离子液体和纳米材料提高电化学传感器性能之新策略

摘要

电化学传感器具有选择性好、灵敏度高、操作和携带方便、易微型化等优点，是目前传感领域中的研究热点。在基于蛋白质（酶）的电化学生物传感领域，保持酶的催化活性和提高蛋白质（酶）的直接电子转移信号进而提高传感器性能是科研工作者追求的目标;在基于纳米材料的无酶电化学传感领域，研究纳米材料演变的机制和制备较高电催化活性的纳米材料是构建高性能电化学传感器的关键。
　　被人们誉为“绿色”溶剂的离子液体和纳米材料是近年来发展迅速的两类新型传感材料。离子液体在电化学生物传感领域中有重要的应用。作为粘结剂，离子液体替代石蜡油制备的碳离子液体电极(CILE)优势颇多，但其背景电流较大。对于含酶的CILE来说，在保持酶活性的前提下降低其背景电流、提高其信噪比是亟需解决的重要问题。作为支持电解质，离子液体对固定化和游离的氧化还原蛋白（酶）的直接电子转移过程有着不同程度的影响，但其影响机制尚不明确。这些机制的认识对构建高性能的生物传感器有重要帮助。不仅如此，它们与离子液体的Hofmeister效应的某些关联也有利于建立离子液体Hofmeister序列的生物电化学表征方法。纳米/微米级的CuO和纳米多孔金(NPG)在无酶电化学传感领域中有重要的应用，其性能与纳米材料的尺寸、形貌等有着密切的关系，探究纳米材料的形成机制以及建立简便、低耗、绿色的方法制备电催化活性较高的纳米材料是提高电化学传感器性能的关键。为此，本论文从几个新的视角尝试开展了如下研究工作:
　　1.离子液体提高碳离子液体酶电极性能的新策略
　　以离子液体为粘结剂制备的CILE具有传统碳糊电极(CPE)不可比拟的优势，基于CILE的电化学生物传感器已在分析和检测中获得应用。然而，CILE的背景电流较大，目前通过单纯加热室温下为固体的离子液体（为粘结剂）制备的CILE虽然能降低背景电流，但也会影响含酶CILE中酶的活性。本文从选择具有恰当熔点的离子液体的角度出发，期望在保持酶活性的前提下降低电极的背景电流，进而提高含酶CILE的信噪比。1-丙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([Pmim][PF6])的熔点为39℃，以此为粘结剂制备出了新型的含葡萄糖氧化酶(GOx)的CILE。循环伏安图和电化学阻抗谱表明，[Pmim][PF6]与石墨粉恰当的比例和加热措施均能有效地降低背景电流、增加电极的机械强度。相对于CPE，加热的CILE能更灵敏地检测H2O2。实验结果表明，与以熔点为65℃的正辛基吡啶六氟磷酸盐(OPFP)为粘结剂制备的GOx-CILE相比，葡萄糖在基于[Pmim][PF6]的酶电极上的响应信号更大。红外光谱证明，在各自的熔点加热后，OPFP与石墨粉的混合物中，酶结构遭到了严重的破坏，而在[Pmim][PF6]与石墨粉的混合物中，酶结构得到了保持。因此，选择熔点略高于室温的[Pmim][PF6]制备GOx-CILE不仅能通过加热降低背景电流，又能保持酶的活性，从而达到提高此类酶电极分析性能的目的。
　　2.离子液体对固定化酶直接电子转移的影响及抗F-生物传感器的构建
　　氧化还原蛋白质（酶）的直接电子转移是第三代电化学生物传感器的基础。离子液体在此类传感器的构建和应用中具有重要作用。然而，离子液体作为支持电解质对固定化蛋白质（酶）直接电子转移的影响及其机制尚未明确，而且目前各类电子促进剂或电子介体的使用、覆盖膜的不当选择也不利于研究离子液体阴阳离子的影响。本文用全氟磺酸阴离子膜(Nafion)将辣根过氧化物酶（HRP）固定在玻碳电极上，研究了[BF4]-盐离子液体中咪唑阳离子上的烷基链长对HRP直接电子转移和电催化活性的影响及其规律。结果表明，离子液体中的少量水有利于维持Nafion膜中HRP的电化学活性，而且最佳水含量随着烷基链长的增加而降低，这主要由离子液体亲水性大小所决定。