化GOx的活性及溶液擴散阻抗，從而顯著提高生物傳感器性能。

葡萄糖氧化酶；TiO2納米管陣列；孔徑；擴散阻抗；電化學；生物傳感器；制備；生物過程

引 言

電化學葡萄糖生物傳感器作為一種新型檢測方法，具有靈敏度高、分析速率快、復雜環境中連續檢測等優點，在食品分析、水質監測及臨床檢測等領域有重要用途[1-3]。商業化的葡萄糖生物傳感器包括單獨的電極、葡萄糖氧化酶（GOx），但每次檢測都要更換酶，因而成本太高。自從1962年Clark等[4]提出將酶固定在電極上構成酶電極的思路以來，文獻廣泛報道了各種電極材料固定化葡萄糖氧化酶的傳感器效果[5-6]，包括碳納米管[7]、石墨烯[8-9]和氧化鈦等，而氧化鈦由于無毒、廉價、穩定的物理化學性質和優良的生物相容性被廣泛研究用于制備酶電極[10-12]。電化學陽極氧化法制備的TiO2納米管陣列更是具有比表面積大、孔道高度規整、孔徑范圍可調等優點，在酶電極領域受到廣泛重視[13]。

目前，提高氧化鈦的生物傳感器性能包括提高電子傳導能力，通常對材料表面進行化學改性，如碳化改性[14-15]、石墨烯改性[16-18]以及貴金屬負載[14,16]等，但表面化學改性過程復雜、成本高和生物相容性低，而且改善效果不如人意。Kang等[19]將20 nm左右的PtAu納米粒子沉積在TiO2納米管上制備了葡萄糖傳感器，其線性范圍為0～1.8 mmol·L-1，靈敏度為0.08 μA·(mmol·L-1)-1·cm-2。Feng等[20]在TiO2納米管中負載Ag納米粒子，制備的葡萄糖傳感器線性范圍為0.1～4 nmol·L-1，靈敏度為 0.39 μA·(mmol·L-1)-1·cm-2。而物理形貌調控酶活性及擴散阻抗方向卻鮮有報道。前期研究結果發現溶液擴散阻抗與基底材料的孔徑有關，孔徑越大，孔擴散系數越大[21-23]，擴散阻抗相應地越小。另外，在納米受限情況下，固定化GOx的二級結構可能會因受到電極材料的納米形貌（孔徑）影響而發生改變，從而影響GOx的活性[24-26]。綜上所述，適當地改變孔徑不僅可以提供良好的酶固定化場所，保留酶活性，并且可以降低溶液擴散阻抗，從而提高傳感器性能，并且不會影響TiO2的生物相容性。

本課題組以鈦酸鹽為前體，采用固相分離法制備出高比表面積的介孔TiO2材料。其中An等[27]采用原子力顯微鏡研究發現材料的納米形貌對BSA與界面之間的微觀作用力影響很大；董依慧等[28]使用高效液相色譜發現蛋白質的吸附行為與基底材料的納米形貌有關；紀拓等[29]研究發現蛋白質的吸附行為與復合材料的納米形貌相關；鄔新兵等[12]研究發現介孔TiO2是良好的電化學葡萄糖傳感器材料，并發現這種材料的納米結構能很好地保留GOx活性。綜合課題組基礎，蛋白質的吸附與活性受載體納米結構影響很大。因此，基于前述問題和課題組基礎，本研究以乙二醇為溶劑、氟化銨為腐蝕劑，通過控制陽極氧化外加電壓制備出不同孔徑TiO2納米管陣列，采用物理吸附法固定化GOx制備出GOx/TNA傳感電極，系統地考察因孔徑引起的GOx催化活性和擴散阻抗的改變及其機理分析，以及最終對葡萄糖傳感器電極靈敏度的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑

金屬鈦片（0.25 mm），99.7%，SIGMA-ALDRICH；氟化銨（NH4F），ACS，98%；乙二醇（C2H6O2），AR，上海試四赫維化學有限公司；無水乙醇（C2H6O），AR，上海凌峰化學試劑有限公司；葡萄糖氧化酶（GOx），G2133-10KU，Type Ⅶ，192 unit·mg-1；磷酸二氫鈉（NaH2PO4），AR，西隴化工股份有限公司；磷酸氫二鈉（Na2HPO4·12H2O），AR，上海凌峰化學試劑有限公司；鐵氰化鉀[K3Fe(CN)6]，AR，上海凌峰化學試劑有限公司；亞鐵氰化鉀[K4Fe(CN)6·3H2O]，AR，上海凌峰化學試劑有限公司；去離子水，自制。

