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1、135纳米复合材料的制备及其在生物传感器和生物燃料电池中的应用第七章 基于聚合物膜保护的PB纳米粒子的生物传感器的研究普鲁士蓝（PB）作为六氰合金属配合物的典型代表常被用于电致变色、电化学、光物理以及磁性材料和分析化学等方面。由于其优越的电催化能力，PB常被用作安培型生物传感器的电子媒介体1-3，另一方面，有文献报道普鲁士蓝在中性及碱性溶液中很不稳定，所制备的电极甚至只有存放几个小时4，5，从而导致所制备的酶生物传感器的性能也不稳定。为了克服这些困难，文献上已经报道了很多提高PB稳定性的方法，如微乳液法6，聚合物保护法7，8，模板法9等。Zhang等人报道了在酸性溶液中合成PB纳米串的方法，所
2、制备的PB纳米粒子小于50 nm，由于具有很大的比表面，从而提高了PB 的稳定性10。Xia 等人报道了向H2O2和K3Fe(CN)6 溶液逐渐加入FeCl3的方法，所制备的PB 和碳纳米管之间表现出协同效应，提高了PB的稳定性11。近年来聚合物保护法制备PB也受到人们的关注，Kitagawa 等人报道了采用poly(diallydimethylammonium chloride) 作为保护膜制备了高分散的PB 纳米粒子12。Yakhmi等人也报道了采用聚苯胺保护的PB膜13，14。在所有的导电聚合物中，聚吡咯是最具吸引力的，因为它即使在中性条件也具有优越的导电性，良好的环境稳定性和很好的生物
3、相容性。Vidal等人报道了采用电沉积的方法制备PPY/PB复合膜，但至今还没人报道采用化学还原的方法制备PPYPB纳米粒子15。在本文中，首次用一种简单的方法制备了聚吡咯-普鲁士蓝复合材料。然后将多壁碳纳米管分散在这种掺杂纳米颗粒的溶液中。最终得到 PPYPB/MWNTs复合材料，通过利用CNTs与PB的协同效应制备了电化学传感器16，该复合材料表现良好的稳定性和电催化活性，用该材料制备的生物传感器也表现出良好的稳定性。第一节 实验药品、仪器及方法7.1.1 实验药品及仪器葡萄糖氧化酶(GOD,来源于Aspergillus niger; 300,000 unit g-1)购于Sanland公
4、司。多壁碳纳米管（MWNTs，95%，20-60 nm）购于深圳纳米港有限公司，使用前在120 C浓硝酸中回流24 小时，然后离心，用去离子水洗涤至中性，干燥备用。吡咯购于沈阳市联邦化学试剂厂，使用前减压蒸馏。D-葡萄糖（D-glucose）用去离子水配制，并在4C的冰箱里放置24小时后使用。0.1 M磷酸溶液(PBS, pH 6.5)是用Na2HPO4和NaH2PO4配制的，支持电解质为0.1 M PBS + 0.1 M KCl，实验前用高纯氮气除氧，实验过程中使用的其他试剂均用分析纯，所用水均为二次蒸馏水。循环伏安曲线（CV）和计时电流曲线是在电化学工作站（IM6e，Germany）上进行
5、的。实验中所用的三电极体系中，修饰过的直径为3 mm的玻碳电极(GC)为工作电极，NaCl饱和的Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝电极为对电极。旋转圆盘电极（BAS, America）在检测葡萄糖和过氧化氢时的转速为3000 rpm。所有的实验均在室温下进行。透射电镜图(TEM)是在透射电镜（JEM-2000EX，JEOL Co. Ltd, Japan)得到的。本文的红外光谱，是在德国BRUKER公司生产的Equinox 55型红外分光光度计上采集的。采用KBr压片法，取适量待测物的粉末与KBr晶体在研钵中混合并研磨成极细的粉末，然后压片。扫描范围为4000 cm-1-400 cm-1。7.1
