论基于溶胶－凝胶固定技术的生物组织传感器

基于溶胶凝胶固定技术的生物组织传感器宣俊 陈利兴 许长流（中山大学化学与化学工程学院2000级，广州）指导老师：蔡沛祥教授摘要：报道一个关于制备生物组织传感器的新技术，将溶胶凝胶与植物液汁按一定比例结合，使天然植物中的多酚氧化酶被固定于溶胶凝胶中，将其滴涂于预先涂有一层Nafion膜的铂盘电极表面，构成带有Nafion溶胶凝胶植物液汁的复合修饰膜的生物传感器，用于测定神经递质多巴胺。采用循环伏安法和线性扫描伏安法考察了传感器的电化学特性,比较了不同植物品种、不同组织位置的生物催化活性，研究了乙醇用量、水酯比、植物液汁用量等因素的影响，考察了Nafion膜的防干扰功能。采用差示脉冲伏安法对多巴胺进行定量分析，线性范围为210-6110-4mol/L,检出限为8.010-7mol/L。与传统的组织电极相比，本传感器具有一系列特点。关键词： 溶胶-凝胶，固定化技术，植物组织传感器，多巴胺1、前言多巴胺（DA）是人体一种重要的神经递质，其浓度的大小可直接引发起人体的一些精神性疾病。如：抑郁症、老年痴呆、帕金森等。因此，为了更准确灵敏地检测多巴胺浓度的大小，人们从多方面对其进行研究。生物传感器是化学传感器的一个分支。生物传感器成功的关键是生物材料固定技术。组织电极（包括植物组织电极、动物组织电极）是生物传感器的一种。植物组织电极问世于八十年代初，是利用天然植物中存在的酶直接作为生物催化剂的一种生物传感器。从文献可以看到，以往人们对植物组织电极的研究，从电极结构来看，主要有切片组织电极和碳糊电极两种类型。切片的组织电极采用夹心面包式的物理固定法将植物组织切片固定，需要特定的基础电极（如O2电极、NH3电极等）作为转换器，组装时还需要在组织片与基础电极之间设置透气膜，在组织片外加上保护网等，电极的制作比较繁琐。碳糊电极的制作比较简单。只要将植物组织磨成浆，按一定的比例与石墨粉混合调成碳糊，填入电极杆下端，磨平后即可使用。虽然碳糊电极制作简单，但是生物活性物质易从电极表面流失，而且碳糊在溶液中浸泡时容易松散脱落，更经不起搅拌时溶液的冲擦。基于以上两种电极的存在问题，我们提出了关于植物组织电极固定生物材料的新技术溶胶凝胶技术。溶胶凝胶玻璃是由烷氧基硅烷(如Si(OCH3)4)或类似的有机金属烷氧化物(如异丙氧基钛或异丙氧基铝)在常温下水解和缩聚而成的透明的玻璃状物质。网络结构的硅烷聚合物能包埋各种生物活性物质，并能让它们在孔隙中自由地移动或与孔隙内表面的硅醇基团进行某种程度上的相互作用。溶胶凝胶材料具有物理刚性、化学惰性、高热稳定性和轻微溶胀性，它的低温聚合过程的特点更是有利于生物材料的固定。实验中，我们对不同植物组织汁进行了比较实验。结果发现在各种植物组织中，以苹果内部组织最好，且用同一根生物电极可多次重复检测不同浓度的待测样品，具有较好的实验研究价值。2、研究内容2.1 仪器和试剂CHI 750A型电化学工作站（上海辰华仪器公司），超声波清洗器（明珠电器有限公司），三电极系统：所研制的多巴胺传感器为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂丝电极为对电极。正硅酸乙酯（TEOS，Aldrich公司），Triton X-100（Research公司），Nafion-117（5%的乙醇溶液，Fluka公司），盐酸多巴胺（DA，Sigma公司），盐酸多巴胺注射液（江苏林海药业有限公司制造分公司），盐酸肾上腺素注射液（EP，广州明兴制药厂），抗坏血酸（维生素C药片，AA，广东华南制药厂）。以0.1mol/L Na2HPO4-0.1mol/L KH2PO4缓冲溶液（PBS，pH=7.4）为测试底液。试剂均为分析纯，实验用水为二次蒸馏水。2.2 二氧化硅溶胶凝胶的制备将60LTEOS、410L水、12L0.1mol/L HCL和2滴 Triton X-100混合，室温下超声振荡1h，使其形成均匀澄清的溶胶，然后在电冰箱中放置23h。使用前用0.01mol/L NaOH中和约等于pH=7.4。2.3 多巴胺传感器的制备将铂盘电极（1mm）在金相砂纸上打磨抛光，依次在HNO3（1:1）、丙酮和双蒸水中超声清洗15min，清洗后的电极置于室温下晾干备用。用微量注射器将5L含体积分数为5% Nafion的乙醇溶液滴涂于电极表面，室温下晾干备用。将100L苹果汁加到已制好的二氧化硅溶胶中，充分振荡均匀。用微量注射器吸取5L苹果汁溶胶-凝胶，滴涂于已经用Nafion修饰的干燥的铂盘电极表面，室温下晾干待测。2.4 实验方法电化学测量采用三电极系统，以所研制的植物电极为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂丝电极为对电极。