1.2 TiO2納米管陣列的制備

金屬鈦片裁剪成1.0 cm×2.5 cm，在去離子水和無水乙醇中各超聲清洗10 min，重復3次后，常溫下用氮氣吹干。電解液采用乙二醇作溶劑、0.4%的氟化銨作為腐蝕劑，并含有1%的去離子水。電解池中盛放50 ml電解液，預處理的鈦片作陽極，鈦片浸入面積是1.0 cm×1.8 cm，鉑片作陰極，兩電極平整對齊。采用變電壓法，先在5 V電壓下反應12 h，再分別在10、20、30、40 V電壓下反應12 h，得到TiO2納米管陣列，分別記作TNA-10、TNA-20、TNA-30、TNA-40。將制備得到的TiO2納米管陣列放入去離子水中超聲清洗10 min去除表面覆蓋層，得到表面均勻無遮蓋的TiO2納米管陣列。最后將制備好的材料高溫燒結，處理過程為：以2℃·min-1的速率升溫至500℃，保溫2 h，然后自然降溫至60℃，取出，保存在干燥環境下。

1.3 TiO2納米管陣列的組成和結構表征

采用法國Horiba Jobin Yvon公司的HR 800型拉曼光譜儀(Raman)分析TiO2材料表面組成信息，He-Cd激光，激光波長514 nm，激光功率20 mW，掃描范圍100～1800 cm；材料表面及斷面形貌采用日立公司的Hitachi S-4800型場發射電鏡（FESEM）觀察，放大倍數1 k～100 k，加速電壓10 kV。

1.4 TiO2納米管陣列傳感電極的制備

（1）電極的制備：TiO2納米管陣列使用銀膠連接銀線，在150℃下烘干固化30 min，得到TiO2納米管陣列電極。

（2）GOx溶液的配制：先采用NaH2PO4及Na2HPO4·12H2O配制pH7.0的0.1 mol·L-1磷酸緩沖液，然后用該磷酸緩沖液作為溶劑，配制5 mg·ml-1GOx溶液。

（3）傳感電極的制備：4℃下將制備好的電極浸入GOx溶液中，24 h后將電極取出，使用去離子水沖洗，4℃下冷凍干燥保存。將對應的傳感電極分別命名為電極GOx/TNA-10、電極GOx/TNA-20、電極GOx/TNA-30、電極GOx/TNA-40。

1.5 電化學測試

在25℃下，使用電化學工作站（Autolab 302N，瑞士萬通）進行電化學性能測試，采用標準的三電極體系。經GOx修飾的TiO2納米管陣列電極作為工作電極，電極面積為1.8 cm2；Pt片電極作為對電極；Ag/AgCl 電極（飽和KCl溶液）為參比電極。采用循環伏安法（氮氣飽和氣氛及空氣飽和氣氛下）、計時電流法和交流阻抗法進行葡萄糖傳感器性能測試。

2 結果與討論

2.1 TiO2納米管陣列的Raman表征

Raman光譜分析是通過入射激光的非彈性衍射檢測物質內的化學鍵，可以給出全面的表面性質，在表面具有比XRD更高的靈敏度，可以檢測出微量物質。圖1是TNA-10、TNA-20、TNA-30、TNA-40的Raman譜圖，樣品的峰位置在145、197、395、515、638 cm-1，分別與銳鈦礦相g、g、1g、1g/1g、g對應[27]，因此TiO2納米管陣列的晶型是銳鈦礦。銳鈦礦具有良好的電子傳輸性能，是電化學傳感器的良好使用材料[30]。

