功能化氧化石墨烯復(fù)合膜內(nèi)葡萄糖氧化酶的生物傳感器

陳思 費(fèi)俊杰 許依婷

摘要：通過氧化石墨烯（GO）與無水甲基乙烯基醚-馬來酸酐（PMVMA）共聚物組合制備成復(fù)合材料（GO-PMVMA），進(jìn)一步制備出改性葡萄糖氧化物（GOD）電極以得到一新型葡萄糖氧化酶生物傳感器。對(duì)修飾電極上GOD直接電化學(xué)行為的直接伏安法研究表明，復(fù)合膜的GOD顯示出一對(duì)具有良好峰形的可逆峰。進(jìn)一步研究了新型葡萄糖傳感器的電催化行為。葡萄糖線性檢測(cè)范圍為0.4mM～10.8mM，檢測(cè)限為0.0871mM（S/N=3）。

關(guān)鍵詞：石墨烯;葡萄糖氧化酶;傳感器

中圖分類號(hào)：X13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2019）09-0-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.09.075

Biosensor for glucose oxidase in functionalized graphene oxide composite membrane

Chen Si 1， Fei Junjie 2， Xu Yiting 2

（1. Xiangtan Medical and Technical College， Xiangtan Hunan 411100， China;

2. Key Laboratory of Environmental Friendly， Xiangtan University， Xiangtan Hunan 411100， China）

Abstract：A composite material （GO-PMVMA） is prepared by combining graphene oxide （GO） with PMVMA， and a modified glucose oxide （GOD） electrode is further prepared to obtain a new glucose oxidase biosensor. Direct voltammetry studies on the direct electrochemical behavior of GOD on modified electrodes show that the GOD of the composite film shows a pair of reversible peaks with good peak shape. The electrocatalytic behavior of the novel glucose sensor was further studied. The linear detection range of glucose was 0.4 mM to 10.8 mM with the limit of detection （LOD） of 0.0871 mM.

Keywords： Graphene; Emzyme; Biosensors

葡萄糖氧化酶（GOD）是一種與人類生活密切相關(guān)的酶，這是一種同源二聚體，由兩個(gè)緊密結(jié)合的黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）輔酶組成[1]。在O2存在下，GOD可以促進(jìn)葡萄糖的電子轉(zhuǎn)移[2]。葡萄糖在食品、制藥和化學(xué)工業(yè)中占據(jù)重要地位，對(duì)于精確測(cè)定葡萄糖含量非常重要。然而，先前研究的酶?jìng)鞲衅髦苽溥^程復(fù)雜且昂貴。因此，為了獲得易于制造和低成本的葡萄糖生物傳感器，最重要的是找到合適的材料來固定酶和電極之間的GOD，發(fā)生直接電子轉(zhuǎn)移[3-4]。

甲基乙烯基醚 - 馬來酸酐共聚物（PMVMA）具有優(yōu)異的性能，如無毒，溶解性好，化學(xué)穩(wěn)定性，附聚，附著力和良好的成膜特性[5]，以其制備的混合材料與電極的粘附增強(qiáng)，對(duì)電極上的葡萄糖氧化酶起固定作用，并改善了修飾電極的穩(wěn)定性和壽命。通過混合PMVMA和GO獲得的電極改性材料改善了酶的生物相容性環(huán)境并增強(qiáng)了生物傳感器的穩(wěn)定性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑及儀器

葡萄糖氧化酶（GOD），Sigma;甲基乙烯基醚共聚馬來酸（PMVMA），阿拉丁;拋光粉，CHI;葡萄糖、石墨粉、高錳酸鉀、濃硫酸、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉，以上藥品均來自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

掃描電鏡SEM，JEOL JSM-6610Lv型，日本; CHI 660D型電化學(xué)工作站，上海辰華儀器公司。

1.2 修飾材料的制備

1.2.1氧化石墨烯（GO）的制備

實(shí)驗(yàn)所用到的氧化石墨烯（GO）是采用Hummers and Offeman方法，以石墨粉為原料利用高錳酸鉀作為氧化劑制備得到[6]。

1.2.2GO-HPEG復(fù)合材料的制備

將20mg HPEG，10mg GO溶于10ml水中，超聲處理1h，并在80℃下反應(yīng)24h。將反應(yīng)溶液抽濾并干燥以制備4mg/L GO-HPEG混合溶液。

