聚苯胺普魯士藍(lán)

1、135納米復(fù)合材料的制備及其在生物傳感器和生物燃料電池中的應(yīng)用第七章 基于聚合物膜保護(hù)的PB納米粒子的生物傳感器的研究普魯士藍(lán)（PB）作為六氰合金屬配合物的典型代表常被用于電致變色、電化學(xué)、光物理以及磁性材料和分析化學(xué)等方面。由于其優(yōu)越的電催化能力，PB常被用作安培型生物傳感器的電子媒介體1-3，另一方面，有文獻(xiàn)報(bào)道普魯士藍(lán)在中性及堿性溶液中很不穩(wěn)定，所制備的電極甚至只有存放幾個(gè)小時(shí)4，5，從而導(dǎo)致所制備的酶生物傳感器的性能也不穩(wěn)定。為了克服這些困難，文獻(xiàn)上已經(jīng)報(bào)道了很多提高PB穩(wěn)定性的方法，如微乳液法6，聚合物保護(hù)法7，8，模板法9等。Zhang等人報(bào)道了在酸性溶液中合成PB納米串的方法，所

2、制備的PB納米粒子小于50 nm，由于具有很大的比表面，從而提高了PB 的穩(wěn)定性10。Xia 等人報(bào)道了向H2O2和K3Fe(CN)6 溶液逐漸加入FeCl3的方法，所制備的PB 和碳納米管之間表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)，提高了PB的穩(wěn)定性11。近年來(lái)聚合物保護(hù)法制備PB也受到人們的關(guān)注，Kitagawa 等人報(bào)道了采用poly(diallydimethylammonium chloride) 作為保護(hù)膜制備了高分散的PB 納米粒子12。Yakhmi等人也報(bào)道了采用聚苯胺保護(hù)的PB膜13，14。在所有的導(dǎo)電聚合物中，聚吡咯是最具吸引力的，因?yàn)樗词乖谥行詶l件也具有優(yōu)越的導(dǎo)電性，良好的環(huán)境穩(wěn)定性和很好的生物

3、相容性。Vidal等人報(bào)道了采用電沉積的方法制備PPY/PB復(fù)合膜，但至今還沒(méi)人報(bào)道采用化學(xué)還原的方法制備PPYPB納米粒子15。在本文中，首次用一種簡(jiǎn)單的方法制備了聚吡咯-普魯士藍(lán)復(fù)合材料。然后將多壁碳納米管分散在這種摻雜納米顆粒的溶液中。最終得到 PPYPB/MWNTs復(fù)合材料，通過(guò)利用CNTs與PB的協(xié)同效應(yīng)制備了電化學(xué)傳感器16，該復(fù)合材料表現(xiàn)良好的穩(wěn)定性和電催化活性，用該材料制備的生物傳感器也表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。第一節(jié) 實(shí)驗(yàn)藥品、儀器及方法7.1.1 實(shí)驗(yàn)藥品及儀器葡萄糖氧化酶(GOD,來(lái)源于Aspergillus niger; 300,000 unit g-1)購(gòu)于Sanland公

4、司。多壁碳納米管（MWNTs，95%，20-60 nm）購(gòu)于深圳納米港有限公司，使用前在120 °C濃硝酸中回流24 小時(shí)，然后離心，用去離子水洗滌至中性，干燥備用。吡咯購(gòu)于沈陽(yáng)市聯(lián)邦化學(xué)試劑廠，使用前減壓蒸餾。D-葡萄糖（D-glucose）用去離子水配制，并在4°C的冰箱里放置24小時(shí)后使用。0.1 M磷酸溶液(PBS, pH 6.5)是用Na2HPO4和NaH2PO4配制的，支持電解質(zhì)為0.1 M PBS + 0.1 M KCl，實(shí)驗(yàn)前用高純氮?dú)獬?，?shí)驗(yàn)過(guò)程中使用的其他試劑均用分析純，所用水均為二次蒸餾水。循環(huán)伏安曲線（CV）和計(jì)時(shí)電流曲線是在電化學(xué)工作站（IM6e

