基于碳纳米管无纺布的葡萄糖氧化酶生物传感器

Abstract： Glucose oxidase biosensors were fabricated by vacuumimpregnation of a glucose oxidase in a polyvinyl alcohol （ PVA） aqueous solution into carbon nanotube nonwoven fabrics （ CNTFs） ． The performance of the biosensor was evaluated by an electrochemical method，using the biosensors as working electrode，Pt wire as a counter electrode and Ag / AgCl as a reference electrode． The electrical conductivity of the CNTFs was tested with a fourprobe method． Tensile strength was measured by a tensile tester． Ｒesults show that the response currents of the biosensors increase linearly with the glucose content in aqueous solutions． The linear range is from 2． 5 to 30 mmol / L，the detection limit is 2． 5 mmol / L and the response time is about 10 s． An acid treatment of the CNTF with 65% HNO3 can increase the response current． Keywords： Carbon nanotube nonwoven fabrics； Glucose； Biosensor； Flexible electrode materials Corresponding author： ZHU Mengfu，Ph． D． ，Professor． Email： zmf323@ 163． com Author introduction： ZHU Lu． Email： zhulu19860204@ yahoo． com． cn
ZHU Lu， DENG Cheng ， CHEN Ping ， YOU Xiudong ， SU Hongbo ， YUAN Yinghai， ZHU M engfu
（ Institute of Medical Equipment，Academy of Military Medical Sciences，Tianjin 300161 ，China）
［20 ］
将碳纳米管应用于电化学领域， 修饰电极制备传感 ［24 ］ H2 O2 、 。 其中 胆固醇等物质 器可以检测葡萄糖、 葡萄糖氧化酶生物传感器的主要研究热点是碳纳米 ［57 ］ 、 管作为弥散相在修饰电极过程中的分散 对氧化 酶的固定
［8 ， 9 ］ ［1012 ］ 、 与其他纳米颗粒的结合 等方面，
实验
碳纳米管无纺布的制备
缓冲溶液 （ 含 2 mol / L KCl 作 为 支 持 电 解 质 ） 中 进 NH4 H2 PO4 、 NaOH 均为分析纯， 行。KCl、 购于天津 科威公司。实验时， 加入适量葡萄糖溶液， 采用循环 伏安法和计时电流法进行测试。 2． 6 碳纳米管无纺布的酸化处理 将化学气相法制备出的碳纳米管无纺布浸渍于 20 mL 65% 的硝酸溶液中 4 h。 取出后用蒸馏水洗 净， 空气中晾干， 再进行生物酶的包埋及传感器的 组装。 2． 7 材料的表征 利用 XL30 ESEM 扫描电子显微镜 （ SEM， 荷兰 PHLIPS 公司） 观察了材料的形貌 并通过 EDX 能谱 测定材料表面元素的相对含量。 用 Tecnai G2 F20 场发射透射电子显微镜 （ TEM， 荷兰 FEI 公司 ） 观察 碳纳米管的结构。 用 NOVA2000 型比表面积及孔 径分析仪 （ BET， 美国 Quantachrome 公司 ） 测试材料 的比表面积和孔径分布。 用 SDY 型双电测四探针 测试仪（ 广州半导体材料研究所 ） 测试材料的方阻。 用 DT9205N 型万用表 （ 中国鸿昌滨江公司 ） 测试材 1 型强伸仪（ 上海东华大学 ） 测试 料的电阻。用 XQ材料的力学性能。 用 OCA20 视频光学接触角测量 仪（ 德国 dataphysics 公司） 测定材料的润湿性。
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3． 1
结果与讨论
碳纳米管无纺布的形貌结构 图 1a 的光学照片显示碳纳米管无纺布外观呈
