三维有序石墨烯掺杂纳米二氧化钛酶生物传感器.pdf

第30卷第2期
应用化学
Vol 30 ss. 2
2013年2月
CHINESE JOURNAL OF APPLIED CHEMISTRY
Feb.2013
三维有序石墨烯掺杂纳米二氧化钛酶生物传感器
安玲玲常颖萃杜江燕
(“南京师范大学化学与材料科学学院;江苏省生物功能材料重点实验室
江苏省新型动力电池重点实验室南京210046)
摘要采用模板法在氧化铟锡电极上制备了三维有序多孔结构的石墨烯掺杂纳米二氧化钛修饰电极,并
在此修饰电极上成功固定了过氧化氢酶,从而构建了一种新型的H102生物传感器。通过循环伏安、交流阻抗
及计时电流等方法研究了该修饰电极的电化学特性,实验结果表明,该修饰电极对H202有良好的电催化作
用,对H202的检测线性范围为3.0x10-6~3.6x10-3molL,检测限为4.2x10-molL(SN=3);且传感器
响应迅速、灵敏度高、重现性和稳定性好。
关键词过氧化気酶,石墨烯,纳米二氧化钛,生物传感器,电催化
中图分类号:0657.1
文献标识码:A
文章编号:1000518(2013)02-0171-07
DOI:10.3724/SP.J.1095.2013.20148
纳米技术的兴起为电化学生物传感器的研究开辟了一片新天地,其中纳米TO2材料因其具有较大
的比表面积、良好的生物兼容性和稳定性等优点,被广泛用于构建生物传感器及新能源的载体材料11。
石墨烯(CR)是目前已知的导电性能最出色的材料],其优异的导电性能和宏观隧道效应使其成为固
定化酶和电极之间有效的电子传导体。石墨烯掺杂纳米TO2材料用于生物传感器可以有效提高传感器
的保持及生物敏感膜的固定,因此,其在生物传感领域有广阔的应用前景に,9。
的灵敏度和响应电流,缩短响应时间。此外,石瞾烯具有良好的生物相容性,有利于生物大分子活性
过氧化氢是临床化学中的一种重要物质,是过氧化物酶的酶促反应中间产物,准确测定微量H2O2
对临床诊断、食品工业、生物检测和环境分析等具有重要意义?。测定H202,的方法有很多种,其中以酶
传感器法为基础的H2O2电化学生物传感器的研究领域近年来取得了较突出的进展。该类传感器
因其灵敏度高、选择性好,可进行快速、实时和在线分析检测,且具有仪器简单和成本低等优势,在药物
制备、食品检验和环境监测等领域得以广泛应用?。
近年来,有关石曌烯掺杂纳米TiO2材料用于生物传感器的研究,已引起人们越来越多的研究兴趣。
由于TO2-石墨烯纳米复合膜有良好的吸附性和导电性能,为生物分子的电化学反应提供了一个良好的
微环境。例如,Fan等?报道了纳米TiO2-石曌烯修饰电极提高了色氨酸和酪氨酸在修饰电极上的电催
化活性。此外,在TO2-石墨烯纳米复合膜上对腺嘌呤和鸟嘌呤的检测限分别为0.10和
5 mol/L?。 Huang等在胺功能化石烯-金纳米修饰电极上固定过氧化氢酶,制备的H2O2生物
传感器具有快速响应和高灵敏度等优点。
本课题组在制备的三维有序多孔结构的纳米TO2薄膜电极上,实现了辣根过氧化物酶、血红蛋白、
DNA等生物分子在电极表面的固定和直接电化学反应"]。在此基础上,本文采用石墨烯掺杂三维有
序纳米TO2,使复合材料具有规整有序的三维结构,有利于提高酶在电极表面的固载量,同时改善了
TiO2半导体材料作为电极材料的导电性,使传感器的导电性能得到明显改善,具有灵敏度高、响应时间
快和稳定性好等优点,从而构建了一种新型的H202生物传感器
2012-04-12收稿,2012-05-25修回
江苏高校优势学科建设工程资助项目(164320H106)
