基于葡萄糖氧化酶-聚苯胺修饰电极的电化学传感器的研究

赵宗明

(安徽省地矿局332地质队测试中心　安徽黄山　245000)



基于葡萄糖氧化酶-聚苯胺修饰电极的电化学传感器的研究

赵宗明

(安徽省地矿局332地质队测试中心安徽黄山245000)

摘要：在聚苯胺修饰的玻碳电极(PANI/GCE)上进行了葡萄糖氧化酶的固载，并探讨了葡萄糖在该修饰电极上的电化学响应情况。研究了pH值、电位、温度等条件对该传感器电化学信号的影响。在最佳实验条件下，在5.00×10-4mol/L-2.25×10-3mol/L范围内，电流信号和葡萄糖浓度呈良好的线性关系，线性相关度达到0.999，表明利用此传感器可对葡萄糖进行电化学检测。

关键词：聚苯胺；修饰电极；葡萄糖氧化酶；生物传感器

1　引言

人体血液中的血糖水平是衡量糖尿病临床诊断和新陈代谢能力的重要指标,因此监测血液中的葡萄糖含量具有重要的生物学及医学意义。基于葡萄糖氧化酶(GOx)的电化学生物传感器在葡萄糖浓度的检测领域具有非常重要的地位。葡萄糖在GOx催化条件下，可以通过生化反应生成过氧化氢。葡萄糖电化学传感就是通过监测过氧化氢的电化学信号来间接测定葡萄糖的浓度[1]。所以，制备灵敏度高、抗干扰性能强、响应快及稳定性好的葡萄糖氧化酶电极已成为该领域内近年研究的热点之一[2]-[5]。聚苯胺是一种具有良好生物兼容性的导电聚合物，当它作为导电中介体修饰于电极表面时，能够为传感器提供更大的准电容，从而可以提高传感器检测的灵敏度，在修饰电极领域有着广泛的应用[6]。基于此，本文制备了GOx/PANI/GCE修饰电极，并利用该修饰电极进行葡萄糖浓度的测定。

2　实验部分

2.1仪器和材料

LK2005电化学工作站，三电极系统：研究电极为修饰电极，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂片电极。

所用试剂均为分析纯，所用水均为二次蒸馏水。以pH=7的0.1mol/L 的磷酸缓冲溶液(PBS)，配制浓度为1.0×10-3mol/L葡萄糖溶液，进行电化学实验，全部测试在氮气保护下进行。

2.2修饰电极的制备

将玻碳电极(GCE)在氧化铝粉末上抛光至镜面，以水冲洗，再超声清洗2分钟，然后将电极插入0.5mol/L稀硫酸中，在0V-1.5V(vs SCE)电位区间作循环伏安扫描直到得重现的伏安图，此时电极表面已达到清洁要求。

将聚苯胺超声分散在二次蒸馏水中，形成悬浮液(10mg/ml)，移取20μL聚苯胺溶液滴涂在干净的电极表面上，经干燥，再滴涂20μL葡萄糖氧化酶溶液，即制得葡萄糖氧化酶/聚苯胺复合修饰电极(GOx/PANI/GCE)，在4℃条件下保存、待用。

3　结果与讨论

3.1聚苯胺膜上修饰葡萄糖氧化酶前后的红外光谱

研究了聚苯胺膜修饰葡萄糖氧化酶前后红外吸收光谱的变化情况，如图1所示。与聚苯胺的红外光谱相比较，可以看出聚苯胺-葡萄糖氧化酶的红外光谱中显示出了葡萄糖氧化酶的特征吸收。1594cm-1和1384cm-1处的吸收峰对应于葡萄糖氧化酶上氨基的吸收。1361cm-1是氧化酶的C=O双键的伸缩振动。650cm-1-900cm-1范围内的吸收峰可对应于N-H基团的面内和面外的变形振动。红外光谱的数据表明葡萄糖氧化酶可以固载在聚苯胺的表面，且氧化酶的次级结构保存完好。

图1　PANI膜和GOx/PANI膜的红外光谱图

3.2葡萄糖在GOD/PANI/GCE修饰电极上的电化学行为

图2　葡萄糖在PANI/GCE与GOD/PANI/GCE上的循环伏安曲线

在pH等于7.0，浓度为1×10-3mol/L的葡萄糖的PBS溶液中，在扫速50 mV/s，温度40℃的条件下，用循环伏安法研究了葡萄糖在修饰电极上的电化学响应情况，如图2所示。由图可知，聚苯胺修饰在电极表面使得充电电流得到增强，在-0.70V左右出现了非常强的溶解氧的还原峰，说明聚苯胺修饰层有利于溶解氧的电化学反应。当在聚苯胺上继续修饰葡萄糖氧化酶后，-0.70V处的氧的还原电流被明显的抑制。根据文献报道[7]，葡萄糖在葡萄糖氧化酶的催化作用下，与溶液中溶解氧反应生成过氧化氢。其生化反应式为：

Glucose+GOx (ox)→Gluconolacton+GOx(red)

(1)

GOx (red)+O2→GOx(ox)+H2O2

(2)

H2O2→O2+2H++2e

(3)

