CN105755523A - 疏水物质膜的一种制备方法 - Google Patents

Abstract

疏水物质膜的一种制备方法，属于膜制备技术领域，也涉及电极材料的制备技术领域。将由pH响应性聚电解质类表面活性剂包裹的疏水物质的纳米颗粒分散于水中，形成稳定的纳米悬浊液，将电极置于其中，并通入直流电后，使纳米颗粒电沉积到电极表面，取出电极用水冲洗、晾干后，制得电沉积在电极表面的疏水物质膜。本发明方法电沉积的疏水物质膜与传统方法相比，疏水物质在电极表面的电化学有效浓度和有效利用率更高，成膜更均匀，相应电极的响应性高、稳定性高、可多次使用，膜致密不易脱落，膜厚可控等优点。该疏水物质膜可用于如疏水电活性物质电子传递过程的研究，以及相对应底物分子的检测。

Description

疏水物质膜的一种制备方法

技术领域

本发明属于一种膜制备技术领域，也涉及电极材料的制备技术领域。

背景技术

自然界很多有机分子为疏水性而难溶于水，如辅酶Q₁₀、β-胡萝卜素、玉米黄质、虾青素等的LogP值大于2，一般需要使用有机溶剂溶解后才能用于涂布，待溶剂挥发后，有机分子沉积在物体表面制得相应的膜。但通过溶液涂布法，有机分子易在表面发生结晶及严重的相分离，从而使表面分布极不均匀，如疏水电活性物质涂布于电极表面，其有效浓度和有效利用率极低，较难达到应用的要求。

辅酶Q₁₀（coenzymeQ₁₀），简称CoQ₁₀，又名泛醌，是一种难溶于水的类维生素物质，以较低的含量广泛存在于各类生物体组织中的脂溶性醌类化合物，是线粒体呼吸链的关键反应物，具有电化学氧化还原性质，对其的研究具有重大的意义。然而，其高浓度修饰电极较难制备，目前对辅酶电化学性质的研究被限制在有机溶液或仿生膜中。有机体系的导电性差，传统仿生膜需将辅酶Q₁₀通过化学交联固定在仿生膜中，构建方法十分复杂，给辅酶Q₁₀的电化学研究带来相当的困难，因此急需获得一种简单的手段能对辅酶Q₁₀进行研究。此外，辅酶Q₁₀膜修饰电极还可用于NADH、谷胱甘肽等生物分子的快速有效检测。

发明内容

本发明目的在于提出一种附着性强、膜厚可控、具有较高膜活性的疏水物质膜的制备方法。

本发明包括以下步骤：

1）将由pH响应性聚电解质类表面活性剂包裹的疏水物质的纳米颗粒分散于水中，形成稳定的纳米悬浊液；

2）将电极置于纳米悬浊液中，向纳米悬浊液通入直流电后，使纳米颗粒电沉积到电极表面，取出电极用水冲洗、晾干后，制得电沉积在电极表面的疏水物质膜。

通过本发明方法电沉积的疏水物质膜与传统方法相比，疏水物质在电极表面的电化学有效浓度和有效利用率更高，成膜更均匀，相应电极的响应性高、稳定性高、可多次使用，膜致密不易脱落，膜厚可控等优点。该疏水物质膜可用于如疏水电活性物质电子传递过程的研究，以及相对应底物分子的检测。

所述疏水物质具有LogP值大于2的特点，较难溶于水，如辅酶Q₁₀、β-胡萝卜素、玉米黄质、虾青素等。其中辅酶Q₁₀是一种疏水电活性物质，可与电极直接进行电子传递，可通过循环伏安特性曲线来研究辅酶Q₁₀的电化学反应过程，并可用于NADH、谷胱甘肽等生物分子浓度的检测。

所述pH响应性聚电解质类表面活性剂为壳聚糖。壳聚糖的等电区间为pH≥5，随着pH的改变，壳聚糖所带电荷量以及疏水性会发生变化。当pH<5时，壳聚糖分子带电荷，因此为水溶性，其包裹的纳米颗粒可以较稳定地均匀分散于水中；当pH≥5时，壳聚糖分子不带电荷，因此不溶于水，其包裹的颗粒发生相互团聚。

