分級(jí)結(jié)構(gòu)ZnO-CNF 納米材料的制備及其電化學(xué)生物傳感器的構(gòu)建

王國(guó)林

（江西科技師范大學(xué)材料與機(jī)電學(xué)院，江西材料表面工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌，330036）

0 引言

各種生活和工業(yè)垃圾對(duì)飲用水源的污染，增加了水性傳染病的發(fā)生率，為了保護(hù)飲用水安全，人們通常會(huì)進(jìn)行消毒處理。氯化消毒是國(guó)內(nèi)滅殺飲用水中病毒性病原體與有害細(xì)菌，防治水性傳染病的主要手段，但往往也會(huì)產(chǎn)生一類新的有機(jī)化合物［1］。三氯乙酸(TCA)就是其中占比最大的化學(xué)有機(jī)物。它不僅無(wú)法進(jìn)行生物降解，而且屬于2B 類的致癌物之一，具有極強(qiáng)的致癌風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重危害人體健康和生命安全。因此，開發(fā)一種簡(jiǎn)單、高效的分析檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)水中三氯乙酸含量的快速檢測(cè)具有重大的意義和價(jià)值。電化學(xué)生物傳感器因檢測(cè)速度快、靈敏度高、成本低、操作容易等優(yōu)點(diǎn)而得到了人們的廣泛關(guān)注［2］。

電化學(xué)生物傳感器通常由工作電極及其表面固定的生物識(shí)別元件組成，其中生物識(shí)別元件能對(duì)目標(biāo)物產(chǎn)生選擇性響應(yīng)并將其濃度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電信號(hào)［3］。目前常用的生物識(shí)別元件包括氧化還原蛋白、酶、激素、抗原、抗體、組織、細(xì)胞器以及細(xì)胞等［4］。血紅蛋白(Hemoglobin, Hb)是電化學(xué)研究中最常用的氧化還原蛋白之一［5,6］，然而其宏觀三維結(jié)構(gòu)易導(dǎo)致電活性中心不能接近電極，因此很難實(shí)現(xiàn)兩者之間的直接電子轉(zhuǎn)移?，F(xiàn)有的研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)修飾電極表面或者直接對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行修飾，在不改變蛋白質(zhì)活性的前提下，使其蛋白質(zhì)的電活性中心能夠更加接近電極表面，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)與電極之間的直接電子轉(zhuǎn)移［7］。隨著納米技術(shù)與納米材料科學(xué)的發(fā)展，很多納米材料被用于電極的增敏修飾劑，使生物識(shí)別元件獲得更大負(fù)載的同時(shí)倍增電化學(xué)信號(hào)，進(jìn)而提高傳感器的檢測(cè)靈敏度。

碳基納米材料由于具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、化學(xué)多樣性、生物相容性和易于修飾等特點(diǎn)，故而成為電極修飾材料中最富有吸引力的候選者之一［8］。尤其是以碳納米纖維和碳納米管為代表的一維碳納米材料，經(jīng)常在電化學(xué)傳感器件的設(shè)計(jì)過(guò)程中被選作轉(zhuǎn)導(dǎo)基底［9］，但是碳基納米纖維表面呈惰性，不利于蛋白質(zhì)的直接吸附，因此常常進(jìn)行摻雜處理后再用于電極表面修飾［10］。

氧化鋅(ZnO)是一種多功能的半導(dǎo)體材料，不僅無(wú)毒而且生物相容性好，因其較高的等電位點(diǎn) (Isoelectric Point, IEP) 可更好地吸附等電位低的蛋白質(zhì)，因此常被用于電化學(xué)生物傳感器的構(gòu)建［11］。為了解決低電導(dǎo)率的問(wèn)題，人們通常將其與高導(dǎo)電性碳納米材料相結(jié)合，得到性能更為突出的ZnO-碳納米復(fù)合材料，這種復(fù)合材料具有穩(wěn)定性好、導(dǎo)電率高、增大比表面積和增強(qiáng)附著蛋白質(zhì)活性等優(yōu)勢(shì)［12］。