5、，Germany）上進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)中所用的三電極體系中，修飾過(guò)的直徑為3 mm的玻碳電極(GC)為工作電極，NaCl飽和的Ag/AgCl電極為參比電極，鉑絲電極為對(duì)電極。旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)電極（BAS, America）在檢測(cè)葡萄糖和過(guò)氧化氫時(shí)的轉(zhuǎn)速為3000 rpm。所有的實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行。透射電鏡圖(TEM)是在透射電鏡（JEM-2000EX，JEOL Co. Ltd, Japan)得到的。本文的紅外光譜，是在德國(guó)BRUKER公司生產(chǎn)的Equinox 55型紅外分光光度計(jì)上采集的。采用KBr壓片法，取適量待測(cè)物的粉末與KBr晶體在研缽中混合并研磨成極細(xì)的粉末，然后壓片。掃描范圍為4000 cm-1-

6、400 cm-1。7.1.2 PPYPB復(fù)合材料的制備聚吡咯/普魯士藍(lán)（PPYPB）復(fù)合材料的制備過(guò)程如下：配制0.1 M吡咯+0.1 M HCl 溶液50 mL，向該溶液中緩慢的加入0.002 M FeCl3 +0.002 M K3Fe(CN)6 +0.1 M HCl溶液20 mL，邊加邊攪拌，徹底加完后，室溫下再攪拌12 h。當(dāng)加入后者之后，溶液迅速變成黑色。所得到的復(fù)合材料經(jīng)離心，0.1 M HCl 洗滌，過(guò)濾，再于50 °C下真空干燥12 h。作為對(duì)比，同時(shí)制備了聚吡咯，具體的制備方法如下：向 0.1M吡咯+0.1M HCl 溶液50 mL的溶液加入一定量的FeCl3溶液，后

7、處理方法同上。7.1.3 修飾電極的制備玻碳電極依次在1.0，0.3 m 的-Al2O3上打磨至鏡面光亮，然后依次在1：1（V/V）的HNO3，無(wú)水乙醇，去離子水中各超聲15 min， 然后在紅外燈下烤干。取處理過(guò)的碳納米管2 mg分散在5 mL的N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液中，超聲1 h，得到0.4 mg mL-1 的懸浮液。取15 mg PPYPB復(fù)合材料超聲分散到上述懸浮液中，得到PPYPB/MWNTs 納米復(fù)合材料，取該納米復(fù)合材料的懸浮液10 L滴在玻碳電極的表面，在紅外燈下烤干備用。取10 mg GOD溶入pH 7 的2 mL 0.1 M PBS的溶液中得到5mg mL-1

8、GOD溶液，取此溶液5 L滴在PPYPB/MWNTs/GC 修飾電極上。然后將該修飾電極放置在4 °C的冰箱中60 min。然后在電極上滴上2 L Nafion混合液，Nafion混合液的具體制備方法同第五章，將制備好的電極置入4 的冰箱備用。第二節(jié) 結(jié)果及討論7.2.1 納米復(fù)合材料的制備PB通常采用電沉積的方法制備，本章采用原位化學(xué)還原的方法制備了聚吡咯保護(hù)的PB納米粒。酸性的FeCl3-K3Fe(CN) 6溶液具有很強(qiáng)的氧化性，其開(kāi)路電位相對(duì)于飽和甘汞電極（SCE）可以達(dá)到0.98 V，這一電位不能在FeCl3或K3Fe(CN) 6的溶液中單獨(dú)獲得18。另一方面吡咯可以在很多氧

