離子液體和納米材料提高電化學(xué)傳感器性能之新策略.pdf

1、電化學(xué)傳感器具有選擇性好、靈敏度高、操作和攜帶方便、易微型化等優(yōu)點(diǎn)，是目前傳感領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。在基于蛋白質(zhì)（酶）的電化學(xué)生物傳感領(lǐng)域，保持酶的催化活性和提高蛋白質(zhì)（酶）的直接電子轉(zhuǎn)移信號進(jìn)而提高傳感器性能是科研工作者追求的目標(biāo);在基于納米材料的無酶電化學(xué)傳感領(lǐng)域，研究納米材料演變的機(jī)制和制備較高電催化活性的納米材料是構(gòu)建高性能電化學(xué)傳感器的關(guān)鍵。
　　被人們譽(yù)為“綠色”溶劑的離子液體和納米材料是近年來發(fā)展迅速的兩類新型傳感材料。

2、離子液體在電化學(xué)生物傳感領(lǐng)域中有重要的應(yīng)用。作為粘結(jié)劑，離子液體替代石蠟油制備的碳離子液體電極(CILE)優(yōu)勢頗多，但其背景電流較大。對于含酶的CILE來說，在保持酶活性的前提下降低其背景電流、提高其信噪比是亟需解決的重要問題。作為支持電解質(zhì)，離子液體對固定化和游離的氧化還原蛋白（酶）的直接電子轉(zhuǎn)移過程有著不同程度的影響，但其影響機(jī)制尚不明確。這些機(jī)制的認(rèn)識對構(gòu)建高性能的生物傳感器有重要幫助。不僅如此，它們與離子液體的Hofmeiste

3、r效應(yīng)的某些關(guān)聯(lián)也有利于建立離子液體Hofmeister序列的生物電化學(xué)表征方法。納米/微米級的CuO和納米多孔金(NPG)在無酶電化學(xué)傳感領(lǐng)域中有重要的應(yīng)用，其性能與納米材料的尺寸、形貌等有著密切的關(guān)系，探究納米材料的形成機(jī)制以及建立簡便、低耗、綠色的方法制備電催化活性較高的納米材料是提高電化學(xué)傳感器性能的關(guān)鍵。為此，本論文從幾個新的視角嘗試開展了如下研究工作:
　　1.離子液體提高碳離子液體酶電極性能的新策略
　　以離子

4、液體為粘結(jié)劑制備的CILE具有傳統(tǒng)碳糊電極(CPE)不可比擬的優(yōu)勢，基于CILE的電化學(xué)生物傳感器已在分析和檢測中獲得應(yīng)用。然而，CILE的背景電流較大，目前通過單純加熱室溫下為固體的離子液體（為粘結(jié)劑）制備的CILE雖然能降低背景電流，但也會影響含酶CILE中酶的活性。本文從選擇具有恰當(dāng)熔點(diǎn)的離子液體的角度出發(fā)，期望在保持酶活性的前提下降低電極的背景電流，進(jìn)而提高含酶CILE的信噪比。1-丙基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽([Pmim][P

5、F6])的熔點(diǎn)為39℃，以此為粘結(jié)劑制備出了新型的含葡萄糖氧化酶(GOx)的CILE。循環(huán)伏安圖和電化學(xué)阻抗譜表明，[Pmim][PF6]與石墨粉恰當(dāng)?shù)谋壤图訜岽胧┚苡行У亟档捅尘半娏鳌⒃黾与姌O的機(jī)械強(qiáng)度。相對于CPE，加熱的CILE能更靈敏地檢測H2O2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與以熔點(diǎn)為65℃的正辛基吡啶六氟磷酸鹽(OPFP)為粘結(jié)劑制備的GOx-CILE相比，葡萄糖在基于[Pmim][PF6]的酶電極上的響應(yīng)信號更大。紅外光譜證明，在各

6、自的熔點(diǎn)加熱后，OPFP與石墨粉的混合物中，酶結(jié)構(gòu)遭到了嚴(yán)重的破壞，而在[Pmim][PF6]與石墨粉的混合物中，酶結(jié)構(gòu)得到了保持。因此，選擇熔點(diǎn)略高于室溫的[Pmim][PF6]制備GOx-CILE不僅能通過加熱降低背景電流，又能保持酶的活性，從而達(dá)到提高此類酶電極分析性能的目的。
　　2.離子液體對固定化酶直接電子轉(zhuǎn)移的影響及抗F-生物傳感器的構(gòu)建
　　氧化還原蛋白質(zhì)（酶）的直接電子轉(zhuǎn)移是第三代電化學(xué)生物傳感器的基礎(chǔ)。離

7、子液體在此類傳感器的構(gòu)建和應(yīng)用中具有重要作用。然而，離子液體作為支持電解質(zhì)對固定化蛋白質(zhì)（酶）直接電子轉(zhuǎn)移的影響及其機(jī)制尚未明確，而且目前各類電子促進(jìn)劑或電子介體的使用、覆蓋膜的不當(dāng)選擇也不利于研究離子液體陰陽離子的影響。本文用全氟磺酸陰離子膜(Nafion)將辣根過氧化物酶（HRP）固定在玻碳電極上，研究了[BF4]-鹽離子液體中咪唑陽離子上的烷基鏈長對HRP直接電子轉(zhuǎn)移和電催化活性的影響及其規(guī)律。結(jié)果表明，離子液體中的少量水有利于維

