鎂摻雜及電化學(xué)還原對二氧化鈦納米結(jié)構(gòu)生物傳感器電極性能影響的研究.pdf

1、對生物大分子進行具體簡單，快速低成本，且具有高靈敏度的測定是目前研究的熱點。電化學(xué)生物傳感器的健康監(jiān)測有助于診斷和疾病檢測。利用酶吸附引導(dǎo)生物傳感器電極之間的直接電子轉(zhuǎn)移已被公認(rèn)為是影響傳感器性能的關(guān)鍵因素。電極對H2O2電化學(xué)生物傳感器的性能起著至關(guān)重要的作用，包括電極的選擇功能，電極材料，其表面改性，如尺寸，結(jié)構(gòu)參數(shù)和摻雜，均顯著影響其傳感能力。
　　納米材料廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域，包括生物傳感器，而納米材料可以顯著提高器件的效率

2、。二氧化鈦(TiO2)是研究最多的一種金屬氧化物材料。這種材料由于其良好的性能，廣泛應(yīng)用于染料敏化太陽能電池，光電解細(xì)胞，光催化劑和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。二氧化鈦(TiO2)具有良好的酶吸附能力，并有利于有更多的酶吸附量并提高其電子轉(zhuǎn)移效率。其中，納米TiO2由于良好的蛋白吸附能力和生物相容性，成為一個最好的選擇。
　　本研究中，采用二氧化鈦(TiO2)納米結(jié)構(gòu)作為H2O2生物傳感器電極的改性材料。選擇純度為99.99％和0.1毫米厚度

3、的鈦(Ti)箔的基板。同時，在電化學(xué)檢測過程中，辣根過氧化物酶作為選擇的模型酶修飾在電極上。通過物理吸附的方法，Nafion溶液被用來固定酶和提高其生物相容性。在實驗過程中，首先制備出納米TiO2改性的電極，然后采用生物傳感器按標(biāo)準(zhǔn)，進行生物傳感器電極組裝，即用環(huán)氧樹脂將非工作區(qū)域封閉，之后將HRP溶液滴在電極上，自然晾干后將HRP修飾在納米改性電極上。最后，滴上Nafion溶液以保護酶維持在電極上。將得到的Nafion/HRP/TiO

4、2納米結(jié)構(gòu)Ti基板的電極用去離子水清洗后置于4℃冰箱中保存。
　　本文提供的設(shè)計和摻雜納米二氧化鈦的生物傳感器，能夠提高傳感器的性能，降低其最低檢測限，H2O2濃度線性范圍寬，靈敏度高，穩(wěn)定。
　　TiO2納米點改性電極制備:利用分相自組裝法在Ti基板上制備了了TiO2納米點薄膜。以H2O∶鈦酸丁酯∶acac的摩爾比了為1∶1∶0.3配置10μL的前驅(qū)體溶膠。取30μL前驅(qū)體溶膠旋旋涂(7500rpm/50s)到Ti基板上，

5、然后在空氣中進行煅燒(500℃/90min)。為了研究納米點薄膜微觀結(jié)構(gòu)對電極性能的影響，通過改變前驅(qū)體溶膠TBOT濃度調(diào)控納米點薄膜不同組織(0.1 mol/L為Tnd-1，0.2 mol/L tnd-2和0.25 mol/L為tnd-3）。場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)用來表征了TiO2納米點結(jié)構(gòu)?？梢杂^察到前驅(qū)體溶膠TBOT濃度對TiO2納米點的密度和大小有顯著的影響。TiO2納米點平均直徑分別為:59nm，107 nm，13

6、4 nm。 TiO2納米點的密度分別為: TiO2納米點的比表面積分別為:因此，隨著前驅(qū)體溶膠TBOT的濃度的增加，納米點的平均分布密度下降，而平均直徑和比表面積增加。
　　電化學(xué)性能測定:采用電化學(xué)工作站(chi660d)用來檢測其傳感性能。利用三電極系統(tǒng):飽和甘汞電極是作為參考電極，鉑電極作為對電極，納米點薄膜作為工作電極。采用循環(huán)伏安法研究其電化學(xué)行為。對掃描速度和檢測電流的關(guān)系作了研究。隨著掃描速率的增大，氧化還原峰電流呈