所述悬浊液通直流电时，其中的带电纳米颗粒在电场作用下向电极表面迁移。同时再电压作用下，电极表面的水被部分离解，使贴近电极表面的pH发生变化，从原来pH<5变至pH>5。由于pH的改变，颗粒表面壳聚糖的电荷被中和，壳聚糖由水溶性转变为水不溶，纳米颗粒由于转变为疏水性而沉积在电极表面。

所述直流电的电压值应小于水的分解电压1.2V。可选择0.8~1.2V，a）以防止水电离产生的H⁺和OH^-转化为H₂和O₂，从而降低电极附近pH的变化能力；b）以防止气泡的产生，降低成膜的致密性；c）确保电沉积成膜的较快速度。

壳聚糖为pH响应性聚电解质类表面活性剂，是带多氨基的天然可降解多糖类高分子，生物相容性好。在pH<5条件下，壳聚糖的氨基质子化后带正电荷，分子溶于水，因此被壳聚糖包裹的纳米颗粒间会相互排斥，纳米颗粒可稳定、均匀的分散在水中；pH≥5，壳聚糖分子不带电荷不溶于水。因此被壳聚糖包裹的纳米颗粒也不溶于水，颗粒会发生团聚。在电极制备中，在pH<5条件下，在壳聚糖包裹的辅酶Q₁₀纳米悬浊液中加直流电压，带正电荷的纳米颗粒向负极迁移，在电极表面电荷被中和，壳聚糖将由水溶性变为水不溶，由壳聚糖包裹的纳米颗粒因此沉积在电极表面而成膜。电沉积了该膜的电极具有响应性高，稳定性高，可多次使用，与其他方法如溶液滴涂或颗粒滴涂的方法比较，该方法制得的膜较均匀，较不易脱落，膜厚较易控制，膜活性物质的电化学有效浓度和有效利用率更高等优势。

附图说明

图1为膜厚与通电时间的关系图。

图2为分别通过a)SC法和b)PED法所制备电极的有效酶浓度的测试结果图。

图3为PED法所制备电极循环伏安100圈稳定性测试图。

图4为使用PED法制备的电极的重复使用性测试结果图。

图5为使用PC法制备电极的重复使用性测试结果图。

图6为通过PED法制备的电极表面的扫描电镜图（放大倍率相同，标尺为2μm）。

图7为通过SC法制备电极表面的扫描电镜图（放大倍率相同，标尺为2μm）。

图8为通过PC法制备电极表面的扫描电镜图（放大倍率相同，标尺为2μm）。

图9为PED法所制备电极在不同扫速下的循环伏安特性曲线图。

图10为PED法所制备电极的阻抗图。

具体实施方式

一、颗粒电沉积（PED）法成膜：

将包裹了壳聚糖（0.5mg/mL）的辅酶Q₁₀（0.5mg/mL）分散于pH<5的水中，形成稳定的纳米悬浊液。

将玻碳电极表面浸入纳米悬浊液中，通0.8V直流电30min，取出电极，用水冲洗、晾干，制得电沉积有辅酶Q₁₀膜的电极。

二、膜厚与通电时间关系：

电沉积获得膜厚度为0.3±0.1μm，辅酶Q₁₀实际浓度为7×10^-9mol×cm^-2。

采用相同方法，改变通电时间，分别取得0.3±0.1μm、0.5±0.1μm、0.9±0.1μm、1.3±0.1μm、1.6±0.1μm、1.9±0.1μm、2.1±0.3μm、2.1±0.3μm八种不同厚度的膜。获得如图1所示膜厚与通电时间关系图，通电时间越长膜越厚，6小时后膜厚趋于恒定。该关系图可用于膜厚的准确控制。

三、膜的电性能测试：

以沉积有该膜的电极为工作电极，铂丝电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，在磷酸缓冲溶液（pH=3.0）中测其循环伏安特性（如图2中曲线b，扫速0.1V/s），估算出电极上辅酶Q₁₀的电化学有效质量为1.2×10^-4mg，计算得到电极表面辅酶Q₁₀的电化学有效浓度为5.36×10^-11mol×cm^-2，有效利用率为0.76%，这些数值远远高于通过其他方法制得的膜的数值。

