1、 基于 Nafion/碳纳米粒子修饰的葡萄糖传感器【摘要】 采用滴涂法制备了 Nafion/碳纳米粒子复合物修饰玻碳电极，该电极对 H2O2 具有良好的电催化氧化性能。还利用滴涂法制备了 Nafion/碳纳米粒子复合物包裹的葡萄糖酶电化学生物传感器，该生物传感器对葡萄糖有着良好的电催化作用。应用该传感器对葡萄糖进行了检测，检测线性范围为 2.01066.0103 mol/L，检出限为 1.6106 mol/L(S/N3)，实验结果表明该传感器具有良好的稳定性、重现性和抗干扰能力。对小鼠血清样品中的葡萄糖进行检测，结果令人满意。 【关键词】 碳纳米粒子；过氧化氢；葡萄糖；电化学传感器Abstra
2、ct The nafion/carbon nanoparticles(CNPs) composite film modified glassy carbon electrode was prepared by dropwise method，and the electrocatalyst of H2O2 at Nafion/CNPs modified electrode was investigated.The results show that electrocataytic activitie for detection of H2O2 at the modified electrode
3、is very good.The biosensing application of CNPs was demonstrated through fabrication of an electrochemical biosensor.The biosensor was constructed by encapsulating glucose oxidase in the Nafion/CNPs composite film.The biosensor had good electrocatalytic activity toward oxidation of glucose.The gluco
4、se biosensor shows a linear range from 2.0106 to 6.0103 mol/L with a detection limit of 1.6106 mol/L.The biosensor shows high stability，good reproducibility and can avoid the commonly coexisted interference.In addition，real rat serum samples were analyzed by this biosensor with satisfactory results.
5、Keywords Carbon nanoparticles； Hydrogen peroxide peroxide； lucose； lectrochemical biosensor1 引言在生物传感器领域，酶电极占有重要地位1。但由于酶通常具有较大的分子量，其氧化还原活性中心被厚的蛋白质层包裹，酶的活性中心往往难以与电极发生直接电子转移2。通过对电极进行修饰的方法可改善酶的活性中心与电极的作用，实现电子的直接传递35 。在酶传感器中使用纳米材料，不仅可以增加酶的吸附量和稳定性，而且可以提高酶的催化活性，显著提高酶电极的电流响应灵敏度6，7 。碳基纳米材料，由于其独特的纳米结构，既具有良好的导
6、电性，又能保持蛋白酶的生物活性，使其在生物传感器及生物反应系统中具有极大的应用潜力8，9。碳纳米粒子（CNPs）是一种新型的纳米材料，可明显促进生物分子的电子传递作用和生物活性的催化作用。文献10，11 采用Nafion 分散碳纳米材料，由于 Nafion 上富含大量的亲水性磺酸基团，具有较好的水溶性，而且 Nafion 膜也具有较好的阳离子选择性和生物相容性12，因此常被用于电极表面的修饰和安培型传感器的构建，选用 Nafion 分散碳纳米材料，可有效提高碳纳米材料的分散性，并简化传感器的制作并改善传感器的响应性能。实验发现，Nafion/碳纳米粒子膜的厚度与 H2O2 的修饰量直接相关，因
7、此考察了滴涂不同体积的 Nafion/碳纳米粒子对电极性能的影响。结果显示，当Nafion/碳纳米粒子体积小于 10 L 时，电极对 H2O2 的响应电流会随修饰体积的增大而增大； 而当修饰体积在 10 15 L 时，电极对 H2O2 的响应电流相差不大； 修饰体积大于 15 L 时，电极对 H2O2 的响应电流反而减小。这可能是修饰膜较厚，从而使响应电流反而减小。因此 Nafion/碳纳米粒子体积选用 10 L。在优化条件下进行计时安培测定，图 3 为 Nafion/碳纳米粒子修饰电极在0.1 V 电位下对 0.5 mmol/L H2O2 的响应曲线。由图 3可见，Nafion/碳纳米粒子修