6、.2 PPYPB复合材料的制备聚吡咯/普鲁士蓝（PPYPB）复合材料的制备过程如下：配制0.1 M吡咯+0.1 M HCl 溶液50 mL，向该溶液中缓慢的加入0.002 M FeCl3 +0.002 M K3Fe(CN)6 +0.1 M HCl溶液20 mL，边加边搅拌，彻底加完后，室温下再搅拌12 h。当加入后者之后，溶液迅速变成黑色。所得到的复合材料经离心，0.1 M HCl 洗涤，过滤，再于50 C下真空干燥12 h。作为对比，同时制备了聚吡咯，具体的制备方法如下：向 0.1M吡咯+0.1M HCl 溶液50 mL的溶液加入一定量的FeCl3溶液，后处理方法同上。7.1.3 修饰电极的
7、制备玻碳电极依次在1.0，0.3 m 的-Al2O3上打磨至镜面光亮，然后依次在1：1（V/V）的HNO3，无水乙醇，去离子水中各超声15 min， 然后在红外灯下烤干。取处理过的碳纳米管2 mg分散在5 mL的N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液中，超声1 h，得到0.4 mg mL-1 的悬浮液。取15 mg PPYPB复合材料超声分散到上述悬浮液中，得到PPYPB/MWNTs 纳米复合材料，取该纳米复合材料的悬浮液10 L滴在玻碳电极的表面，在红外灯下烤干备用。取10 mg GOD溶入pH 7 的2 mL 0.1 M PBS的溶液中得到5mg mL-1 GOD溶液，取此溶液5 L滴在PPY
8、PB/MWNTs/GC 修饰电极上。然后将该修饰电极放置在4 C的冰箱中60 min。然后在电极上滴上2 L Nafion混合液，Nafion混合液的具体制备方法同第五章，将制备好的电极置入4 的冰箱备用。第二节 结果及讨论7.2.1 纳米复合材料的制备PB通常采用电沉积的方法制备，本章采用原位化学还原的方法制备了聚吡咯保护的PB纳米粒。酸性的FeCl3-K3Fe(CN) 6溶液具有很强的氧化性，其开路电位相对于饱和甘汞电极（SCE）可以达到0.98 V，这一电位不能在FeCl3或K3Fe(CN) 6的溶液中单独获得18。另一方面吡咯可以在很多氧化剂的作用下发生聚合反应。如（NH4)2S2O8
9、 19、FeCl3 20等。尽管FeCl3相对于标准氢电极（SHE）只有0.77 V，也常被用来作为吡咯聚合的氧化剂。因此吡咯完全可以在酸性的FeCl3-K3Fe(CN)6中发生氧化聚合反应。同时FeCl3-K3Fe(CN) 6也被吡咯还原成PB。在溶液中实现了PPY和PB的同时合成，这种合成方法是文献尚未报道的。而且PPY作为重要的导电聚合物有良好的环境稳定性和导电性，很适合用来制备电极材料。因此可以考虑利用吡咯对PB的保护作用，提高PB在电极上的稳定性。7.2.2 复合材料的表征图7-1复合材料的红外光谱图(a) PPY, (b)PPYPBFig.7-1 IR spectra of the
10、 nanocomposites (a) PPY, (b)PPYPB图7-1为PPYPB纳米复合材料和PPY 的红外光谱图。从图7-1可以看出，PPYPB的红外光谱在2086 cm-1处有强烈的吸收。这是CN在Fe2+-CN- Fe3+ 中伸缩振动的特征吸收峰7。该光谱在1564，1310, 1045，1184 cm-1也出现吸收峰，这分别是PPY中的环、C-H以及C-N的振动引起的吸收20，这和文献上报道的结果是一致的。这些结果表明可以通过化学还原的方法制备PPYPB纳米复合材料。图7-2为PPYPB复合材料的透射电镜图。从图7-2可以看出，PB纳米粒子包埋在聚吡咯膜里，其中颜色较深的为PB纳
11、米粒子，这些PB纳米粒子的大小只有几个纳米，部分粒子发生了团聚。 图7-2 PPYPB复合材料的TEM照片(a) PPYPB, (b) PPY PB/MWNTsFig.7-2 TEM images of the hybrid composites (a) PPYPB, (b) PPY PB/MWNTs当在PPYPB复合材料中掺入MWNTs后， PPYPB 纳米复合材料很容易和MWNTs分散在一起，这可能是由于PPYPB 纳米复合材料带正电，可以和带负电的MWNTs结合在一起。由于碳管具有三维的结构和良好的导电性，近一步优化了复合材料的结构。7.2.3 复合材料的电化学性质图7-3 碳纳米管的量