相對(duì)于常規(guī)納米材料而言，分級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料有著更高的孔隙率、更大的比表面積、優(yōu)良的抗團(tuán)聚能力等優(yōu)點(diǎn)，在保持原有納米材料性能的基礎(chǔ)上，通過(guò)構(gòu)建單元之間的耦合或協(xié)同作用還可以產(chǎn)生新的物化性能。故其常被用于超級(jí)電容器、污水處理、光催化以及太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域，而在電化學(xué)生物傳感器領(lǐng)域則鮮有報(bào)道［13］。

本研究通過(guò)靜電紡絲工藝制備出醋酸鋅-聚丙烯腈復(fù)合納米纖維，并以此為骨架，通過(guò)調(diào)控結(jié)晶動(dòng)力學(xué)，在纖維的表面生成三維片狀的醋酸鋅納米結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)高溫碳化得到具有分級(jí)結(jié)構(gòu)的ZnO-CNF 復(fù)合納米材料，隨后使用滴涂法依次將ZnO-CNF 復(fù)合材料、Hb 和Nafion修飾到離子液體碳糊電極(Carbon Ionic Liquide Electrode, CILE)表面，制得電化學(xué)生物傳感器并測(cè)試了其對(duì)TCA 的電催化性能。

1 材料與方法

1.1 試劑及儀器

1.1.1 試劑

DMF (N,N-二甲基甲酰胺，天津大茂化學(xué)試劑廠)；PAN (聚丙烯腈，百靈威科技公司)；(CH3COO)2Zn(醋酸鋅，天津博迪化工公司)；C6HN4(六次甲基四胺，西施蘭藥業(yè)公司)；Hb(血紅蛋白，北京索萊寶科技公司)；5%Nafion (北京鴻海天科技公司)。

1.1.2 儀器

CHI 660E 型電化學(xué)工作站 (上海辰華儀器公司 )；運(yùn)用三電極測(cè)試系統(tǒng)，自制工作(Nafion/Hb/ZnO-CNF/CILE)電極、參比(飽和甘汞)電極、輔助(鉑片)電極；ΣIGMA 型掃描電鏡 (德國(guó)卡爾蔡司公司)；JDF-04 型高壓靜電紡絲機(jī) (長(zhǎng)沙納儀儀器科技公司)。

1.2 分級(jí)納米結(jié)構(gòu)ZnO-CNF 材料的制備

1.2.1 靜電紡絲制備前驅(qū)體

利用靜電紡絲技術(shù)制備醋酸鋅-PAN 復(fù)合納米纖維( (CH3COO)2Zn-PANF )。具體步驟如下：取0.22g 的 醋 酸 鋅 溶 于10mL 的DMF 中，超聲10 min 混合均勻。隨后加入0.78g 的PAN，磁力攪拌40 min 直至PAN 完全溶解，得到靜電紡絲溶液。打開高壓靜電紡絲機(jī)，將紡絲溶液置于5mL 的注射器中， 設(shè)置紡絲的電壓為12 kV，注射泵的流速為20 μL/min，滾筒收集器轉(zhuǎn)速為800r/min，針頭與滾筒之間的距離調(diào)至為18 cm。