由于溶液中的溶解氧参与了葡萄糖的生化反应而被消耗，因此，葡萄糖氧化酶修饰在电极上后，溶解氧的电化学还原峰的强度被极大的抑制。

图3研究了不同葡萄糖浓度下的循环伏安曲线，可以发现随着葡萄糖浓度的增加，-0.70V附近的还原电流逐渐减小，表明随着葡萄糖浓度的增加，消耗于葡萄糖酶催化反应的溶解氧的量增加，相应的在电极上发生氧的电还原过程溶解氧的量减少，因此氧的还原电流减小。在0.80V处的氧化电流逐渐增大，说明由于葡萄糖浓度的增加，通过酶催化反应产生的过氧化氢的量增加，因此过氧化氢的电氧化电流随之增加。葡萄糖在GOx/PANI/GCE上电化学电流的变化情况表明，可以用电化学方法进行葡萄糖浓度的检测。由于溶解氧还原电流浓度变化的幅度很大，为了获得较好的灵敏度，在恒电位实验中，选择还原电位进行实验。由于电位选择在负电位区进行，还可以避免抗坏血酸等可能共存物质的干扰。

图3　不同浓度的葡萄糖在GOx/PANI/GCE上的循环伏安曲线

3.3扫速的影响

在20mV/s-300mV/s扫速范围内，研究了电化学电流随扫速的变化情况，结果表明，电化学电流与扫速间成正比变化关系，说明电极过程主要由表面吸附控制。

3.4温度的影响

控制温度分别为25℃、30℃、35℃、40℃、45℃和50℃，研究了温度对该葡萄糖传感器电化学性能的影响。发现随温度的逐步升高，葡萄糖电化学信号也逐渐增强。由于在高温下酶容易失去活性，且溶液中的水蒸发速度过快，可能影响葡萄糖的准确浓度，因此本实验选用温度为40℃。

3.5pH的影响

在pH 6.4-8.0的范围内研究了pH值对电化学电流的影响。发现在pH 7.0时所得到的电化学电流最强，故本实验pH值选择7.0。

3.6恒电位的选择

采用恒电位技术，得到了不同电位条件下的电流-时间曲线，结果发现在-0.80V时，电流强度达到最大值。故选择-0.80V作为葡萄糖的检测电位。

3.7传感器的响应情况

用恒电位技术，在-0.80V电位条件下，研究了葡萄糖浓度与电化学电流间的关系。发现在5×10-4mol/L-2.25×10-3mol/L浓度范围内，葡萄糖的浓度与电流信号表现出良好的线性变化关系，相关系数达到0.999。

3.8抗干扰实验

研究了一些葡萄糖共存物，如半胱氨酸、抗坏血酸、尿酸等在修饰电极上的电化学响应情况。发现上述物质的存在对葡萄糖的测定基本无影响。

4　结论

在聚苯胺修饰层上进行了葡萄糖氧化酶的固载，制备了基于葡萄糖氧化酶的电化学传感器。用电化学方法和红外光谱对该传感器进行了研究，发现葡萄糖氧化酶在修饰电极上很好的保持了生物活性。对影响传感器响应性能的各种因素进行了研究，在最佳实验条件下，进行了葡萄糖的检测，发现在0.5mM-2.25mM浓度范围内，电流信号与葡萄糖浓度间具有良好的线性关系。

参 考 文 献

[1]周海晖，陈宏，宁晓辉，罗胜联，魏万之，旷亚非，铂修饰超细纤维聚苯胺在葡萄糖生物传感方面的应用[J].分析化学研究简报，2004,11:1445-1449

[2]陈文静，屈建莹，基于静电吸附碳纳米管和壳聚糖固定葡萄糖氧化酶的生物传感器[J].分析化学研究简报，2009,5:733-736

[3]马国仙，仲慧，陆天虹，夏永姚，葡萄糖氧化酶在炭黑上的固定及直接点化学[J].物理化学学报，2007,23(7)：1053-1058

[4]丁收年，单丹，张静，薛怀国，孙岳明，葡萄糖氧化酶在氧化铋纳米多晶膜中的固定剂生物传感[J].东南大学学报，2010,40(6)：1327-1331

[5]向灿辉，孙志勇，谢青季，去甲肾上腺素聚合膜固定葡萄糖氧化酶用于葡萄糖传感[J].四川师范大学学报，2010,33(3)：372-376

[6]J. Liu, M. Agarwal, K. Varahramyan, Glucose sensor based on organic thin film transistor using glucose oxidase and conducting polymer, Sensors and Actuators B: Chemical, 2008, 135 : 195-199

收稿日期：2016-12-10

作者简介：赵宗明(1964-)，男，安徽省地矿局332地质队测试中心，岩矿分析专业，高级工程师，长期从事实验测试工作。

中图分类号：O652.9

文献标识码：A

文章编号：1672-9994(2016)01-0032-03

Study on Electrochemical Sensor Based on Glucose Oxidase/Polyaniline Modified Glassy Carbon Electrode

ZHAO Zong-ming

Abstract：A new amperometric glucose biosensor is developed by immobilizing glucose oxidase onto the surface of PNAI modified glassy carbon electrodes. The electrochemical signal of glucose was investigated. Several impact factors such as pH, temperature, and applied potential were studied. Under the optimal condition, the electrochemical signals changed linearly with the concentration of glucose in the range of 5×10-4-2.25×10-3mol/L with a correlation coefficient of R=0.999. The results revealed the prepared biosensor might be used in the detection of glucose.

Key words：polyaniline (PANI); modified electrode; glucose oxidase; biosensor