乙烯基二茂鐵共聚物修飾電極的研究進展

尹應樂， 李 靜， 陳新泰， 陸 杰， 劉最芳， 陳緒煌*,

(1.湖北工業(yè)大學材料科學與工程學院，湖北武漢 430068； 2.湖北工業(yè)大學綠色輕工材料湖北省重點實驗室，湖北武漢 430068； 3.空軍預警學院黃陂士官學校，湖北武漢 432200)

二茂鐵是20世紀50年代發(fā)現的一種結構性質特殊、具有重要理論價值和廣闊應用前景的茂金屬化合物的典型代表。二茂鐵衍生物是一類富電子體系物質，此類物質修飾電極的特征是膜中含有氧化還原中心，在電位掃描過程中能發(fā)生氧化或還原反應，還能對反應物活化或促進電子的轉移速率[1]。小分子電介體易流失增加了電極的不穩(wěn)定性，限制了其在臨床醫(yī)學方面的應用，而聚合物電介體的出現解決了小分子電介體易流失的缺點，成為近年來研究熱點，其中以乙烯基二茂鐵(VFc)的研究最為廣泛。從VFc的分子結構上來看，VFc為單取代烯類單體可與其他帶功能性基團的乙烯基單體共聚合成聚合物電介體[2 - 6]，與小分子電介體相比擴散系數較低，從而減少電介體流失對電極穩(wěn)定性的影響及其應用的限制；另一方面VFc含有氧化還原中心即二茂鐵基團，因而聚合物電介體可以通過“電子跳槽”來進行電子轉移，即電子沿著固定在高分子鏈上的氧化還原中心(二茂鐵基團)，經過一系列從還原態(tài)的二茂鐵基團向氧化態(tài)的二茂鐵基團跳槽來完成電子的不斷傳遞[7，8]，且VFc的氧化還原電位較低，僅為0.4 V左右[9]。

1 乙烯基二茂鐵自由基聚合的特點

VFc的分子結構與苯乙烯有些類似，但VFc苯溶液中自由基聚合并不遵循常規(guī)乙烯基單體自由基聚合機理。George[10，11]通過研究由偶氮二異丁腈(AIBN)引發(fā)VFc在苯溶液中均聚聚合機理證實了VFc聚合的特異性，其原因是存在“分子內電子轉移”，即以VFc基團為端基的增長鏈自由基容易發(fā)生電子由二茂鐵基團向自由基轉移，從而導致鏈自由基失活和增長鏈的提前終止，同時該反應的發(fā)生將產生順磁性Fe(Ⅲ)。乙烯基單體自由基聚合的電子轉移終止現象已經被一些學者所證實[12，13]，但不同點是該電子轉移反應的發(fā)生需要添加金屬鹵化物，并且此反應屬于分子間電子轉移反應，因此“分子內電子轉移”可用來描述VFc這種新型的終止方式。Tinker等[14]通過研究VFc在1,4-二惡烷中的聚合過程，發(fā)現其聚合速率分別與單體濃度的0.97次方和引發(fā)劑濃度的0.42次方成正比，基本上與常規(guī)乙烯基單體聚合速率關系式相吻合，即該聚合過程遵循常規(guī)乙烯基單體的聚合機理，并通過穆斯堡爾譜證實了均聚物中并不存在Fe(Ⅲ)，說明反應過程中不存在“分子內電子轉移”。Tinker提出造成VFc在苯和1,4-二惡烷中聚合的顯著性差別可能與苯參與“分子內電子轉移”有關，一些學者也證實了苯可與VFc之間發(fā)生特殊反應[15，16]，而1,4-二惡烷有效避免了該反應的發(fā)生，可能與1,4-二惡烷分子中不含共軛π鍵較為穩(wěn)定有關。George等[17]通過電子自旋共振波譜發(fā)現VFc與丁二烯在1,4-二惡烷中聚合的共聚物中含有Fe(Ⅲ)，說明該聚合過程存在“分子內電子轉移”，即該聚合過程并不遵循常規(guī)乙烯基單體聚合機理，提出了VFc在1,4-二惡烷溶液中均聚與共聚機理之間的差異可能與溶劑效應和位阻效應有關。隨著對VFc聚合的進一步研究，水[18]、1,4-二惡烷與乙醇的混合溶液[19]、乙醇與水的混合溶液[20]也逐漸地作為VFc聚合的溶劑。