圖1 TiO2納米管陣列的Raman譜圖

2.2 TiO2納米管陣列的FESEM表征

采用FESEM對TiO2納米管陣列進行微觀形貌表征，包括納米管陣列的垂面結構及斷面結構。圖2(a)、(c)、(e)、(g)分別是TNA-10、TNA-20、TNA-30、TNA-40的垂面結構的FESEM圖，所對應的孔徑大小分別是21、62、83、102 nm，并且從TNA平面可以看出納米管孔均勻分布，而且是高度規整的圓孔。圖2(b)、(d)、(f)、(h)分別是TNA-10、TNA-20、TNA-30、TNA-40的斷面結構的FESEM圖，可以看出TNA-10、TNA-20、TNA-30、TNA-40的斷面呈規整有序的圓柱形孔結構，并且管與管之間緊密相連。圖中具有規整垂面結構和斷面結構的TNA適合GOx的固定化[13]。

圖2 TiO2納米管陣列的FESEM圖像

2.3 電化學測試

2.3.1 循環伏安法 采用循環伏安法研究固定化GOx的活性信息。循環伏安法可以有效地給出電極表面發生的氧化還原反應信息，電極表面發生了氧化還原反應在特定的電壓下會有氧化還原特征峰。圖3是電極GOx/TNA-10、GOx/TNA-20、GOx/TNA-30、GOx/TNA-40的循環伏安曲線，測試條件是飽和氮氣氣氛下，pH7.0，0.1 mol·L-1PBS緩沖液，掃描速率為10 mV·s-1，葡萄糖濃度分別是2、4、6、8、10、20 mmol·L-1。可以看出電極GOx/TNA-10、GOx/TNA-20、GOx/TNA-30、GOx/TNA-40在不同濃度的葡萄糖環境下，循環伏安曲線平滑，分別有一個很強的氧化峰和還原峰，氧化峰的位置在-0.32 V左右，還原峰的位置在-0.36 V左右，結果表明在葡萄糖溶液中電極表面發生了氧化還原反應。這是因為，在溫度為25℃、pH7.0 PBS緩沖液條件下，葡萄糖氧化酶的活性中心黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)通過接受電子及釋放電子發生如式（1）和式（2）[13]所示的氧化還原反應，說明固定在TiO2納米管陣列上的GOx保留了很好的生物酶活性。

圖3 飽和氮氣氣氛、不同葡萄糖濃度下GOx/TNA循環伏安曲線

為了更進一步測試GOx/TNA電極的傳感性能，在室溫25℃，飽和空氣氣氛下，pH7.0，0.1 mol·L-1PBS緩沖液，做葡萄糖濃度分別是2、4、6、8、10、20 mmol·L-1的循環伏安法測試，循環伏安曲線如圖4所示。與飽和氮氣的循環伏安曲線相比，同樣也出現了一對明顯的氧化峰和還原峰，氧化峰位置在-0.32 V，還原峰位置在-0.38 V。但是相比于飽和氮氣的條件下，飽和空氣的循環伏安曲線峰電流明顯增大，這是因為緩沖液中的溶解氧發生了如下反應[13]

圖4 飽和空氣氣氛、不同葡萄糖濃度下GOx/TNA循環伏安曲線

從飽和空氣和飽和氮氣下的循環伏安曲線可以看出，電極GOx/TNA-10、GOx/TNA-20、GOx/TNA-30、GOx/TNA-40都發生了氧化還原反應，從而可知固定化的GOx表現出良好的酶催化活性。

2.3.2 計時電流法 在飽和空氣氣氛、氧化電位-0.32 V的條件下，通過計時電流評價GOx/TNA的葡萄糖傳感器靈敏度性能，如圖5所示。從圖5(b)、(d)、（f）、（h）可以看出，在0～0.6 mmol·L-1區間，響應電流隨葡萄糖溶液濃度呈線性變化。電極GOx/ TNA-10的線性化擬合方程是/μA·cm-22.89 μA·(mmol·L-1)-1·cm-2×/mmol·L-1(20.9923)，方程的斜率即是靈敏度2.89 μA·(mmol·L-1)-1·cm-2；電極GOx/TNA-20的線性化擬合方程是/μA·cm-215.3 μA·(mmol·L-1)-1·cm-2×/mmol·L-1(20.9880)，故其靈敏度是15.3 μA·(mmol·L-1)-1·cm-2；電極GOx/TNA-30的線性化擬合方程是/μA·cm-227.2 μA·(mmol·L-1)-1·cm-2×/mmol·L-1(20.9899)，因此靈敏度大小是27.2 μA·(mmol·L-1)-1·cm-2；電極GOx/TNA-40的線性化擬合方程是/μA·cm-217.2 μA·(mmol·L-1)-1·cm-2×/mmol·L-1(20.990)。從而可知，在孔徑變化范圍為20～102 nm范圍內靈敏度性能先增加后減少，其中在孔徑為83 nm時靈敏度達到最大值27.2 μA·(mmol·L-1)-1·cm-2。

