樹(shù)狀聚合物功能化碳納米管/鈀納米復(fù)合物的制備及其非酶葡萄糖傳感應(yīng)用

侯代紅，賴(lài)國(guó)松，張海麗

(湖北師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院， 湖北 黃石 435002)

樹(shù)狀聚合物功能化碳納米管/鈀納米復(fù)合物的制備及其非酶葡萄糖傳感應(yīng)用

侯代紅，賴(lài)國(guó)松，張海麗

(湖北師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院， 湖北 黃石 435002)

將樹(shù)狀聚合物(PAMAM) 通過(guò)共價(jià)反應(yīng)嫁接在羧基化碳納米管(CNTs)表面后用于鈀納米粒子(Pd NPs)的原位沉積，制備成CNTs-PAMAM/Pd NPs復(fù)合物。通過(guò)殼聚糖包埋將制備的該鈀納米復(fù)合物用于玻碳電極的修飾，并通過(guò)交流阻抗法和循環(huán)伏安法對(duì)電極性能進(jìn)行表征和優(yōu)化，制備成可用于葡萄糖的安培檢測(cè)的非酶電化學(xué)傳感器。實(shí)驗(yàn)表明，在最佳實(shí)驗(yàn)條件下該傳感器可在較短時(shí)間內(nèi) (<3 s) 實(shí)現(xiàn)對(duì)葡萄糖的快速穩(wěn)態(tài)安培響應(yīng)，并可在從0.03 mmol/L至61.7 mmol/L較寬線(xiàn)性范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)葡萄糖的準(zhǔn)確測(cè)定，檢出限為11.5 μmol/L。該傳感器成本低廉，性質(zhì)穩(wěn)定，且具有較好的選擇性和重復(fù)性，因而在實(shí)際應(yīng)用中具有較好的發(fā)展前景。

非酶?jìng)鞲衅?葡萄糖;化學(xué)修飾電極;碳納米管;鈀納米粒子

葡萄糖的快速、準(zhǔn)確檢測(cè)在臨床診斷和食品分析等領(lǐng)域中具有十分重要的意義。與比色法和熒光分析等方法相比，電化學(xué)方法由于具有較高的靈敏度、選擇性和更低的檢測(cè)成本，因而在葡萄糖的準(zhǔn)確檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。傳統(tǒng)方法中，人們多采用基于酶固定技術(shù)而構(gòu)建的酶生物傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)葡萄糖的電化學(xué)檢測(cè)[2～4]。但是酶相對(duì)較高的價(jià)格和外界條件對(duì)酶生物活性的影響在一定程度上限制了這些酶生物傳感器的廣泛應(yīng)用。

近年來(lái)的研究表明，基于葡萄糖在化學(xué)修飾電極上的直接電催化氧化而構(gòu)建起來(lái)的非酶?jìng)鞲衅骺梢暂^好解決以上缺陷[5～7]。作為一種重要的貴金屬納米粒子，鈀納米粒子(Pd NPs) 因其良好的電催化性在非酶電化學(xué)氧化中得到了廣泛的應(yīng)用[8～10]。此外，碳納米管(CNTs) 由于具有較大的比表面積和優(yōu)良的電子傳遞能力，將其與Pd NPs相結(jié)合制備成納米復(fù)合物后用于電極修飾，不僅可以大大提高電極表面Pd NPs的固定含量，而且可以很好的促進(jìn)電催化響應(yīng)電流的提高，從而大大提高傳感器的分析性能[11]。本工作將具有128個(gè)氨基末端的五代聚酰胺樹(shù)狀聚合物(PAMAM)用于CNTs表面共價(jià)功能化后，成功實(shí)現(xiàn)了CNTs表面PdCl42-的吸附富集和Pd NPs的原位高含量負(fù)載。將制備的CNTs-PAMAM/Pd NPs納米復(fù)合物用于化學(xué)電極修飾，較好實(shí)現(xiàn)了葡萄糖的非酶電化學(xué)傳感。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1試劑和儀器

