α-磷酸锆在电化学葡萄糖传感器中的应用

生物传感器作为一种新型的检测技术具有体积小，成本低，准确、灵敏、易 *** 作，又不会或很少损伤样品或造成污染，可现场检测等优点，因此国内外对生物传感器展开了广泛深入的研究，且纳米材料在生物传感器中的应用也已经进入新的研究阶段。这是因为纳米材料的量子尺寸效应和表面效应可以有效地提高生物传感器的响应性能。

将α-ZrP层状材料进行剥离，剥离的α-ZrP比表面积大、表面活性中心多．以其作为插层主体，将葡萄糖氧化酶(GOx)引入到α-ZrP层间，制成了电化学葡萄糖传感器并将其应用于葡萄糖的检测中。由于α-ZrP层状材料具有良好的导电性，从而提高了生物传感器的灵敏度、稳定性及抗干扰能力。

一、实验部分

1、仪器和试剂

α-ZrP（from绵竹耀隆化工）、B-D-葡萄糖、葡萄糖氧化酶(GOx，196000unit／g)、四丁基氢氧化铵(TBAOH)、壳聚糖和二茂铁甲酸(FcCOOH)。配制三种不同的磷酸盐缓冲溶液（二茂铁甲酸）：

(1)10 mmol/L PBS，pH7.0；

(2)10 mmol/L PBS，pH7.0, 1mmollL Ca2+)；

(3)10 mm01/L PBS，pH7.0，1 mmol／L

实验中所用的其它试剂均为分析纯。所用水均为二次蒸馏水。所有实验均在室温下进行。

循环伏安法、差示脉冲伏安法和计时电流法均在CHI 760B型电化学工作站上室温下进行。计时电流法时，支持电解质的体积为10 mL。电化学实验采用三电极体系，修饰的玻碳(GCE，直径4 mm)电极为工作电极，Ag／AgCl电极为参比电极，铂电极为对电极。利用DOmax 2500 X—ray粉末衍射仪对样品的结构进行分析。利用JSM一5600LV显微镜进行扫描电子显微镜(SEM)分析。

2、α-ZrP的剥离和葡萄糖氧化酶的固定

首先配置2％α-ZrP的悬浊液。即将0.2g α-ZrP溶解在10 mL的二次蒸馏水中，然后加入适量的TBAOH。这样得到的悬浊液在室温下搅拌12h使α-ZrP剥离，再置于超声仪中超声40min，从而加快α-ZrP的剥离并使其能充分分散，将制得的2％α-ZrP的悬浊液和2.3 mg／mL COx溶液按照3：1的体积比进行混合．在室温下放置1 h使其达到平衡状态。反应完毕后反应液在10 000 r／min的转速下离心10 min。使游离的葡萄糖氧化酶与已经同定的葡萄糖氧化酶分离。再用二次蒸馏水进行清洗。最后将所制备的GOx／α-ZrP冻干。干燥之后可以发现。没有和GOx发生反应前，α-ZrP的粉末是白色的。当进行完以上反应过程后。得到的GOx／α-ZrP粉末变成了黄色，证明了GOx／α-ZrP的成功合成。

3、葡萄糖传感器的制备

在使用玻碳电极前，分别用1和0.05um的铝粉打磨电极，直到获得光滑的玻碳电极镜面为止。然后冲洗干净，再分别用二次蒸馏水、乙醇溶液和二次蒸馏水超声1 min。将由上面过程制得的干燥的GOx／α-ZrP粉末取1 mg溶解分散到0.5 mL二次蒸馏水中，然后取6uL的混合液滴在经过预处理的玻碳电极的表面，干燥后，再滴6uL 0.3％的壳聚糖溶液．再置于4℃冰箱中过夜自然干燥即可得到所需的生物传感器界面。在不使用时，将修饰有GOx／α-ZrP的电极置于4℃冰箱中干燥保存。

二、结果与讨论

1、α-ZrP和Gox/α-ZrP的表征

XRD作为研究晶体结构的一种重要手段。被广泛用来表征无机纳米材料。图1是GOx／α-ZrP的XRD衍射图。GOx／α-ZrP层间距的测量按Bragg定律进行计算。根据Bragg定律(从00l反射(Z=1,2, etc．))由此可以算出d=11.6 nm，即葡萄糖氧化酶的介入，使α-ZrP的层间距增大，同时可以表明葡萄糖氧化酶已经进入到α-ZrP的夹层当中。

