纳米颗粒增强的葡萄糖生物传感器

1、 (B 辑第30卷第2期SCIENCE IN CHINA (Series B2000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SiO2颗粒以及Au和SiO2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

2、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SiO2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

3、文就是利用纳米金表面反应活性高催化效率高-D葡萄糖(SigmaChem.Co; 混合磷酸盐(KH2PO4,Na2HPO4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, 69971023120中国科学 (B 辑第30卷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Thurl

4、by 1905-a型英国Thurlby Electronics Ltd10-4mol/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RW (水与表面活性剂的摩尔比和RE(电解质与表面活性剂的摩尔比值条件的HAuCl4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Ra 为NH3与表面活性剂的摩尔比, 利用RW和Ra值来控制SiO2颗粒的大小.

5、这样制得含SiO2 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RE =0.000 5 Rw=8; (c 憎水SiO2颗粒Ra=0.5, Rw=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Au10-4mol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(

6、不同量-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SiO2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

7、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×Ó¼

8、äAu 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,第2期唐芳琼等:纳米颗粒增强的葡萄糖生物传感器123(d EM (1 引入憎水二氧化硅纳米颗粒制备的葡萄糖传感器的响应电流, 与不含纳米颗粒的葡萄糖传感器的响应电流相比提高了十几倍. 这主要由于二氧化硅较强的吸附性能, 和反胶团对酶的稳定和保护作用. 引入的反胶团为固定化酶提供优良反应场所, 增加固定化酶的稳定性和活性. 因而纳米SiO 2颗粒能牢固地吸附大量具有生物活性的GOD, 从而提高电极的电流响应.(2 亲水金纳米颗粒制备的葡萄

9、糖传感器的响应电流大大提高. 这主要是由于Au 的良好导电性能, 亲水金可能与GOD 氧化还原中心FAD 发生较好的联系, 减小电子在给体和受体间的距离, 提高了电极与GOD 间的电子传递速率.(3 憎水金纳米颗粒制备的葡萄糖传感器的电流响应与不含纳米颗粒的葡萄糖传感器的响应电流相比提高30倍. 这主要是由于金的良好导电性和憎水颗粒引入的反胶团对酶的保护作用.(4 憎水二氧化硅分别与亲水反胶团的保护作用和金颗粒的良好的导电性. 由于亲水Au 颗粒可能会与葡萄糖氧化酶的氧化还原中心发生键和, 所以更有利于电子的传递, 可将其近似认为是无媒介传感器.本文利用纳米颗粒制备葡萄糖传感器的方法具有简单易

10、行GOD 用量少易于工业化的优点. 是制备第三代葡萄糖传感器新的途径, 为纳米颗粒的应用开辟了新的领域.我们也研究了纳米Ag(亲水Au (憎水图5 GOD 分子从FAD 中心向金属电极进行电子转移的距离示意图(a无金颗粒的酶电极; (b有金颗粒的酶电极124中国科学 (B 辑第30卷致谢本工作得到中国科学院光化学实验室的支持, 在此表示感谢.参考文献1Zhao J, Henkens R W, Stonehuerner J, et al. Direct electron transfer at horseradish peroxidase-colloidal gold modified elec

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14、65刊名: 中国科学B辑英文刊名:SCIENCE IN CHINA (SERIES B年,卷(期:2000,30(2被引用次数:75次参考文献(10条1.Chen Z J;Ou X M;Tang F Q Effect of nanometer particles on the adsorbability and enzymatic activitity of glucose oxidase 19962.Khmelnitsky Yu L;Levashov A V;Klyachko N L Engineering biocatalytic systems in organic media with

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