在區間0～0.6 mmol·L-1后，每次增加葡萄 糖濃度，響應電流變化值逐漸減小，偏離線性。此階段稱為混合反應階段，表現出來的是非一級反應，可依據Lineweaver-Burk公式[13]計算米氏常 數

將混合反應階段葡萄糖濃度倒數及對應的電流倒數進行線性化擬合，繼而計算得到米氏常數。從表1可知電極GOx/TNA-10、GOx/TNA-20、GOx/TNA-30、GOx/TNA-40的米氏常數分別是1.44、0.833、0.687、0.928 mmol·L-1，這可能與基底的納米形貌相關，由于納米受限作用，酶的空間構型可能發生改變，進而改變固定化GOx的米氏常數[26]。在生物化學上，米氏常數越小，固定化的TNA的生物活性越好，與反應物的親和力越強，越有利于生物傳感器性能，由表1可知這4種孔徑的葡萄糖傳感器米氏常數均非常小，因此這些固定化的GOx都具有良好的生物活性[13]。

從化學反應工程角度看，電化學葡萄糖氧化酶傳感器發生如式（3）和式（4）的電極酶催化反應。在低葡萄糖濃度的情況下，即在線性化區間內，靈敏度與米氏常數關系如式（6）所示[30]。由式（6）可以看出，電極靈敏度與和這兩個變量有關，米氏常數越小則靈敏度越高，從表1可知GOx/TNA-30的米氏常數最小，因此葡萄糖傳感器靈敏度性能最高。另外，隨著孔徑的增加，反應物的擴散系數先增加，后增加速率減慢，最后與主體溶液中的擴散系數相同[21-22]，而與擴散系數相關，擴散系數越大則越大，越有利于葡萄糖傳感器靈敏度。

綜上，在米氏常數和擴散系數的共同作用下，電極GOx/TNA-30遠大于GOx/TNA-40、GOx/TNA-20和GOx/TNA-10。表1給出了實驗測定的靈敏度大小，從表中可知這個實驗結果與理論推導結果相符。

表1 米氏常數對葡萄糖傳感器靈敏度性能的影響

另外溶液擴散阻抗也是影響電化學葡萄糖傳感器的重要因素。從傳遞阻抗可知，電極反應要經過外擴散、內擴散過程，而葡萄糖傳感器反應的外擴散阻力通過攪拌去除，只剩下內擴散阻抗因素?？讖皆酱?，則溶液擴散系數越大，根據式（7）[31]可知擴散阻抗與擴散系數相關，擴散系數越大則擴散阻抗越小。圖6是電極的交流阻抗信息，交流阻抗譜反映出電子傳遞阻抗和溶液擴散阻抗，線性部分反映出的是溶液擴散阻抗[32-33]。圖中顯示，電極GOx/TNA-10、GOx/TNA-20、GOx/TNA-30、GOx/TNA-40的交流阻抗譜都是線性關系。通過圖6中的模擬電路估算出對應的擴散阻抗值，分別是1.608×10-3、1.124×10-3、1.093×10-3、6.21×10-4Ω·cm-2，擴散阻抗逐漸減小，而較小的阻抗有利于傳感器性能的提高，由表1可知孔徑為83 nm和102 nm的電極靈敏度都大于另外兩個小孔徑電極。

2.3.3 抗干擾測試 圖7是GOx/TNA葡萄糖傳感電極的抗干擾實驗結果，采用計時電流法測定，在PBS緩沖液中依次加入如下溶液：a—0.5 mmol·L-1葡萄糖溶液；b—0.5 mmol·L-1抗壞血酸溶液；c—0.5 mmol·L-1多巴胺溶液；d—0.5 mmol·L-1乙酸；e—0.5 mmol·L-1葡萄糖溶液。由圖7可知，GOx/TNA傳感電極對干擾物響應甚微，與加入葡萄糖溶液相比干擾信號均小于5%，說明這種電極具有很強的抗干擾性能。

