SnO2修饰的生物传感器研究
SnO2修饰的生物传感器研究[20200412221945]
摘要
单独存在的葡萄糖氧化酶（GOD）在石墨电极（GE）表面的电子转移是很难进行的，为使GOD在电极表面能够更为容易的进行电子转移，实验研究纳米二氧化锡（SnO2）在二甲亚砜（DMSO）的协同作用下对GOD电极电化学性能的影响。将GOD、SnO2、DMSO的混合液滴涂在电极的表面，室温下干燥，此电极在0.1M通有饱和氮气的PBS缓冲溶液中呈现一对稳定的氧化还原峰，并随着扫速的增加峰电流也线性增加，电子转移速率常数ks的值为3.01s-1，式量电位Eθ’=-0.46V（vs·SCE），表面覆盖量г=7.761×10-10 mol/cm2。在研究温度对修饰电极电化学性能的影响时得出，修饰电极75℃的温度下仍保持一定的活性。红外和紫外光谱分析表明GOD/ SnO2/ DMSO膜中的GOD保持其原有的生物活性。修饰电极对葡萄糖的催化，实验中用到二茂铁这样一个电子传递的媒介，线性范围在0.4到20mM，检测限是1.96×10-2mM，表观米氏常数为0.057 mM，灵敏度为826 mA/M·cm-2。
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关键字:葡萄糖氧化酶电子转移生物传感器纳米二氧化锡葡萄糖
目 录
1.引言 1
2.实验部分 4
2.2 电极制备 4
2.2.1配制溶液 4
2.2.2打磨电极 4
2.2.3 修饰 4
2.3测试方法 5
3.结果与讨论 6
3.1修饰膜的光谱分析 6
3.2修饰电极的电化学行为 7
3.3 不同pH值下GOD/SnO2/DMSO/GE的电化学行为 10
3.4电极的交流阻抗实验 10
3.5 GOD/SnO2/DMSO/GE电极对葡萄糖的催化 11
3.6 温度对GOD/SnO2/DMSO/GE电极的影响 13
3.7GOD/SnO2/DMSO/GE电极的重复性 14
结论 15
参考文献 16
致谢 17
1.引言
酶生物传感器[1]是由物质识别元件(固定在电极表面的生物酶)和信号转换器(基体电极)两部分组成的。当固定化酶膜上发生酶促反应时，基体电极会对产生的电活性物质发生响应，基体电极的作用是使化学信号转化为电信号，从而可以被人为检测。基体电极的种类有：碳质电极（石墨电极、玻碳电极、碳硼电极）、金属电极等。
酶生物传感器的工作原理：当酶电极浸入被测溶液时，待测底物进入酶层的内部并参与反应，当反应达到稳态时，电活性物质的浓度可以通过电位或电流进行测定。因此，酶生物传器可分为电位型和电流型两类传感器。电位型传感器是指酶电极与参比电极间输出的电位信号，它与被测物质之间服从能斯特关系。而电流型传感器是以酶促反应所引起的物质量的变化转变为电流信号，输出电流大小直接与底物浓度有关，电流型传器比电位型传感器更简单、直观。
酶生物传感器是生物酶与传感器的有机结合，一直是学者们研究的热潮。酶生物传感器具有反应灵敏、快速、准确。基于不同的生物酶，酶传感器的作用不同。人体内的酶很多，血红蛋白[2]、肌红蛋白[3]、辣根过氧化物酶[4]、葡萄糖氧化酶[5]等。
葡萄糖氧化酶最先于1904年在黑曲霉和灰绿青霉中发现，并且以其鲜有的抗菌性而引人注意，其抗菌性是由于反应生成的H2O2具有灭菌作用，在自然界中广泛存在，其工业化生产是利用细菌和霉菌等微生物发酵法生产，由于其天然无毒，因此在医药和食品方面都有广泛应用[6]。葡萄糖在实际中的用途很多例如：（1）用于生化研究，临床上常用作诊断酶， 用于葡萄糖的分析，制备尿糖和血糖试纸，制药工业中用做维生素C及B12制剂的稳定剂，也可用于蛋白质的脱糖、罐头酒类的储藏。（2）酶制剂，主要用于牛奶、干酪、蛋、饮料和沙拉。（3）柑橘类饮料及啤酒等的脱氧。