普鲁士蓝修饰电极结合硅溶胶!凝胶技术制备高灵敏葡萄糖传感器
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李" 彤" 姚子华 #
（ 河北大学化学与环境科学学院， 保定 #$%##& ） 摘" 要" 基于普鲁士蓝修饰玻碳电极结合二氧化硅溶胶!凝胶固定化酶技术构造具有 “ 三明治” 式结构的酶 电位为 电极。考察了酶电极对葡萄糖的电化学响应以及操作条件。结果表明： 所制备的传感器在 ’( )* + ， , #* #+- 条件下对葡萄糖在 # . + //01 2 3 呈线性响应， 响应时间为 %& 4， 检出限为 #* #& //01 2 3，灵敏度高达 %5 %6& !7（ 2 //01・3 , % ） 。传感器的稳定性好， 8+9 其响应值仍保持 :#; 。 关键词" 普鲁士蓝， 化学修饰电极， 葡萄糖传感器， 二氧化硅溶胶!凝胶
!" 结" " 论
QR 膜修饰电极与二氧化硅溶胶F凝胶固定技术 结合制备具有 “ 三明治” 结构的酶传感器， 充分利用 了 QR 膜对 $" S" 的高灵敏电催化和溶胶F凝胶固定 化酶稳定的优点， 表现出优良的性能。特别是其对 葡萄糖检测的高灵敏性和电极的稳定性， 使得这种 方法具有很好的应用前景。
的高灵敏的电催化与二氧化硅溶胶!凝胶固定化酶结合， 并采用 “ 三明治” 式结构制备酶电极， 即玻碳电 极上修饰 => 膜后， 涂上酶层， 再引入一层二氧化硅溶胶!凝胶膜。制得的葡萄糖传感器具有很高的灵敏 度、 快速的响应和好的稳定性。
#" 实验部分
# * !" 仪器与试剂 3@:6>" 微机电化学分析系统 （ 天津兰力科化学电子高技术有限公司） ， 研究电极采用 ! < // 的 玻碳平板电极， 对电极为铂丝电极， 参比电极为 7A 2 7AB1 （ 饱和 @B1 溶液） 电极。葡萄糖氧化酶 （ A1CD04E 0FG9H4E， I?J， K* B%* %* <* 8 ，&<8 ， :## CLGM4 2 A， 美国 NGA/H 公司） ， （ O） !葡萄糖 （ 北京瀛海精细化工 #!J 厂） ； 四甲氧基硅烷 （ P :6; ， QR?N， 武汉大学有机硅新材料股份有限公司） ； 溴代十六烷 基 三 甲 胺 （ BQ$7> ， 北京化工厂） 。其它试剂均为分析纯。所用水为二次蒸馏水。 # * #" 二氧化硅溶胶!凝胶的制备 将 % /3 甲醇， #* % /3 QR?N， #* #+ /3 + S %# , < /01 2 3 TH?(， #* #+ /3 <; BQ$7> 甲醇溶液， 及 #* < 超声振荡 %# /GL， 使用前现配制。QR?N 与水用量的比例控制着膜的渗透性， 甲醇用量影响 /3 水混合， 膜的厚度。加入 BQ$7> 是为了防止成膜时发生脆裂。 # * $" 修饰电极的制备 #% $% !" &’ 膜修饰玻碳电极 （ &’ ( )*+） 的制备" => 2 IBK 的制备见文献 ［%］ 。将处理干净的玻碳电极 &* + S %# , < /01 2 3 @［ （ BT） #* % /01 2 3 (B1 和 #* % /01 2 3 插入新配制的含 &* + S %# , < /01 2 3 UEB1< 、 < UE ) ］、 @B1 的溶液中， 在恒电位 #* 8 - 下电沉积 &# 4， 即可制得 => 膜修饰电极。将制得的电极置于含 #* %
工作电位在 () * - 0 1 () * - 之间酶电极对葡萄糖都有较灵敏的响应。从干扰性实验的结果看， 在 1 () (, - 时抗坏血酸 （ -E） 等电活性物质的干扰很小， 故选择此电位作为工作电位。 