纳米颗粒增强的葡萄糖生物传感器

(B 辑)

第30卷第2期SCIENCE IN CHINA (Series B)2000年4月纳米颗粒增强的葡萄糖生物传感器*

唐芳琼孟宪伟陈东冉均国苟立郑昌琼

(中国科学院感光化学研究所, 北京100101; 四川大学无机材料系, 成都610065)

摘要研制的纳米增强葡萄糖传感器是用纳米憎水Au颗粒憎水SiO

2颗粒以及Au和SiO

2

颗粒混合与聚乙烯醇缩丁醛(PVB)构成复合固酶膜基质, 用溶胶-凝胶法固定葡萄糖氧化酶(GOD), 组成葡萄糖生物传感器. 实验表明, 纳米颗粒可以大

幅度提高固定化酶的催化活性, 响应电流从相应浓度的几十纳安增强到几千纳安, 电

极响应迅速, 1 min达到稳态. 探讨了纳米颗粒效应在固定化酶中所起的作用, 开辟了

制备直接电子传递第三代生物传感器的新途径和纳米颗粒应用的新领域.

关键词固定化酶(GOD) 纳米Au颗粒纳米SiO

2

颗粒灵敏度

生物传感器是利用生物物质作为识别元件, 将被测物的浓度与可测量的电信号关联起来.生物传感器中研究最多的是酶传感器. 根据酶与电极间电子转移的机理大致可将酶生物传感器分为三代氧的催化原理设计制作的酶传感器称为第一代生物传感器

第三代生物传感器是指在无媒介体存在下, 利用酶与电极间的直接电子传递制作的酶传感器. 采用新的电极物质如有机导电盐

表面效应量子尺寸效应和宏观量子隧道效应, 并由此产生出许多特殊性质: 奇异力学磁学光学和化学活性等[2]. 本文就是利用纳米金

表面反应活性高催化效率高

　β-D葡萄糖(Sigma

Chem.Co); 混合磷酸盐(KH

2PO

4,

Na

2

HPO

4

北京化学试剂二厂)

聚乙烯缩丁醛(PVB)(中国医药进出口公司, 进口分

1999-07-02收稿, 2000-01-05收修改稿

* 国家自然科学基金资助项目(批准号: 69731010, 69772039, 69971023)

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装)其他试剂均为分析纯, 配制溶液的水均为2次蒸馏水.

Ag/AgCl电极(自制)JEM-100型, 日本NEC公司; 紫外光谱仪: 8451A 型美国汇普公司; 自动双重纯水蒸馏器:石英管式, 上海玻璃仪器一厂; 数字多用仪Thurlby 1905-a型英国Thurlby Electronics Ltd

10-4mol/kg水溶液制备亲水金颗粒[3]. 所制备Au水溶胶颗粒的透射电子显微镜照片如图1(a).

(2) 憎水Au颗粒的制备

在AOT/环己烷体系中分别制备满足指定R

W (水与表面活性剂的摩尔比)和R

E

(电解质与表

面活性剂的摩尔比)值条件的HAuCl

4

和柠檬酸钠反胶束, 混合两种反胶束溶液, 磁力搅拌至

溶液出现淡紫红色, 制备得到1.0

含有表面活性剂AOT/环己烷体系溶液中加入一定量的水, 形成反胶束, 为正硅酸四乙酯的水

解提供大小均一的反应场, 定义R

a 为NH

3

与表面活性剂的摩尔比, 利用R

W

和R

a

值来控制SiO

2

颗粒的大小. 这样制得含SiO

2 2.5

图1 纳米颗粒的透射电子显微镜照片

(a) 亲水Au颗粒; (b) 憎水Au颗粒R

E =0.000 5 R

w

=8; (c) 憎水SiO

2

颗粒R

a

=0.5, R

w

=4

第2期唐芳琼等：　纳米颗粒增强的葡萄糖生物传感器121

净后在2次水中煮沸. 待铂丝冷却后用滤纸擦干净. 然后分别在丙酮

１０-6mol)的纳米亲水Au

10-4mol)混匀, 加至一定量的2

的冰箱中.

1.3 检测方法

采用二电极检测装置[5]. 底液为0.1 mol/LKCl磷酸盐缓冲溶液pH

. 测量时先将双电极置于缓冲溶液中, 加一电压于工作电极(0.4V VS.Ag/AgCl), 当背景电流值减少至一恒定值时将电极放至被测溶液(不同量β-D葡萄糖, 0.1 mol/L KCl磷酸盐缓冲溶液)中, 分别记录不同时间的电流响应值, 扣除初始背景电流值即为被测葡萄糖浓度的电极电流响应值.

2 结果和讨论

溶胶中固定GOD制备电极, 对不分别在含相同量的纳米亲水Au憎水SiO

2

同葡萄糖浓度测定电极的电流响应如图 2. 作为对比未引入任何纳米颗粒的葡萄糖传感器的响应电流在10 mmol/L时为200 nA/cm2 , 引入憎水SiO

颗粒的电极电流响应为2500 nA/cm2,

2

引入亲水Au 颗粒的电极电流响应为2800 nA/cm2,引入憎水Au颗粒的电极电流响应为7050 nA/cm2. 从中可以看出, 固定化酶时引入纳米颗粒能够增加酶的稳定性和催化活性, 大幅度提高电极的响应电流值. 这是由于纳米颗粒比表面积大

我们先前的工作[6,7]已证明, 憎水SiO

颗粒表面有利于酶固

2

定, 改善酶的活性和稳定性

图2 纳米颗粒对酶电极的影响

示憎水Au,

122中 国 科 学 ( B 辑)第30卷

撕开GOD 表面的水化壳, 使GOD 拉伸变形以致失去活 性[9]. 而且PVB 凝胶遇亲水Au 颗粒所引入的水立即生成沉淀, 在沉淀中会包裹住大量的GOD, 虽然沉淀最后被搅开, 但经过这一过程, 酶活性必然受到严重影响.

憎水Au

Ô÷Ë®Au 颗粒以1·Ö×Ó¼ä

Au 颗粒与Au

颗粒间

图3 SiO 2颗粒与亲水

示SiO 2+憎水Au,

图4 GOD 憎水A ｕ颗粒不同加入次序的影响

示SiO 2+GOD+Au,