以防色泽增深、降低风味和金属溶出。（4）用于全脂奶粉、谷物、可可、咖啡、虾类、肉等食品。可防止由葡萄糖引起的褐变。（5）由于葡萄糖氧化所生成的H2O2能使面筋中的-SH基氧化成S-S-基，有助于面筋蛋白之间形成较好的蛋白质网络结构，故近年来用于面包制造，效果良好，可用以代替可致癌的溴酸钾，受到愈来愈多的重视。?葡萄糖氧化酶是一种?需氧脱氢酶，采用葡萄糖氧化酶可以除去食品和容器中的氧，从而有效地防止食物的变质，因此可以应用于茶叶、?冰淇淋 、奶粉、?啤酒 、果酒及其他饮料制品的包装中。用葡萄糖氧化酶去除蛋奶粉生产过程中的葡萄糖可以避免美拉德反应的发生。同时，葡萄糖氧化酶用于肉和蛋白质食品有助于金黄色泽的产生。用葡萄糖氧化酶从密封系统中除去氧气可抑制脂肪氧化，和天然色素的氧化降解。例如，用葡萄糖氧化酶/过氧化氢酶溶液浸渍虾、蟹可防止由粉红色到黄色的转变。此外，该酶对葡萄糖具有特异性，可以用于对葡萄糖含量的测定。1962年Clark等人提出了让酶 与电极 结合来测定底物的设想。早在1967年Updike和Hicks就研制出了第一支葡萄糖 氧化酶电极，并用于检测血清中葡萄糖的含量[7]。自那时以来，酶生物传感器在各个不同领域的研究引起了各界科学家极大的关注。
然而，葡萄糖不仅是生物体的主要功能物质，它还关系着人类的生命健康，是动植物体内碳水化合物的主要组成部分，是细胞的能量来源以及新陈代谢的中间产物，所以对葡萄糖含量更为精确、方便的测定在医学上就显得尤为重要，当然在关系着人类饮食健康的食品分析方面也占有着重要的位置，分析方向一直受到人们的重视。葡萄糖氧化酶对葡萄糖的专一催化为能够更准确、快速的测定葡萄糖的含量提供了基础，尤其临床中对血糖的分析需求促进了葡萄糖氧化酶分析法的建立，怎样把看不见的化学信号转换为直观的电信号，这就需要用到修饰电极，电极的修饰在研究过程中尤为重要，它关系着实验的成败，化学电极的修饰就是通过物理（如：吸附、包埋等）或化学（共价键、聚合等）方法在电极表面形成稳定的薄膜。修饰电极的制备简单，使用寿命可观，被广泛运用在电化学和分析化学的科研中。
目前已有的关于葡萄糖传感器的研究已经很多，如纳米金葡萄糖氧化酶修饰电极对葡萄糖的电化学行为研究[8]、电化学诱导聚合甲基丙烯酸膜及葡萄糖酶电极制备[9]、镀金和碳纳米管修饰金电极上吸附态葡萄糖氧化酶比活性的EQCM研究[10]、碳纳米管和纳米金自组装固定GOD的葡萄糖传感器的研究[11]、壳聚糖-纳米金-葡萄糖氧化酶生物传感器的制备及其应用于葡萄糖的测定[12]等。随着纳米技术的发展与应用更多的纳米材料被用于生物传感器，例如：碳纳米管[13]、纳米金[14]、纳米三氧化二铁[15]、纳米四氧化三铁[16]、纳米二氧化锰[17]等，本实验采用的是纳米二氧化锡[18]来固定葡萄糖氧化酶。
单独的葡萄糖氧化酶在电极表面没有很好的热稳定性，吸附在电极表面的葡萄糖氧化酶很容易破损并且脱落，为了使葡萄糖氧化酶更稳定的固定在电极表面，从而得到耐热性更好、灵敏度更高的葡萄糖氧化酶生物传感器，本实验采取在有二甲亚砜（DMSO）的情况下通过纳米材料二氧化锡固定葡萄糖氧化酶的方案。然而，葡萄糖氧化酶的电化学活性中心被多肽链包裹在分子中心，其本身很难在电极表面实行直接电子转移，通常需要中间物质作为媒介才能实现，本实验用二茂铁作为中间媒介。研究葡萄糖氧化酶电极在二茂铁[19]溶液中对葡萄糖的催化行为。
2. 实验部分
2.1 试剂、材料与仪器