9、化劑的作用下發(fā)生聚合反應(yīng)。如（NH4)2S2O8 19、FeCl3 20等。盡管FeCl3相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極（SHE）只有0.77 V，也常被用來(lái)作為吡咯聚合的氧化劑。因此吡咯完全可以在酸性的FeCl3-K3Fe(CN)6中發(fā)生氧化聚合反應(yīng)。同時(shí)FeCl3-K3Fe(CN) 6也被吡咯還原成PB。在溶液中實(shí)現(xiàn)了PPY和PB的同時(shí)合成，這種合成方法是文獻(xiàn)尚未報(bào)道的。而且PPY作為重要的導(dǎo)電聚合物有良好的環(huán)境穩(wěn)定性和導(dǎo)電性，很適合用來(lái)制備電極材料。因此可以考慮利用吡咯對(duì)PB的保護(hù)作用，提高PB在電極上的穩(wěn)定性。7.2.2 復(fù)合材料的表征圖7-1復(fù)合材料的紅外光譜圖(a) PPY, (b)PPYPBF

10、ig.7-1 IR spectra of the nanocomposites (a) PPY, (b)PPYPB圖7-1為PPYPB納米復(fù)合材料和PPY 的紅外光譜圖。從圖7-1可以看出，PPYPB的紅外光譜在2086 cm-1處有強(qiáng)烈的吸收。這是CN在Fe2+-CN- Fe3+ 中伸縮振動(dòng)的特征吸收峰7。該光譜在1564，1310, 1045，1184 cm-1也出現(xiàn)吸收峰，這分別是PPY中的環(huán)、C-H以及C-N的振動(dòng)引起的吸收20，這和文獻(xiàn)上報(bào)道的結(jié)果是一致的。這些結(jié)果表明可以通過(guò)化學(xué)還原的方法制備PPYPB納米復(fù)合材料。圖7-2為PPYPB復(fù)合材料的透射電鏡圖。從圖7-2可以看出，PB

11、納米粒子包埋在聚吡咯膜里，其中顏色較深的為PB納米粒子，這些PB納米粒子的大小只有幾個(gè)納米，部分粒子發(fā)生了團(tuán)聚。 圖7-2 PPYPB復(fù)合材料的TEM照片(a) PPYPB, (b) PPY PB/MWNTsFig.7-2 TEM images of the hybrid composites (a) PPYPB, (b) PPY PB/MWNTs當(dāng)在PPYPB復(fù)合材料中摻入MWNTs后， PPYPB 納米復(fù)合材料很容易和MWNTs分散在一起，這可能是由于PPYPB 納米復(fù)合材料帶正電，可以和帶負(fù)電的MWNTs結(jié)合在一起。由于碳管具有三維的結(jié)構(gòu)和良好的導(dǎo)電性，近一步優(yōu)化了復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)。7.2

12、.3 復(fù)合材料的電化學(xué)性質(zhì)圖7-3 碳納米管的量對(duì)復(fù)合材料的CV曲線的影響Fig.7-3 CV curves of PPYPB/MWNTs composite modified electrode (a) PPYPB, (b)PPYPB/ 0.1mg mL-1 MWNTs, (b) PPYPB/ 0.2mg mL-1 MWNTs, (c) PPYPB/ 0.3mg mL-1 MWNTs, (d) PPYPB/ 0.4mg mL-1 MWNTs為了研究PPYPB 有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合材料的電化學(xué)性質(zhì)，將其修飾在玻碳電極上測(cè)試了其在0.1 M PBS+0.1 M KCl溶液中的CV曲線。PPYPB/MWN

13、Ts修飾電極在不同掃速的CV曲線可以看出，峰電位與掃描速度在10 -150 mV s-1范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。當(dāng)掃描速度超過(guò)200 mV/s 時(shí)，電極開(kāi)始變得不可逆。這表明電化學(xué)反應(yīng)在較高的掃描速度時(shí)不可逆。為了考察MWNTs對(duì)復(fù)合材料性能的影響，研究了MWNTs的量對(duì)CV曲線的影響。當(dāng)MWNTs的量從0.1到2 mg mL-1 變化時(shí)，發(fā)現(xiàn)CV曲線的峰電流隨著MWNTs的增加而增加，但當(dāng)MWNTs的量超過(guò)0.4 mg mL-1時(shí)，CV的峰電流不再增加而達(dá)到穩(wěn)定值。因此本文選擇0.4 mg mL-1來(lái)制備復(fù)合材料。PPYPB/WMNTs修飾電極在0.1 M PBS + 0.1 M KCl (pH