圖7 干擾物對葡萄糖測定的影響

3 結 論

采用陽極氧化法，以乙二醇為溶劑、氟化銨為腐蝕劑，控制水質量分數在1%，制備出高結晶度、高度規整孔結構的TNA，通過調節陽極氧化電壓定向調控TNA的孔徑，通過調控GOx/TNA電極的孔徑調節溶液擴散阻抗和米氏常數的大小。研究發現，在孔徑為20～102 nm范圍內，當孔徑為83 nm時，電極的擴散阻抗相對較小，米氏常數達到最小0.687 mmol·L-1，因此葡萄糖傳感器靈敏度最高達到27.2 μA·(mmol·L-1)-1·cm-2。綜上所述，通過調節納米材料的孔徑可改變固定化酶的活性，從而顯著提高傳感器的靈敏度性能。

符 號 說 明

c——葡萄糖濃度，mmol·L-1 cs——反應物在界面上的濃度，mmol·L-1 Δc——主體溶液中每次增加的反應物濃度，0.1 mmol·L-1 Δcs——主體溶液反應物增加引起的界面上反應物濃度的變化量，mmol·L-1 D——反應物擴散系數，m2·s-1 F——法拉第常數，C·mol-1 IF——穩態電流，μA imax——飽和電流，μA iss——穩態電流，μA ——米氏常數，mmol·L-1 L——有效擴散層長度，m n——電極反應中電子轉移數 R——溶液擴散阻抗，Ω·m-2 Rt——極化電阻，Ω·m-2 rmax——固定化酶的最大反應速率，mol·g-1·s-1 S——葡萄糖傳感器靈敏度，μA·(mmol·L-1)-1·cm-2 γ——反應級數

References

[1] LEE K, MAZARE A, SCHMUKI P. One-dimensional titanium dioxide nanomaterials: nanotubes [J]. Chemical Reviews, 2014, 114 (19): 9385-9455.

[2] 何傳新, 袁安朋, 張黔玲, 等. 聚甲基丙烯酸甲酯-牛血清白蛋白核殼納米粒子在金表面的吸附過程及在傳感器中的應用 [J]. 物理化學學報, 2012, 28 (11): 2721-2728. HE C X, YUAN A P, ZHANG Q L,. Adsorption of core-shell poly(methyl methacrylate)-bovine serum albumin nanoparticles on gold surface and its sensor application [J]. Acta Phys. -Chim. Sin., 2012, 28 (11): 2721-2728.

[3] KOSCHWANEZ H E, REICHERT W M. Tuning the sol-gel microenvironment for acetylcholinesterase encapsulation [J]. Biomaterials, 2007, 28 (33): 6771-6779.

[4] CLARK J R, LYONS L C. Electrode systems for continuous monitoring in cardiovascular surgery [J]. Ann Ny Acad, 1962, 102 (1): 29-45.

[5] CHEN C, XIE Q, YANG D,. Recent advances in electrochemical glucose biosensors: a review [J]. RSC Adv., 2013, 3 (14): 4473-4491.

[6] BANKAR S B, BULE M V, SINGHAL R S,. Glucose oxidase—an overview [J]. Biotechnol. Adv., 2009, 27 (4): 489-501.

[7] LIU H, LU X B, LI J,. Direct electrochemistry of glucose oxidase and electrochemical biosensing of glucose on quantum dots/carbon nanotubes electrodes [J]. Biosensors and Bioelectronics, 2007, 22 (12): 3203-3209.

[8] ZHANG Q, WU S Y, ZHANG L,. Fabrication of polymeric ionic liquid/graphene nanocomposite for glucose oxidase immobilization and direct electrochemistry [J]. Biosensors and Bioelectronics, 2011, 26 (5): 2632–2637.

[9] 張謙, 吳抒遙, 何茂偉, 等. 磷脂修飾化的石墨烯納米復合物的制備及其直接電化學研究 [J]. 化學學報, 2012, 70: 388-394. ZHANG Q, WU S Y, HE M W,. Biocompatible phospholipid modified graphene nanocomposite for direct electrochemistry of redox enzyme [J]. Acta Chim. Sinica, 2014, 70 (3): 388-394.

[10] BAO S, LI C M, ZANG J,. New nanostructured TiO2for direct electrochemistry and glucose sensor applications [J]. Adv. Funct. Mater., 2008, 18 (4): 591-599.

