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    鐵氰化鈰薄膜固載血紅蛋白修飾的過氧化氫生物傳感器的制備及性能

    2013-10-11 06:19:48劉曉芹蔡志芳郭滿棟
    化學(xué)研究 2013年4期
    關(guān)鍵詞:玻碳氰化緩沖溶液

    郝 瑤,劉曉芹,蔡志芳,郭滿棟

    (山西師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院,山西 臨汾041004)

    生物傳感器具有分析速度快、選擇性高及制備成本低等優(yōu)點(diǎn),成為世界科技發(fā)展的新熱點(diǎn)[1-2].目前國(guó)內(nèi)外對(duì)血紅蛋白的研究主要集中于血紅蛋白的聚合[3]、電化學(xué)中的應(yīng)用[4-5]及對(duì)血紅蛋白結(jié)構(gòu)[6]、輸氧功能[7]和在電子轉(zhuǎn)移機(jī)理方面[8]的探討.在電化學(xué)方面,血紅蛋白常被用作修飾物來(lái)制備生物傳感器,并以制作簡(jiǎn)單、廉價(jià)易得等優(yōu)點(diǎn)得到了大力發(fā)展[9-11].

    鐵氰化鈰(CeHCF)膜修飾電極具有良好的電化學(xué)活性、高度穩(wěn)定性及制備簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)[12].實(shí)驗(yàn)中鐵氰化鈰膜為血紅蛋白提供了一個(gè)新的固載體,從而實(shí)現(xiàn)了血紅蛋白在電極表面的直接電子轉(zhuǎn)移,并對(duì)過氧化氫產(chǎn)生催化氧化作用.目前,國(guó)內(nèi)外已有文獻(xiàn)報(bào)道有關(guān)該電極的制備及應(yīng)用[13-14],但是尚未見到鐵氰化鈰膜固載血紅蛋白用作生物傳感器的報(bào)道.實(shí)驗(yàn)采用電化學(xué)沉積法制備CeHCF/GCE,然后將血紅蛋白固載于CeHCF修飾電極上,制備出一種新型過氧化氫生物傳感器.研究表明,該傳感器對(duì)H2O2有較好的電化學(xué)響應(yīng),且靈敏度較高,具有創(chuàng)新性和實(shí)用性.

    1 實(shí)驗(yàn)部分

    1.1 儀器與試劑

    LK2005A型電化學(xué)工作站(天津市蘭力科化學(xué)電子高技術(shù)有限公司),KQ-250B超聲波清洗儀(昆山市超聲儀器有限公司),JSM-7500F掃描電子顯微鏡(日本電子),BS124S電子天平(北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司),W-103微量進(jìn)樣器5.0μL(上海醫(yī)用微量?jī)x器廠),PXSJ-216型離子計(jì)(雷磁,上海精密科學(xué)儀器有限公司).實(shí)驗(yàn)采用三電極系統(tǒng):鉑絲電極為輔助電極,Ag/AgCl(KCl,飽和)為參比電極,血紅蛋白/鐵氰化鈰修飾玻碳電極和裸玻碳電極(d=2mm)為工作電極.

    牛血紅蛋白(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司),配置濃度為5.0g/L,置于冰箱(4℃)儲(chǔ)存.Ce(NO3)3·6H2O(北京劉李店福利化工廠),使用時(shí)配置濃度為1.5×10-2mol/L,4℃避光保存.KCl(天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司),K3[Fe(CN)6](天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司),使用時(shí)分別配置濃度為1.5×10-2mol/L.過氧化氫(30%,洛陽(yáng)市化學(xué)試劑廠),實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純,實(shí)驗(yàn)用水均為二次蒸餾水,所有實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行.

    1.2 修飾電極的制備過程

    1.2.1 基體玻碳電極的預(yù)處理

    將玻碳電極用Al2O3粉打磨,依次用二次蒸餾水、HNO3(體積比是1∶1)、丙酮、二次蒸餾水分別超聲清洗,晾干.在0.5mol/L的H2SO4溶液中對(duì)玻碳電極進(jìn)行電化學(xué)活化,活化后取出電極用二次水沖洗,室溫晾干.

    1.2.2 儲(chǔ)備液的制備

    血紅蛋白(Hemoglobin from bovine blood,Hb)儲(chǔ)備液:稱取50mg牛血紅蛋白,用二次水溶解,并定容至10mL容量瓶中,4℃下避光保存.