多壁CNT (長(zhǎng)1-2 μm，直徑60-100 nm)購(gòu)于深圳納米港公司，PAMAM (五代)、殼聚糖(CS)、多巴胺、抗壞血酸、尿酸、碳二亞胺(EDC)和N-琥珀酰亞胺(NHS)購(gòu)于Sigma-Aldrich 公司(美國(guó))，葡萄糖和氯鈀酸鉀購(gòu)于上海國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司。其它試劑都為分析純，使用前未經(jīng)純化處理。不同pH值的磷酸鹽緩沖溶液(PBS)通過(guò)50 mmol/L 的NaH2PO4和Na2HPO4溶液配制而成。制備的鈀納米復(fù)合物的形貌通過(guò)FEI Quanta 400F掃描電子顯微鏡(SEM，美國(guó))來(lái)進(jìn)行表征，交流電化學(xué)阻抗實(shí)驗(yàn)在CHI 660E電化學(xué)分析儀上完成，其它電化學(xué)實(shí)驗(yàn)都在CHI 832 (上海辰華)上完成。

1.2CNTs-PAMAM/Pd NPs復(fù)合物的制備

CNTs-PAMAM/Pd NPs復(fù)合物的制備過(guò)程如圖1所示。首先，根據(jù)文獻(xiàn)[12]方法，將CNTs通過(guò)HNO3/H2SO4(v/v =3∶1) 超聲處理得到羧基功能化CNTs。接下來(lái)，將1.0 mL 0.5 mg/mL羧基化CNTs通過(guò)EDC/NHS活化后與PAMAM共價(jià)反應(yīng)得到CNTs-PAMAM復(fù)合物[13]。將所得的CNTs-PAMAM在5 mL水中分散后，向其中加入554 μL 20 mmol/L K2PdCl4攪拌吸附12h，然后逐滴加入100 μL新制的0.5 mol/L NaBH4，攪拌反應(yīng)1h后離心、水洗三次，最后將所得的CNTs-PAMAM/Pd NPs復(fù)合物分散于1mL pH 7.0的PBS中保存待用。

1.3傳感器的制備及電化學(xué)檢測(cè)

將玻碳電極(GCE，直徑3 mm) 用0.05 μm的氧化鋁拋光成鏡面，1∶1硝酸、無(wú)水乙醇和水超聲洗凈后，取5 μL以上CNTs-PAMAM/Pd NPs復(fù)合物分散液滴涂在其表面，室溫下晾干后滴加3 μL 1.0 mg/mL的CS (1%醋酸溶液)，室溫晾干后即可得到所需的傳感器。以制備的傳感器為工作電極，鉑柱為輔助電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極組成三電極系統(tǒng)，進(jìn)行交流電化學(xué)阻抗、循環(huán)伏安法和安培法實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1CNTs-PAMAM/Pd NPs的制備及表征

實(shí)驗(yàn)采用羧基化CNTs作為載體，首先通過(guò)EDC/NHS偶聯(lián)劑的作用下使富含氨基的PAMAM共價(jià)結(jié)合在CNTs表面，進(jìn)而利用PAMAM優(yōu)良的內(nèi)部納米級(jí)空腔和豐富的表面氨基來(lái)吸附富集高含量的PdCl42-，最后用NaBH4還原劑原位制備成富含高含量Pd NPs的CNTs納米復(fù)合物。從圖2所示的實(shí)驗(yàn)制備所得產(chǎn)物的SEM圖片中，我們可以看到大量的納米粒子附著在納米管表面，這一結(jié)果證明了CNTs-PAMAM/Pd NPs復(fù)合物的成功制備。

圖1 CNTs-PAMAM/Pd NPs納米復(fù)合物的制備過(guò)程

2.2傳感器的制備及表征

將制備的CNTs-PAMAM/Pd NPs納米復(fù)合物用于電極修飾，并通過(guò)電化學(xué)阻抗表征了該傳感器的制備過(guò)程。從圖3我們可以看出，CNTs-PAMAM/Pd NPs修飾電極電化學(xué)阻抗與裸電極相比明顯降低，說(shuō)明該納米復(fù)合物的修飾可以有效的促進(jìn)鐵氰化鉀探針在電極表面的電子傳遞速率。為了增加電極的穩(wěn)定性，當(dāng)進(jìn)一步在該修飾電極表面覆蓋一層CS后，其電化學(xué)阻抗的增加。該阻抗增加是由于電極表面修飾的非導(dǎo)電CS聚合物對(duì)電子傳遞的阻礙作用引起的，這一阻抗變化也證明了傳感器的成功制備。

