靜電紡絲傳感界面的基礎研究

周翠松，張 蕾，丁曉東，羅嬌嬌，史亞林，龍彧茵，王從敏，肖 丹

（1.四川大學化學學院，四川成都610065）

（2.四川大學分析測試中心，四川成都610065）

0 引言

靜電紡絲技術(shù)因其簡單、通用、容易操控等優(yōu)點已經(jīng)成為制備微納米纖維材料的代表性技術(shù)之一[1-4]。靜電紡絲微/納米纖維具有直徑可調(diào)、比表面積大、吸附性強以及孔隙率高等優(yōu)勢，其在生物醫(yī)用材料、藥物傳送、光電器件以及傳感器界面材料等方面有著廣泛的應用前景[2-3]。早期制備的靜電紡絲大多是單一的純組分纖維，然而單一材料存在缺乏表面特異性、力學性能差、響應速率慢等缺點，限制其在分析領(lǐng)域的應用[4]。近年來針對這些問題，該文研究組致力于靜電紡絲傳感界面的基礎研究，圍繞纖維表界面功能化、識別分子固載，以及電荷遷移、光電催化性能等方面，研制了幾種新型功能化微/納米纖維，成功用作高靈敏生物傳感器[5-9]。

1 光化學傳感界面

研制摻雜銥配合物的發(fā)光聚苯乙烯納米纖維膜（EOF）,結(jié)合簡單的紫外輻照技術(shù)和化學共價修飾技術(shù)，以葡萄糖氧化酶（GOD）做模型酶，構(gòu)建了基于熒光猝滅的GOD/EOF熒光傳感界面[5]（如圖1）。該界面能特異性識別分析物葡萄糖，并能與溶解氧之間迅速地電子轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)了對葡萄糖的靈敏快速檢測。檢出限低至0.1 nmol/L，響應時間 1 s，與 GOD/OTF(普通涂膜)相比，響應信號提高了近5倍。該生物功能化發(fā)光纖維傳感機制為進一步發(fā)展普適性的生物傳感器提供新的研究思路。

圖1 GOD/EOF快速檢測葡萄糖機理圖[5]Fig.1 Schematic illustration of the GOD/EOF quickly detecting glucose[5]

2 電致化學發(fā)光傳感界面

靜電紡絲傳感界面在固相電致化學發(fā)光（ECL）傳感領(lǐng)域也有潛在的應用前景。通過磺酸化改性技術(shù)和離子液體自組裝技術(shù)的探究，可在聚苯乙烯（PS）亞微米纖維表面原位組裝疏水性Ru(bpy)3(PF6)2納米粒子（RuNP），首次用于 α-萘酚的靈敏檢測，檢出限低至1 nmol/L，比直接修飾Ru(bpy)32+的該PS纖維的檢出限低了近2個數(shù)量級[6]（如圖2）。為了進一步改善靜電紡絲的傳感性能，通過一步法靜電紡絲技術(shù)制備了摻雜Ru(bpy)32+、羧基化多壁碳納米管（c-MWNTs）以及室溫離子液體（IL：BMIMPF6）的聚丙烯腈（PAN）復合纖維，證實了摻雜碳納米管與離子液體之間的協(xié)同作用能有效促使摻雜Ru(bpy)32+的ECL信號放大。與Ru(bpy)32+/PAN纖維相比，該復合纖維的ECL信號增強了23.4倍，并成功靈敏檢測小分子苯酚，檢測限低至1 nmol/L[7]。

圖2 RuNP/SPS纖維的制備及其ECL猝滅響應的示意圖[6]Fig.2 Schematic illustration of the preparation and the ECL quenching response of the RuNP/SPS microfibers[6]

3 電化學傳感界面

靜電紡絲除了直接用作傳感界面，還可以間接法研制傳感界面，以滿足更廣泛的傳感應用需求。為此，該文研究組嘗試以PS紡絲纖維為模板，發(fā)展了一種直徑可調(diào)聚苯胺（PANI）微管的制備方法[8]（如圖3）。該微管直徑在0.63 μm至2.93 μm范圍可調(diào)。與PANI納米線以及納米顆粒相比，該方法制備的PANI微管比表面積大、導電性高、電活性強，因而可以作為良好的傳感界面用于抗壞血酸（AA）的電化學檢測，檢出限降低了1個數(shù)量級，低至0.28 μmol/L。富含正電荷的聚苯胺微管還能用作生物酶分子的固載界面。以GOD為模型酶，實驗證實了GOD能在PANI微管上均勻大量的固載并實現(xiàn)GOD在電極上的直接電子轉(zhuǎn)移，可發(fā)展成為一種簡單、快速、靈敏的電化學葡萄糖傳感器[9]，檢出限低至0.8 μmol/L，優(yōu)于同類其它PANI材料構(gòu)建的葡萄糖傳感器。

圖3 PANI微管的制備及其電催化氧化AA的示意圖[8]Fig.3 The preparation of PANI microtubes and their electrocatalytic oxidation of AA[8]

4 結(jié)論

綜上，靜電紡絲作為界面材料，在構(gòu)建光、電致化學發(fā)光以及電化學傳感器等方面發(fā)揮了潛在優(yōu)勢。通過調(diào)控纖維表面微觀結(jié)構(gòu)、發(fā)展生物識別分子的組裝方法，以及改善功能化納米纖維與生物大分子、小分子間的相互作用等幾個方面的基礎研究，有望提高靜電紡絲的光、電響應效率和速率，以期實現(xiàn)超靈敏的傳感器構(gòu)建，將在光電器件、疾病診斷、新藥研發(fā)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

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