7、線性增加。同時，也觀察到峰與峰的分離也越來越明顯。這實際上是由于HRP和電極之間的直接電子轉(zhuǎn)移。在較慢的掃描速率時峰與峰之間的間隔為0，這是由于氧化還原中心被吸附在電極上，且擴散不發(fā)揮作用。這些實驗結(jié)構(gòu)顯示氧化還原峰增加是由于基本上固定的HRP產(chǎn)生的電化學(xué)反應(yīng)。此外，這些結(jié)果表明，HRP和TiO2納米點/鈦電極發(fā)生直接電子轉(zhuǎn)移之間。也就是說，實現(xiàn)了通過固定酶誘導(dǎo)直接電子轉(zhuǎn)移。利用安培法檢測上述電極的不同傳感器性能。有許多實驗參數(shù)對傳感器

8、性能的影響，如施加電壓、PBS溶液的pH值。為實現(xiàn)最佳的生物傳感器性能，對這些變量進行了優(yōu)化，即施加電壓從0.3到0.9 V的范圍內(nèi)，固定磷酸緩沖溶液PBS的pH值為7，并利用三電極進行測試，通過重復(fù)每個實驗的三次取平均值。發(fā)現(xiàn)在施加電壓為0.8V時實現(xiàn)最佳的電流響應(yīng)，利用不同的PH值從5到8測試了三電極的性能。通過對比其他PH條件下電流的響應(yīng)，每次最佳的添加H2O2溶液量為200.1M PBS(pH=7)，施加電壓為0.8V作為優(yōu)化后

9、的測試條件。圖4a顯示了典型的安培法檢測曲線，對于不同的電極，0.1M PBS(pH=7)溶液中0.8 V可作為優(yōu)化操作電位。通過對TiO2納米點薄膜電極修飾可以提高其性能。
　　實驗結(jié)果與討論：
　　(a) TiO2納米點改性電極
　　采用不同密度的TiO2納米點改性電極TND-1，TND-2和TND-3，它們的靈敏度分別為349.1，404.8和897.8μA·mM/cm2。電極Tnd-3表現(xiàn)出最佳的靈敏度和檢測限

10、。這可能歸因于TND-3電極最大的比表面積可以用來固定酶。而且，Tnd-3具有最低檢測限:0.26μm，線性范圍1-850毫米，米氏常數(shù)為1.27毫米。米氏常數(shù)是通過Lineweaver-Burk方程計算出來的，因為關(guān)鍵可測參數(shù)與蛋白酶的工作狀態(tài)相關(guān)。米氏常數(shù)為1.27毫米，相比1.32毫米和1.3毫米均要小。這意味著，該酶在低濃度H2O2可以獲得與Tnd-3/Ti電極更好的催化效率。電極的選擇性和穩(wěn)定性是則由循環(huán)安培法進行測試。電極的

11、選擇性和抗干擾性同樣也在20 H2O2條件下進行測試，因為其電極電流的反應(yīng)最快速和最強。當(dāng)加入100μm尿酸或者抗壞血酸(AA)和葡萄糖時，未發(fā)現(xiàn)干擾電流產(chǎn)生的，這表明生物傳感器具有良好的抗干擾性和高選擇性。在穩(wěn)定性方面，利用循環(huán)伏安法對電極的性能做了長時間的循環(huán)測試。改性的生物傳感器在4℃被保存28天后，在相同的條件下測定的生物傳感器的性能，電流幾乎保持不變(84.5％)，而保存10天后的性能可以達(dá)到最初的。結(jié)果表明，TiO2納米點改

12、性電極可以作為一種穩(wěn)定的生物傳感器應(yīng)用。
　　(b)摻Mg的TiO2納米點改性電極
　　本研究中，Mg離子由于其與蛋白質(zhì)或酶具有良好的親和性，作為摻雜元素被用來摻雜進入TiO2納米點，進一步提高電極性能。Mg摻雜同樣通過旋涂和煅燒過程制備。以六水氯化鎂乙醇溶液制備的前驅(qū)體溶膠，乙酰丙酮(AcAc)，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，去離子水，和鈦酸四丁酯(TBOT)作為原料。H2O∶鈦酸丁酯∶acac的摩爾比為1∶1∶0.3，鎂的濃