1.2.2 二次形核法和高溫碳化制備分級(jí)結(jié)構(gòu)ZnO-CNF

參考Sounart 等人的方法［14］，以( (CH3COO)2Zn-PANF )為骨架，以六次甲基四胺為生長(zhǎng)控制劑，以摻雜的醋酸鋅為晶核在PANF 表面原位生長(zhǎng)出三維片狀醋酸鋅納米結(jié)構(gòu)。具體過(guò)程如下：分別配制0.025mol/L 的醋酸鋅的水溶液和0.025mol/L 的六次甲基四胺水溶液，兩種溶液各取10mL 放入水熱釜混合，磁力攪拌5min，作為生長(zhǎng)液備用。把(CH3COO)2Zn-PANF 放入生長(zhǎng)液中靜置1h 后，再將水熱釜密封放入80℃的烘箱中反應(yīng)2h。取出樣品，用去離子水清洗表面白色沉淀，直至白色沉淀完全洗凈后，在60℃的烘箱中干燥，得到表面具有三維納米片狀結(jié)構(gòu)的醋酸鋅-聚丙烯腈復(fù)合纖維。復(fù)合纖維隨后在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下經(jīng)800℃的高溫碳化處理2h，最終得到具有分級(jí)結(jié)構(gòu)的氧化鋅-碳納米纖維復(fù)合材料(ZnO-CNF)。

1.3 電化學(xué)生物傳感器的構(gòu)建

按照孫偉等人的方法制備離子液體碳糊電極(CILE)［15］。隨后以 CILE 為基底電極，取2mg/mL 的ZnO-CNF 分 散 液(6 μL)滴 涂 于CILE 的表面；自然晾干之后，再取9 mg/mL 的Hb 水溶液(8 μL)繼續(xù)滴涂；自然晾干后，滴涂6μL 的Nafion 溶液封裝，待其自然晾干后最終得到電化學(xué)血紅蛋白傳感器(Nafion/Hb/ZnOCNF/CILE)。

2 結(jié)果與討論

2.1 掃描電鏡和能譜分析

使用掃描電鏡對(duì)所制備材料的微觀形貌進(jìn)行了表征，如圖1 (A)所示，可以發(fā)現(xiàn)(CH3COO)2Zn-PANF 表面光滑，粗細(xì)均勻，直徑約為200nm。圖1 (B)是在醋酸鋅和六次甲基四胺混合液中生長(zhǎng)后的(CH3COO)2Zn-PANF，在纖維表面上生長(zhǎng)了三維片狀的醋酸鋅納米結(jié)構(gòu)。圖1(C)是高溫碳化處理后的ZnO-CNF，纖維表面的三維片狀納米結(jié)構(gòu)得以保留，氧化鋅片層的厚度在10～30 nm 左右。圖1(D)為ZnO-CNF的能譜（EDS）表征結(jié)果，可以明顯觀察到C，O，Zn 三種元素，證實(shí)了纖維表面的三維片狀納米結(jié)構(gòu)為ZnO。

圖1 (A)(C H3 C O O)2 Z n-P A N F；(B)生長(zhǎng)后的(CH3COO)2Zn-PANF；(C)不同放大倍數(shù)下ZnO-CNF的SEM圖；(D)ZnO-CNF的EDS表征

2.2 Hb 的直接電化學(xué)行為

圖2 為在pH=3 的PBS 緩沖液中，通過(guò)循環(huán)伏安法(CV)對(duì)不同修飾電極的電化學(xué)行為進(jìn)行了表征。在 CILE (曲線a) 和 Nafion/ZnOCNF/CILE (曲線b)上明顯都沒有出現(xiàn)氧化還原峰，這表明兩者都沒有電活性物質(zhì)。而曲線d的氧化還原峰電流峰值明顯高于曲線c，這說(shuō)明相對(duì)于Nafion/Hb/CILE 電極而言，ZnO-CNF 復(fù)合材料的引入給Hb 提供了良好的微環(huán)境，促進(jìn)了Hb 電活性中心與電極界面之間的電子傳輸。

圖2 在pH = 3 的PBS 緩沖液中不同修飾電極的循環(huán)伏安曲線，掃描速率為100 mV/s，(a) ClLE；(b)Nafion/ZnO-CNF/ClLE；(c)Nafion/Hb/ClLE；(d)Nafion/Hb/ZnO-CNF/ClLE