    Ce(NO3)3(1.5×10-2mol/L)儲(chǔ)備液:稱取0.325 7g Ce(NO3)3·6H2O,用二次水溶解,并定容至50 mL容量瓶中,4℃下避光保存.

    K3[Fe(CN)6](1.5×10-2mol/L)儲(chǔ)備液:稱取0.246 9g K3[Fe(CN)6],溶解并稀釋定容至50mL容量瓶中,4℃下避光保存.

    KCl(1.5mol/L)儲(chǔ)備液:稱取5.591 3g KCl,溶解并稀釋定容至50mL容量瓶中,4℃下避光保存.

    1.2.3 CeHCF/GCE電極的制備

    將經(jīng)預(yù)處理活化后的基體玻碳電極浸入到盛有電解液2mL 1.5×10-2mol/L Ce(NO3)3、2mL 1.5×10-2mol/L K3[Fe(CN)6]和2mL 1.5mol/L KCl的電解池中,通入氮?dú)?,在?.1V~1.0V電位范圍內(nèi),以100mV/s的掃描速率進(jìn)行循環(huán)伏安掃描40圈.從圖1的掃描中,觀察到當(dāng)電極電位從-0.1V向+1.0 V掃描時(shí),于605mV處出現(xiàn)一個(gè)氧化峰,對(duì)應(yīng)溶液中的Fe(CN被氧化生成Fe(CN;電極電位向負(fù)方向掃描時(shí),于305mV處出現(xiàn)還原峰,對(duì)應(yīng)溶液中的Fe(CN被還原生成Fe(CN.隨著掃描次數(shù)的增加,氧化還原峰的峰電流逐漸減小,說明在玻碳電極表面已經(jīng)形成了CeHCF膜.CeHCF膜電化學(xué)形成機(jī)理如下:由于Fe(CN得到電子形成Fe(CN-,同時(shí)溶液中Ce3+迅速與Fe(CN結(jié)合形成CeHCF,并沉積到玻碳電極表面,形成了CeHCF膜修飾電極.掃描完成后,將電極取出,可以觀察到在電極表面形成了一層不透明的膜.將其用二次蒸餾水沖洗,室溫晾干備用.實(shí)驗(yàn)前,在加入電解液的電解池中,先通氮?dú)?0 min.且整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程一直保持氮?dú)夥諊?其電極表面的成膜機(jī)理可能為:

    1.2.4 Hb/CeHCF/GCE電極的制備

    用微量進(jìn)樣器量取2μL 5.0g/L Hb溶液,將其均勻滴涂于已修飾好的CeHCF/GCE電極表面,室溫下晾干,12h后使用.電極不用時(shí)儲(chǔ)存于4℃冰箱中.

    1.3 實(shí)驗(yàn)方法

    實(shí)驗(yàn)采用三電極系統(tǒng),以裸玻碳電極、CeHCF/GCE及 Hb/CeHCF/GCE為工作電極,Ag/AgCl(飽和 KCl)為參比電極,鉑絲電極為輔助電極.以pH=6.4的Na2HPO4-NaH2PO4溶液為緩沖溶液,在-0.8~1.0V的電位范圍內(nèi)以100mV/s的掃速對(duì)H2O2進(jìn)行循環(huán)伏安、線性伏安及交流阻抗測(cè)定.

    圖1 CeHCF膜的電沉積循環(huán)伏安曲線Fig.1 CeHCF film electrochemical polymerization of cyclic voltammetry curves

    2 結(jié)果與討論

    2.1 修飾電極的表征

    圖2a是鐵氰化鈰膜修飾電極的掃描電鏡圖.從圖可知,鐵氰化鈰呈晶狀成功的沉積在了玻碳電極表面.從Hb/CeHCF/GCE修飾電極的掃描電鏡圖(圖2b)可知,鐵氰化鈰很好的將血紅蛋白固載在了電極表面,圖中顆粒細(xì)致均勻、排布緊密,并且存在明顯的空穴現(xiàn)象,說明鐵氰化鈰是一種很好的血紅蛋白吸附固定化材料.

    圖2 CeHCF/GCE(a)和 Hb/CeHCF/GCE(b)的SEM 圖Fig.2 SEM image of CeHCF/GCE(a)and Hb/CeHCF/GCE(b)

    實(shí)驗(yàn)運(yùn)用交流阻抗法對(duì)電極表面的修飾過程進(jìn)一步表征.圖3所示曲線a為裸玻碳電極在被測(cè)溶液中的阻抗圖,近似一條直線,電極表面沒有阻礙電子傳遞的物質(zhì).曲線b為鐵氰化鈰膜修飾玻碳電極,其表面電阻明顯大于裸玻碳電極.當(dāng)CeHCF/GCE表面吸附血紅蛋白后,其表面電阻又迅速減?。ㄇ€c),說明血紅蛋白成功的固載到了電極表面.