2.3傳感器的電化學(xué)行為及催化響應(yīng)

實(shí)驗(yàn)通過(guò)循環(huán)伏安方法考察了傳感器的電化學(xué)行為及其對(duì)葡萄糖的電催化響應(yīng)情況。從圖4看出，當(dāng)傳感器在50 mmol/L pH 7.4 PBS中循環(huán)掃描時(shí)出現(xiàn)兩對(duì)明顯的氧化還原峰，一對(duì)峰在電位(-0.4，-0.6V)處對(duì)應(yīng)于PdOH的氧化還原；另一對(duì)在(0.35，-0.1V)處的峰應(yīng)該屬于電極表面的Pd NPs在形成鈀氧化物過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的電化學(xué)行為[14]。當(dāng)向底液中加入15 m mol/L葡萄糖后，我們可以觀察到明顯的氧化電流增加，這說(shuō)明該CNTs-PAMAM/Pd NPs修飾電極對(duì)葡萄糖具有良好的電催化氧化作用。該傳感器的催化機(jī)理為：

圖2 CNTs-PAMAM/PdNPs的SEM圖

Pd+OH-→PdOH+e-

PdOH+glucose→Pd+glucolactone

與此對(duì)比，CNT-PAMAM修飾電極在pH 7.4 PBS中沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的氧化還原峰，當(dāng)向底液中加入15 m mol/L葡萄糖后其響應(yīng)電流也無(wú)明顯的變化，這也證明了CNTs-PAMAM/Pd NPs修飾電極對(duì)葡萄糖的電催化氧化是由于納米復(fù)合物上高含量Pd NPs的優(yōu)良的電催化性能而引起的。因此基于該CNTs-PAMAM/Pd NPs修飾電極對(duì)葡萄糖良好的電催化氧化作用，可以方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)葡萄糖的非酶電化學(xué)檢測(cè)。

圖3 裸電極GCE (a), CNTs-PAMAM/Pd NPs (b) 和 CNTs-PAMAM/Pd NPs/CS (c)修飾電極在含有5.0 m mol/L K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6](1∶1)中的0.1 mol/L KCl溶液中的交流阻抗圖譜

圖4 CNT-PAMAM (a, b), CNTs-PAMAM/Pd NPs/CS (c, d) 修飾電極在pH 7.4 PBS (a, c)和含有15 m mol/L葡萄糖的pH 7.4 PBS (b, d)中的循環(huán)伏安圖

為了得到最佳的電催化效果，實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步通過(guò)循環(huán)伏安法考察了傳感器對(duì)不同pH值的50 m mol/L PBS中1 m mol/L葡萄糖的催化氧化電流的大小。結(jié)果表明，從溶液pH從6.2增加到7.4，傳感器的催化氧化電流逐漸增大；當(dāng)溶液pH高于7.4后，氧化峰電流反而隨著pH的增加而減小。由于在pH 7.4的PBS中該傳感器可以得到最大催化氧化電流，故實(shí)驗(yàn)選擇pH 7.4作為本工作的最優(yōu)條件。

2.4葡萄糖的安培檢測(cè)

在攪拌條件下向底液中加入不同濃度的葡萄糖，通過(guò)穩(wěn)態(tài)安培法考察了傳感器在-0.1 V的安培響應(yīng)。從圖5可以看出，隨著葡萄糖的加入，傳感器立即產(chǎn)生明顯的安培電流響應(yīng)，其響應(yīng)時(shí)間小于3s.在從0.03 m mol/L至11. 2 m mol/L和11.2 m mol/L至61.7 m mol/L較寬的濃度范圍內(nèi)，安

培響應(yīng)電流與葡萄糖濃度成良好線(xiàn)性關(guān)系，其線(xiàn)性回歸方程分別為I(μA)=7.2218 - 1.4824C

(m mol/L) (R=0.9993)和I(μA) =-1.5531-0.6705C(m mol/L) (R=0.9986)，檢出限為11.5 μmol/L.