2.3 掃速對(duì)Hb 的直接電化學(xué)行為的影響

對(duì)Nafion/Hb/ZnO-CNF/CILE 進(jìn)行了不同掃速下電化學(xué)行為的檢測(cè)，如圖3 (A) 所示。通過(guò)CV 測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，在0.1 到1.8V/s 的掃速范圍內(nèi)，均出現(xiàn)一對(duì)準(zhǔn)可逆氧化還原峰。此外，峰電流值與掃速成正比，掃速越大峰電流也越大，且隨著掃速的變大氧化峰電位和還原峰電位會(huì)分別發(fā)生正移和負(fù)移。由Laviron 理論［16］可以得出Ep 與lnν 的關(guān)系，結(jié)果如圖3 (B) 所示，計(jì)算求出電子傳遞系數(shù)(α) = 0.472，反應(yīng)轉(zhuǎn)移電子數(shù) (n)= 0.97，電極反應(yīng)速率常數(shù)(ks) = 1.78 s-1。圖3 (C)是氧化還原峰電流(Ipa，Ipc)與掃速(ν)之間的線性關(guān)系，其線性回歸方程分別為Ipc (μA) = 353.96 ·υ (V/s) + 55.84 (n = 18，γ = 0.991) 和Ipa (μA) = -271.25·υ (V/s) -28.57 (n = 18，γ = 0.996) ，表明該修飾電極屬于薄層電化學(xué)行為。參考公式Q = n A FΓ*［17］，計(jì)算求得電極表面中電活性的Hb 在其表面覆蓋度 (Γ*) = 3.138×10-10mol/cm2，為Hb 總量 (9.2483×10-10mol/cm2) 的33.93%。

2.4 Nafion/Hb/ZnO-CNF/ClLE 對(duì)TCA的電化學(xué)催化

利用CV 測(cè)試考察了Nafion/Hb/ZnO-CNF/CILE 電極對(duì)TCA 的催化效果，如圖4 (A) 所示。使用pH=3 的PBS 緩沖液，向其中加入濃度有所不同的TCA，均勻攪拌后進(jìn)行CV 測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示氧化峰電流會(huì)漸漸變小，最后消失，但是還原峰電流在-0.434V 的位置處明顯變大，這是TCA 被電催化還原的表現(xiàn)。在濃度為0.77 到230.00 mmol/L 范 圍 內(nèi)，TCA 的 濃 度 與還原峰電流之間呈線性關(guān)系，線性回歸方程為Ip (μA) = 5.64·C(mmol/L) +31.82 (n = 22，γ =0.994) ，據(jù)此計(jì)算出檢測(cè)限為0.25 mmol/L(3σ)，如圖4 (B) 所示。

圖4 (A)Nafion/Hb/ZnO-CNF/ClLE 在不同濃度TCA下的循環(huán)伏安圖(a 到v 為1、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、190、210、220、230mmol/L)；(B)1～230mmol/L 的TCA濃度與峰電流 (lp) 間的線性關(guān)系曲線

3 結(jié)論

本研究通過(guò)高壓靜電紡絲、二次形核和高溫碳化制備了具有分級(jí)結(jié)構(gòu)的ZnO-CNF 復(fù)合材料，將其用于電極表面的修飾，成功構(gòu)建了電化學(xué)生物傳感器 (Nafion/Hb/ZnO-CNF/CILE)。所制備的 ZnO-CNF 不僅具有比表面積大、電傳導(dǎo)率高、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，而且合成方法簡(jiǎn)便、可進(jìn)行大批量生產(chǎn)。CV 測(cè)試得到一對(duì)穩(wěn)定的、明顯的和準(zhǔn)可逆的氧化還原峰，這說(shuō)明ZnO-CNF 的加入，實(shí)現(xiàn)了Hb 電活性中心與電極界面之間的直接電子轉(zhuǎn)移。此外，制備的電化學(xué)生物傳感器對(duì)TCA 顯示出優(yōu)異的電催化能力，具有線性檢測(cè)范圍寬 (0.77～230.00 mmol/L) 、檢測(cè)限低 (0.25 mmol/L) 、敏銳度高、反應(yīng)速度快、波動(dòng)性小和操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。