纳米颗粒增强的葡萄糖生物传感器

(B 辑)第30卷第2期SCIENCE IN CHINA (Series B)2000年4月纳米颗粒增强的葡萄糖生物传感器*唐芳琼孟宪伟陈东冉均国苟立郑昌琼(中国科学院感光化学研究所, 北京100101; 四川大学无机材料系, 成都610065)摘要研制的纳米增强葡萄糖传感器是用纳米憎水Au颗粒憎水SiO2颗粒以及Au和SiO2颗粒混合与聚乙烯醇缩丁醛(PVB)构成复合固酶膜基质, 用溶胶-凝胶法固定葡萄糖氧化酶(GOD), 组成葡萄糖生物传感器. 实验表明, 纳米颗粒可以大幅度提高固定化酶的催化活性, 响应电流从相应浓度的几十纳安增强到几千纳安, 电极响应迅速, 1 min达到稳态. 探讨了纳米颗粒效应在固定化酶中所起的作用, 开辟了制备直接电子传递第三代生物传感器的新途径和纳米颗粒应用的新领域.关键词固定化酶(GOD) 纳米Au颗粒纳米SiO2颗粒灵敏度生物传感器是利用生物物质作为识别元件, 将被测物的浓度与可测量的电信号关联起来.生物传感器中研究最多的是酶传感器. 根据酶与电极间电子转移的机理大致可将酶生物传感器分为三代氧的催化原理设计制作的酶传感器称为第一代生物传感器第三代生物传感器是指在无媒介体存在下, 利用酶与电极间的直接电子传递制作的酶传感器. 采用新的电极物质如有机导电盐表面效应量子尺寸效应和宏观量子隧道效应, 并由此产生出许多特殊性质: 奇异力学磁学光学和化学活性等[2]. 本文就是利用纳米金表面反应活性高催化效率高　β-D葡萄糖(SigmaChem.Co); 混合磷酸盐(KH2PO4,Na2HPO4北京化学试剂二厂)聚乙烯缩丁醛(PVB)(中国医药进出口公司, 进口分1999-07-02收稿, 2000-01-05收修改稿* 国家自然科学基金资助项目(批准号: 69731010, 69772039, 69971023)120中国科学 (B 辑)第30卷装)其他试剂均为分析纯, 配制溶液的水均为2次蒸馏水.Ag/AgCl电极(自制)JEM-100型, 日本NEC公司; 紫外光谱仪: 8451A 型美国汇普公司; 自动双重纯水蒸馏器:石英管式, 上海玻璃仪器一厂; 数字多用仪Thurlby 1905-a型英国Thurlby Electronics Ltd10-4mol/kg水溶液制备亲水金颗粒[3]. 所制备Au水溶胶颗粒的透射电子显微镜照片如图1(a).(2) 憎水Au颗粒的制备在AOT/环己烷体系中分别制备满足指定RW (水与表面活性剂的摩尔比)和RE(电解质与表面活性剂的摩尔比)值条件的HAuCl4和柠檬酸钠反胶束, 混合两种反胶束溶液, 磁力搅拌至溶液出现淡紫红色, 制备得到1.0含有表面活性剂AOT/环己烷体系溶液中加入一定量的水, 形成反胶束, 为正硅酸四乙酯的水解提供大小均一的反应场, 定义Ra 为NH3与表面活性剂的摩尔比, 利用RW和Ra值来控制SiO2颗粒的大小. 这样制得含SiO2 2.5图1 纳米颗粒的透射电子显微镜照片(a) 亲水Au颗粒; (b) 憎水Au颗粒RE =0.000 5 Rw=8; (c) 憎水SiO2颗粒Ra=0.5, Rw=4第2期唐芳琼等：　纳米颗粒增强的葡萄糖生物传感器121净后在2次水中煮沸. 待铂丝冷却后用滤纸擦干净. 然后分别在丙酮１０-6mol)的纳米亲水Au10-4mol)混匀, 加至一定量的2的冰箱中.1.3 检测方法采用二电极检测装置[5]. 底液为0.1 mol/LKCl磷酸盐缓冲溶液pH. 测量时先将双电极置于缓冲溶液中, 加一电压于工作电极(0.4V VS.Ag/AgCl), 当背景电流值减少至一恒定值时将电极放至被测溶液(不同量β-D葡萄糖, 0.1 mol/L KCl磷酸盐缓冲溶液)中, 分别记录不同时间的电流响应值, 扣除初始背景电流值即为被测葡萄糖浓度的电极电流响应值.2 结果和讨论溶胶中固定GOD制备电极, 对不分别在含相同量的纳米亲水Au憎水SiO2同葡萄糖浓度测定电极的电流响应如图 2. 作为对比未引入任何纳米颗粒的葡萄糖传感器的响应电流在10 mmol/L时为200 nA/cm2 , 引入憎水SiO颗粒的电极电流响应为2500 nA/cm2,2引入亲水Au 颗粒的电极电流响应为2800 nA/cm2,引入憎水Au颗粒的电极电流响应为7050 nA/cm2. 