2 結(jié)果與討論

2.1 掃描電鏡表征

電極修飾材料的表面形態(tài)通過掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行表征，如圖1所示，氧化石墨烯GO（圖a）在圖中顯示出均勻的層狀結(jié)構(gòu)合成良好，可在玻碳電極上形成均勻的薄膜。GO-PMVMA復(fù)合薄膜（圖b）顯示出特定的顆粒度，表明PMVMA與GO之間存在直接的相互作用。GO-PMVMA / GOD復(fù)合膜（圖c）顯示清晰的粒度，表示GOD和PMVMA-GO混合物之間結(jié)合緊密，進(jìn)一步說明GOD已成功固定在GO-PMVMA復(fù)合物上。

2.2PMVMA-GO/GOD/GCE的直接電化學(xué)

每個(gè)修飾電極直接電化學(xué)特征采用循環(huán)伏安法進(jìn)行表征。底部溶液是pH 7.0的氮飽和pH（PBS）溶液，掃描速度為100 mV / s。從圖2中可以看出，GCE（曲線b），PMVMA-GO / GCE（曲線d），PMVMA / GOD / GCE（曲線）沒有氧化還原峰值電流。GO / GOD / GCE（曲線c）具有小的峰值電流，但峰的形狀是不對(duì)稱的，尾峰很大。相比之下，在相同條件下，只有PMVMA-GO / GOD / GCE（e曲線）具有一對(duì)良好峰形的氧化還原峰，且有較大的峰值電流和中等強(qiáng)度的尾峰和背景電流，同時(shí)氧化峰值電位和還原峰值電位分別為-0.448 V和-0.482 V，峰值電位差為0.034 V。氧化峰值電流和還原峰值電流（ipa和ipc）基本相等，PMVMA-GO復(fù)合膜充分固定GOD，很好的促進(jìn)GOD電活性中心與電極表面之間的電子轉(zhuǎn)移，為GOD保留了生物活性，提供適合GOD直接電化學(xué)行為的微環(huán)境。

圖3是PMVMA-GO / GOD / GCE修飾電極的循環(huán)伏安圖，底液采用pH7.0的PBS的氮飽和緩沖溶液，從內(nèi)到外以25至250mV / s的掃描速率疊加，每次速度增加25mv / s，隨著掃描速度的變化，GOD的氧化還原峰電位幾乎沒有變化。從內(nèi)插圖中可以看出，還原峰電流ipc和氧化峰電流ipa隨掃描速度的增加呈線性增加。表明在PMVMA-GO / GOD復(fù)合膜中，GOD與玻碳電極之間易于實(shí)現(xiàn)直接電子轉(zhuǎn)移，且本過程是一個(gè)表面控制過程。由法拉第公式：Q=nFAГ*，計(jì)算出改性PMVMA-GO / GOD / GCE電極面積Г*為2.129×10-11 mol·cm2。隨后，根據(jù)laviron模型研究，nΔEp小于200mV。根據(jù)公式ks=mnFv/RT，計(jì)算GOD在復(fù)合膜PMVMA-GO / GOD中的直接電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)，GOD與電極之間的電子轉(zhuǎn)移速度ks計(jì)算為1.701 s-1，大于Cai C X[7]研究的Nafion-GOD-CNT修飾電極 （1.53 s-1）、 Tu X [8]研究的CNTs-IDA-Co-GOD修飾電極（0.59 s-1），表明GOD在GO-HPEG / GOD上修飾電極是一種快速的電子轉(zhuǎn)移過程。圖3為PMVMA-GO/GOD/GCE在掃描速度為25、50、75、100、125、150、175、200、225、250 mV·s-1（從內(nèi)到外）下的循環(huán)伏安圖。內(nèi)插圖為PMVMA-GO/GOD/GCE峰電流與掃速的線性關(guān)系。

3 結(jié)論

在PMVMA-GO復(fù)合薄膜中固定GOD，制備簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，環(huán)境友好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，GO和PMVMA可以加速PMVMA-GO復(fù)合薄膜的電子轉(zhuǎn)移。葡萄糖生物傳感器具有良好的性能。葡萄糖生物傳感器的催化活性好、穩(wěn)定性好、線性范圍寬、重現(xiàn)性高、檢出限低，提供了良好的第三代生物傳感器平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2019-05-24

作者簡(jiǎn)介：陳思（1991-），女，漢族，研究生，助教，研究方向?yàn)殡姺治龌瘜W(xué)。