    圖3 裸玻碳電極(a),CeHCF/GCE(b),Hb/CeHCF/GCE(c)的電化學(xué)阻抗圖Fig.3 Electrochemical impedance diagram of glassy carbon electrode(a),CeHCF/GCE(b),Hb/CeHCF/GCE(c)

    2.2 Hb/CeHCF/GCE電極的電化學(xué)響應(yīng)

    圖4為裸玻碳電極(a)、CeHCF/GCE電極(b)、Hb/CeHCF/GCE電極(c)在含有1.0×10-6mol/L H2O2的pH=6.4的Na2HPO4-NaH2PO4緩沖溶液中的循環(huán)伏安圖.從曲線a可知,H2O2在裸玻碳電極上未出現(xiàn)氧化還原峰,說明裸玻碳電極對(duì)其沒有電化學(xué)響應(yīng).從曲線b、c觀察到,CeHCF/GCE電極在0.187 V處出現(xiàn)了一電化學(xué)響應(yīng)較低的還原峰Ipc=24.226μA,氧化峰電流很小到幾乎看不出;而Hb/CeHCF/GCE電極在0.049V處出現(xiàn)了一較高的還原峰Ipc=48.245μA,在0.447V處出現(xiàn)了一較明顯的氧化峰Ipa=-29.682μA.由圖可知,H2O2生物傳感器在Hb/CeHCF/GCE電極上的還原峰電流要比在CeHCF/GCE電極上的還原峰電流增加1.99倍.說明鐵氰化鈰固載血紅蛋白能夠很好地增強(qiáng)H2O2生物傳感器的電化學(xué)響應(yīng).

    由圖5可知,Hb/CeHCF/GCE電極在空白緩沖溶液中未出現(xiàn)氧化還原峰,而在含有1.0×10-6mol/L H2O2的緩沖溶液中出現(xiàn)了靈敏度較高的氧化還原峰.這說明過氧化氫生物傳感器在Hb/CeHCF/GCE電極上發(fā)生了氧化還原反應(yīng),Hb/CeHCF/GCE電極對(duì)過氧化氫產(chǎn)生了催化作用.其氧化峰電位Epa=0.444 V,還原峰電位Epc=0.037V,峰間距為ΔE=Epa-Epc=0.407V,Ipc/Ipa=1.625≠1,由此可知,H2O2生物傳感器在Hb/CeHCF/GCE電極上的反應(yīng)過程是不可逆過程.

    圖4 電極在緩沖溶液中的循環(huán)伏安圖Fig.4 Cyclic voltammograms of the electrodes in buffer solution

    圖5 Hb/CeHCF/GCE電極在緩沖溶液中的循環(huán)伏安圖Fig.5 Cyclic voltammograms of Hb/CeHCF/GCE in buffer solution

    2.3 Hb/CeHCF/GCE電極測(cè)試最佳條件的選擇

    2.3.1 緩沖溶液的選擇

    實(shí)驗(yàn)研究了 H2O2分別在 KCl-HCl(pH=1.6)、NaAc-HAc(pH=5.0)、KH2PO4-硼砂(pH=6.4)、Na2HPO4-NaH2PO4(pH=6.4)、硼砂-HCl(pH=8.8)、硼砂-NaOH(pH=10.0)緩沖溶液中的電化學(xué)行為.研究表明,H2O2在Na2HPO4-NaH2PO4緩沖溶液中的峰電流最高,所以選擇Na2HPO4-NaH2PO4緩沖液作為實(shí)驗(yàn)的底液.

    2.3.2 pH 的選擇

    研究了H2O2生物傳感器在Hb/CeHCF/GCE電極上不同酸度對(duì)響應(yīng)電流的影響.如圖6所示,當(dāng)5.8≤pH≤6.4時(shí),響應(yīng)電流隨著pH值的增大而呈線性上升趨勢(shì);當(dāng)pH在6.4~7.4范圍之內(nèi)時(shí),溶液的酸度對(duì)響應(yīng)電流影響不大,峰電流較穩(wěn)定,表明在此范圍內(nèi)Hb能夠保持較好、較穩(wěn)定的電化學(xué)活性;當(dāng)pH≥7.4時(shí),峰電流隨著pH值的增大而上升.為了保持血紅蛋白較好的活性,且考慮到人體血液中血紅蛋白的生理?xiàng)l件(pH=6.0~8.5),因此,選擇pH=6.4的Na2HPO4-NaH2PO4緩沖液作為本實(shí)驗(yàn)最適pH.