葡萄糖氧化酶（GOD），纳米二氧化锡（SnO2） ，磷酸二氢钠（上海三鹰化学试剂有限公司），石墨电极（南京骄远分析仪器有限公司），铂金电极，磷酸氢二钠，氢氧化钠，葡萄糖，二甲亚砜（DMSO），铁氰化钾，亚铁氰化钾，丙酮，高纯氮气，饱和甘汞电极，微量进样器，CHI660C电化学工作站（上海辰华仪器公司），PHS-3C型精密pH计，KQ-100B型超声洗涤器（昆山市超声仪器有限公司），电子分析天平（常熟市衡器厂），Gemini），TU-1901双光束紫外可见分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司），NICOLET380傅里叶红外光谱仪（美国Thermo公司），磁力搅拌器(南京科尔仪器设备有限公司)。
摘要
单独存在的葡萄糖氧化酶（GOD）在石墨电极（GE）表面的电子转移是很难进行的，为使GOD在电极表面能够更为容易的进行电子转移，实验研究纳米二氧化锡（SnO2）在二甲亚砜（DMSO）的协同作用下对GOD电极电化学性能的影响。将GOD、SnO2、DMSO的混合液滴涂在电极的表面，室温下干燥，此电极在0.1M通有饱和氮气的PBS缓冲溶液中呈现一对稳定的氧化还原峰，并随着扫速的增加峰电流也线性增加，电子转移速率常数ks的值为3.01s-1，式量电位Eθ’=-0.46V（vs·SCE），表面覆盖量г=7.761×10-10 mol/cm2。在研究温度对修饰电极电化学性能的影响时得出，修饰电极75℃的温度下仍保持一定的活性。红外和紫外光谱分析表明GOD/ SnO2/ DMSO膜中的GOD保持其原有的生物活性。修饰电极对葡萄糖的催化，实验中用到二茂铁这样一个电子传递的媒介，线性范围在0.4到20mM，检测限是1.96×10-2mM，表观米氏常数为0.057 mM，灵敏度为826 mA/M·cm-2。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:葡萄糖氧化酶电子转移生物传感器纳米二氧化锡葡萄糖
目 录
1.引言 1
2.实验部分 4
2.2 电极制备 4
2.2.1配制溶液 4
2.2.2打磨电极 4
2.2.3 修饰 4
2.3测试方法 5
3.结果与讨论 6
3.1修饰膜的光谱分析 6
3.2修饰电极的电化学行为 7
3.3 不同pH值下GOD/SnO2/DMSO/GE的电化学行为 10
3.4电极的交流阻抗实验 10
3.5 GOD/SnO2/DMSO/GE电极对葡萄糖的催化 11
3.6 温度对GOD/SnO2/DMSO/GE电极的影响 13
3.7GOD/SnO2/DMSO/GE电极的重复性 14
结论 15
参考文献 16
致谢 17
1.引言
酶生物传感器[1]是由物质识别元件(固定在电极表面的生物酶)和信号转换器(基体电极)两部分组成的。当固定化酶膜上发生酶促反应时，基体电极会对产生的电活性物质发生响应，基体电极的作用是使化学信号转化为电信号，从而可以被人为检测。基体电极的种类有：碳质电极（石墨电极、玻碳电极、碳硼电极）、金属电极等。
酶生物传感器的工作原理：当酶电极浸入被测溶液时，待测底物进入酶层的内部并参与反应，当反应达到稳态时，电活性物质的浓度可以通过电位或电流进行测定。因此，酶生物传器可分为电位型和电流型两类传感器。电位型传感器是指酶电极与参比电极间输出的电位信号，它与被测物质之间服从能斯特关系。而电流型传感器是以酶促反应所引起的物质量的变化转变为电流信号，输出电流
酶生物传感器是生物酶与传感器的有机结合，一直是学者们研究的热潮。酶生物传感器具有反应灵敏、快速、准确。基于不同的生物酶，酶传感器的作用不同。人体内的酶很多，血红蛋白[2]、肌红蛋白[3]、辣根过氧化物酶[4]、葡萄糖氧化酶[5]等。
