集成酶的介孔复合膜的制备及其在电化学生物传感器中的应用

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发展电化学生物传感器纳米电极对于现代检测,便携装置以及增强性能具有重大意义,但是,对电极和酶费时费力以及复杂的修饰过程使此类传感器的构建面临挑战,因此,人们渴望通过简单可靠的酶固定过程简化生物传感器的制备进而提高酶活性位与电极之间直接电子迁移。  本文中,依据近年来电势控制的表面活性剂界面自组装技术的发展我们报道了由电沉积法一步构建高效,直接电子迁移基酶植入的纳米孔电极。不同于之前电沉积的非生物活性介孔材料,酶通过与双亲磷脂模板的强作用进而将生物功能引入电沉积介孔膜中。同时,ZnO是一种适宜吸附低等电点蛋白质(比如葡萄糖氧化酶,等电点IEP~4.2)的高等电点生物兼容性材料(等电点IEP~9.5),因此通过简单电沉积法一步制备磷脂模板的共价嵌入酶的介孔ZnO膜。并结合扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、小角X射线衍射、紫外可见吸收光谱(UV-vis)对ZnO膜的形貌和结构进行表征。  以结构诱导有机双亲生物分子1,2-二棕榈酰-sn-甘油-3-磷酸单钠盐(DPGP)模拟自然生物膜作为界面模板电化学合成了层间距为43.7(A)的ZnO/DPGP复合膜结构。并研究了沉积时间、沉积电势和DPGP浓度等化学和电化学参数对复合膜结构与质量的影响。讨论了以自组装的DPGP双层膜为模板的层状结构形成机理。相比于纯ZnO膜和ZnO/SDS复合膜电极,ZnO/DPGP复合膜电极能够在无任何氧化还原介质存在下在-0.146 V有效催化氧化NADH,大幅地降低了超电势。  基于ZnO/DPGP复合膜优异的电催化NADH活性,我们进一步合成了植入ADH的复合膜电极来构建无需电子接继器的乙醇电化学生物传感器,一种具有2.5-3.5 nm孔径的L3介孔相结构。复合膜由层状相转变为“海绵”相(L3)是由工作电极表面形成的DPGP-ADH复合物界面模板引起的,乙醇安培检测具有宽的线性响应范围(10-650μM)、快速且稳定的响应时间(3-5 s)、高灵敏度(7.6μA cm-2)以及低检测限(2.1μM,S/N=3)。其表观米氏常数在pH7.2下为2.6mM,同时,乙醇传感器对电活性物质比如抗坏血酸、L-胱氨酸和尿酸表现出了优异的抗干扰能力。  我们又以植入GOx的类似的纳米孔复合膜电极来构建无需电子接继器的葡萄糖电化学生物传感器为例,贯穿“海绵”L3介孔相复合膜结构的无序纳米孔的尺寸在2.5-3.5 nm。酶负载量增加的同时,伴随着膜厚度增加导致的扩散速率的降低,因此电沉积60分钟能够得到最优的电催化活性。其电催化氧化葡萄糖的起始电压在ca.-0.35 V,优化条件下葡萄糖的线性响应范围为1-50 mM,检测限为4.7μM(S/N=3)。葡萄糖电化学生物传感器具有高灵敏度53.9μA cm-2mM-1以及与电极高效的电接触(ket=ca.2000 s-1)和良好的稳定性。并证实了葡萄糖电化学生物传感器复合膜电极是表面受限而非表面控制的氧化还原反应。ZnO/DPGP复合膜上的直接电子迁移是场驱动的电子迁移和隧穿效应引起的。纳米孔利于传质及其大的接触表面积对提高上述两种传感器性能起到了重要作用,同时作为有效的电子桥的基质介孔膜也促进了酶与电极之间的直接电子迁移。
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