考察葡萄糖传感器在 N& ,) , 0 P) ( 范围内对 * !!"# $ % 葡萄糖的响应 （ 见图 5 ） ， 酶电极适用的 N& 值较宽。但在实验中发现， 在 N& 值较高时， 背景电流和噪音都有所增大。又考虑到 :; 的长期稳定性， 故 :;B 的 N& 值以 @) , 为宜。 在 *,2 0 ,,2 的温度范围内比较了酶电极对葡萄糖的响应情况 （ 见图 / ） 。随温度升高至 A(2 时 响应电流达到最大值； 温度继续升高， 响应值逐渐下降。这是由于固定于电极上的酶变性而造成的。显 然固定化酶的适用温度的范围比自由酶的 （ 789 的适用温度为 5( 0 5,2 ）要宽， 其原因可能是溶胶?凝 胶的微环境增加了酶的热稳定性。为便于操作， 本实验选用 5,2 为操作温度。 " ) .# 葡萄糖传感器的响应性能 该酶电极对葡萄糖的响应很快 （ 见图 A ） ， 在 *5 . 内可达 A( . 响应值的 Q,R 。对葡萄糖的校准曲线 见图 A ， 线性范围为 ( 0 , !!"# $ %，经线性拟合得线性方程为 （ " !S）O () (*Q/ T *) *P*P # （ !!"# $ %） ，$ O (U QQQ/ 。信噪比为 / 时检出限为 () (5 !!"# $ %。玻碳电极 ! / !!， 灵敏度高达*) *P5 !S （ $ !!"# $ %） ， ［ /， A］ 。重现性实验结果表明， 所制备的 , 支电极对 * !!"# $ % 的葡 远高于一些 :; 体系的葡萄糖传感器
第" 期
李! 彤等： 普鲁士蓝修饰电极结合硅溶胶F凝胶技术制备高灵敏葡萄糖传感器
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! 图 "! #$ 值对传感器响应的影响 %&’( "! )**+,- .* /.01-&.2 #$ .2 -3+ 4&./+2/.5
条件 （ ,.26&-&.2/） ： "78 ， ! 9 : ;( ;7 <。
! 图 =! 温度对传感器响应的影响 %&’( =! )**+,- .* -+>#+5?-15+ .2 -3+ /+2/.5 5+/#.2/+
条件 （ ,.26&-&.2/） ： #$ @( 7 ，) 9 : ;( ;7<。
萄糖响应的 JKL 为 M( "N 。由于使 用 低 的 工 作 电 位， 使得传感器具有较高的选择性。在 O >>.0 B C 的 葡萄糖溶液中测得稳定的电流后， 再加入 ;( O >>.0 B C <,， 响应电流值仅改变 "N 。其它糖类如果糖、 蔗 糖、 麦芽糖、 乳糖等对其无干扰。每天用同一支酶电 极对 ;( 7 >>.0 B C 的葡萄糖溶液测定， 不用时电极保 存于 A8 冰箱中， A7 6 其响应电流仍保留 P;N 。
"# 结果与讨论
" ) /# 葡萄糖传感器的电化学响应及检测机理 在没有 &5 85 存在下呈现出 由图 * 看出， 所制备的 B=85 $ 789 $ :; $ 7’< 具有良好的电化学可逆性， 还原电流明显增大， 说明 &5 85 在电极上 时氧化峰减小， 原反应， 这是由于 :; 在电极上对 &5 85 电化学还原有良好的催化作用。当测定葡萄糖时， 溶液中的葡 检测 &5 85 在电极上的催化 萄糖向电极表面扩散， 在 789 的催化下与氧气反应产生葡萄糖酸和 &5 85 ， 还原电流， 达到测定葡萄糖的目的。 " ) !# 葡萄糖传感器上酶的固定方法及酶的用量 使用不同的固定化材料和方法对酶传感器的灵 敏度及稳定性影响很大。实验采用二氧化硅溶胶?凝 胶固定化酶制备酶电极， 这种 “ 三明治” 式的酶电极 的优点是酶的使用量小， 而且酶层与 :; 膜的紧密接 外 触可保证 :; 膜对 &5 85 的高灵敏的电催化作用， 层凝胶膜既保证酶不泄漏， 又保证适当的渗透性使 底物容易进入。因而使得传感器具有很高的灵敏度 和好的稳定性。 电极上酶的固定量对传感器的灵敏度及线性范 围有一定的影响。研究发现， 固定的酶量越大， 灵敏 度有增大的趋势， 但线性范围有所减小。综合考虑， 电极上酶的用量为 5( !6。 " ) "# 葡萄糖传感器工作条件的优化
