

Citation: HUANG Xuewen, XU Sheng, ZHAO Wei, WEI Wei, LI Xiaojie, LIU Xiaoya. Hydrogen Peroxide Sensor Based on a Polymeric Self-assembled Nanoparticles-Modified Screen-Printed Electrode[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2020, 37(2): 235-241. doi: 10.11944/j.issn.1000-0518.2020.02.190190

聚合物纳米组装体修饰丝网印刷电极构建过氧化氢传感器
English
Hydrogen Peroxide Sensor Based on a Polymeric Self-assembled Nanoparticles-Modified Screen-Printed Electrode
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生物传感器是以生物活性单元为生物敏感基元,对待测的目标分子具有高度选择性与专一性的检测器,具有特异性识别、响应时间短、速率快、可与多种仪器检测手段并用等优点,目前的发展方向是器件的小型微型化、多功能集成化、智能化以及具有原位、在体、实时、在线检测等功能[1]。近年来,丝网印刷碳电极(Screen-Printed Carbon Electrode, SPCE)因其制造工艺的特有优势在电化学传感研究领域备受关注[2-4],其制造工艺简单、成本低廉、设计灵活、便于携带且能够大规模生产,能够满足快速准确的原位分析和便携式设备开发日益增长的需求。
最常用的SPCE使用的碳墨水含有一些矿物粘合剂或绝缘聚合物[5-7],其电化学性能较差,同时由于酶与电极之间的直接电子传递实现较为困难,需要引入导电基元促进直接电子传递[8-10],因此需要对电极进行修饰或改性[11]。电极修饰材料主要有两方面作用,一是提供保持酶活的生物相容性环境,二是辅助酶实现与电极之间的直接电子转移。最常见的方法是使用含生物亲和性聚合物与导电基元的复合纳米材料修饰电极[12-14]。Naiara等[12]使用多壁碳纳米管/二茂铁/壳聚糖复合材料固定乳酸氧化酶和辣根过氧化物酶,在丝网印刷石墨电极上制备得到了电化学乳酸传感器,可以用于胚胎细胞培养液的检测。Daria等[13]使用炭黑纳米粒子和壳聚糖作为电极修饰材料,制备了乙酰胆碱酯酶生物传感器,实现对饮用水中低浓度对氧磷的检测。这些纳米材料可以提高电极电催化活性,且能促进生物分子的直接电子转移。此外,纳米材料与生物识别元素(DNA、酶等)具有相当的尺寸,二者之间还会产生协同效应,提升传感性能[15]。
大分子自组装是一种构建纳米级或亚微米级结构简单而绿色的途径,且通过聚合物结构、组成的设计,可得到尺寸、形态可调的聚合物纳米组装体,赋予单体系组装体多重功能,因此广泛应用于药物载体[16]、纳米反应器[17-18]、水处理[19]、催化剂[20]和颗粒乳化剂[21]等领域。因此,本文将聚合物分子结构设计与大分子自组装技术相结合,通过在聚合物结构中同时引入生物亲和单体和电活性单体,使得聚合物组装体在修饰丝网印刷电极时兼具保持酶活和促进电子转移功能,从而有望发展一种简单、高效地构建电化学传感器的方法。为了实现这个目标,本文首先以电活性单体N-乙烯基咔唑(VCz)、生物亲和单体甲基丙烯酸二甲氨基乙酯[22-23](DMAEMA)、亲水调节单体丙烯酸(AA)及疏水调节单体苯乙烯(St)为原料,聚合得到双亲无规共聚物Poly(St-co-AA-co-VCz-co-DMAEMA)(PSACD)。引入的电活性单体VCz可以辅助酶催化反应的电子传输,而DMAEMA为生物亲和单体,可以为酶活保持提供适宜的微环境。将双亲无规共聚物PSACD溶解于DMF中,加入不良溶剂水诱导组装,得到聚合物纳米粒子PSACD NPs。用PSACD NPs修饰活化的SPCE,并在形成的纳米粒子膜上固定辣根过氧化物酶(HRP,研究生物传感器最常用的模型酶),最后用Nafion作为保护层,制备得到过氧化氢电化学生物传感器,对传感器的检测性能、选择性、抗干扰性和稳定性进行研究。
