鎂摻雜及電化學還原對二氧化鈦納米結構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。利用酶吸附引導生物傳感器電極之間的直接電子轉移已被公認為是影響傳感器性能的關鍵因素。電極對H2O2電化學生物傳感器的性能起著至關重要的作用，包括電極的選擇功能，電極材料，其表面改性，如尺寸，結構參數(shù)和摻雜，均顯著影響其傳感能力。
　　納米材料廣泛應用在各個領域，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，廣泛應用于染料敏化太陽能電池，光電解細胞，光催化劑和生物醫(yī)藥等領域。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)納米結構作為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準，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納米結構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的前驅體溶膠。取30μL前驅體溶膠旋旋涂(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構對電極性能的影響，通過改變前驅體溶膠TBOT濃度調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納米點結構?？梢杂^察到前驅體溶膠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。
　　電化學性能測定:采用電化學工作站(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行為。對掃描速度和檢測電流的關系作了研究。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。這些實驗結構顯示氧化還原峰增加是由于基本上固定的HRP產生的電化學反應。此外，這些結果表明，HRP和TiO2納米點/鈦電極發(fā)生直接電子轉移之間。也就是說，實現(xiàn)了通過固定酶誘導直接電子轉移。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，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，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，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，因為關鍵可測參數(shù)與蛋白酶的工作狀態(tài)相關。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最快速和最強。當加入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天后的性能可以達到最初的。結果表明，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％)對不同樣品的前驅體溶膠配比。取30μL前驅體溶膠旋旋涂(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，鎂離子的摻雜沒有對Marangoni效應分相自組裝過程產生顯著的影響，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，有利于蛋白質或酶的吸附。對Mg摻雜的TiO2納米生物傳感器的電化學行為進行了研究。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，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反應的增強，表明反應在生物傳感器電極的直接電子轉移是表面控制的。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響應。利用安培法對傳感器性能進行了測試，從0.4 V至0.9 V測試結果顯示電流響應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的酶親和性產生了更高的催化效率。這種摻雜方法提供了一種通過化學修飾提高電流型生物傳感器電極

18、性能的有效途徑。當加入H2O2后，還原電流在3s內迅速增加，且達到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膽的水熱反應釜中，然后把它放進爐中160℃反應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構，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構的作用能力建立了基礎。
　　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移變得更好。
　　(d)電化學還原預處理對TiO2改性電極性能的影響
　　通過電化學還原的方式對TiO2薄膜進行預處理，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)進行電化學還原預處理。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，表明電化學還原預處理是一種有效的方式。當對傳感器電極進行組裝之后，電化學還原預處理的電極表現(xiàn)出更高的過氧化氫的反應和更好的直接電子轉移，也有更高的檢測靈敏度，表明電化學性能得到改善。
　　電化學還原預處理的Mg摻雜的電極，具有較高的靈敏度1825.6μA.mM1·cm-2，相當于未處理前的幾乎兩倍。表明電化學修飾以及Mg摻雜，可協(xié)同提高其電化學性能。此外，Nafion/HRP/Ti3+-Mg-TND/Ti電極的米氏常數(shù)經過計算

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時的反應非常快速和強烈，然而加入100μM的尿酸或者抗壞血酸(AA)和葡萄糖是沒有反應的。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)出最佳的電化學性能，靈敏度達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用價值。
　　結論:
　　通過TiO2納米結構對生物傳感器電極改性，可以明顯提高其電極的電化學性。TiO2的納米結構形態(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;通過電化學還原預處理，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，導電特性提高，從而使酶與電極間實現(xiàn)直接電子轉移更為容易。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;經電化學預還原處理，其傳感器電極性能達到最