    2.3.3 pH對(duì)峰電位的影響

    采用循環(huán)伏安法研究了不同pH的Na2HPO4-NaH2PO4緩沖溶液對(duì)峰電位的影響.在pH=5.8~7.8的緩沖溶液中,隨著pH的增加,還原峰電位逐漸向負(fù)方向移動(dòng),表明有質(zhì)子參與反應(yīng)過程.還原峰電位E0′與pH呈良好的線性關(guān)系,其線性回歸方程為:

    E0′-pH直線的斜率為-68.7mV/pH,接近該條件下(25℃)理論能斯特斜率-59.0mV/pH,故Hb/CeHCF/GCE電極反應(yīng)過程是等電子伴隨等質(zhì)子參加的不可逆過程.

    2.3.4 掃描速率的影響

    圖7是H2O2在生物傳感器Hb/CeHCF/GCE電極上的不同掃描速率下的循環(huán)伏安圖.如圖所示,隨著掃描速率v的增加,還原峰電流和氧化峰電流均不斷增大,還原峰P1逐漸負(fù)移,氧化峰P2逐漸正移.掃速在40~160mV/s范圍內(nèi),氧化還原峰電流均與掃速v成正比,說明H2O2生物傳感器在Hb/CeHCF/GCE上的電極反應(yīng)過程主要受表面吸附控制.其線性方程分別為:

    圖6 Hb/CeHCF/GCE電極上峰電流與pH的關(guān)系圖Fig.6 The plot of redox peak currents vs pH on Hb/CeHCF/GCE

    圖7 Hb/CeHCF/GCE電極在不同掃速下的循環(huán)伏安圖Fig.7 Cyclic voltammograms of Hb/CeHCF/GCE

    2.3.5 電極反應(yīng)中電子數(shù)的測(cè)定

    掃描速率在40~160mV/s的范圍內(nèi),氧化峰電位與掃速對(duì)數(shù)值呈良好的線性關(guān)系,E-lgv的線性方程為:

    E-lgv直線斜率為0.030 6,截距為0.561 2.從E-lgv直線斜率[0.5×2.303RT×(anF)-1]可得,an=0.987,取a=0.5,即可計(jì)算出n≈2;由此可知,H2O2在生物傳感器 Hb/CeHCF/GCE電極上發(fā)生了兩電子交換的氧化反應(yīng).

    還原峰在掃描速率40~160mV/s的范圍內(nèi),E-lgv的線性方程為:

    同上根據(jù)E-lgv直線斜率[0.5×2.303RT×(anF)-1]可得,an=1.052,取a=0.5,即可計(jì)算出n≈2;由此可知,H2O2在生物傳感器Hb/CeHCF/GCE電極上發(fā)生了兩電子交換的還原反應(yīng).

    2.3.6 電極反應(yīng)機(jī)理的探討

    CeHCF薄膜為血紅蛋白提供了一個(gè)具有親和性的溫和的吸附固載環(huán)境,并高度保持了血紅蛋白的生物活性,使血紅蛋白能夠滲透進(jìn)入到CeHCF薄膜中,而且Hb/CeHCF/GC修飾電極表觀形貌的空穴現(xiàn)象清晰可見,更加有利于離子的進(jìn)出,并使電活性中心更加靠近電極表面,從而很好的實(shí)現(xiàn)了血紅蛋白在電極上的直接電子轉(zhuǎn)移.血紅蛋白對(duì)過氧化氫有催化氧化的作用,電極在進(jìn)行陽(yáng)極化掃描時(shí),溶液中過氧化氫因失電子而產(chǎn)生氧氣,同時(shí)伴隨著質(zhì)子的產(chǎn)生;進(jìn)行陰極化掃描時(shí),氧氣因得到電子而轉(zhuǎn)化為氫氧根離子,其反應(yīng)機(jī)理如下:

    2.4 Hb/CeHCF/GCE電極的響應(yīng)性能

    2.4.1 線性范圍

    實(shí)驗(yàn)配置了一系列不同濃度的H2O2標(biāo)準(zhǔn)溶液,采用循環(huán)伏安掃描法對(duì)其進(jìn)行測(cè)定.如圖8所示,隨著H2O2濃度不斷增大,氧化峰電流逐漸增大.H2O2的氧化峰電流與 H2O2濃度在1.5×10-3mol/L~4.5×10-6mol/L范圍內(nèi)呈線性關(guān)系,其線性方程為:

    檢出限為2.5×10-7mol/L(S/N=3),說明此方法對(duì) H2O2的檢測(cè)靈敏度較高.