图2是制备的GOx／α-ZrP层状材料的扫描电镜图。图2(a)为制备GOx／α-ZrP的低倍扫描电镜图。从图中可以看到制备的GOx／α-ZrP的大致形态。其薄膜表面致密并且比较均匀，这表明了GOx／α-ZrP膜的形成及其形成的层层组装的方式比较一致。图2(b)为GOr/α-ZrP的高倍扫描电镜图，从图中可以看到，层片状的GOx／α-ZrP，较均匀的排列，粒径较小，分层形成小的聚合体。

2、GOx／α-ZrP修饰电极的电化学行为

图3中曲线a是在0.1 mol／L磷酸盐缓冲溶液中(pH7.0)GOx／α-ZrP修饰电极的循环伏安曲线图。从图中可以看出GOx/α-ZrP修饰电极的循环伏安曲线没有明显的氧化还原峰，当往磷酸盐缓冲液中加入1 mmol／L二茂铁甲酸后出现一对很明显的氧化还原峰(曲线b)，但当继续加入1mmol／L葡萄糖时。其循环伏安曲线发生了明显的变化(曲线C)，氧化峰电流明显增大，而还原峰电流减小。这说明葡萄糖在GOx的催化作用下，发生氧化反应．使氧化还原曲线发生显著的变化。在该过程中。二茂铁甲酸只是媒介体，起着传导电子的作用．其氧化还原反应的反应机理：

在没有加人葡萄糖(曲线b)的情况下，加入二茂铁甲酸，只会发生(3)反应，(1)和(2)不发生，所以得到的是可逆的循环伏安曲线；但当在GOx存在．同时二茂铁甲酸也存在的条件下。加入葡萄糖(图3曲线c)，(1)和(2)反应与(3)同时发生，由于(1)和(2)反应中发生的是得电子的过程，这与(3)中FcCOOH(ox)→FcCOOH(red)的半反应的得电子过程相竞争，使得还原峰电流减小；同时在整个反应中生成的FcCOOH red)增多，从而使得(3)的FcCOOH (red)→FcCOOH(ox)的半反应失电子增多，氧化峰电流增大。因此便得到了图3中的曲线C的氧化还原曲线图。

在固定葡萄糖的浓度为2 mmol／L的情况下，考察了不同浓度的二茂铁甲酸对GOx/α-ZrP膜修饰电极电化学行为的影响。图4是GOx/α-ZrP膜修饰的玻碳电极在10 mmol／L磷酸盐缓冲溶液(pH7.0)中加入不同浓度的二茂铁甲(浓度范围0.1～50 umol／L)的差示脉冲伏安响应曲线。从图4可以看出。随着二茂铁甲酸浓度的增大，其电流响应也随之增大，且峰位置保持不变。由此可以得出．二茂铁甲酸的浓度对GOx／α-ZrP膜修饰电极对葡萄糖的响应值有很大的影响。二茂铁甲酸的浓度越高。其响应值也就越大。由此可见，二茂铁甲酸的浓度影响了GOx／α-ZrP膜修饰电极的信号强度，同时也直接影响了传感器的检测下限．另外二茂铁甲酸的浓度与电流响应值之间存在正比例关系。综合以上结论可以得出高浓度的二茂铁甲酸对该实验是有利的。但由于二茂铁甲酸在中性条件下溶解度不高．整个实验过程采用二茂铁甲酸的浓度为1 mmol／L。

3、生物传感器的响应特性及葡萄糖的检测

图5是GO/α-ZrP膜修饰的玻碳电极对葡萄糖催化的循环伏安曲线图。从图中可以看到，当加入不同浓度的葡萄糖时。其氧化峰电流随葡萄糖浓度的增大而增大。而还原峰电流则随葡萄糖浓度的增加而不断减小氧化峰。并且氧化峰和还原峰的峰位置都不变，这是典型的电催化峰形特性。这表明了GO/α-ZrP膜修饰的玻碳电极在二茂铁甲酸存在的条件下对葡萄糖有很高的电催化活性。