&##<!#<!&# 收稿； &##<!#:!#& 接受
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分析化学
第 /5 卷
!"# $ % &’# 和 () * !"# $ % +’# 溶液中， 以 () (, - $ . 扫描速度在 () /, - 0 1 () (, - 之间扫描至稳定， 电极 在 *((2 下烘干 * 3 备用。 的制备 4 取 5 !% *( 6 $ % 789 溶液滴于 :; $ 7’< 上，晾干 /( ! ) " ) !# 酶电极 （ $%&! ’ (&) ’ *+ ’ (,- ） !=>。将 5) 5 方法制备的二氧化硅溶胶?凝胶 @ !% 滴于修饰有 789 的 :; $ 7’< 上， 放置 *( !=> 挥干成 膜， 制得酶电极。将其置于 A2 冰箱中保存， 5A 3 后使用。 ! ) .# 实验方法 将 B=85 $ 789 $ :; $ 7’< 置于含 *( !% 磷酸盐缓冲溶液的电解池中， 采用三电极体系， 在恒温、 恒电 位下， 用磁力搅拌器搅拌， 待背景电流稳定后注入葡萄糖溶液， 记录酶电极对葡萄糖的安培响应。
!" 引" " 言
普鲁士蓝 （ => ） 膜修饰电极具有优良的电化学可逆性、 极高的稳定性及电催化性能。它对 (& ?& 的
［ %］ ［ &］ 高灵敏的电催化作用在生物电化学领域也受到关注 ， 被称为 “ 人工过氧化物酶” 。电流型氧化酶传
（ 河北大学化学与环境科学学院， 保定 #$%##& ） 摘" 要" 基于普鲁士蓝修饰玻碳电极结合二氧化硅溶胶!凝胶固定化酶技术构造具有 “ 三明治” 式结构的酶 电位为 电极。考察了酶电极对葡萄糖的电化学响应以及操作条件。结果表明： 所制备的传感器在 ’( )* + ， , #* #+- 条件下对葡萄糖在 # . + //01 2 3 呈线性响应， 响应时间为 %& 4， 检出限为 #* #& //01 2 3，灵敏度高达 %5 %6& !7（ 2 //01・3 , % ） 。传感器的稳定性好， 8+9 其响应值仍保持 :#; 。 关键词" 普鲁士蓝， 化学修饰电极， 葡萄糖传感器， 二氧化硅溶胶!凝胶
!" 结" " 论
QR 膜修饰电极与二氧化硅溶胶F凝胶固定技术 结合制备具有 “ 三明治” 结构的酶传感器， 充分利用 了 QR 膜对 $" S" 的高灵敏电催化和溶胶F凝胶固定 化酶稳定的优点， 表现出优良的性能。特别是其对 葡萄糖检测的高灵敏性和电极的稳定性， 使得这种 方法具有很好的应用前景。
的高灵敏的电催化与二氧化硅溶胶!凝胶固定化酶结合， 并采用 “ 三明治” 式结构制备酶电极， 即玻碳电 极上修饰 => 膜后， 涂上酶层， 再引入一层二氧化硅溶胶!凝胶膜。制得的葡萄糖传感器具有很高的灵敏 度、 快速的响应和好的稳定性。
#" 实验部分