2 修飾電極的制備及表征

2.1 修飾電極的制備

分子自組裝技術可有效縮短酶活性中心和電極表面間的距離，但對酶的空間取向要求較高，且固定在電極上的酶和聚合物電介體的量有限，底物在電極表面的反應速度緩慢[21]。Hiller等[22]試圖將聚合物電介體和葡萄糖氧化酶共同物理吸附于碳電極上，這種方法要求聚合物電介體必須有很長的分子鏈，既提供足夠的吸附鏈段以防止脫附，又要確保其具有足夠的柔性鏈段，使其能夠穿透酶蛋白而抵達酶的活性中心，進而進行電子傳遞，然而同時滿足這兩方面十分困難。為防止柔性鏈聚合物電介體流失，通常需要在電極上采用包埋的方法，如使用半透析膜[23]、導電聚合物膜[24]、碳糊[25]等。溶膠-凝膠制備工藝簡單，其多空結構適合固定生物大分子，且物理化學性質如孔徑、粘度、成型形狀、化學組成、比表面積、導電性等易于控制，加之其優(yōu)異的光學透過性能為生物傳感器的制備提供更多機會和條件[26]?；碌狭恋萚27]采用納米金溶膠與二茂鐵構成復合固酶基質，以溶膠-凝膠法固定葡萄糖氧化酶于金溶膠和二茂鐵混合制備的碳糊電極表面，增強了葡萄糖氧化酶活性中心與電介體之間的電子轉移速率，使傳感器的線性范圍、壽命和靈敏度顯著提高。

2.2 修飾電極的表征

對電活性物質的研究，循環(huán)伏安法是一種常用的多功能電化學分析方法，適合于氧化還原反應的表征和機理研究，在電化學生物傳感器領域應用較為廣泛[28 - 31]。循環(huán)伏安法是在固定面積的工作電極和參比電極之間加上對稱的三角波掃描電位，記錄工作電極上得到的電流與施加電位的關系曲線，即循環(huán)伏安圖。Senel等[32]采用VFc與甲基丙烯酸縮水甘油酯的共聚物薄膜將過氧化氫酶固定于玻碳電極上來制備一種新型的過氧化氫生物傳感器，并通過循環(huán)伏安法來進行酶電極電化學性能的表征。研究發(fā)現存在過氧化氫時，酶電極氧化峰電流明顯高于不存在過氧化氫時的電流，表明催化反應提高了酶電極的氧化電流和辣根過氧化物酶催化過氧化氫發(fā)生氧化是以共聚物電介體中的二茂鐵基團作為媒介的，即該含乙烯基二茂鐵結構單元共聚物電介體可有效地將酶活性中心的電子轉移至電極的表面。

3 修飾電極電化學性能的影響因素

3.1 測試電位的影響

含VFc結構單元的聚合物電介體中含有氧化還原中心，在電位掃描的過程中可發(fā)生氧化還原反應。Himuro等[9]通過不同測試電位下酶電極循環(huán)伏安圖的差異來研究測試電位的影響。研究表明電流密度隨著葡萄糖濃度的增加而增加，并隨檢測電位的升高催化電流密度增長速率隨之增加，即在高的檢測電位下有利于聚合物電介體中的二茂鐵基團發(fā)生氧化還原反應，從而提高了電極表面與葡萄糖氧化酶活性中心之間電子轉移的速率。但盡管如此，過高的檢測電位會使一些電活性物質比如尿酸、抗壞血酸等氧化產生電流，這將對葡萄糖檢測產生干擾，因此選擇合適的檢測電位可以提高電化學分析檢測的精度。Saito[25]指出當檢測電位略高于聚合物電介體的氧化還原電位，酶電極即可電化學催化葡萄糖氧化。

3.2 膜厚度的影響

Himuro等[9]通過調整修飾電極氧化還原聚合物溶液的量來改變聚合物電介體薄膜的厚度，進而研究其對電極電化學性能的影響。研究表明隨著氧化還原聚合物薄膜的厚度的增加，氧化和還原峰電流密度都隨著增加。其原因為隨著氧化還原聚合物薄膜厚度的增加，其中所含的氧化態(tài)的二茂鐵基團的數量也隨之增加，這有利于電子快速地由酶的活性中心轉移至電極的表面，從而表現出電流密度的增加。