从中可以看出, 固定化酶时引入纳米颗粒能够增加酶的稳定性和催化活性, 大幅度提高电极的响应电流值. 这是由于纳米颗粒比表面积大我们先前的工作[6,7]已证明, 憎水SiO颗粒表面有利于酶固2定, 改善酶的活性和稳定性图2 纳米颗粒对酶电极的影响示憎水Au,122中 国 科 学 ( B 辑)第30卷撕开GOD 表面的水化壳, 使GOD 拉伸变形以致失去活 性[9]. 而且PVB 凝胶遇亲水Au 颗粒所引入的水立即生成沉淀, 在沉淀中会包裹住大量的GOD, 虽然沉淀最后被搅开, 但经过这一过程, 酶活性必然受到严重影响.憎水AuÔ÷Ë®Au 颗粒以1·Ö×Ó¼äAu 颗粒与Au颗粒间图3 SiO 2颗粒与亲水示SiO 2+憎水Au,图4 GOD 憎水A ｕ颗粒不同加入次序的影响示SiO 2+GOD+Au,第2期唐芳琼等：　纳米颗粒增强的葡萄糖生物传感器123(d ＥＭ)(1) 引入憎水二氧化硅纳米颗粒制备的葡萄糖传感器的响应电流, 与不含纳米颗粒的葡萄糖传感器的响应电流相比提高了十几倍. 这主要由于二氧化硅较强的吸附性能, 和反胶团对酶的稳定和保护作用. 引入的反胶团为固定化酶提供优良反应场所, 增加固定化酶的稳定性和活性. 因而纳米SiO 2颗粒能牢固地吸附大量具有生物活性的GOD, 从而提高电极的电流响应.(2) 亲水金纳米颗粒制备的葡萄糖传感器的响应电流大大提高. 这主要是由于Au 的良好导电性能, 亲水金可能与GOD 氧化还原中心FAD 发生较好的联系, 减小电子在给体和受体间的距离, 提高了电极与GOD 间的电子传递速率.(3) 憎水金纳米颗粒制备的葡萄糖传感器的电流响应与不含纳米颗粒的葡萄糖传感器的响应电流相比提高30倍. 这主要是由于金的良好导电性和憎水颗粒引入的反胶团对酶的保护作用.(4) 憎水二氧化硅分别与亲水反胶团的保护作用和金颗粒的良好的导电性. 由于亲水Au 颗粒可能会与葡萄糖氧化酶的氧化还原中心发生键和, 所以更有利于电子的传递, 可将其近似认为是无媒介传感器.本文利用纳米颗粒制备葡萄糖传感器的方法具有简单易行GOD 用量少易于工业化的优点. 是制备第三代葡萄糖传感器新的途径, 为纳米颗粒的应用开辟了新的领域.我们也研究了纳米Ag(亲水Ａｕ（憎水图5 GOD 分子从FAD 中心向金属电极进行电子转移的距离示意图(a)无金颗粒的酶电极; (b)有金颗粒的酶电极124中国科学 (B 辑)第30卷致谢本工作得到中国科学院光化学实验室的支持, 在此表示感谢.参考文献1Zhao J, Henkens R W, Stonehuerner J, et al. Direct electron transfer at horseradish peroxidase-colloidal gold modified electrodes. J Electroanal Chem, 1992, 327: 109214Stober W, Fink A. Controlled growth of monodisperse silica in the micro size rang. Journal of Colloid and Interface Science, 1968, 26: 62316Tang F Q, Zhang L, Jiang L. Improvement of enzymatic activity and lifetime of Langmuir-Blodgett films by using submicron SiOparticles. Biosensors & Bioelectronics, 1992, 7: 50327038Crumbliss A L, Perine S C, Stonehuerner J, et al. Colloidal Gold as a Biocompatible Immobilization Matrix Suitable for the Fabrication of Enzyme Electrodes by Electrodeposition. Biotechnology and Bioengineering, 1992, 40: 48372310Chen Z J, Ou