聚苯胺-普鲁士蓝

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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 Ⅶ-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

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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

（PANI-PB）复合材料可能的反应机理如下。

图3-1 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 μm 的α-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-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 μL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 μL滴在PANI-PB/MWNTs/GC 修饰电极上。然后将该修饰电极放置在4 ℃的冰箱中60 min，再在电极上滴上2 μL 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-K3[Fe(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K3[Fe(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，