12、对复合材料的CV曲线的影响Fig.7-3 CV curves of PPYPB/MWNTs composite modified electrode (a) PPYPB, (b)PPYPB/ 0.1mg mL-1 MWNTs, (b) PPYPB/ 0.2mg mL-1 MWNTs, (c) PPYPB/ 0.3mg mL-1 MWNTs, (d) PPYPB/ 0.4mg mL-1 MWNTs为了研究PPYPB 有机无机复合材料的电化学性质，将其修饰在玻碳电极上测试了其在0.1 M PBS+0.1 M KCl溶液中的CV曲线。PPYPB/MWNTs修饰电极在不同扫速的CV曲线可以看出，峰电位
13、与扫描速度在10 -150 mV s-1范围内呈线性关系。当扫描速度超过200 mV/s 时，电极开始变得不可逆。这表明电化学反应在较高的扫描速度时不可逆。为了考察MWNTs对复合材料性能的影响，研究了MWNTs的量对CV曲线的影响。当MWNTs的量从0.1到2 mg mL-1 变化时，发现CV曲线的峰电流随着MWNTs的增加而增加，但当MWNTs的量超过0.4 mg mL-1时，CV的峰电流不再增加而达到稳定值。因此本文选择0.4 mg mL-1来制备复合材料。PPYPB/WMNTs修饰电极在0.1 M PBS + 0.1 M KCl (pH 6.5)连续扫描50个循环，CV的峰电流几乎没有
14、变化，扫描250个循环，峰电流只降低10%。这说明PB在PPYPB/WMNTs复合材料中表现良好的稳定性。良好的稳定性可能归因于电极的制备方法，一方面聚吡咯有很好的化学稳定性和良好的导电性，可以保护PB纳米粒子，另一方面，碳纳米管有很高的比表面积，和PB之间有协同效应，从而进一步保护了PB粒子。图7-4 PPYPB/MWNTs 纳米复合材料在电极上的稳定性Fig.7-4 Consecutive CV curves of PPYPB/MWNTs composite film modified GC electrode for 250 cycles 7.2.4 PPYPB/MWNTs修饰电极对H2
15、O2检测PPYPB/MWNTs纳米复合材料修饰电极可以在较低的电位下实现H2O2的检测（0.0V）。本章考察了复合材料的组成对H2O2响应的影响。图7-5复合材料对H2O2 响应性能的比较Fig.7-5 Currenttime recording obtained at the PPYPB/MWNTs and PPYPB composite film modified electrode upon increasing the concentration of H2O2 in steps of 0.25 mM 由图7-5可以看出，当PPYPB复合材料中不掺入MWNTs时，电极对H2O2的响应很
16、弱，而且电极很容易被H2O2饱和，当参入0.3 mg mL-1 MWNTs后，电极的灵敏度和响应范围明显增大，这和CV曲线的结果是一致的。复合材料修饰电极对H2O2的检测还表现出良好的稳定性，对连续测定5次，相对标准偏差为2.6%. 连续制备5支电极对110-7 M H2O2响应的相对标准偏差为5.0%。PPYPB/MWNTs纳米复合材料修饰电极对H2O2有良好的响应，可以用来制备氧化性酶的生物传感器。7.2.5 基于PPYPB/MWNTs纳米复合材料的生物传感器的性能PPYPB/MWNTs薄膜修饰电极对过氧化氢的良好响应，使得其很适合制备基于氧化酶的生物传感器。本章选用葡萄糖氧化酶为模型酶来研究生物传感的性能。酶的固