13、度(1％～6％)對不同樣品的前驅(qū)體溶膠配比。取30μL前驅(qū)體溶膠旋旋涂(7500rpm/50s)到Ti基板上，然后在空氣中進行煅燒(500℃/90min)。通過SEM和TEM研究了Mg摻雜對納米點形貌的影響，發(fā)現(xiàn)TiO2納米點的密度和大小隨著Mg摻雜明顯改變。這表明在0-6％摩爾比例范圍內(nèi)，鎂離子的摻雜沒有對Marangoni效應(yīng)分相自組裝過程產(chǎn)生顯著的影響，從而影響旋涂過程中仍能出現(xiàn)納米點的形貌。然而，Mg摻雜顯示對TiO2納米點的密

14、度和尺寸產(chǎn)生顯著的影響。與未摻雜的TiO2納米點相比，濃度的提高納米TiO2納米點的密度與Mg摻雜濃度成反比，而TiO2納米點的大小則與Mg摻雜濃度成正比。這種變化可以歸因于球形相分離的旋涂薄液層中受到鎂前驅(qū)體中氯陰離子的影響。在透射電鏡下觀察單個的TiO2納米點，發(fā)現(xiàn)在TiO2納米點中Mg元素分布均勻，有利于蛋白質(zhì)或酶的吸附。對Mg摻雜的TiO2納米生物傳感器的電化學(xué)行為進行了研究。2％ mg摻雜TiO2納米點的氧化電位和還原電位峰分

15、別在-0.335 V和-0.473V。峰與峰之間的峰寬△EP為0.138 V。當(dāng)100μM的H2O2加入到0.1 M PBS中時，Nafion/HRP/mg-Tnd-2/Ti生物傳感器電極表現(xiàn)出良好的反應(yīng)，這表明電極對H2O2具有很強的電催化活性。同時，摻雜的納米點薄膜電極中直接電子轉(zhuǎn)移速率比未摻雜的生物傳感器電極更快。這可以歸因于Mg摻雜的TiO2納米點具有更好的固定酶的功能。另外，Nafion/HRP/mg-Tnd-2/Ti與不同的

16、掃描速率得到了傳感器電極的循環(huán)伏安曲線。實驗結(jié)果表明，還原峰電流隨著掃描速率的增大（從0.1到0.5 V.s-1）呈線性增加。陰極峰的增加歸因于生物傳感器電極的電化學(xué)反應(yīng)的增強，表明反應(yīng)在生物傳感器電極的直接電子轉(zhuǎn)移是表面控制的。因此，鎂摻雜能增強TiO2納米點薄膜的生物傳感器電極的電化學(xué)響應(yīng)。利用安培法對傳感器性能進行了測試，從0.4 V至0.9 V測試結(jié)果顯示電流響應(yīng)的傳感器最佳的外加電壓為0.8 V。對不同pH值的0.1 M磷酸緩

17、沖溶液(5，6，6.5，7，7.4，8)進行了最佳pH值的篩選。pH響應(yīng)的生物傳感器電極性能表明，在pH值為7時最佳，因此，對電極性能測定的PBSpH值定為7。
　　Mg摻雜為2％的TiO2納米點薄膜傳感器電極的研究顯示，靈敏度從1377.64增加到897.8μA mM-1 cm-2，米氏常數(shù)從1.27 mM下降到0.83mM，表明酶由于Mg的酶親和性產(chǎn)生了更高的催化效率。這種摻雜方法提供了一種通過化學(xué)修飾提高電流型生物傳感器電極

18、性能的有效途徑。當(dāng)加入H2O2后，還原電流在3s內(nèi)迅速增加，且達(dá)到95％的穩(wěn)態(tài)電流值。還發(fā)現(xiàn)H2O2濃度與還原電流之間的存在線性關(guān)系，和電流的線性范圍為為0.9996。此外，2％ Mg摻雜的TiO2納米點的生物傳感器電極現(xiàn)實一個極低的檢測限0.027μM（信噪比為3）。盡管生物傳感器的靈敏度隨納米點薄膜的比表面積增加而增加，鎂離子的貢獻是顯而易見的。電極的比表面積相比1.09倍，但是具有顯著明顯的電極靈敏度差異。因此，研究表明，合適的比

19、表面積和Mg摻雜量均有助于促進酶的吸附作用。尿酸或者抗壞血酸(AA)和葡萄糖對Nafion/HRP/Mg-Tnd-2/Ti電極的干擾作用也利用循環(huán)伏安法進行測試。Nafion/HRP/Mg-Tnd-2/Ti電極對加入25μM H2O2在-0.8V時的反應(yīng)非?？焖俸蛷娏?，然而加入100μM的尿酸或者抗壞血酸(AA)和葡萄糖是沒有反應(yīng)的。這說明Nafion/HRP/Mg-Tnd-2/Ti電極具有良好的抗干擾性能和極好的選擇性。Nafion/