图6A是GO/α-ZrP膜修饰的电极对葡萄糖响应的计时电流图，图6 B为葡萄糖传感器的标准曲线。从图中可以看到．该传感器对葡萄糖有灵敏快速的响应。在0.0l～20 mmol／L范同传感器呈良好的线性关系，相关系数为0.996，根据S/N=3的原则．可以得出检测下限为0.01mmol／L。由于传感器的线性范围覆盖了4个数量级．这表明了有大量的酶分子固定到电极表面。另外传感器对葡萄糖的灵敏度为4.74 uA／(mmol/L)。

三、结论

将α-ZrP进行剥离，通过α-ZrP与葡萄糖氧化酶的自组装，在α-ZrP层间成功地插入了葡萄糖氧化酶，再将该复合物同定到玻碳电极的表面，这样制得了的电化学葡萄糖传感器在用二茂铁甲酸作电子媒介体时对葡萄糖响应迅速，并有较宽的线性范围和较高的灵敏度。

（1）原材料：实际上石墨烯本来就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。

（2）应用领域：

在塑料里掺入百分之一的石墨烯，就能使塑料具备良好的导电性；加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗热性能提高30摄氏度。在此基础上可以研制出薄、轻、拉伸性好和超强韧新型材料，用于制造汽车、飞机和卫星。

随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破，石墨烯的产业化应用步伐正在加快，基于已有的研究成果，最先实现商业化应用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源电池领域。

消费电子展上可弯曲屏幕备受瞩目，成为未来移动设备显示屏的发展趋势。

另一方面，新能源电池也是石墨烯最早商用的一大重要领域。

由于高导电性、高强度、超轻薄等特性，石墨烯在航天军工领域的应用优势也是极为突出的。而石墨烯在超轻型飞机材料等潜在应用上也将发挥更重要的作用。

1、电子运输：

在发现石墨烯以前，大多数（如果不是所有的话）物理学家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。所以，它的发现立即震撼了凝聚态物理界。虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在，但是单层石墨烯在实验中被制备出来。这些可能归结于石墨烯在纳米级别上的微观扭曲。

2、导电性：

石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。

3、导热性：

石墨烯具有极高导热系数， 近年来被提倡用于散热等方面， 在散热片中嵌入石墨烯或数层石墨烯可使得其局部热点温度大幅下降。美国加州大学一项研究显示 ， 石墨烯的导热性能优于碳纳米管。中国科学院山西煤炭化学研究所高导热石墨烯/炭纤维柔性复合薄膜，其厚度在10~200 μm之间可控，室温面向热导率高达977 W/m•K，拉伸强度超过15 MPa。

普通碳纳米管的导热系数可达3000W/mK以上， 各种金属中导热系数相对较高的有银、铜、金、铝， 而单层石墨烯的导热系数可达5300W/mK， 甚至有研究表明其导热系数高达6600W/mK。

优异的导热性能使得石墨烯有望作为未来超大规模纳米集成电路的散热材料 。与纯石墨烯相比， 还原剥离氧化石墨得到热导率相对较低(0.14 ～ 2.87 W/mK)的石墨烯(RGOx)。其导热系数与氧化石墨被氧化程度密切相关， 原因是RGOx薄片即使经过热还原处理后仍然具有氧化性。导热率可能与其中残余的化学官能团、破坏的碳六元环等缺陷有关化学结构被氧化导致晶格缺陷的产生， 阻止了热传导作用。

4、机械特性

石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。哥伦比亚大学的物理学家对石墨烯的机械特性进行了全面的研究。在试验过程中，他们选取了一些直径在10—20微米的石墨烯微粒作为研究对象。研究人员先是将这些石墨烯样品放在了一个表面被钻有小孔的晶体薄板上，这些孔的直径在1—1.5微米之间。之后，他们用金刚石制成的探针对这些放置在小孔上的石墨烯施加压力，以测试它们的承受能力。

5、化学性质：

我们至今关于石墨烯化学知道的是：类似石墨表面，石墨烯可以吸附和脱附各种原子和分子。从表面化学的角度来看，石墨烯的性质类似于石墨，可利用石墨来推测石墨烯的性质。石墨烯化学可能有许多潜在的应用，然而要石墨烯的化学性质得到广泛关注有一个不得不克服的障碍，缺乏适用于传统化学方法的样品。

---