[11] VITICOLI M, CURULLI A, CUSMA A,. Third-generation biosensors based on TiO2nanostructured films [J]. Materials Science & Engineering, C: Biomimetic and Supramolecular Systems, 2006, 26 (6): 947-951.

[12] 鄔新兵, 蒙萌, 莊偉, 等. 介孔TiO2固定化葡萄糖氧化酶的直接電化學性能 [J]. 化工學報, 2014, 65 (5): 1777-1783. WU X B, MENG M, ZHUANG W,. Direct electrochemistry of glucose oxidase immobilized on mesoporous TiO2[J]. CIESC Journal, 2014, 65 (5): 1777-1783.

[13] SI P, DING S J, YUAN J,. Hierarchically structured one-dimensional TiO2for protein immobilization, direct electrochemistryand mediator-free glucose sensing [J]. ACS Nano, 2011, 5 (9): 7617-7649.

[14] YE Y K, DING S, YE Y W,. Enzyme-based sensing of glucose using a glassy carbon electrode modified with a one-pot synthesized nanocomposite consisting of chitosan, reduced graphene oxide and gold nanoparticles [J]. Microchimica Acta, 2015, 182 (9/10): 1783-1789.

[15] DUNG N Q, PATIL D, DUONG T T,. An amperometric glucose biosensor based on a GOx-entrapped TiO2-SWCNT composite [J]. Sensors and Actuators B, 2012, 166 (10): 103-109.

[16] WANG W, XIE Y B, XIA C,. Titanium dioxide nanotube arrays modified with a nanocomposite of silver nanoparticles and reduced graphene oxide for electrochemical sensing [J]. Microchimica Acta, 2014, 181 (11/12): 1325-1331.

[17] HOSSEINI M, MOMENI M M. Gold particles supported on self-organized nanotubular TiO2matrix as highly active catalysts for electrochemical oxidation of glucose [J]. J. Solid State Electrochem., 2010, 14 (6): 1109-1115.

[18] YU Y Y, YANG Y, GU H,. Size-controllable preparation of palladium nanoparticles assembled on TiO2/graphene nanosheets and their electrocatalytic activity for glucose Biosensing [J]. Anal. Methods, 2013, 5 (24): 7049-7057.

[19] KANG Q, YANG L, CAI Q. An electro-catalytic biosensor fabricated with Pt-Au nanoparticle-decorated titania nanotube array [J]. Bioelectrochemistry, 2008, 74 (1): 62-65.

[20] FENG C, XU G, LIU H,. Glucose biosensors based on Ag nanoparticles modified TiO2nanotube arrays [J]. J. Solid State Electr., 2014, 18 (1): 163-171.

[21] PABLO E V, JONAS S, JORDI M. Aqueous electrolytes confined within functionalized silica nanopores [J]. J. Chem. Phys., 2011, 135 (10): 1-7.

[22] 胡凡, 鄭學仿, 李欽寧, 等. 圓柱形納米孔道內受限溶液I2/Ar的分子動力學模擬研究 [J]. 化學學報, 2008, 27 (21): 2321-2328. HU F, ZHENG X F, LI Q N,. Molecular dynamics simulations of I2/Ar solution confined in a cylindrical nanotube [J]. Acta Chimica Sinica, 2008, 27 (21): 2321-2328.

[23] 曹偉, 呂玲紅, 黃亮亮, 等. 不同管徑碳納米管中CO2/CH4分離的分子模擬 [J]. 化工學報, 2014, 65 (5): 1736-1743. CAO W, Lü L H, HUANG L L,. Molecular simulations on diameter effect of carbon nanotube for separation of CO2/CH4[J]. CIESC Journal, 2014, 65 (5): 1736-1743.

[24] PARK S, LEE H, LEE S Y. Effect of peptide conformation on TiO2biomineralization [J]. Dalton Trans., 2013, 42 (38): 13817-13820.

[25] KILLIAN M S, SCHMUKI P. Influence of bioactive linker molecules on protein adsorption [J]. Surf. Interface Anal., 2014, 46 (S1): 193-197.

[26] WANG W R, ZHU R R, XIAO R,. The electrostatic interactions between nano-TiO2and trypsin inhibit the enzyme activity and change the secondary structure of trypsin [J]. Biol. Trace Elem. Res., 2011, 142 (3): 435-446.

