CN101354374B - 层层自组装制备壳聚糖-碳纳米管-染料-酶多层膜修饰电极的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种层层自组装制备壳聚糖-碳纳米管-染料-酶多层膜修饰电极的方法，将带有负电荷的电极分别置入壳聚糖-碳纳米管溶液、聚电解质-染料溶液、酶、聚电解质-染料溶液中进行组装操作使带有负电荷的电极表面附着修饰膜，循环所述的组装操作直至带有负电荷的电极表面的修饰膜达到预定厚度，得到(壳聚糖-碳纳米管/聚电解质-染料/酶/聚电解质-染料)n多层膜修饰电极。本发明利用层层自组装制备壳聚糖-碳纳米管-染料-酶多层膜修饰电极的方法，制备条件温和，多层膜厚度、染料电子传递媒介体固定量、酶固定量可控。制备出的无试剂电极灵敏度高，稳定性好。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物传感器中电极的制备方法，尤其涉及一种层层自组装制备壳聚糖-碳纳米管-染料-酶多层膜修饰电极的方法
背景技术
功能性多层膜在生物传感器、生物微反应器和生物医用材料等方面有重要应用，是近年来十分受关注的研究领域。层层自组装方法(Layer-by-layer assembly，LBL)是一种重要的功能性多层膜构筑方法，具有操作简单，组装条件温和，可以在分子层面控制组装量、膜结构和膜厚度等特点。通过层层自组装方法交替组装构筑具有特殊功能的多层膜具有重要的研究意义。
修饰电极作为生物传感器中的重要部件，其制备方法对生物传感器的性能有很大影响。过氧化物酶修饰电极被广泛用于食品生产、环境监测等领域。发展无试剂的过氧化物酶生物传感器是生物传感器研究的重要方向。这主要是由于过氧化物酶的氧化还原中心较难与电极发生直接电子传递，人们通常需引入电子传递媒介体促进过氧化物酶与电极间的电子传递。因此，电子传递媒介体在溶液中的过氧化物酶电极在原位分析或在线检测时存在诸多不便。
发展无试剂过氧化物酶生物传感器的关键是实现酶和电子传递媒介体的共固定化。小分子有机染料是性能优良的电子传递媒介体，可有效促进过氧化物酶与电极间的电子传递。碳纳米管由于具有独特的理化性质而受到人们的广泛关注。较大的比表面积、导体和半导体性质使其广泛应用与生物传感器的构筑中。羧基化的碳纳米管表面带负电荷，可与带正电的阳离子聚电解质通过静电等作用有效复合。
利用层层自组装方法制备壳聚糖-碳纳米管-染料-酶多层膜修饰电极，构筑新型无试剂传感器具有潜在应用价值。
发明内容
本发明提供一种条件温和的功能性多层膜修饰电极制备方法。
一种层层自组装制备壳聚糖-碳纳米管-染料-酶多层膜修饰电极的方法，将带有负电荷的电极依次分别置入溶液A、溶液B、溶液C和溶液B中进行组装操作使带有负电荷的电极表面附着修饰膜，循环所述的组装操作直至带有负电荷的电极表面的修饰膜为预定厚度的多层膜，得到修饰电极。
所述的组装操作为将电极在溶液中浸泡，浸泡的时间为5-60min，每次更换溶液时可先用去离子水冲洗电极。
负电荷的电极可以通过现有技术中多种方法得到。例如金电极，可以利用吸附、自组装等多种方法在电极表面负载一层带负电荷的单分子膜或带负电的纳米物质等，这样电极就带负电了。例如氧化铟锡电极，在氢氧化钠/乙醇溶液中浸泡就可以使电极表面带负电。例如玻碳电极，在硫酸中进行循环伏安扫描使其表面产生氧化层，就可以使电极表面带负电。
所述的溶液A为壳聚糖-碳纳米管溶液，壳聚糖-碳纳米管溶液的配置方法如下：
(1)将壳聚糖溶于质量百分比浓度为0.5-2.0％的乙酸或质量百分比浓度为0.5-2.0％盐酸溶液中，用浓碱溶液调壳聚糖溶液的pH值为4.0-5.8，得到溶液M；
浓碱溶液一般可以采用质量百分比浓度10～30％的氢氧化钠或氢氧化钾水溶液。
得到的溶液M中壳聚糖的质量百分比浓度为0.5-4.0％；
(2)向溶液M中加入羧基化的碳纳米管，超声10-30分钟，得到溶液A(壳聚糖-碳纳米管溶液)；
得到的溶液A中羧基化的碳纳米管浓度为0.1mg/mL-3mg/mL。
所述的溶液B为聚电解质-染料溶液，聚电解质-染料溶液的配置方法如下：
(1)将聚电解质溶于浓度为0.02-1.0mol/L、pH值为4.0-5.8的乙酸-乙酸钠缓冲溶液中，得到溶液N；