1. 实验部分
1.1 试剂和仪器
辣根过氧化物酶(HRP)购自上海麦克林生化科技有限公司,>300 Units/mg;N-乙烯基咔唑(VCz)购自北京百灵威科技有限公司,98%;苯乙烯(St)、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)、偶氮二异丁腈(AIBN)、丙烯酸(AA)、铁氰化钾、亚铁氰化钾、氯化钠、氯化钾、磷酸氢二钠、磷酸二氢钾、磷酸二氢钠、无水乙醚、氢氧化钠、过氧化氢、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、30%过氧化氢、葡萄糖(Glucose)购自国药集团化学试剂有限公司,分析纯试剂;L-赖氨酸(Lys)、L-半胱氨酸(Cys)、L-酪氨酸(Trp)购自国药集团化学试剂有限公司,生物试剂;多巴胺(DA)、尿酸(UA)购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司,99%;全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物Nafion D-520购自杜邦中国集团有限公司,5%;丝网印刷碳电极(SPCE)购自宁波元感生物科技有限公司,碳工作电极直径2.5 mm,参比电极为Ag/AgCl电极, 对电极为碳电极。
AVANCE Ⅲ400 MHz型核磁共振氢谱仪(1H NMR,德国Bruker有限公司):以氘代二甲亚砜溶解聚合物;Nicolet 6700型全反射红外光谱仪(FTIR,美国Thermofisher科技公司):测试范围为4000~750 cm-1;1525型凝胶渗透色谱仪(GPC,美国waters有限公司):流动相为DMF,流速1 mL/min,以聚苯乙烯为标样;Zeta PALS型Zeta电势及纳米粒度分析仪(美国Brookhaven仪器公司):检测激光波长为633 nm,检测角度90°;S-4800型场发射扫描电子显微镜(FESEM,日本日立株式会社):将稀释的PSCDA NPs水分散液滴至硅片上,将电极用导电胶贴于样品台上,在2.0 kV加速电压下观察涂层形貌;CHI660型电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)。
1.2 实验方法
1.2.1 无规共聚物PSACD的合成
称取1.0415 g疏水单体St(10 mmol)、0.7206 g亲水单体AA(10 mmol)、1.9325 g电活性单体VCz(10 mmol)、1.5721 g生物相容性单体DMAEMA(10 mmol)以及53 mg引发剂AIBN加入圆底烧瓶中。加入40 mL的DMF作为反应溶剂,待充分溶解后,在N2气保护下于75 ℃下反应24 h。将反应液滴加到大量乙醚中进行沉淀,沉淀物用DMF溶解,重复溶解-沉淀操作3次。最终沉淀物真空干燥后得到白色固体产物PSACD,制备过程如图 1所示。
图 1
1.2.2 PSACD纳米粒子的制备
称取25 mg PSACD聚合物,加DMF溶解,配制成10 mg/mL的聚合物溶液。在搅拌状态下,在聚合物溶液中快速加入10 mL去离子水,搅拌过夜,用去离子水透析24 h后,定容至25 mL,得到1 mg/mL的PSACD NPs分散液。
1.2.3 酶生物传感器的制备
将丝网印刷电极在-0.6~1.6 V范围内进行循环伏安扫描40圈,以活化电极[4]。在活化后的工作电极上滴涂3 μL PSACD NPs分散液。待电极干燥后进行滴涂3 μL 10 mg/mL HRP溶液,干燥后滴涂3 μL 0.1%的Nafion(NF)溶液,自然干燥后,即可制备得到生物传感器,电极保存于4 ℃冰箱中。
1.2.4 电化学实验
循环伏安法在含5 mmol/L K3[Fe(CN)6]/K4[Fe(CN)6]的0.1 mol/L的KCl水溶液中进行。计时电流曲线在0.1 mol/L pH=7.4 PBS溶液中进行,施加电势为-0.4 V。
2. 结果与讨论
2.1 双亲无规聚合物PSACD的表征