2.5傳感器的選擇性、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性

實(shí)驗(yàn)通過(guò)向底液中加入一定濃度可能的干擾物，結(jié)合其安培響應(yīng)考察了傳感器的選擇性。從圖 6可以看出，當(dāng)向底液中依次加入0.1 m mol/L 多巴胺、蔗糖、抗壞血酸和0.2 m mol/L 尿酸后，該傳感器上沒(méi)有產(chǎn)生無(wú)明顯的安培電流響應(yīng)。這一結(jié)果表明，這些物質(zhì)對(duì)葡萄糖的測(cè)定沒(méi)有明顯干擾，該非酶?jìng)鞲衅鲗?duì)葡萄糖具有較好的選擇性。

實(shí)驗(yàn)還考察了傳感器的重復(fù)性和穩(wěn)定性。將同一支傳感器用于1 m mol/L葡萄糖重復(fù)測(cè)定五次，其測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.3%；采用相同方法制備5支傳感器用于1 m mol/L葡萄糖的安培檢測(cè)，其測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.8%，說(shuō)明傳感器具有較好的重復(fù)性。此外，將制備的傳感器置于4℃冰箱保存一個(gè)月之后，其響應(yīng)電流不低于初始值88%，說(shuō)明該傳感器具有較好的穩(wěn)定性。

圖5 CNTs-PAMAM/Pd NPs/CS修飾電極對(duì)葡萄糖的安培響應(yīng)曲線(xiàn)及安培響應(yīng)電流與葡萄糖濃度的線(xiàn)性關(guān)系(內(nèi)插圖)。工作電位：-0.1V

圖6 檢測(cè)條件下該傳感器對(duì)1mmol/L葡萄糖,0.1mmol/L多巴胺,0.1mmol/L乳糖,0.1mmol/L抗壞血酸,0.1mmol/L尿酸和0.625mmol/L葡萄糖催化響應(yīng)。

3 結(jié)論

基于羧基化CNTs表面的樹(shù)狀聚合物功能化，成功實(shí)現(xiàn)了CNTs上Pd NPs的高含量原位沉積。將制備的CNTs-PAMAM/Pd NPs納米復(fù)合物用于電極修飾，可以較好實(shí)現(xiàn)對(duì)葡萄糖的電催化氧化氧化，進(jìn)而發(fā)展了一種性能良好的非酶葡萄糖電化學(xué)傳感器。該傳感器對(duì)葡萄糖響應(yīng)速度快，且具有較寬的線(xiàn)性范圍和較低的檢測(cè)限，穩(wěn)定性和重復(fù)性良好，因而具有一定的應(yīng)用前景。

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Keywords: nonenzymatic sensor;glucose;chemically modified electrode;carbon nanotubes;palladium nanoparticles

Preparationofdendrimerfuncationalizedcarbonnanotube/Pdnanoparticlescompositefornonenzymaticglucosebiosensing

HOU Dai-hong,LAI Guo-song,ZHANG Hai-li

(College of Chemistry and Chemical Engineering,Hubei Normal University,Huangshi 435002,China)

Polyamidoamine (PAMAM) dendrimer was covalently grafted with carboxylated carbon nanotubes (CNTs) for the in situ deposition of palladium nanoparticles (Pd NPs). Based on the electrode modification with the as-prepared CNTs-PAMAM/Pd NPs nanocomposites and the further coating of chitosan on its surface, a nonenzymatic amperometric glucose biosensor was developed. Electrochemical impedance spectroscopy and cyclic voltammetry were used to characterize and optimize the performance of the sensor. Under the optimal conditions, this sensor exhibited a rapid amperometric response towards glucose (less than 3 s), and a wide linear range from 0.03 to 61.7 m mol·L-1was obtained with a detection limit of 11.5 μmol·L-1(S/N=3). This biosensor has low cost, good stability, selectivity and repeatability, thus indicating great potentials for practical applications.

2013—12—08

湖北省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(D2010250);國(guó)家自然科學(xué)基金(21075030)

侯代紅(1987— )，女，湖北公安人，碩士研究生.

O167.3

A

1009-2714(2014)01- 0037- 05

10.3969/j.issn.1009-2714.2014.01.008