[27] AN R, ZHUANG W, YANG Z H,. Protein adsorptive behavior on mesoporous titanium dioxide determined by geometrical topography [J]. Chemical Engineering Science, 2014, 117: 146-155.

[28] 董依慧, 安蓉, 莊偉, 等. 介孔TiO2對不同蛋白的選擇性固定化性能 [J]. 化工學報, 2014, 65 (5): 1950-1959. DONG Y H, AN R, ZHUANG W,. Mesoporous TiO2with different selectivities of protein immobilization performance [J]. CIESC Journal, 2014, 65 (5): 1950-1959.

[29] 紀拓, 陳獻富, 季興宏, 等. Al2O3@TiO2復合生物載體的制備及其BSA吸附特性 [J]. 化工學報, 2014, 65 (5): 1920-1928. JI T, CHEN X F, JI X H,. Preparation of Al2O3@TiO2biological composite support and adsorption of bovine serum albumin [J]. CIESC Journal, 2014, 65 (5): 1920-1928.

[30] 李紹芬. 反應工程 [M]. 3版. 北京: 化學工業出版社, 2013: 248-263. LI S F. Reaction Engineering [M]. 3rd ed. Beijing: Chemical Industry Press, 2013: 248-263.

[31] 曹楚南, 張鑒清. 電化學阻抗譜導論 [M]. 北京: 科學出版社, 2002: 86-98. CAO C N, ZHANG J Q. An Introduction to Electrochemical Impedance Spectroscopy [M]. Beijing: Science Press, 2002: 86-98.

[32] ZHANG S X, WANG N, YU H J,. Covalent attachment of glucose oxidase to an Au electrode modified with gold nanoparticles for use as glucose biosensor [J]. Bioelectrochemistry, 2005, 67 (1): 15-22.

[33] 王豐, 府偉靈. 電化學阻抗譜在生物傳感器研究中的應用進展 [J]. 生物技術通信, 2007, 18 (3): 549-553. WANG F, FU W L. Application and advance of electrochemical impedance spectroscopy in the research of biosensors [J]. Letters in Biotechnology, 2007, 18 (3): 549-553.

Regulate properties of glucose oxidase biosensors through pore sizes of TiO2nanotube arrays

RAO Chao1, DONG Yihui1, ZHUANG Wei2, WU Xinbing1, HONG Qiliang1, LIU Chang1, LU Xiaohua1

(1State Key Laboratory of Materials-oriented Chemical Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 210009,Jiangsu, China;2National Engineering Technique Research Center for Biotechnology,Nanjing Tech University, Nanjing 211816,Jiangsu,China)

Highly ordered TiO2nanotube arrays (TNA) with controlled pore sizes in a series of 21, 62, 83 and 102 nm were synthesized using constant current oxidization method. Glucose oxidases (GOx) were immobilized on TNA by physical adsorption, and the GOx activities on TNA were investigated by cyclic voltammetry, chronoamperometry and electrochemical impedance spectroscopy. All immobilized GOx had good oxidizing activities in glucose solution and GOx on 83 nm-pore-sized TNA showed the best sensibility of 27.2 μA·(mmol·L-1)-1·cm-2, which was probably due to a combination effect of reduced diffusion resistance and small Michaelis constant of the immobilized GOx. The experimental results had demonstrated that controlling pore sizes of TNA could effectively tune sensitivity of glucose biosensors.

glucose oxidase; TiO2nanotube arrays; pore size; diffusion resistance; electrochemistry; biosensor; preparation; bioprocess

2016-02-19.

Prof. LIU Chang, changliu@njtech.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20160181

O 647.32；TB 383

A

0438—1157（2016）10—4324—10

國家重點基礎研究發展計劃項目（2013CB733501）；國家自然科學基金項目（21136004，21476106，21506090）；江蘇省自然科學基金項目（BK20130929）；江蘇高校優勢學科建設工程項目。

2016-02-19收到初稿，2016-05-06收到修改稿。

聯系人：劉暢。第一作者：饒超（1989—），男，碩士研究生。

supported by the National Basic Research Program of China (2013CB733501), the National Natural Science Foundation of China (21136004, 21476106, 21506090), the Natural Science Foundation of Jiangsu Province (BK20130929) and the Project of Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions (PAPD).