8、持Nafion膜中HRP的電化學(xué)活性，而且最佳水含量隨著烷基鏈長的增加而降低，這主要由離子液體親水性大小所決定。與水介質(zhì)相比，離子液體介質(zhì)對HRP的直接電子轉(zhuǎn)移有促進(jìn)作用，且不同離子液體中得到的電化學(xué)參數(shù)與離子液體本質(zhì)有明顯關(guān)聯(lián)。電子轉(zhuǎn)移動力學(xué)研究表明，HRP和玻碳電極之間的直接電子轉(zhuǎn)移是表面限域準(zhǔn)可逆的單電子轉(zhuǎn)移過程，且隨著咪唑環(huán)上烷基鏈長的增加，HRP的表觀異相電子轉(zhuǎn)移速率常數(shù)逐漸減小，但變化幅度不大。不同離子液體中酶電極對H2O2

9、的電催化研究表明，H2O2的電催化還原電流隨著離子液體陽離子碳鏈的增長而顯著下降，且此變化趨勢和離子液體黏度的變化一致，這是由H2O2在不同離子液體中傳質(zhì)速率不同所致。該修飾電極的覆蓋膜是Nafion陰離子膜，這不僅有利于突出離子液體陽離子效應(yīng)，而且相對于中性瓊脂糖膜，其抗F-性能明顯增強(qiáng)，避免了離子液體陰離子解離的少量F-對HRP活性中心的毒化，從而構(gòu)建了抗F-性能較高的生物傳感器。
　　3.離子液體對游離酶直接電子轉(zhuǎn)移的影響及

10、離子液體Hofmeister序列的生物電化學(xué)表征方法的建立
　　為了更直觀地研究離子液體對HRP直接電子轉(zhuǎn)移的影響及機(jī)制，有必要研究水介質(zhì)中離子液體與HRP間的相互作用。本文用電化學(xué)方法系統(tǒng)地研究了水溶液中不同離子液體的陰陽離子對HRP直接電子轉(zhuǎn)移和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，在普通的磷酸鹽緩沖液(pH7.0)中，經(jīng)孵化與負(fù)電位富集后，在玻碳電極上觀察不到HRP的直接電子轉(zhuǎn)移信號，但加入離子液體后，HRP有明顯的直接電化學(xué)信號，且

11、電流的大小取決于離子液體的結(jié)構(gòu)及含量。氧化峰電流與掃速之間的線性關(guān)系表明，HRP的直接電子轉(zhuǎn)移是表面限域的薄層電化學(xué)過程。圓二色光譜研究表明，離子液體與HRP相互作用后，HRP的二級結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，活性中心外露，有利于直接電子轉(zhuǎn)移的發(fā)生，而且實(shí)驗(yàn)證明這種變化與HRP催化活性的變化、直接電子轉(zhuǎn)移信號的大小相互對應(yīng)。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和酶催化活性是衡量離子液體Hofmeister效應(yīng)的兩個重要方向，本文以HRP直接電子轉(zhuǎn)移信號為指標(biāo)，建立了研究離子

12、液體陰陽離子Hofmeister序列的電化學(xué)表征方法。此項(xiàng)研究不僅有利于理解離子液體對游離HRP直接電子轉(zhuǎn)移的影響及機(jī)制，為高性能電化學(xué)傳感器的構(gòu)建提供理論支撐，也為蛋白質(zhì)的分離純化、酶促生物催化與轉(zhuǎn)化設(shè)計(jì)綠色和生物兼容的離子液體提供了指導(dǎo)。
　　4.納米材料制備的新策略及其電催化性能的研究
　　無酶電化學(xué)傳感器不涉及生物活性物質(zhì)，因而受溫度、pH值等外界環(huán)境的影響較小，用簡便、低耗、綠色的方法獲得電催化活性較高的新型納米材

13、料是構(gòu)建無酶電化學(xué)傳感器的前提。本文利用陽極溶出法在無任何添加劑的NaOH溶液中制備了CuO花型微球(CuOFMs)，這個簡便、快速的方法只需在室溫下即可完成。X-射線衍射圖、掃描電鏡(SEM)圖和透射電鏡圖表明，該CuOFMs是由CuO納米片構(gòu)成的單斜晶體。紅外光譜表明，由此方法制備的CuO極其純凈，沒有Cu(OH)2的存在。通過控制不同的電解時(shí)間，研究了各個階段生成物的結(jié)構(gòu)演變過程，提出了CuOFMs的形成機(jī)制。相對于非CuOFMs

14、修飾的平面電極，H2O2在CuOFMs修飾電極上的電氧化起始電位較負(fù)、氧化電流較大，表明該CuOFMs對H2O2有較高的電催化活性，而且其響應(yīng)電流隨著H2O2濃度的增加而線性增大，表明CuOFMs修飾電極具有較好的傳感能力，由此成功構(gòu)建了重現(xiàn)性和穩(wěn)定性良好的無酶H2O2電化學(xué)傳感器。
　　NPG是很好的電催化材料，為獲得自支撐的納米多孔金電極(NPGE)，本文選擇對水和空氣穩(wěn)定的離子液體（氯化膽堿·氯化鋅）為介質(zhì)，在無任何保護(hù)措施

15、下，利用原位電化學(xué)合金/去合金方法制備了NPGE，研究了溫度對金電極表面合金/去合金過程的影響及其機(jī)制。循環(huán)伏安實(shí)驗(yàn)和SEM圖表明，隨著制備溫度的升高，金表面形成的合金增多，NPG的多孔性增加。與平面金電極相比，120℃下制備的NPGE的電活性面積和堿性及中性溶液中對葡萄糖的電催化活性都大大增加。在中性條件下，此NPGE能較好地檢測葡萄糖。此研究不僅有利于理解電化學(xué)合金/去合金制備NPG的機(jī)制，而且為高性能無酶葡萄糖電化學(xué)傳感器的構(gòu)建提