黑色， 表面均匀， 且有横向排布的条纹。 图 1b 的扫 描电镜照片显示碳纳米管无纺布内部取向高度有 序， 主要由沿同一方向排布的碳纳米管束组成 。 这 些管束直径在微纳米级别， 长度可达厘米级别。 管 束间留有较大空隙， 这些空隙提高了材料的比表面 积， 有利于生物酶的固定。 管束间夹杂有少量颗粒 状物质， 应为未反应完全的催化剂铁颗粒和无定形 碳。照片左边缘部分的取向杂乱是由于机械方式裁 剪造成的。进一步放大观察碳纳米管束 （ 图 1c ） 可 以发现， 每根较粗的碳纳米管束由无数根直径更为 细小的碳纳米管束组成， 这些细小的碳纳米管束呈 三维网状交联结构， 既有平行排布的， 亦有搭接于平 推测这种结构有利于电子在整个碳 行丝束之间的， 纳米管无纺布上的转移， 形成高电导率。图 1d 的透 射电镜照片显示碳纳米管无纺布主要由多壁碳纳米 管构成， 管径约 10 ～ 20 nm。管壁上残留的黑色小颗 粒是制备过程中未反应完全的催化剂铁颗粒 。
（ 军事医学科学院 卫生装备研究所， 天津 300161 ）
以化学气相沉积法直接合成的碳纳米管无纺布作为电极材料， 采用简单的包埋法， 通过葡萄糖氧化酶和聚乙烯醇
TEM 和 BET 表征碳纳米管无纺布的内部形貌及孔径分布； 利用双电 的水溶液固定葡萄糖氧化酶制备生物传感器 。利用 SEM、 测四探针测试仪和万用表测定碳纳米管无纺布的导电性能； 利用拉伸仪测试碳纳米管无纺布的力学性能； 利用电化学工作站 测定生物传感器的电化学行为及电流响应信号 。结果显示传感器的响应电流随葡萄糖浓度的增加呈线性变化， 线性范围为 2． 5 mmol / L ～ 30 mmol / L， 检出限为 2． 5 mmol / L， 响应时间约 10 s， 经硝酸处理可进一步提高传感器的响应电流 。基于碳纳米管 无纺布的葡萄糖氧化酶生物传感器可实现对葡萄糖的有效检测 。 关键词： 碳纳米管无纺布； 葡萄糖； 生物传感器； 柔性电极材料 TB34 TB332 文献标识码： A 中图分类号：
司） 对电化学过程进行控制和测量。 测试采用三电 极检测装置， 以自制的生物酶传感器电极作为工作 Ag / AgCl 作为参比电极， Pt 丝作为对电极。 电 电极， 化学测试均在 20 mL pH = 7． 4 的 0． 1 mol / L 的 PB
· 344·
新
型
炭
材
料
第 28 卷
图1 Fig． 1
0511 ； 收稿日期： 2013作者简介： 朱
0925 修回日期： 2013-
Hale Waihona Puke mail： zmf323@ 163． com 通讯作者： 朱孟府， 博士， 教授． Email： zhulu19860204@ yahoo． com． cn 路，硕士． E-
Glucose oxidase biosensors based on carbon nanotube nonwoven fabrics
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前言
［1 ］ 碳纳米管自 1991 年被发现以来 ， 由于其特殊 ， ， 的物理性能 高比表面积和导电性 受到广泛关注。
如连续碳纳米管纤维已可在实验室制备 。 将这 种纤维进一步加工便得到连续、 取向有序的碳纳米 。 管无纺布 由于这种碳纳米管无纺布具备优异的综 合性能， 如良好的机械强度和导电性能， 较高的比表 有望直 面积和多级孔分布结构及可功能化改性等 ， 接 作 为 柔 性 电 极 材 料， 应用于生物传感器织 ［21 ， 22 ］ ［23 ］ 、 物 导电功能织物 等领域， 具有广阔的应用 前景。而相关的研究工作国内鲜见报道 。笔者以化 通过包埋法固定 学气相流法合成碳纳米管无纺布， 葡萄糖氧化酶， 直接用作电极材料以组装成生物传 。 感器 此法操作简单， 可一步实现。 通过对碳纳米 管无纺布进行酸化改性还可进一步提高传感器的 性能。
2 积约 0． 5 cm （ 1 cm × 0． 5 cm ） ， 厚度约 0． 5 mm， 如图 1a 所示。
2． 2
生物酶溶液的配制 称取 1． 25 g 聚乙烯醇 （ PVA， 分子量 30 000 ～
70 000 ， 醇解度 87% ～ 89% mol / mol， 天津科威公司） 放入 50 mL 二次蒸馏水中， 设定磁力搅拌器温度为 60 ℃ ， 搅拌直至完全溶解， 配得 2． 44 mass % 的 PVA 水溶液。将 0． 5 mL PVA 水溶液倒入 10 mL 小瓶中， 10000U， Sigma 公 再加入 1 mg 葡萄糖氧化酶 （ GOx， 2． 43 mass% PVA 的水 司） 配成含 0． 195 mass% GOx、 ， 5 min 4 ℃ 溶液 超声 后置于 冰箱中备用。配置的葡 萄糖标准溶液 （ 0． 1 mol / L ） 亦保存于 4 ℃ 冰箱中备 用。 2 ． 3 碳纳米管无纺布对生物酶的包埋 采用真空浸渍工艺， 将碳纳米管无纺布与生物 酶溶液在真空状态下浸渍 4 h， 后置于 60 ℃ 烘箱中 干燥 8 h 以上。取出后采用 XS105 型精密测试天平 （ 瑞 士，梅 特 勒—托 利 多 公 司，可 准 确 测 量 至 0． 01 mg） 对碳纳米管无纺布的质量进行称重 。 通过 对比无纺 布 浸 渍 酶 溶 液 前 后 的 质 量 变 化， 并按照 GOx / PVA = 1 /12 的 质 量 比， 估算出生物酶的负 载量。 2 ． 4 生物酶传感器电极的制作 将包埋有生物酶的碳纳米管无纺布平铺， 用一 根 10 cm 长的铂丝（ 直径 0． 45 mm ） 一端与碳纳米管 无纺布缠绕， 另一端与电化学工作站的阳极相连 ， 制 得传感器的工作电极。 铂丝作为集流体， 仅通过物 理缠绕方 式 与 碳 纳 米 管 无 纺 布 固 定， 不加任何粘 结剂。 2． 5 传感器电化学行为及电流响应信号的测定 采用 CHI660 电化学工作站 （ 上海辰华仪器公