通讯联系人:杜江燕,教授;Tel:02585891651;Fax:025-85891767;E-mai:dujiangyan@njiu.ecdu.cn;研究方向:生物传感器
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应用化学
第30卷
1实验部分
1.1仪器和试剂
CH760C型电化学工作站(上海辰华仪器有限公司);JSM5610LV型扫描电子显微镜(日本电子公
司);H-7650型透射电子显微镜(日本 HITACHI公司)。
mTO玻璃(R<209/cm2,西安泰金工业电化学技术有限公司),实验时切割成60mmx10mmx
1.2mm;1%单分散聚苯乙烯(PS)微球(290±15)m,实验室自行制备);过氧化氢酶(EC1.11.1.6,
Sigma公司),用pHl=7.0的PBS溶液配制成10g/L的储备液;氧化石墨烯分散液(0.5g/L,南京先锋
纳米科技有限公司);实验中其它试剂均为分析纯,溶液均用二次水配制。
1.2酶电极的制备
mTO电极使用前用碱液(氢氧化钠和乙醇混合配制)浸泡20min,然后依次用异丙醇、乙醇、二次水
各超声30min,自然晾干。将处理好的mTO电极于室温下浸泡在0.2%(体积分数)PS微球乳液中48h
然后置烘箱中于95℃恒温2h,使PS微球在mTO电极上固化,得到PS微球模板。
纳米O2金溶胶按文献[16]方法制备。石墨烯通过水合胼还原氧化石墨烯的方法获得”。取
100L纳米TO2金溶胶,向其中加入25pL0.5g/L石墨烯分散液,超声30min,得到石墨烯-纳米TiO2
金溶胶(CR-Au-TO2)悬浊液。取5LGR-Au-TO2悬浊液,采用滴涂法将该悬浊液灌装到P微球模板
孔隙中。重复上述灌装过程3次,自然晾干。将制备好的电极置于500℃马福炉,恒温2h,去除模板中
的PS微球,在m0电极上得到三维有序多孔结构(3DO0M)的石墨烯掺杂纳米TO2,该电极以3 DOM GR
Au-TiO2/ITO表示。
将3 DOM GR-Au-TiO2/TO电极浸于10gL过氧化氢酶(Cat)溶液中,4℃下静置10h,取出电极以
二次水清洗3次,以除去非特异性吸附的Cat,4℃下晾干,得到Cat/3 DOM GR-Au-TO2/mO电极。制备
好的酶电极在使用前于4℃下储存。
上述酶电极制备过程如图1所示。
说经二8=3
③8a
Absorption
of Cat
PS template
PS template
3DOM GR-AU-TI0
Cat/3DOM
GR-AU-T1O
GR-AU-TIO /ITO
图1酶生物传感器制备过程示意图
Fig 1 Scheme for preparing the enzyme biosensor
制备未掺杂石墨烯的修饰电极,取5L纳米TO2金溶胶按照以上步骤灌装、高温去除PS微球、在
电极表面吸附固定Cat,得到未掺杂石墨烯的修饰电极,以Cat/3 DOM Au-TiO2/mO表示。
1.3电化学实验
电化学实验采用电化学工作站和传统的三电极体系,制备的酶电极为工作电极,饱和甘求电极
(SCE)为参比电极,铂丝电极为对电极,文中所述的电位均相对于SCE。进行循环伏安(CV)测量时,电
解液为0.1mol/LpH=7.0磷酸盐缓冲液(PBS)。交流阻抗(EIS)实验电解液为5.0x10molL
Fe(CN)る4-+0.1mol/LKCl溶液。实验前通入高纯N2气15min除O2,实验在N2气保护下进行。所
有实验温度均为25℃。
2结果与讨论
2.1修饰电极表面形貌表征
图2A为石墨烯的TEM图。薄层石墨烯自发卷曲堆积成石墨烯片,其表面出现了本征起伏导致的