8、饰电极对加入 H2O2 产生相当灵敏、快速和稳定的电流反应，电极对 H2O2 的响应时间小于 5 s，表明Nafion/碳纳米粒子修饰电极对 H2O2 具有优良的催化还原能力。测定 H2O2 的线性范围为 1.01065.0103 mol/L，传感器检出限为 1.0106 mol/L。经过 21 d 后，传感器仍能保持约 90.6%的初始响应电流值。图 2 10 mmol/L H2O2 在裸玻碳电极(a)及 Nafion/碳纳米粒子复合物修饰玻碳电极(b)上的循环伏安图（略）Fig.2 CVs of bare (a) and nafion/CNPs modified (b) GC electr
9、ode in 25 mmol/L PBS solution at pH 7.4 with 10 mmol/L H2O2vs saturated calomel electrode (SCE)通氮气饱和(Saturated with N2)， 扫描速度（Scan rate）50 mV/ s。图 3 Nafion/碳纳米粒子复合物修饰玻碳电极在 PBS 缓冲溶液(pH 7.4)中的 H2O2 的电位响应曲线（略）Fig.3 Successive amperometric response of Nafion/CNPs film modified electrode to H2O2 in 25 mm
10、ol/L PBS(pH 7.4)通氮气饱和（Saturated with N2）；工作电位(Potential)：0.1 V。 每次加入 0.5 mmol/L H2O2(The H2O2 addition each time is 0.5 mmol/L as indicated).3.3 传感器对葡萄糖的计时电流响应在最优实验条件下，用计时电流法测定传感器对葡萄糖的响应电流 (图 4)。制得的传感器对葡萄糖具有较快的响应时间，在 4 s 内达到稳态电流 95%。在 2.0106 6.0103 mol/L 范围内，响应电流与葡萄糖浓度呈线性关系，相关系数为 0.9786； 检出限为 1.610
11、6 mol/L(S/N3)。3.4 传感器的选择性图 5 是在底液中分别加入 0.1 mmol/L 葡萄糖，0.2 mmol/L 抗坏血酸，0.2 mmol/L 尿酸，0.2 mmol/L L-半胱氨酸和 0.01 mmol/L 葡萄糖的计时电流响应图。可以看到，当加入葡萄糖之后，响应电流迅速增加，并在短时间内达到平衡。而加入大浓度抗坏血酸、尿酸以及 L-半胱氨酸后，响应电流值几乎没有发生改变。这是因为 GOD 对葡萄糖的专一性催化以及 Nafion 膜的选择性，使制得的传感器对葡萄糖具有良好的选择性。图 4 传感器在 25 mmol/L PBS (pH 7.4) 含葡萄糖浓度510 46.0
12、103 mol/L 的计时电流响应曲线（略）Fig.4 Amperometric response of biosensor in 25 mmol/L PBS (pH 7.4) containing glucose from 510 4 to 6.0103 mol/L通氮气饱和（Saturated with N2）；工作电位(Potential)：0.1 V。 图 5 几种干扰物质对葡萄糖测定的影响（略）Fig.5 Effect of possible interferents in glucose biosensorsa 0.1 mmol/L 葡萄糖（lucose ）；b 0.2 mmol/
13、L 抗坏血酸（scorbic acid）；c 0.2 mmol/L 尿酸（ric acid）；d 0.2 mmol/L L-半胱氨酸（L-cysteine）；e 0.01 mmol/L 葡萄糖（lucose）。3.5 传感器的重现性和稳定性在葡萄糖溶液浓度为 0.1 mmol/L 时，重复测定 10 次，相对标准偏差为 2.8%。实验后将传感器于 4 下悬于 PBS 溶液中保存，每隔 7 d 进行检测，28 d 后其响应信号为初始信号的 84.6%，表明此传感器具有较好的稳定性。这主要是因为碳纳米粒子具有良好的生物相容性，所制得的 Nafion/碳纳米粒子复合膜能将 GOD 牢固地固定在电极表面，并保持其良好的生物活性。表 1 生物传感器对小鼠血液中葡萄糖浓度测试结果（略）Table 1 Analytic results of glucose concentration in rat serum using biosensor3. 实际样品测试用传感器对小鼠血清中的葡萄糖进行检测(见表 1)，回收率在98.6%103.4%之间。结果表明，此葡萄糖传感器的线性范围和灵敏度令人满意，且传感器具有响应速度快、稳定性好、制作简单的优点。可望用于新型葡萄糖生物传感器的制备。【