# * !" 仪器与试剂 3@:6>" 微机电化学分析系统 （ 天津兰力科化学电子高技术有限公司） ， 研究电极采用 ! < // 的 玻碳平板电极， 对电极为铂丝电极， 参比电极为 7A 2 7AB1 （ 饱和 @B1 溶液） 电极。葡萄糖氧化酶 （ A1CD04E 0FG9H4E， I?J， K* B%* %* <* 8 ，&<8 ， :## CLGM4 2 A， 美国 NGA/H 公司） ， （ O） !葡萄糖 （ 北京瀛海精细化工 #!J 厂） ； 四甲氧基硅烷 （ P :6; ， QR?N， 武汉大学有机硅新材料股份有限公司） ； 溴代十六烷 基 三 甲 胺 （ BQ$7> ， 北京化工厂） 。其它试剂均为分析纯。所用水为二次蒸馏水。 # * #" 二氧化硅溶胶!凝胶的制备 将 % /3 甲醇， #* % /3 QR?N， #* #+ /3 + S %# , < /01 2 3 TH?(， #* #+ /3 <; BQ$7> 甲醇溶液， 及 #* < 超声振荡 %# /GL， 使用前现配制。QR?N 与水用量的比例控制着膜的渗透性， 甲醇用量影响 /3 水混合， 膜的厚度。加入 BQ$7> 是为了防止成膜时发生脆裂。 # * $" 修饰电极的制备 #% $% !" &’ 膜修饰玻碳电极 （ &’ ( )*+） 的制备" => 2 IBK 的制备见文献 ［%］ 。将处理干净的玻碳电极 &* + S %# , < /01 2 3 @［ （ BT） #* % /01 2 3 (B1 和 #* % /01 2 3 插入新配制的含 &* + S %# , < /01 2 3 UEB1< 、 < UE ) ］、 @B1 的溶液中， 在恒电位 #* 8 - 下电沉积 &# 4， 即可制得 => 膜修饰电极。将制得的电极置于含 #* %
工作电位在 () * - 0 1 () * - 之间酶电极对葡萄糖都有较灵敏的响应。从干扰性实验的结果看， 在 1 () (, - 时抗坏血酸 （ -E） 等电活性物质的干扰很小， 故选择此电位作为工作电位。 考察葡萄糖传感器在 N& ,) , 0 P) ( 范围内对 * !!"# $ % 葡萄糖的响应 （ 见图 5 ） ， 酶电极适用的 N& 值较宽。但在实验中发现， 在 N& 值较高时， 背景电流和噪音都有所增大。又考虑到 :; 的长期稳定性， 故 :;B 的 N& 值以 @) , 为宜。 在 *,2 0 ,,2 的温度范围内比较了酶电极对葡萄糖的响应情况 （ 见图 / ） 。随温度升高至 A(2 时 响应电流达到最大值； 温度继续升高， 响应值逐渐下降。这是由于固定于电极上的酶变性而造成的。显 然固定化酶的适用温度的范围比自由酶的 （ 789 的适用温度为 5( 0 5,2 ）要宽， 其原因可能是溶胶?凝 胶的微环境增加了酶的热稳定性。为便于操作， 本实验选用 5,2 为操作温度。 " ) .# 葡萄糖传感器的响应性能 该酶电极对葡萄糖的响应很快 （ 见图 A ） ， 在 *5 . 内可达 A( . 响应值的 Q,R 。对葡萄糖的校准曲线 见图 A ， 线性范围为 ( 0 , !!"# $ %，经线性拟合得线性方程为 （ " !S）O () (*Q/ T *) *P*P # （ !!"# $ %） ，$ O (U QQQ/ 。信噪比为 / 时检出限为 () (5 !!"# $ %。玻碳电极 ! / !!， 灵敏度高达*) *P5 !S （ $ !!"# $ %） ， ［ /， A］ 。重现性实验结果表明， 所制备的 , 支电极对 * !!"# $ % 的葡 远高于一些 :; 体系的葡萄糖传感器
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李! 彤等： 普鲁士蓝修饰电极结合硅溶胶F凝胶技术制备高灵敏葡萄糖传感器
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! 图 "! #$ 值对传感器响应的影响 %&’( "! )**+,- .* /.01-&.2 #$ .2 -3+ 4&./+2/.5