葡萄糖氧化酶最先于1904年在黑曲霉和灰绿青霉中发现，并且以其鲜有的抗菌性而引人注意，其抗菌性是由于反应生成的H2O2具有灭菌作用，在自然界中广泛存在，其工业化生产是利用细菌和霉菌等微生物发酵法生产，由于其天然无毒，因此在医药和食品方面都有广泛应用[6]。葡萄糖在实际中的用途很多例如：（1）用于生化研究，临床上常用作诊断酶， 用于葡萄糖的分析，制备尿糖和血糖试纸，制药工业中用做维生素C及B12制剂的稳定剂，也可用于蛋白质的脱糖、罐头酒类的储藏。（2）酶制剂，主要用于牛奶、干酪、蛋、饮料和沙拉。（3）柑橘类饮料及啤酒等的脱氧。以防色泽增深、降低风味和金属溶出。（4）用于全脂奶粉、谷物、可可、咖啡、虾类、肉等食品。可防止由葡萄糖引起的褐变。（5）由于葡萄糖氧化所生成的H2O2能使面筋中的-SH基氧化成S-S-基，有助于面筋蛋白之间形成较好的蛋白质网络结构，故近年来用于面包制造，效果良好，可用以代替可致癌的溴酸钾，受到愈来愈多的重视。?葡萄糖氧化酶是一种?需氧脱氢酶
然而，葡萄糖不仅是生物体的主要功能物质，它还关系着人类的生命健康，是动植物体内碳水化合物的主要组成部分，是细胞的能量来源以及新陈代谢的中间产物，所以对葡萄糖含量更为精确、方便的测定在医学上就显得尤为重要，当然在关系着人类饮食健康的食品分析方面也占有着重要的位置，分析方向一直受到人们的重视。葡萄糖氧化酶对葡萄糖的专一催化为能够更准确、快速的测定葡萄糖的含量提供了基础，尤其临床中对血糖的分析需求促进了葡萄糖氧化酶分析法的建立，怎样把看不见的化学信号转换为直观的电信号，这就需要用到修饰电极，电极的修饰在研究过程中尤为重要，它关系着实验的成败，化学电极的修饰就是通过物理（如：吸附、包埋等）或化学（共价键、聚合等）方法在电极表面形成稳定的薄膜。修饰电极的制备简单，使用寿命可观，被广泛运用在电化学和分析化学的科研中。
目前已有的关于葡萄糖传感器的研究已经很多，如纳米金葡萄糖氧化酶修饰电极对葡萄糖的电化学行为研究[8]、电化学诱导聚合甲基丙烯酸膜及葡萄糖酶电极制备[9]、镀金和碳纳米管修饰金电极上吸附态葡萄糖氧化酶比活性的EQCM研究[10]、碳纳米管和纳米金自组装固定GOD的葡萄糖传感器的研究[11]、壳聚糖-纳米金-葡萄糖氧化酶生物传感器的制备及其应用于葡萄糖的测定[12]等。随着纳米技术的发展与应用更多的纳米材料被用于生物传感器，例如：碳纳米管[13]、纳米金[14]、纳米三氧化二铁[15]、纳米四氧化三铁[16]、纳米二氧化锰[17]等，本实验采用的是纳米二氧化锡[18]来固定葡萄糖氧化酶。
单独的葡萄糖氧化酶在电极表面没有很好的热稳定性，吸附在电极表面的葡萄糖氧化酶很容易破损并且脱落，为了使葡萄糖氧化酶更稳定的固定在电极表面，从而得到耐热性更好、灵敏度更高的葡萄糖氧化酶生物传感器，本实验采取在有二甲亚砜（DMSO）的情况下通过纳米材料二氧化锡固定葡萄糖氧化酶的方案。然而，葡萄糖氧化酶的电化学活性中心被多肽链包裹在分子中心，其本身很难在电极表面实行直接电子转移，通常需要中间物质作为媒介才能实现，本实验用二茂铁作为中间媒介。研究葡萄糖氧化酶电极在二茂铁[19]溶液中对葡萄糖的催化行为。
2. 实验部分
2.1 试剂、材料与仪器
葡萄糖氧化酶（GOD），纳米二氧化锡（SnO2） ，磷酸二氢钠（上海三鹰化学试剂有限公司），石墨电极（南京骄远分析仪器有限公司），铂金电极，磷酸氢二钠，氢氧化钠，葡萄糖，二甲亚砜（DMSO），铁氰化钾，亚铁氰化钾，丙酮，高纯氮气，饱和甘汞电极，微量进样器，CHI660C电化学工作站（上海辰华仪器公司），PHS-3C型精密pH计，KQ-100B型超声洗涤器（昆山市超声仪器有限公司），电子分析天平（常熟市衡器厂），Gemini），TU-1901双光束紫外可见分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司），NICOLET380傅里叶红外光谱仪（美国Thermo公司），磁力搅拌器(南京科尔仪器设备有限公司)。
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