14、6.5)連續(xù)掃描50個(gè)循環(huán)，CV的峰電流幾乎沒(méi)有變化，掃描250個(gè)循環(huán)，峰電流只降低10%。這說(shuō)明PB在PPYPB/WMNTs復(fù)合材料中表現(xiàn)良好的穩(wěn)定性。良好的穩(wěn)定性可能歸因于電極的制備方法，一方面聚吡咯有很好的化學(xué)穩(wěn)定性和良好的導(dǎo)電性，可以保護(hù)PB納米粒子，另一方面，碳納米管有很高的比表面積，和PB之間有協(xié)同效應(yīng)，從而進(jìn)一步保護(hù)了PB粒子。圖7-4 PPYPB/MWNTs 納米復(fù)合材料在電極上的穩(wěn)定性Fig.7-4 Consecutive CV curves of PPYPB/MWNTs composite film modified GC electrode for 250 cycles

15、7.2.4 PPYPB/MWNTs修飾電極對(duì)H2O2檢測(cè)PPYPB/MWNTs納米復(fù)合材料修飾電極可以在較低的電位下實(shí)現(xiàn)H2O2的檢測(cè)（0.0V）。本章考察了復(fù)合材料的組成對(duì)H2O2響應(yīng)的影響。圖7-5復(fù)合材料對(duì)H2O2 響應(yīng)性能的比較Fig.7-5 Currenttime recording obtained at the PPYPB/MWNTs and PPYPB composite film modified electrode upon increasing the concentration of H2O2 in steps of 0.25 mM 由圖7-5可以看出，當(dāng)PPYPB復(fù)合

16、材料中不摻入MWNTs時(shí)，電極對(duì)H2O2的響應(yīng)很弱，而且電極很容易被H2O2飽和，當(dāng)參入0.3 mg mL-1 MWNTs后，電極的靈敏度和響應(yīng)范圍明顯增大，這和CV曲線的結(jié)果是一致的。復(fù)合材料修飾電極對(duì)H2O2的檢測(cè)還表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，對(duì)連續(xù)測(cè)定5次，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.6%. 連續(xù)制備5支電極對(duì)1×10-7 M H2O2響應(yīng)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為5.0%。PPYPB/MWNTs納米復(fù)合材料修飾電極對(duì)H2O2有良好的響應(yīng)，可以用來(lái)制備氧化性酶的生物傳感器。7.2.5 基于PPYPB/MWNTs納米復(fù)合材料的生物傳感器的性能PPYPB/MWNTs薄膜修飾電極對(duì)過(guò)氧化氫的良好響應(yīng)，使得其很適

17、合制備基于氧化酶的生物傳感器。本章選用葡萄糖氧化酶為模型酶來(lái)研究生物傳感的性能。酶的固定化是Nafion和戊二醛來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)戊二醛中的自由醛基與酶中的氨基生成席夫堿的反應(yīng)完成的。圖7-6為在0.0 V時(shí)，PPYPB/MWNTs薄膜修飾的生物傳感器在連續(xù)加入1 mM 的葡萄糖時(shí)的電流響應(yīng)圖，插圖是工作曲線。修飾電極的響應(yīng)電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)的95%時(shí)所需要的時(shí)間少于5 s，這說(shuō)明所制備的生物傳感器的響應(yīng)速度很快。酶電極的線形范圍為1-13 mM，相關(guān)系數(shù)為0.999，電極還表現(xiàn)出很高的靈敏度（249.5 A mM-1cm-2 和很低的檢測(cè)限（0.01 mM）。當(dāng)葡萄糖的濃度增加到一定的程度后，出現(xiàn)了一