条件 （ ,.26&-&.2/） ： "78 ， ! 9 : ;( ;7 <。
! 图 =! 温度对传感器响应的影响 %&’( =! )**+,- .* -+>#+5?-15+ .2 -3+ /+2/.5 5+/#.2/+
条件 （ ,.26&-&.2/） ： #$ @( 7 ，) 9 : ;( ;7<。
萄糖响应的 JKL 为 M( "N 。由于使 用 低 的 工 作 电 位， 使得传感器具有较高的选择性。在 O >>.0 B C 的 葡萄糖溶液中测得稳定的电流后， 再加入 ;( O >>.0 B C <,， 响应电流值仅改变 "N 。其它糖类如果糖、 蔗 糖、 麦芽糖、 乳糖等对其无干扰。每天用同一支酶电 极对 ;( 7 >>.0 B C 的葡萄糖溶液测定， 不用时电极保 存于 A8 冰箱中， A7 6 其响应电流仍保留 P;N 。
"# 结果与讨论
" ) /# 葡萄糖传感器的电化学响应及检测机理 在没有 &5 85 存在下呈现出 由图 * 看出， 所制备的 B=85 $ 789 $ :; $ 7’< 具有良好的电化学可逆性， 还原电流明显增大， 说明 &5 85 在电极上 时氧化峰减小， 原反应， 这是由于 :; 在电极上对 &5 85 电化学还原有良好的催化作用。当测定葡萄糖时， 溶液中的葡 检测 &5 85 在电极上的催化 萄糖向电极表面扩散， 在 789 的催化下与氧气反应产生葡萄糖酸和 &5 85 ， 还原电流， 达到测定葡萄糖的目的。 " ) !# 葡萄糖传感器上酶的固定方法及酶的用量 使用不同的固定化材料和方法对酶传感器的灵 敏度及稳定性影响很大。实验采用二氧化硅溶胶?凝 胶固定化酶制备酶电极， 这种 “ 三明治” 式的酶电极 的优点是酶的使用量小， 而且酶层与 :; 膜的紧密接 外 触可保证 :; 膜对 &5 85 的高灵敏的电催化作用， 层凝胶膜既保证酶不泄漏， 又保证适当的渗透性使 底物容易进入。因而使得传感器具有很高的灵敏度 和好的稳定性。 电极上酶的固定量对传感器的灵敏度及线性范 围有一定的影响。研究发现， 固定的酶量越大， 灵敏 度有增大的趋势， 但线性范围有所减小。综合考虑， 电极上酶的用量为 5( !6。 " ) "# 葡萄糖传感器工作条件的优化
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分析化学
第 /5 卷
!"# $ % &’# 和 () * !"# $ % +’# 溶液中， 以 () (, - $ . 扫描速度在 () /, - 0 1 () (, - 之间扫描至稳定， 电极 在 *((2 下烘干 * 3 备用。 的制备 4 取 5 !% *( 6 $ % 789 溶液滴于 :; $ 7’< 上，晾干 /( ! ) " ) !# 酶电极 （ $%&! ’ (&) ’ *+ ’ (,- ） !=>。将 5) 5 方法制备的二氧化硅溶胶?凝胶 @ !% 滴于修饰有 789 的 :; $ 7’< 上， 放置 *( !=> 挥干成 膜， 制得酶电极。将其置于 A2 冰箱中保存， 5A 3 后使用。 ! ) .# 实验方法 将 B=85 $ 789 $ :; $ 7’< 置于含 *( !% 磷酸盐缓冲溶液的电解池中， 采用三电极体系， 在恒温、 恒电 位下， 用磁力搅拌器搅拌， 待背景电流稳定后注入葡萄糖溶液， 记录酶电极对葡萄糖的安培响应。
!" 引" " 言
普鲁士蓝 （ => ） 膜修饰电极具有优良的电化学可逆性、 极高的稳定性及电催化性能。它对 (& ?& 的
［ %］ ［ &］ 高灵敏的电催化作用在生物电化学领域也受到关注 ， 被称为 “ 人工过氧化物酶” 。电流型氧化酶传