X M, Tang F Q, et al. Effect of nanometer particles on the adsorbability and enzymatic activitity of glucose oxidase. Colloids and surfaces B: Biointerfaces B: Biointerfaces, 1996, 7 (September): 173纳米颗粒增强的葡萄糖生物传感器作者：唐芳琼， 孟宪伟， 陈东， 冉均国， 苟立， 郑昌琼作者单位：中国科学院感光化学研究所,北京100101;四川大学无机材料系,成都,610065刊名：中国科学B辑英文刊名：SCIENCE IN CHINA (SERIES B)年，卷(期)：2000,30(2)被引用次数：75次1.Chen Z J;Ou X M;Tang F Q Effect of nanometer particles on the adsorbability and enzymatic activitity of glucose oxidase 19962.Khmelnitsky Yu L;Levashov A V;Klyachko N L Engineering biocatalytic systems in organic media with low water content 19883.Crumbliss A L;Perine S C;Stonehuerner J Colloidal Gold as a Biocompatible Immobilization Matrix Suitable for the Fabrication of Enzyme Electrodes by Electrodeposition 19924.张琳;袁金锁;唐芳琼溶胶-凝胶法制备含纳米憎水SiO2颗粒葡萄糖酶电极 1995(07)5.Tang F Q;Zhang L;Jiang L Improvement of enzymatic activity and lifetime of Langmuir-Blodgettfilms by using submicron SiO2 particles[外文期刊] 19926.唐芳琼;李津如;袁金锁双电极LB膜葡萄糖生物传感器 1990(01)7.Stober W;Fink A Controlled growth of monodisperse silica in the micro size rang 19688.Moremans M;Daneels G;Demey J Sensitive colloidal metal (gold or silver) staining of protein blots on nitrocellulose membranes[外文期刊] 19859.李泉;曾广斌;席时权纳米粒子 1995(06)10.Zhao J;Henkens R W;Stonehuerner J Direct electron transfer at horseradish peroxidase-colloidal gold modified electrodes 19921.姜晓琳.李祯.陆杰.顾瑾蛋白质基纳米材料的研究进展[期刊论文]-应用化工 2011(1)2.赵建军.潘勇.秦墨林.黄启斌纳米金属/金属氧化物在电化学传感器中的应用进展[期刊论文]-化学传感器2010(3)3.陈冬梅固定化酶及其在食品工业中的应用[期刊论文]-现代农业科技 2010(19)4.尹志娜固定化酶及其在食品和生物领域的研究进展[期刊论文]-生命科学仪器 2009(10)5.周勇以天青Ⅰ为介体的纳米金颗粒增强的葡萄糖传感器[期刊论文]-分析测试学报 2009(7)6.赵晓华.孟庆军.毕春元.张利群.史建国葡萄糖生物传感器研究进展[期刊论文]-山东科学 2009(2)7.王权纳米生物传感器的研究进展[期刊论文]-中国科技博览 2009(32)8.王琦.张宏芳.骆凯.郑建斌纳米金、碳纳米管和纳米线及其在电化学生物传感器研究中的应用[期刊论文]-化学研究与应用 2008(10)9.GUO Xiao-ming.王根礼.YE Wei-lin.