3.3 測試溫度的影響

溫度對酶電極電化學性能的影響主要表現為酶活性的高低與所處的溫度有關。Cevik等[32]通過檢測溫度30～50 ℃范圍內酶電極的催化電流密度，發(fā)現隨著溫度的升高催化電流也隨之升高并在45 ℃下達到最大值，隨后逐漸下降，其原因在于辣根過氧化物酶在適宜的溫度范圍內表現出較高的活性，有利于催化過氧化氫的氧化。Cevik同時還指出在最初的溫度區(qū)域內催化電流與溫度的關系符合阿倫尼斯模型，計算出的活化能Ea為1.67 kJ/mol小于Zhang[33]用聚苯胺固定辣根過氧化物酶案例中的酶活化能，表明辣根過氧化物酶固定在甲基丙烯酸縮水甘油酯與VFc共聚物薄膜上表現出較高的活性。

3.4 乙烯基二茂鐵結構單元含量的影響

Saito等[25]制備了不同VFc結構單元含量的VFc與甲基丙烯酸羥基乙酯(HEMA)共聚物，并研究了其對酶電極電化學性能的影響。實驗表明隨著聚合物電介體中VFc結構單元增加，催化電流密度也隨之增加并出現極大值，隨后逐漸降低。VFc-HEMA共聚物為兩性聚合物，包含有疏水性VFc結構單元和親水性HEMA結構單元。在低含量VFc結構單元情況下，隨著VFc結構單元含量的增加，酶活性中心附近氧化態(tài)的二茂鐵基團的量也隨之增加，從而有利于電子在酶活性中心與電極表面之間的轉移，表現出電流密度隨之增加，然而隨著VFc結構單元的增加，共聚物逐漸由親水性轉變?yōu)槭杷裕殡S著葡萄糖分子向酶電極擴散的能力隨之下降，進而減少了被葡萄糖氧化酶氧化的葡萄糖的數量，與此同時，聚合物鏈中VFc結構單元含量越高，其鏈的柔性也就越低，也就降低了其穿透酶蛋白而抵達酶活性中心的能力，因而高VFc結構單元含量的共聚物表現出催化電流密度降低。同時，Saito[34]另一篇論文的觀點與該結論相符。

3.5 聚合物電介體中殘留單體的影響

聚合物電介體中殘留共聚單體將會影響酶電極的穩(wěn)定性。VFc與其他乙烯基單體(如丙烯酰胺)相比，自由基聚合單體競聚率較小，隨著聚合反應的進行，反應液中殘余的丙烯酰胺與VFc之間的比值將逐漸減小，即反應后期反應液中殘余的VFc單體含量相對較高，如果反應不充分，反應液中易殘留一部分未反應VFc單體。小分子擴散系數相對較大，用未純化的聚合物電介體修飾電極會造成小分子電介體向檢測液擴散。隨著聚合物電介體中殘余單體的流失，承擔酶活性中心與電極表面之間的電子轉移的介質由初期的聚合物電介體和殘余VFc單體逐漸轉變?yōu)閱为氂删酆衔镫娊轶w來完成二者之間的電子轉移，表現出的催化電流密度由高向低直至達到穩(wěn)定值的轉變，從而降低了檢測數據的可靠性和重復性，因此合成產物需要對殘余的單體進行清除。在去除殘余單體的方式上，Kuramoto等[35]采用反復洗滌與沉淀來除去殘留的VFc單體,該方法較為簡易，但容易造成產物的流失。Liu等[36]則用沉淀和透析的方法來實現殘余單體的去除，并用高效液相色譜法檢測透析后殘留單體的含量，在一定程度上降低了產物的流失。

4 結論

VFc氧化還原電位較低，且呈現出良好的電化學可逆性，因此由VFc合成的聚合物電介體被廣泛的用于生物傳感器的修飾。VFc自由基聚合過程中容易發(fā)生單分子終止反應，即“分子內電子轉移”，該反應將使得鏈自由基失活和聚合物增長鏈提前終止，從而降低了聚合物分子量，一些學者提出溶劑效應和位阻效應可能是導致該反應發(fā)生的主要原因。在酶電極的電化學表征方法中，循環(huán)伏安法是較為常用的分析方法。但是，在利用該修飾電極檢測分析物濃度之前，需要對檢測條件進行優(yōu)化，以提高修飾電極的靈敏度和穩(wěn)定性。