    2.4.2 共存離子干擾實(shí)驗(yàn)

    實(shí)驗(yàn)對(duì)共存時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生干擾的離子進(jìn)行了測(cè)定.在上述最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)條件下,當(dāng) H2O2濃度為5.0×10-5mol/L時(shí),分別加入以下物質(zhì):10倍的抗壞血酸、亮氨酸、賴氨酸、尿酸,20倍的葡萄糖、乙酸、甲酸、L-半胱氨酸、天冬氨酸,測(cè)定它們對(duì)H2O2生物傳感器響應(yīng)信號(hào)的干擾.結(jié)果表明,上述離子對(duì)H2O2的測(cè)定無(wú)明顯干擾.

    2.4.3 Hb/CeHCF/GCE修飾電極的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性

    將所制得的Hb/CeHCF/GCE修飾電極儲(chǔ)存在4℃下,放置兩個(gè)星期后,再對(duì)H2O2進(jìn)行測(cè)定,發(fā)現(xiàn)峰電流和峰電位基本保持不變.放置一個(gè)月后,再次測(cè)定,電極響應(yīng)性能能夠保持在初始電極響應(yīng)性能的85%左右,說明Hb/CeHCF/GCE具有較好的穩(wěn)定性和電化學(xué)活性.

    在最佳的實(shí)驗(yàn)條件下,制備4根Hb/CeHCF/GCE電極,對(duì)1.5×10-6mol/L H2O2溶液進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果發(fā)現(xiàn),峰電流的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為4.73%,說明Hb/CeHCF/GCE電極有較好的重現(xiàn)性.

    2.4.4 米式常數(shù)(Km)的計(jì)算

    米式常數(shù)是表征酶促反應(yīng)的一個(gè)重要的動(dòng)力學(xué)參數(shù),是衡量酶對(duì)底物親和力大小的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn).以H2O2濃度的倒數(shù)和穩(wěn)態(tài)電流的倒數(shù)作圖,得一直線可知其截距和斜率,即可求得米式常數(shù).根據(jù)Lineweaver-Burk方程:

    式中Iss為穩(wěn)態(tài)電流(μA),Imax為測(cè)定底物時(shí)的最大電流(μA);c為相應(yīng)底物的濃度(mol/L).作Lineweaver-Burk圖,得線性方程為:1/Iss=0.003 9/c+0.083 0,r=0.993 7;斜率為0.003 9,截距為0.083 0,從而求得最大電流Imax為12.048μA,Km為0.047mmol·L-1.Km越小,酶與底物之間親和力越大,此值表明血紅蛋白對(duì)H2O2有較高的生物活性.

    2.4.5 回收率的測(cè)定

    選取pH=6.4的Na2HPO4-NaH2PO4緩沖液為測(cè)試底液,分別向底液中加入4種不同濃度的H2O2溶液,并將H2O2傳感器置于含有H2O2的樣品溶液中,測(cè)定其響應(yīng)電流的變化值.結(jié)果表明,H2O2傳感器有較好的回收率(99.7%~105.9%),如下表所示.

    圖8 不同濃度的H2O2的線性掃描伏安圖Fig.8 Linear sweep voltammograms of Hb/CeHCF/GCE

    表1 H2O2傳感器回收率的測(cè)定Table 1 The determination of H2O2sensor recovery

    3 結(jié)論

    實(shí)驗(yàn)采用電沉積法制備了一種新型的過氧化氫生物傳感器,并對(duì)電極反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了探討,結(jié)果表明鐵氰化鈰膜不僅能保持血紅蛋白的生物活性,且鐵氰化物具有良好的離子交換性能,通過其空穴效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了血紅蛋白與電極之間的直接電子轉(zhuǎn)移.實(shí)驗(yàn)對(duì)Hb/CeHCF/GCE修飾電極制備過程中的條件進(jìn)行了優(yōu)化,表明該修飾電極具有制備方法簡(jiǎn)便,電流響應(yīng)快,線性范圍寬,檢測(cè)下限低等優(yōu)點(diǎn),對(duì)生物醫(yī)學(xué)和臨床檢驗(yàn)具有重要意義.

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