20、HRP/Mg-Tnd-2/Ti電極穩(wěn)定性的抗干擾性同樣采用循環(huán)伏安法進行了測試，將電極在4℃條件下保持28天之后，電極在同樣的條件下進行測試，發(fā)現(xiàn)仍然保持了85.3％的活性，保存了10天后的電價活性仍然保持了89％，顯示了電極良好的穩(wěn)定性。
　　(c) TiO2納米棒改性電極
　　鈦基底上合成銳鈦礦型TiO2納米棒分三個步驟:傳統(tǒng)水熱，堿處理和熱處理。第一步的水熱溶液通過0.45克苦味酸，15毫升酒精，60毫升水，40毫升鹽

21、酸(HCl)和220μL鈦酸丁酯混合攪拌而成。然后鈦基體和混合溶液被放置在一個聚四氟乙烯內(nèi)膽的水熱反應(yīng)釜中，然后把它放進爐中160℃反應(yīng)4小時后自然冷卻至室溫。采用去離子水和乙醇沖洗獲得的金紅石型TiO2納米棒薄膜，隨后讓其在室溫下干燥后。第二步驟是在100毫升的聚四氟乙烯容器中配置摻量的氫氧化物(NaOH/KOH=1∶1)溶液，然后將上述獲得的金紅石型TiO2納米棒薄膜放入后，200℃水熱反應(yīng)2小時，用去離子水清洗后，然后浸泡在0.1

22、M HCl中4小時。最后，將樣品在500℃熱處理2小時，獲得最終的TiO2納米棒薄膜。通過XRD表征表明獲得的TiO2產(chǎn)物為銳鈦礦型TiO2相。其形成過程是在水熱過程中Ti-O-Ti鍵對被打斷而形成Ti-O-Na(Ti-O-K)和Ti-OH鍵。通過質(zhì)子置換作用將Na+，K+和羥基置換出來，形成鈦酸。鈦酸又進一步通過熱處理形成銳鈦礦型二氧化鈦。FESEM圖像顯示銳鈦礦型TiO2納米棒具有一維線狀結(jié)構(gòu)，其直徑約30 nm，且納米棒的表面光滑

23、。形成銳鈦礦納米棒為在同一種晶型下研究不同納米結(jié)構(gòu)的作用能力建立了基礎(chǔ)。
　　利用循環(huán)伏安(CV)法研究了Nafion/HRP/TNR-A/Ti電極對過氧化氫(H2O2)電的電化學(xué)行為。隨著50μM H2O2的添加，電極的還原峰電流明顯增大，同時，氧化峰電流降低，表明辣根過氧化酶(HRP)對過氧化氫(H2O2)具有良好的電催化活性。另外，Nafion/HRP/TNR-A/Ti電極的傳感性能還通過不同的掃描速率的循環(huán)伏安曲線進行了研

24、究。隨著掃描速率的增加(從0.1到0.5 s-1)，還原峰電流呈線性增加。還原電勢可歸因于辣根酶的直接電子轉(zhuǎn)移。研究表明，Nafion/HRP/TNR-A/Ti電極的傳感性能相較之前的生物傳感器具有更好的性能，靈敏度高達(dá)5332.11μA mM-1 cm-2，檢測限低至0.01μMH2O2，線性范圍寬0.05-700μM和小的邁克爾-諾米式常數(shù)0.029mM。銳鈦礦納米棒改性比納米點改性具有更強的作用能力。納米棒對電極電化學(xué)還原過程的催

25、化活性的顯著的提高，意味著在電極上的直接電子轉(zhuǎn)移變得更好。
　　(d)電化學(xué)還原預(yù)處理對TiO2改性電極性能的影響
　　通過電化學(xué)還原的方式對TiO2薄膜進行預(yù)處理，試圖增加TiO2介體在電極與電極工作酶之間的直接電子轉(zhuǎn)移效率。在1M(NH4)2 SO4溶液中，利用1.5 V電勢對TiO2納米點薄膜電極(Ag/AgCl電極作為對電極)進行電化學(xué)還原預(yù)處理。處理后，TiO2納米點表面Ti3+離子量增加，TiO2納米棒增加最為明