电极连续在缓冲溶液中扫循环伏安100圈依然稳定（如图3所示）。电极可以使用约5次（如图4所示），电沉积膜较不易脱落。峰电流较高，氧化峰电流1.34μA，还原峰电流1.28μA。膜表面纳米颗粒分散均匀（如图6所示）。

四、溶液滴涂（SC）法成膜（对比实验1）：

将10μL0.5mg/mL辅酶Q₁₀丙酮溶液滴涂在电极上，常温常压下晾干后制得电极。计算得到电极表面辅酶Q₁₀实际质量为5×10^-3mg，实际浓度为2.9×10^-8mol×cm^-2。以该电极为工作电极，铂丝电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极搭建三电极体系，常温常压下在磷酸缓冲溶液（pH=3.0）中测得电极的循环伏安特性（如图2中曲线a，扫速0.1V/s），辅酶Q₁₀在电极表面非常粗糙，发生明显结晶和宏观相分离现象（如图7所示）。辅酶Q₁₀的电化学有效浓度较低，为4.68×10^-12mol×cm^-2，有效利用率为0.02%。峰电流微弱，氧化峰电流为0.36μA，还原峰电流为0.59μA。

五、颗粒滴涂（PC）法成膜（对比实验2）：

将10μL壳聚糖（0.5mg/mL）包裹的0.5mg/mL辅酶Q₁₀纳米悬浊液滴涂在电极上常温常压下晾干，制得电极。计算得到电极表面辅酶Q₁₀实际质量5×10^-3mg，实际浓度为2.9×10^-8mol×cm^-2。以该电极为工作电极，铂丝电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极搭建三电极体系，常温常压下在磷酸缓冲溶液（pH=3.0）中得到循环伏安特性曲线，辅酶Q₁₀的电化学有效浓度较低，为1.38×10^-11mol×cm^-2，有效利用率为0.04%。峰电流微弱，氧化峰电流为0.51μA，还原峰电流为0.45μA。耐久性差，只能单次使用（如图5所示）。表面较不均匀，出现相分离现象（如图8所示）。

六、在研究疏水分子电子传递过程中的应用：

以辅酶Q₁₀膜电极为工作电极，铂丝电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极搭建三电极体系，在常温常压下通氮气，在磷酸缓冲溶液（pH=3.0）中测其循环伏安特性，扫速分别为0.1V/s~0.5V/s，循环伏安曲线如图9。其氧化还原电流与扫速的1/2次方成正比，说明该氧化还原反应为扩撒控制过程。电极阻抗测试结果如图10所示，几乎没有溶液电阻和电极基底与膜界面间电子转移电阻，而有较强的膜内扩散电阻。

七、其它疏水物质的膜制备：

分别取由壳聚糖（0.5mg/mL）包裹的β-胡萝卜素、玉米黄质、虾青素（0.5mg/mL）的纳米悬浮液（pH<5）。将电极浸入纳米悬浊液中，通0.8V直流电30分钟，取出表面电沉积了不同疏水物质膜的电极，用水冲洗、晾干。可以测得电极表面膜的厚度，如表1所示，说明该方法可以用于多种疏水物质的膜制备。

表1

疏水物质	β-胡萝卜素	玉米黄质	虾青素
				膜厚（μm）	2.6 ± 0.9	0.9 ± 0.6	1.5 ± 1.1

Claims (6)

1.疏水物质膜的一种制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1）将由pH响应性聚电解质类表面活性剂包裹的疏水物质的纳米颗粒分散于水中，形成稳定的纳米悬浊液；

2）将电极置浸置于纳米悬浊液中，向所述纳米悬浊液通直流电，纳米颗粒电沉积到电极表面，取出电极用水冲洗、晾干后，制得电沉积在电极表面的疏水物质膜。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述疏水物质为ACDLogP>2的物质。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述疏水物质为辅酶Q₁₀、β-胡萝卜素、玉米黄质或虾青素。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述pH响应性聚电解质类表面活性剂为壳聚糖。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述步骤1）中用于分散纳米颗粒的水的pH值<5。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述直流电的电压值小于1.2V。