与水介质相比，离子液体介质对HRP的直接电子转移有促进作用，且不同离子液体中得到的电化学参数与离子液体本质有明显关联。电子转移动力学研究表明，HRP和玻碳电极之间的直接电子转移是表面限域准可逆的单电子转移过程，且随着咪唑环上烷基链长的增加，HRP的表观异相电子转移速率常数逐渐减小，但变化幅度不大。不同离子液体中酶电极对H2O2的电催化研究表明，H2O2的电催化还原电流随着离子液体阳离子碳链的增长而显著下降，且此变化趋势和离子液体黏度的变化一致，这是由H2O2在不同离子液体中传质速率不同所致。该修饰电极的覆盖膜是Nafion阴离子膜，这不仅有利于突出离子液体阳离子效应，而且相对于中性琼脂糖膜，其抗F-性能明显增强，避免了离子液体阴离子解离的少量F-对HRP活性中心的毒化，从而构建了抗F-性能较高的生物传感器。
　　3.离子液体对游离酶直接电子转移的影响及离子液体Hofmeister序列的生物电化学表征方法的建立
　　为了更直观地研究离子液体对HRP直接电子转移的影响及机制，有必要研究水介质中离子液体与HRP间的相互作用。本文用电化学方法系统地研究了水溶液中不同离子液体的阴阳离子对HRP直接电子转移和结构稳定性的影响。结果表明，在普通的磷酸盐缓冲液(pH7.0)中，经孵化与负电位富集后，在玻碳电极上观察不到HRP的直接电子转移信号，但加入离子液体后，HRP有明显的直接电化学信号，且电流的大小取决于离子液体的结构及含量。氧化峰电流与扫速之间的线性关系表明，HRP的直接电子转移是表面限域的薄层电化学过程。圆二色光谱研究表明，离子液体与HRP相互作用后，HRP的二级结构发生了变化，活性中心外露，有利于直接电子转移的发生，而且实验证明这种变化与HRP催化活性的变化、直接电子转移信号的大小相互对应。蛋白质结构和酶催化活性是衡量离子液体Hofmeister效应的两个重要方向，本文以HRP直接电子转移信号为指标，建立了研究离子液体阴阳离子Hofmeister序列的电化学表征方法。此项研究不仅有利于理解离子液体对游离HRP直接电子转移的影响及机制，为高性能电化学传感器的构建提供理论支撑，也为蛋白质的分离纯化、酶促生物催化与转化设计绿色和生物兼容的离子液体提供了指导。
　　4.纳米材料制备的新策略及其电催化性能的研究
　　无酶电化学传感器不涉及生物活性物质，因而受温度、pH值等外界环境的影响较小，用简便、低耗、绿色的方法获得电催化活性较高的新型纳米材料是构建无酶电化学传感器的前提。本文利用阳极溶出法在无任何添加剂的NaOH溶液中制备了CuO花型微球(CuOFMs)，这个简便、快速的方法只需在室温下即可完成。X-射线衍射图、扫描电镜(SEM)图和透射电镜图表明，该CuOFMs是由CuO纳米片构成的单斜晶体。红外光谱表明，由此方法制备的CuO极其纯净，没有Cu(OH)2的存在。通过控制不同的电解时间，研究了各个阶段生成物的结构演变过程，提出了CuOFMs的形成机制。相对于非CuOFMs修饰的平面电极，H2O2在CuOFMs修饰电极上的电氧化起始电位较负、氧化电流较大，表明该CuOFMs对H2O2有较高的电催化活性，而且其响应电流随着H2O2浓度的增加而线性增大，表明CuOFMs修饰电极具有较好的传感能力，由此成功构建了重现性和稳定性良好的无酶H2O2电化学传感器。
　　NPG是很好的电催化材料，为获得自支撑的纳米多孔金电极(NPGE)，本文选择对水和空气稳定的离子液体（氯化胆碱·氯化锌）为介质，在无任何保护措施下，利用原位电化学合金/去合金方法制备了NPGE，研究了温度对金电极表面合金/去合金过程的影响及其机制。循环伏安实验和SEM图表明，随着制备温度的升高，金表面形成的合金增多，NPG的多孔性增加。与平面金电极相比，120℃下制备的NPGE的电活性面积和碱性及中性溶液中对葡萄糖的电催化活性都大大增加。在中性条件下，此NPGE能较好地检测葡萄糖。此研究不仅有利于理解电化学合金/去合金制备NPG的机制，而且为高性能无酶葡萄糖电化学传感器的构建提供了自支撑的基底电极。