周祖新.ZHU Xian葡萄糖氧化酶在金胶修饰碳糊电极上的直接电化学及其应用[期刊论文]-上海应用技术学院学报（自然科学版） 2008(2)10.张树霞.高书燕.杨恕霞.张洪杰贵金属纳米材料的研究进展[期刊论文]-化学通报（印刷版） 2008(8)11.姜利英.蔡新霞.刘红敏.刘春秀.郭宗慧纳米铂颗粒修饰薄膜金电极的新型葡萄糖传感器研究[期刊论文]-分析化学 2008(11)12.许淑霞.吴金生.张勇.漆红兰.张成孝纳米金固定辣根过氧化物酶的碳纳米管修饰第3代过氧化氢传感器的研究[期刊论文]-分析测试学报 2008(10)13.高盐生.董江庆.徐晓燕纳米技术在生物传感器中的应用研究进展[期刊论文]-江苏化工 2008(3)14.李晔酶的固定化及其应用[期刊论文]-分子催化 2008(1)15.芶立.陆定.冉均国.杨丽娜.苏葆辉不同纳米颗粒对一次性使用葡萄糖传感器性能的影响[期刊论文]-稀有金属材料与工程 2007(z2)16.干宁.徐伟民.李天华纤维素酶活性测定的生物传感器研究[期刊论文]-纤维素科学与技术 2007(3)17.杨光明.白慧萍.黄爱银.卢旭晓.杨云慧基于胱胺自组装金纳米线的第三代过氧化氢生物传感器的研制[期刊论文]-化学传感器 2007(4)18.宦迪亮.左少华.蓝闽波基于二茂铁/纳米金修饰碳糊电极的葡萄糖生物传感器[期刊论文]-华东理工大学学报（自然科学版） 2007(6)19.李巧铃.BüRGI Thomas.陈辉金纳米粒子的制备及自组装[期刊论文]-功能材料与器件学报 2007(6)20.李巧铃.Bürgi Thomas金纳米粒子的合成和应用[期刊论文]-现代化工 2007(z1)21.干宁.徐伟民.周雄.王志颖二氧化硅凝胶葡萄糖传感器上羟甲基纤维素酶活性测定[期刊论文]-林产化学与工业 2007(3)22.刘英菊.古翠媚.袁锐昌纳米金在生物传感领域的应用研究进展[期刊论文]-黄金 2007(6)23.郭伟玲.任湘菱.唐芳琼.陈东.张琳.刘奉岭反胶束法制备纳米氧化锌及其在葡萄糖生物传感器中的应用[期刊论文]-过程工程学报 2007(3)24.赵琨.宋海燕.常竹.庄淑萁.何品刚.方禹之铂纳米颗粒修饰直立碳纳米管电极的葡萄糖生物传感器[期刊论文] -高等学校化学学报 2007(7)25.宦迪亮纳米材料在电化学生物传感器中的应用[学位论文]硕士 200726.宦迪亮纳米材料在电化学生物传感器中的应用[学位论文]硕士 200727.张海锋.张小水.王丽娟.娄巧云生物传感器的研究现状、应用及前景[期刊论文]-计测技术 2006(z1)28.郭萌萌.杨云慧.王志杰.沈国励.俞汝勤基于伴刀豆球蛋白固定过氧化物酶无介体新型生物传感器的研制[期刊论文]-分析化学 2006(3)29.张超.高虹.李冀新固定化酶在食品工业中的应用[期刊论文]-中国食品添加剂 2006(3)30.曲鹏.王英.张亚非LB技术制备金纳米粒子单层膜[期刊论文]-微纳电子技术 2006(2)31.伍林.曹淑超.易德莲.秦晓蓉.欧阳兆辉纳米颗粒增强酶生物传感器性能的研究进展[期刊论文]-生物技术通报 2006(1)32.丁小勤.胡劲波.李启隆蛋白质的电分析化学研究[期刊论文]-分析试验室 2006(1)33.曲鹏.王英.张亚非金纳米粒子LB单层膜的制备及其I-V特性[期刊论文]-电子元件与材料 2006(2)34.陈利国碳纤维超微电极直接电化学及其应用研究[学位论文]硕士 200635.李小丽基于掺硼金刚石和纳米复合材料的电化学生物传感器研究[学位论文]硕士 200636.周丽绘.鲜跃仲.周宇艳.胡军.刘洪来金复合介孔SBA-15吸附血红蛋白在H2O2电催化反应中的应用[期刊论文]-化学学报 2005(23)37.冷鹏.郑彦.李其云纳米金-生物酶膜在葡萄糖生物传感器上的应用[期刊论文]-化学分析计量 2005(5)38.岳波.苟立.冉均国.杨丽娜金纳米颗粒增强一次性使用葡萄糖传感器的响应性能[期刊论文]-化工进展2005(4)39.吴宝艳.杨钰.宋昭.赵紫霞.安(齐)顺一.长哲郎.陈强纳米颗粒对葡萄糖生物传感器性能影响的研究[期刊论文]-高技术通讯 2005(6)40.伍林.曹淑超.易德莲.连兰.秦晓蓉纳米颗粒增强尿酸酶生物传感器的研究设想[期刊论文]-传感器世界2005(9)41.孙双姣.