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1、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52 第三章 基于 PANI-PB/MWNTs 纳米复合材料的葡萄糖生物传感器的研究葡萄糖酶生物传感器已广泛用于食品工业中进行质量检验以及在临床中检测糖尿病。在所有的酶生物传感器中，大约85%是研究葡萄糖生物传感器的1-4。 极大部分葡萄糖生物传感器是通过检测酶反应产物H2O2来间接检测葡萄糖，对于葡萄糖的检测主要基于以下反应。GOD(FAD) + D-glucose GOD(FADH2)+gluconolactone （3-1）GOD(FADH2) + O2 GOD(FAD) + H2O2 （3-2）由反应可知过氧化氢氧化所产生的电流信
2、号与葡萄糖含量成线性关系。在检测过氧化氢时，较高的检测电位使传感器易受生理溶液中电活性干扰物（如抗坏血酸，尿酸等）的影响。普鲁士蓝（PB）作为生物电分析化学中常用的电子媒介体，可以在低电位下催化还原H2O2，而且具有价格便宜，容易制备等特点 5-7。如前章所述，普鲁士蓝有致命的弱点就是在中性及碱性条件下不稳定，从而导致所制备的酶生物传感器的性能也不稳定8，因此提高普鲁士蓝在电极上的稳定性，是制备高稳定性酶生物传感器的前提。PB 通常是通过电化学还原FeCl3-Fe(CN)6溶液而制备的，在本章中，首次采用一步原位化学还原的方法制备了聚苯胺-普鲁士蓝（ PANI-PB）复合材料 ， 然 后 将
3、多 壁 碳纳 米管 分 散 在 这 种纳 米颗 粒 的 溶 液 中 ， 最终 得 到PANI-PB/MWNTs 复合材料，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3.1.1 实验药品及仪器第三章基于 PANI-PB/MWNTs 纳米复合材料的葡萄糖生物传感器的研究53 葡萄糖氧化酶(GOD,来源于Aspergillus niger; EC 1.1.3.4, type -S; 300,000 unit g-1)购自 Sanland公司。 多壁碳纳米管（MWNTs， 95%， 20-60 nm）购于深圳纳米港有限公司，前处理
4、方法同第二章。苯胺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 4 C的冰箱里放置24 小时后使用。 0.1 M 磷酸缓冲溶液 (PBS)用 Na2HPO4和NaH2PO4配制，支持电解质为0.1 M PBS + 0.1 M KCl （pH 6.5） ，实验过程中使用的其他试剂均为分析纯，用去离子水配制。电化学测试是在电化学工作站（ IM6e，Germany）上进行的，采用三电极体系，玻碳电极(GC)为工作电极，NaCl 饱和的 Ag/AgCl 电极参比电极， 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
5、氢时的转速为3000 rpm，所有的实验均在室温下进行。透射电镜照片 (TEM)是由透射电镜（ JEM-2000EX，JEOL Co. Ltd, Japan)得到的。红外光谱的采集是在德国BRUKER 公司生产的 Equinox 55 型红外分光光度计上进行的。 测试方法： 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。3.1.2 PANI-PB 复合材料的制备聚苯胺 /普鲁士蓝（ PANI-PB）复合材料的制备过程如下：配制0.1 M 苯胺 + 0.1 M HCl 溶液 50 mL， 向该溶液中
6、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，当加入后者溶液之后，溶液迅速变成蓝色。所得到的复合材料经离心、0.1 M HCl 洗涤、过滤，在 50 C 下真空干燥 12 h。作为对比，也制备了聚苯胺，具体的制备方法如下：向50 mL 0.1 M 苯胺 + 0.1M HCl 的溶液加入一定浓度的 FeCl3溶液，后处理方法同上。参照文献9聚苯胺 /普鲁士蓝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54 （PANI-PB）复合材料可能的反应机理如下。图 3-1
7、PANI-PB 复合材料可能的反应机理Fig. 3-1 Schematic diagram of the formation of PB in the PANI matrix: A FeCl4-doped PANI; B, PANI/PB hybrid material 3.1.3 修饰电极的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， 再在红外灯下烤干备用。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
8、-1的悬浮液，取 5 mg PANI-PB复合材料超声分散到上述悬浮液中，得到PANI-PB/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，然后用 pH 5.0 的 HCl 溶液洗涤，再在0.1 M KCl + 0 .01 M HCl 作循环伏安扫描，电势范围为 -0.10-0.50 V，扫描速度为 50 mV/s，直到得到稳定的CV 曲线为止。取 10 mg GOD溶入 pH 7 的 2 mL 0.1 M PBS的溶液中得到 5 mg mL-1的GOD 溶液，取此溶液3 L滴在 PANI-PB/MWNTs/GC 修饰电极上。然后将该修饰电极放置