所述聚电解质为聚阴离子电解质，具体可采用聚对苯乙烯磺酸钠、硫酸酯化多糖、多糖硫酸酯、羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸或海藻酸钠；
得到的溶液N中聚电解质的浓度为0.1-5mg/mL。
(2)向溶液N中加入染料电子媒介体，得到溶液B(聚电解质-染料溶液)；
所述染料电子媒介体为阳离子染料电子媒介体，具体可以采用亚甲基兰、耐尔兰或中性红；
得到的溶液B中，染料电子媒介体的物质的量低于(与权利要求书统一吧)聚电解质的物质的量，利用静电作用将阳离子染料预先吸附在聚阴离子电解质上后，并使得到的聚电解质-染料复合物带静负电荷；若染料电子媒介体的物质的量高于聚电解质的物质的量将无法保证聚电解质-染料复合物带静负电荷。
此步骤组装过程作用力以静电作用为主，壳聚糖-碳纳米管带正电，聚电解质-染料带负电，酶带正电，聚电解质-染料带负电，这样正负相间组装，这也是组装顺序需固定的原因。
作为优选，在得到的溶液B中，染料电子媒介体的物质的量与聚电解质的物质的量的比为0.05～0.5∶1。
所述的溶液C为酶溶液，酶溶液的配置方法如下：
将过氧化物酶溶于浓度为0.02-1.0mol/L、pH值为4.0-5.8的乙酸-乙酸钠缓冲溶液中，得到溶液C(酶溶液)；
得到的溶液C中，酶的浓度为0.1-5mg/mL；
所述的过氧化物酶，具体可采用辣根过氧化物酶、芦笋过氧化物酶或马铃薯过氧化物酶。
操作时，将带有负电荷的电极按次序分别置入溶液A、溶液B、溶液C和溶液B中完成一次循环组装操作，使带有负电荷的电极表面附着修饰膜，为了得到一定厚度的多层膜，按照溶液A、溶液B、溶液C和溶液B的顺序再进行若干次循环组装操作，一般循环3～10次左右，得到(壳聚糖-碳纳米管-染料-酶)n修饰电极，n表示循环的次数。
本发明方法一般均可在常温下操作。
壳聚糖是来源丰富的天然聚合物，壳聚糖分子中大量的活性氨基可在酸性溶液中质子化，使壳聚糖具有聚阳离子的性质。壳聚糖可有效地分散羧基化的碳纳米管，形成稳定的壳聚糖-碳纳米管复合物。
作为一种天然聚合物，壳聚糖具有良好的生物相容性，被广泛用作酶固定化载体。碳纳米管近年来已被广泛用于生物传感器的构筑中，可促进电子传递，有效提高传感器检测灵敏度。与壳聚糖-碳纳米管基质复合的酶具有高的活性和良好的稳定性。同时，染料电子传递媒介体可有效促进过氧化氢酶与电极间的电子传递。小分子有机染料是性能优良的电子媒介体，但这类分子所带的电荷较少，直接采用自组装方法构筑多层膜，组装上的染料分子在组装下一层时容易从膜中脱落。因此本发明将有机阳离子有机染料与聚阴离子聚电解质在溶液中预混合，利用静电作用将染料预先吸附在聚阴离子上，再与带正电荷的物质静电组装。本发明中，壳聚糖聚阳离子的作用，使得壳聚糖-碳纳米管复合物带正电，能够与带静负电荷的聚电解质-染料静电自组装。过氧化物酶在所述pH条件下，带正电，也可与表面带负电的聚电解质-染料发生静电自组装。
因此，将带有负电荷的电极分别置入壳聚糖-碳纳米管溶液、聚电解质-染料溶液、酶、聚电解质-染料溶液中进行组装操作，能使带有负电荷的电极表面通过静电作用附着修饰膜，循环所述的组装操作直至带有负电荷的电极表面的修饰膜达到预定厚度，可得到(壳聚糖-碳纳米管/聚电解质-染料/酶/聚电解质-染料)n多层膜修饰电极。基于壳聚糖-碳纳米管复合材料、电子传递媒介体共固定化的层层自组装方法，可使构筑的无试剂传感器具有良好的电化学性能和稳定性。
本发明方法，制备条件温和，多层膜厚度、染料电子传递媒介体固定量、酶固定量可控。
具体实施方式
实施例1
将壳聚糖溶于质量百分比浓度为0.5％的乙酸溶液中，调溶液pH值为5.0，得到溶液M，溶液M中壳聚糖的质量百分比浓度为0.5％；向所得壳聚糖溶液中加入羧基化的碳纳米管，超声10分钟，得到壳聚糖-碳纳米管溶液，壳聚糖-碳纳米管溶液中羧基化的碳纳米管浓度为0.5mg/mL。
将聚对苯乙烯磺酸钠溶于浓度为0.1mol/L、pH值为5.0的乙酸-乙酸钠缓冲溶液中，得到溶液N，溶液N中聚对苯乙烯磺酸钠的浓度为2mg/mL，向所得溶液中加入染料电子媒介体亚甲基兰，得到聚电解质-染料溶液。聚电解质-染料溶液中亚甲基兰的浓度为0.5mg/mL。