18、個(gè)平臺(tái)，這是明顯的MichaelisMenten 動(dòng)力學(xué)特征。根據(jù)文獻(xiàn)所報(bào)道的公式，可以計(jì)算米氏常數(shù)和最大電流密度22。圖7-6 基于PPYPB/MWNTs 納米復(fù)合材料的生物傳感器檢測(cè)葡萄糖的時(shí)間電流曲線Fig.7-6 Current-time curves obtained at the glucose biosensor for successice addition of 1 mM glucose. Inset: calibration curve of the biosensor as a function of glucose concentrations根據(jù)圖7-6 的數(shù)據(jù)計(jì)算得

19、到該酶電極的米氏常數(shù)為4.9×103 M，這比文獻(xiàn)報(bào)道的20.3 mM 22及在溶液相中的33 mM要低得多23，靈敏度為11.25 A mM1 cm-2，這比文獻(xiàn)0.98 AmM-1cm-2 24 和5.6 A mM1 cm-2 25 報(bào)道的都要高。這說(shuō)明PPYPB/MWNTs修飾電極對(duì)葡萄糖有很強(qiáng)的生物親和力。一方面，酶電極的固定方法為保持酶的活性提供了一個(gè)良好的微環(huán)境，另一方面MWNTs, PPY和PB之間的協(xié)調(diào)效應(yīng)提高了電極的性能。用一支生物傳感器對(duì)1 mM葡萄糖連續(xù)5次測(cè)定，得到的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2 %，這表明這種傳感器有良好的重現(xiàn)性。同樣對(duì)生物傳感器的重復(fù)性也進(jìn)行了檢測(cè)。將

20、用同一批PPYPB/MWNTs溶液制得的5個(gè)生物傳感器用于1 mM葡萄糖的檢測(cè)，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD為5.2%，證明了這種方法的可靠性。生理樣品中抗壞血酸、對(duì)乙酰氨基酚通常對(duì)葡萄糖的精確測(cè)定產(chǎn)生干擾。當(dāng)向1 mM的葡萄糖溶液中加入0.2 mM的抗壞血酸和乙酰氨基酚時(shí)，電極幾乎不產(chǎn)生明顯的干擾，這說(shuō)明所制備的修飾電極表現(xiàn)出良好的選擇性。一方面電極是在較低的電位下（0.0 V）實(shí)現(xiàn)的葡萄糖的檢測(cè)，另一方面，Nafion膜可以有效地阻止這些陰離子的干擾。本章還對(duì)PPyPB/MWNTs修飾的生物傳感器的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，當(dāng)電極不用時(shí)，放于4 °C磷酸鹽緩沖液中，一個(gè)月后，其響應(yīng)值減小到起始值

21、的85%，這說(shuō)明該修飾電極有良好的貯存穩(wěn)定性。將CNT分散到PPYPB溶液中，可得到新的PPYPBPB/MWNTs體系，利用了CNT和PB之間的協(xié)同作用，即由于CNT優(yōu)良的電子轉(zhuǎn)移能力而使PB的氧化還原能力得以顯著增強(qiáng)。這個(gè)體系為基于氧化型酶的電化學(xué)傳感器的發(fā)展提供了新的平臺(tái)。本章小結(jié)1. 本文采用原位聚合的方法首次用一步法合成了PPYPB納米粒子，PB納米粒子很好的分散在PPY膜內(nèi)，對(duì)PB起到有效的保護(hù)作用，當(dāng)摻入MWNTs后，復(fù)合材料的性能得到進(jìn)一步的優(yōu)化，PPYPB/MWNTs對(duì)H2O2表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和電催化活性。2. 對(duì)用PPYPB/MWNTs復(fù)合材料制備的酶生物傳感器的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)

22、行了優(yōu)化，所制備的生物傳感器表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和較寬的線性范圍（1-13 mM）。3. 所制備的酶生物傳感器表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和抗干擾能力，PPYPB/MWNTs復(fù)合材料體系為基于氧化型酶的電化學(xué)傳感器的發(fā)展提供了新的平臺(tái)。參考文獻(xiàn)1 B. Haghighi, S. Varma, F.M. Alizadeh Sh., Y. Yigzaw, L. Gorton, Prussian blue modified glassy carbon electrodesstudy on operational stability and its application as a sucrose biosens

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