9、在4 的冰箱中 60 min， 再在电极上滴上 2 L Na fion 混合液。第三章基于 PANI-PB/MWNTs 纳米复合材料的葡萄糖生物传感器的研究55 Nafion 混合液的具体制备方法如下： 取2 ml 2.5% 的戊二醛和 3 ml Nafion (5% v/v in ethanol)混合，然后用 NaOH 调节该溶液的 pH 到 5.5。这样一个三明治式的酶生物传感器就制备好了，将制备好的电极置入4 C 的冰箱备用。电极的结构示意图如图3-2 所示。图 3-2 电极的结构示意图Fig. 3-2 Sandwich configuration of the biosensor 第二
10、节 结果及讨论3.2.1 PANI-PB 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PANI-PB 纳米复合材料。Itaya等人发现酸性的FeCl3-K3Fe(CN) 6溶液具有很强的氧化性 10，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。 另一方面苯胺可以在很多氧化剂的作用下发生聚合反应，如NH4)2S2O8、H2O2,、Ce(SO4)2、K2Cr2O7,、KIO3、 FeCl3等。尽管 FeCl3相对于标准氢电极 （SHE）只有 0.77 V，纳米复合材料的制备及其
11、在生物传感器和生物燃料电池中的应用56 也 常 被 用 作 为 苯 胺 聚 合 的 氧 化 剂 11 。 即 苯 胺 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也被苯胺还原成 PB。因此在溶液中实现了PANI 和 PB 的同时合成，这种合成方法是文献尚未报道的。 而且可以利用聚苯胺对PB 的保护作用， 提高 PB 在电极上的稳定性，聚苯胺有良好的导电性，可以改善复合材料的导电性能。3.2.2 复合材料的表征图 3-3 为 PANI-PB 纳米复合材料和PANI 的红外光谱图。从图3-3 可以看出， PANI-PB 的红
12、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 12。 同时， PANI-PB 的红外光谱在 1511, 1295，1112 cm-1处也出现吸收峰，这分别是聚苯胺翠绿亚胺盐中的环、 C-N 以及 C-H的吸收 13，这和文献上报道的结果是一致的。以上结果表明可以通过化学原位聚合的方法直接在溶液中合成出PANI-PB 复合材料。050010001500200025003000PANI-PBPANITransmittanceWavenumber (cm-1)图 3-3 PANI-PB 复合材料和 PANI 的红外光谱图Fig. 3-3
13、 IR spectra of PANI-PB and PANI alone 第三章基于 PANI-PB/MWNTs 纳米复合材料的葡萄糖生物传感器的研究57 图 3-4 为 PANI-PB 复合材料的透射电镜图。从图3-4 可以看出，普鲁士蓝分散在聚苯胺膜里， 其中颜色较深的为PB 纳米粒子，直径大约为 100 nm，大的粒子的直径大约200 nm。这些结果说明可以直接采用原位化学还原的方法制备 PANI-PB 纳米粒子。图 3-4. 1PANI-PB 复合材料的透射电镜照片Fig. 3-4 TEM image of the PANI-PB hybrid composites 3.2.3 复合
14、材料的电化学性质为了研究 PANI-PB/MWMTs 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。图 3-5为 PANI-PB/MWNTs 修饰电极在不同pH 溶液中的 CV 曲线，扫描速度为50 mV/s。可以看出，修饰电极在0.2 V 左右出现一对可逆的氧化还原峰，这是典型的 PB 的氧化还原峰。 而且随着 pH 的升高，CV 曲线的峰电流并没有发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58 生太大的变化。这说明复合材料对pH 有很高的稳定性，但是其峰电位之差却逐渐增大，这可能是由于pH 升高，
15、聚苯胺的导电性下降引起的14。PANI-PB/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 曲线的峰电流几乎没有变化， 扫描 200 个循环，峰电流只降低 8%。这说明 PB 在 PANI-PB/WMNTs 复合材料中表现良好的稳定性。好的稳定性可能归因于电极的制备方法。一方面聚苯胺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，而且具有很强的信号转换能力15，可以有效地实现电子的转移，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16。-0.20.00.20.40.6-15
16、0-100-50050100Current/APotential / Vadbc图 3-5支持电解质的 pH 对 PANI-PB/WMNTs 复合材料修饰电极的CV 曲线的影响(a) pH 5; (b) pH 6; (c) pH 7 (d) pH 8 Fig. 3-5 Effect of the pH value on the CV curves of PANI-PB/WMNTs modified electrodes, (a) pH 5; (b) pH 6; (c) pH 7 (d) pH 8 第三章基于 PANI-PB/MWNTs 纳米复合材料的葡萄糖生物传感器的研究59 3.2.4 PANI-PB/MWNTs修饰电极对 H2O2检测PANI-PB/MWNTs纳米复合材料修饰电极可以较低的电位下实现H2O2的检测 （0.0 V） ， 本章考察了复合材料的组成对H2O2响应的影响。当 MWNTs的量从 0.1 到 2mg mL-1变化时，发现 H2O2的响应电流随着 MWNTs 的增加而增加，