26、顯，表明電化學(xué)還原預(yù)處理是一種有效的方式。當(dāng)對傳感器電極進行組裝之后，電化學(xué)還原預(yù)處理的電極表現(xiàn)出更高的過氧化氫的反應(yīng)和更好的直接電子轉(zhuǎn)移，也有更高的檢測靈敏度，表明電化學(xué)性能得到改善。
　　電化學(xué)還原預(yù)處理的Mg摻雜的電極，具有較高的靈敏度1825.6μA.mM1·cm-2，相當(dāng)于未處理前的幾乎兩倍。表明電化學(xué)修飾以及Mg摻雜，可協(xié)同提高其電化學(xué)性能。此外，Nafion/HRP/Ti3+-Mg-TND/Ti電極的米氏常數(shù)經(jīng)過計算

27、為0.63 mM，還原處理后該值變得越小，表明該酶在低濃度H2O2由于更好的介體酶親和力從而達(dá)到更高的催化效率。Nafion/HRP/Ti3+-Mg-TND/Ti電極的穩(wěn)定抗干擾性同樣利用循環(huán)伏安法進行測試。加入10μMH2O2在-0.8V時的反應(yīng)非?？焖俸蛷娏遥欢尤?00μM的尿酸或者抗壞血酸(AA)和葡萄糖是沒有反應(yīng)的。這說明Nafion/HRP/Ti3+-Mg-TND/Ti電極具有良好的抗干擾性能和極好的選擇性。而且發(fā)現(xiàn)Naf

28、ion/HRP/Ti3+-Mg-TND/Ti電極在4℃條件下保持12天之后，電極在同樣的條件下進行測試，發(fā)現(xiàn)仍然保持了91％的活性，保存了28天后的電價活性仍然保持了86.6％，顯示了電極良好的穩(wěn)定性。
　　Nafion/HRP/Ti3+-TNR-A/Ti生物傳感器電極，表現(xiàn)出最佳的電化學(xué)性能，靈敏度達(dá)6096.4μA mM-1 cm-2。此外，具有較低的檢測限0.008μM;線性0.04-700)μm和小的米式值0.0027μM

29、。Nafion/HRP/Ti3+-TNR-A/Ti電極的干擾作用也利用循環(huán)伏安法進行測試。加入10μM H2O2在-0.8V時的反應(yīng)非?？焖俸蛷娏遥欢尤?00μM的尿酸或者抗壞血酸(AA)和葡萄糖是沒有反應(yīng)的。這說明Nafion/HRP/Ti3+-TNR-A/Ti電極具有良好的抗干擾性能和極好的選擇性。Nafion/HRP/Ti3+-TNR-A/Ti電極穩(wěn)定性的抗干擾性同樣采用循環(huán)伏安法進行了測試，將電極在4℃條件下保持12天之后，

30、電極在同樣的條件下進行測試，發(fā)現(xiàn)仍然保持了97.8％的活性，保存了28天后的電價活性仍然保持了94％，顯示了電極良好的穩(wěn)定性。本研究是提供一種簡便、有效的提高傳感器性能的方法，研究得到的Nafion/HRP/Ti3+-TNR-A/Ti生物傳感器電極具有潛在的應(yīng)用價值。
　　結(jié)論:
　　通過TiO2納米結(jié)構(gòu)對生物傳感器電極改性，可以明顯提高其電極的電化學(xué)性。TiO2的納米結(jié)構(gòu)形態(tài)、組成修飾和表面Ti3+離子量直接對性能提高幅度

31、產(chǎn)生重要的影響。對于納米點形式對電極修飾時，Mg摻雜修飾可提高TiO2納米點改性傳感器電極的性能，主要為Mg離子具有強的吸附酶的能力;通過電化學(xué)還原預(yù)處理，可進一步提高傳感器電極的性能，這是由于TiO2表面Ti3+離子數(shù)目增加，導(dǎo)電特性提高，從而使酶與電極間實現(xiàn)直接電子轉(zhuǎn)移更為容易。對于納米棒形式對電極修飾時，其對提高傳感器電極性能的作用明顯大于納米點，主要是納米棒具有更多的表面積與酶相互作用;經(jīng)電化學(xué)預(yù)還原處理，其傳感器電極性能達(dá)到最