用FTIR与1H NMR对聚合物进行表征。聚合物PSACD的全反射红外光谱图见辅助材料图S1,在3650 cm-1处出现了AA羧基中的O—H伸缩振动峰,2900 cm-1左右为sp2及sp3的C—H键伸缩振动峰,1723 cm-1处的峰来自AA羧基和DMAEMA酯基的C═O伸缩振动,1576和1453 cm-1处的峰归属于苯环上的双键骨架振动,1000~1350 cm-1出现了来自DMA中C—O伸缩振动吸收峰,725和701 cm-1处为St的单取代苯环和VCz的邻位取代苯环的面外变形振动特征峰,以及在1157 cm-1处出现了叔氨基(—N(CH3)2)的伸缩振动特征峰[24],证明聚合物制备成功。
PSACD的1H NMR见辅助材料图S2,7.7~8.1出现的峰归属于咔唑基团上的H10和H13,7.1~7.3处的峰属于苯乙烯和咔唑苯环上的氢,4.0处的峰归属于DMAEMA上亚甲基(—O—CH2),2.0~2.2处出现的峰为聚合物主链上的H2、H6、H7和H9,同样证明了聚合物的制备。经GPC测试,制备的聚合物PSACD数均相对分子质量为3.7×105。
2.2 PSACD纳米粒子的表征
无规共聚物PSACD具有双亲性,在选择性溶剂中可以通过亲疏水作用自组装形成聚合物纳米粒子。在PSACD的DMF溶液中加入水诱导组装,透析除去DMF,得到均一稳定的PSACD NPs分散液。图 2为PSACD NPs的粒径分布曲线,其平均粒径为174 nm,图 2左上角插图为PSACD NPs分散液的数码照片,可以发现分散液均一稳定。图 2右上角插图为PSACD纳米粒子的SEM图,二者显示纳米粒子的粒径为100~150 nm,粒子呈不规则球状。SEM图显示的粒径小于纳米粒度仪测试结果,这是由于SEM表征的是粒子干燥状态下的粒径,而纳米粒度仪测试的是PSACD NPs水分散下的粒径,有一定溶胀。
图 2
2.3 生物传感器的制备及表征
2.3.1 SPCE的活化
SPCE制造时使用的碳墨水含有大量不导电的胶黏剂,这会影响其电化学性能,因此使用前需要对电极进行活化[4]。具体方法为,将电极浸没于铁氰化钾/亚铁氰化钾溶液中在-0.6~1.6 V范围内进行40圈循环伏安扫描。图 3为u-SPCE(未活化)和SPCE(活化)的循环伏安曲线,由图 3可知,经过电化学活化后,氧化还原峰电流大幅增加,证明其电化学性能得到大幅提高,这可能是在电化学活化过程中,电极印制过程引入的有机胶黏剂被脱除,同时电极表面含氧官能团和碳颗粒表面边缘平面位点数量增加[5, 25]。图 4A和4B分别为u-SPCE(未活化)和SPCE(活化)的SEM照片,由图 4A和4B显示,活化前,u-SPCE表面可以看到大量互相黏连的碳颗粒,而活化处理的SPCE表面碳颗粒黏连情况减弱,碳颗粒更为明显,这证明活化过程除去了电极印制使用的碳墨水中大部分胶黏剂[5-7],因而提高了电极的性能。
图 3
图 4
2.3.2 生物传感涂层的制备
图 4B-4E为不同修饰阶段电极的SEM照片,可以看出,图 4B为活化处理的SPCE,表面碳颗粒纳米结构明显,粒径为40~80 nm,涂层具有较大的比表面积,图 4C为PSACD NPs修饰后的电极,表面粒子粒径为100~150 nm,与PSACD NPs干态粒径一致,说明PSACD NPs在电极表面形成了粒子膜,具有较高的比表面积,有利于生物识别基元HRP的固定。图 4D为修饰HRP后的电极,可以发现,涂层较未修饰前平整,保留了少量的纳米结构,推测纳米粒子空隙中固定有大量的酶。图 4E为滴涂Nafion之后的涂层表面形貌,由图 4E可知,电极表面平整均匀,NF包覆了整个电极涂层。不同修饰阶段SPCE的循环伏安曲线见辅助材料图S3。修饰了PSACD NPs之后,聚合物导电性较差,因此氧化还原电流有所下降,但下降幅度小,这可能是由于咔唑基团参与了电子转移过程。在修饰HRP和Nafion之后,氧化还原电流略有下降,这是受修饰材料导电性差的影响。
2.3.3 生物传感器性能的表征