蒋治良金纳米微粒的制备和表征及其在生化分析中的应用[期刊论文]-贵金属 2005(3)42.董守安.唐春DNA识别、生物传感器和基因芯片中的纳米金和银粒子[期刊论文]-贵金属 2005(1)43.向秋芬基于溶胶-凝胶和纳米颗粒固定化酶的生物传感器的研究[学位论文]硕士 200544.高娜新型纳米材料用于电流型酶生物传感器的研究[学位论文]硕士 200545.曹淑超改性纳米SiO<,2>增强的尿酸酶生物传感器机理的研究[学位论文]硕士 200546.孙冬梅直接型生物燃料电池酶催化剂的研究[学位论文]博士 200547.翟好英金、银和铂配合纳米微粒体系的光谱特性研究及其分析应用[学位论文]硕士 200548.翟好英金、银和铂配合纳米微粒体系的光谱特性研究及其分析应用[学位论文]硕士 200549.岳波纳米颗粒增强一次性使用葡萄糖传感器的制备与性能[学位论文]硕士 200550.孙一新血红素蛋白质和儿茶酚（胺）类化合物的电化学及其分析应用[学位论文]硕士 200551.丁小勤细胞色素c及其与DNA相互作用的电化学研究[学位论文]硕士 200552.丁芬银纳米对稀土离子-核酸（药物）的二级散射光谱影响的研究及其应用[学位论文]硕士 200553.周宇艳纳米材料修饰电极及其应用于生物分子检测的电化学研究[学位论文]硕士 200554.张成林纳米材料修饰电极及其在蛋白质电分析化学中的应用研究[学位论文]硕士 200555.漆红兰纳米粒子组装电化学生物传感器和电化学发光免疫分析法的研究[学位论文]博士 200556.刘新建生物分子相互作用的电化学研究及相关新型生物传感器的研制[学位论文]博士 200557.钟霞.戴建远.唐点平.刘颜.柴雅琴.袁若普鲁士蓝、纳米金共修饰铂丝电极葡萄糖传感器的研制[期刊论文]-化学传感器 2004(2)58.何可群.刘艳丽.沈国励.俞汝勤半导体荧光纳米颗粒的制备及其在生物传感器中的应用[期刊论文]-化学传感器 2004(2)59.蒋治良.翟好英.章表明.刘庆业.李廷盛液相卤化银纳米微粒的界面荧光和共振散射光谱特性[期刊论文]-化学学报 2004(14)60.李群芳.袁若.柴雅琴.莫昌俐.刘颜.黄小清.王秀玲萘酚绿为电子媒介体金纳米颗粒修饰的葡萄糖生物传感器[期刊论文]-西南师范大学学报(自然科学版) 2004(2)61.冯锋基于连续可更新动态液滴光化学生物传感技术的研究和应用[学位论文]博士 200462.刘涛纳米材料与血红蛋白相互作用的研究[学位论文]硕士 200463.赵继宽溶致液晶模板法电沉积金属纳米材料[学位论文]博士 200464.莫昌莉.赵勤.柴雅琴.刘颜.袁若以萘酚绿B为介体的葡萄糖生物传感器[期刊论文]-化学传感器 2003(1)65.凌绍明.沈文闻.隆金桥(Ag)核·(Au)壳复合纳米粒子的制备[期刊论文]-化学世界 2003(12)66.李简过渡金属配合物电子介体在酶电流型生物传感器中的应用[期刊论文]-延安大学学报(自然科学版)2003(3)67.江丽萍.吴霞琴.朱柳菊.贾能勤.章宗穰基于金纳米的第3代平面型葡萄糖传感器的研究[期刊论文]-上海师范大学学报(自然科学版) 2003(1)68.沈星灿.何锡文.梁宏纳米粒子特性与生物分析[期刊论文]-分析化学 2003(7)69.马希骋.蔡元华.伦宁.温树林.豆帆Au(Ru)-SiO2纳米-微米复合粒子的制备及精细结构研究[期刊论文]-材料科学与工程学报 2003(6)70.江丽萍.吴霞琴.龚翠萍.贾能勤.姜远达.章宗穰壳聚糖修饰电极的电化学行为及其在生物传感器中的应用[期刊论文]-化学传感器 2002(4)71.刘慧宏.庞代文氧化还原蛋白质电化学研究[期刊论文]-化学进展 2002(6)72.蒋治良.冯忠伟.李廷盛.李芳.钟福新.谢济运.义祥辉金纳米粒子的共振散射光谱[期刊论文]-中国科学B辑2001(2)73.蒋治良金原子团簇的分频散射光谱研究[期刊论文]-光子学报 2001(4)74.蒋治良.冯忠伟液相金纳米粒子的分频和倍频散射光谱研究[期刊论文]-广西师范大学学报（自然科学版）2000(4)75.任湘菱.唐芳琼纳米铜颗粒-酶-复合功能敏感膜生物传感器[期刊论文]-催化学报 2000(5)本文链接：/Periodical_zgkx-cb200002004.aspx。