将辣根过氧化物酶溶于浓度为0.1mol/L、pH值为5.0的乙酸-乙酸钠缓冲溶液中，得到酶溶液，酶溶液中辣根过氧化物酶的浓度为1mg/mL。
将带有负电荷的电极先后置入壳聚糖-碳纳米管溶液、聚电解质-染料溶液、酶溶液、聚电解质-染料溶液中交替自组装，每种溶液中的组装时间为20min，完成一次循环组装操作，使带有负电荷的电极表面附着修饰膜，按照上述组装顺序再进行6次循环组装操作，得到(壳聚糖-碳纳米管-染料-酶)6多层膜修饰电极。
实施例2
将壳聚糖溶于质量百分比浓度为1％的乙酸溶液中，调溶液pH值为4.5，得到溶液M，溶液M中壳聚糖的质量百分比浓度为1％；向所得壳聚糖溶液中加入羧基化的碳纳米管，超声20分钟，得到壳聚糖-碳纳米管溶液。壳聚糖-碳纳米管溶液中羧基化的碳纳米管浓度为1mg/mL。
将海藻酸钠溶于浓度为0.2mol/L、pH值为5.0的乙酸-乙酸钠缓冲溶液中，得到溶液N，溶液N中海藻酸钠的浓度为2mg/mL，向所得溶液中加入染料电子媒介体耐尔兰，得到聚电解质-染料溶液。聚电解质-染料溶液中耐尔兰浓度为0.25mg/mL。
将芦笋过氧化物酶溶于浓度为0.1mol/L、pH值为4.8的乙酸-乙酸钠缓冲溶液中，得到酶溶液；酶溶液中芦笋过氧化物酶的浓度为0.5mg/mL。将带有负电荷的电极先后置入壳聚糖-碳纳米管溶液、聚电解质-染料溶液、酶溶液、聚电解质-染料溶液中交替自组装，每种溶液中的组装时间为15min，完成一次循环组装操作，使带有负电荷的电极表面附着修饰膜，按照上述组装顺序再进行8次循环组装操作，得到(壳聚糖-碳纳米管-染料-酶)8多层膜修饰电极。
Claims (7)
1.一种层层自组装制备壳聚糖-碳纳米管-染料-酶多层膜修饰电极的方法，将带有负电荷的电极依次分别置入溶液A、溶液B、溶液C和溶液B中进行组装操作使带有负电荷的电极表面附着修饰膜，循环所述的组装操作直至带有负电荷的电极表面的修饰膜为预定厚度的多层膜，得到修饰电极；
所述的溶液A为壳聚糖-碳纳米管溶液；所述的溶液B为聚电解质-染料溶液，所述的溶液C为过氧化物酶溶液；
所述的聚电解质为聚对苯乙烯磺酸钠、硫酸酯化多糖、多糖硫酸酯、羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸或海藻酸钠；
所述染料电子媒介体为亚甲基兰、耐尔兰或中性红。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的溶液A的配置方法如下：
将壳聚糖溶于质量百分比浓度为0.5-2.0％的乙酸或质量百分比浓度为0.5-2.0％盐酸溶液中，用碱液调pH值至4.0-5.8，得到壳聚糖的质量百分比浓度为0.5-4.0％的溶液；再加入羧基化的碳纳米管，分散均匀，得到羧基化的碳纳米管浓度为0.1mg/mL-3mg/mL的溶液A。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的溶液B的配置方法如下：
将聚电解质溶于浓度为0.02-1.0mol/L、pH值为4.0-5.8的乙酸-乙酸钠缓冲溶液中，得到聚电解质的浓度为0.1-5mg/mL的溶液，向溶液中加入染料电子媒介体，得到溶液B；
所述染料电子媒介体为亚甲基兰、耐尔兰或中性红；溶液B中，染料电子媒介体的物质的量低于聚电解质的物质的量。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的溶液C的配置方 法如下：
将过氧化物酶溶于浓度为0.02-1.0mol/L、pH值为4.0-5.8的乙酸-乙酸钠缓冲溶液中，得到过氧化物酶的浓度为0.1-5mg/mL的溶液C。
5.如权利要求1或4所述的方法，其特征在于：所述的过氧化物酶为辣根过氧化物酶、芦笋过氧化物酶或马铃薯过氧化物酶。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的组装操作为将电极在溶液中浸泡，浸泡的时间为5-60min。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：循环所述的组装操作3～10次。
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