通过CV曲线对不同修饰电极的H2O2催化性能进行表征(见辅助材料图S4)。对比发现-0.3 V至-0.5 V HRP催化过氧化氢发生电子转移,在-0.4 V处信号最佳。图 5A为连续滴加一定浓度H2O2时的电流-时间曲线,可以看到,随着H2O2的滴加,氧化还原电流值也呈阶梯式逐渐增加。图 5B为传感器检测H2O2的线性关系曲线,响应电流值与H2O2浓度存在线性关系,线性响应区间为0.02~7.48 mmol/L,线性方程为I/(10-5 A)=0.196c/(mmol ·L-1)+0.159,R2=0.997。
图 5
选择性和抗干扰性也是生物传感器的重要性能。图 6A为该传感器的在加入不同干扰物的情况下的电流响应,可以看到,首先滴加0.5 mmol/L H2O2可以得到快速的电流响应,而后依次滴加5 mmol/L的Glucose、Lys、DA、UA、L-Cys、L-Trp时几乎无电流响应,再滴加0.5 mmol/L H2O2依旧可以得到快速的电流响应,这证明该传感器具有良好的选择性和抗干扰性。用同一支电极对10 mmol/L H2O2溶液进行10 d的测试,图 6B所示为每天电极响应电流相对第一天的百分比柱形图,可以发现,10 d以后,电极的响应电流依旧保持在初始响应电流的90%以上,这证明了该传感器具有良好的稳定性。
图 6
图 6. 连续滴加H2O2和不同干扰物时生物传感器的电流-时间曲线(A)和10 d内生物传感器对10 mmol/L的响应电流(It)与初始响应电流(I0)的比例图(B)Figure 6. (A)Current-time curve of biosensor on successive additions of 0.5 mmol/L H2O2, 5 mmol/L Glucose, 5 mmol/L L-lysine, 5 mmol/L dopamine, 5 mmol/L uric acid, 5 mmol/L L-cysteine, 5 mmol/L L-tyrosine and 0.5 mmol/L H2O2 into 0.1 mol/L pH=7.0 PBS; (B)the ratio of the response current of the 10 mmol/L H2O2(It) to the initial response current(I0) in 10 days3. 结论
通过4种不同的功能单体共聚,得到双亲无规共聚物PSACD,并通过在选择性溶剂中诱导组装,得到稳定的PSACD NPs水分散液。基于PSACD NPs修饰丝网印刷电极构建的H2O2生物传感器具有优良的电化学检测性能,线性范围为0.02~7.48 mmol/L,R2=0.997,且响应速度快,选择性和抗干扰性好。该方法制备的生物传感器具有成本低廉、制备简单、小型便携和性能优良的优点,有望实现工业化和商品化。
辅助材料(Supporting Information)[双亲无规聚合物PSACD的FTIR、1H NMR及修饰电极的CV曲线]可以免费从本刊网站(http://yyhx.ciac.jl.cn/)下载。
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图 6 连续滴加H2O2和不同干扰物时生物传感器的电流-时间曲线(A)和10 d内生物传感器对10 mmol/L的响应电流(It)与初始响应电流(I0)的比例图(B)
Figure 6 (A)Current-time curve of biosensor on successive additions of 0.5 mmol/L H2O2, 5 mmol/L Glucose, 5 mmol/L L-lysine, 5 mmol/L dopamine, 5 mmol/L uric acid, 5 mmol/L L-cysteine, 5 mmol/L L-tyrosine and 0.5 mmol/L H2O2 into 0.1 mol/L pH=7.0 PBS; (B)the ratio of the response current of the 10 mmol/L H2O2(It) to the initial response current(I0) in 10 days
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