0.1mol/L Na2HPO4-0.1mol/L KH2PO4缓冲溶液（PBS，pH=7.4）为测试底液。采用循环伏安法（CV）研究传感器的电化学特性，采用示差脉冲伏安法（DPV）对DA进行定量分析。除另有说明外，实验所用的多巴胺溶液的浓度为CDA=1.0510-3mol/L。2.5 实验原理许多植物组织中都含有多酚氧化酶，它能催化多巴胺，在电极上氧化成醌式产物。而氧化产物又能在电极上还原，当对电极进行电位循环扫描时可以获得多巴胺的氧化和还原电流峰。实验表明用苹果汁-溶胶-凝胶修饰电极对多巴胺溶液进行循环伏安法电位扫描时，得到氧化还原电流峰（图1，a,b），而不含植物组织的溶胶凝胶电极和裸电极所产生的CV曲线显得平缓(图1，c,d)。又用苹果汁-溶胶-凝胶修饰电极对PBS底液进行循环伏安法电位扫描，得到的CV曲线显得平缓（图1，e）。从修饰电极对多巴胺溶液的循环伏安响应曲线可以看到，它的阳极峰电位是0.337V，阴极峰电位是0.154V。证明苹果汁中的酶对多巴胺的电极过程起了催化氧化的作用。图1 多巴胺伏安图a Nafion-苹果汁-溶胶-凝胶修饰电极对DA的响应b苹果汁-溶胶-凝胶修饰电极对DA的响应c不含植物组织的溶胶-凝胶电极对DA的响应d裸电极对DA的响应 e Nafion-苹果汁-溶胶-凝胶修饰电极在PBS底液中3、实验条件优化、选择及讨论3.1 植物组织的选择(一) 植物种类的选择分别提取苹果、番茄、土豆、白菜、紫荆花、龙船花和琵琶果的液汁加入溶胶凝胶里面制成传感器，以循环伏安法观察响应电流，发现由以上各种植物制得的传感器都有响应电流，说明各种植物都含有能对多巴胺起催化作用的氧化酶。测量数据如表1：表1 不同植物品种的催化效果比较植物种类 ipc/A番茄 2.588E-07紫荆花 3.475E-07白菜 3.926E-07琵琶果 4.218E-07土豆 6.358E-07龙船花 1.147E-06苹果 1.385E-06从响应电流峰的高低来看，苹果和龙船花的提取液较适合作为研究对象，其他植物的提取液响应不够灵敏，而且有些植物（如土豆）提取不够方便，液汁中淀粉质过多，不利于溶胶凝胶对液汁中酶的包埋，影响修饰电极的使用。而龙船花提取液虽然响应较好，但收集原料较困难，因此决定以苹果作为研究对象。(二) 苹果种类部位的选择取两种不同种类的苹果：香蕉苹果和红富士苹果，分别取其外、中、内层果肉做对比实验（表2）。表2 苹果中不同部位催化效果比较苹果的不同部位 ipc/A香蕉苹果外层 5.194E-07香蕉苹果中层 8.915E-07香蕉苹果内层 1.096E-06富士苹果外层 7.953E-07富士苹果中层 8.917E-07富士苹果内层 2.383E-06红富士苹果提取液制得的修饰电极的响应峰电流普遍比香蕉苹果的高；而外、中、内层果肉提取液的修饰电极的响应依次增大，决定以红富士苹果的内层果肉作为植物组织液汁的来源。3.2 溶胶凝胶配比的选择(一) 乙醇加入量的选择在配制溶胶凝胶时加入乙醇量的多少与响应电流峰高低有关，通过对比实验，得到表3数据。表3 乙醇加入量对传感器性能的影响乙醇加入量/L ipc/A0 2.412E-0720 1.402E-0740 1.474E-07乙醇量加得少，响应峰电流比较高，不加乙醇时的响应峰电流最高。因此决定在配制溶胶凝胶时不加乙醇。原因是乙醇会损害酶的活性。（二） 水酯比R的确定水酯比R指凝胶中水和硅酯类量的比值。据文献报道，水与硅酯的比值大于4时，能加速硅酯键的水解，易形成分子量大的网状聚合物，聚合物的空隙度和比表面积较大。这类聚合物对生物活性物质的包埋与固定有利。当比值小于4时，硅酯键水解不充分，易形成分子量小、链状的聚合物。此时聚合物的网孔较小，不利于酶或蛋白质的固定。当水酯比R在610的范围内，R值越大，酶的固定越好。分别配置水酯比R为510的溶胶凝胶，制成传感器作平行测量对比如表4。表4 水酯比对传感器性能的影响R ipc/A4 7.637E-075 8.811E-076 1.042E-067 1.291E-068 1.184E-069 1.357E-0610 9.634E-07可见当R9时峰电流最大，决定采用这个比例。（三）、溶胶凝胶中植物液汁包埋量的选择向溶胶凝胶中加入苹果汁量的多少也会影响测定多巴胺的效果，苹果汁加入量的对比实验结果如表5。表5 苹果汁用量对传感器性能的影响苹果汁加入量（占溶胶的比例） ipc/A二分之一 5.580E-07三分之一 7.329E-07四分之一 8.578E-07五分之一 1.039E-06六分之一 1.779E-06八分之一 1.234E-06十分之一 9.668E-07在一定比例范围内，相应修饰电极的峰电流随苹果汁加入量的增多而增大，但苹果汁加得过多的时候相应的峰电流反而下降。根据峰电流的高低决定苹果汁的加入量（V/V）为1/6（即若最后配得的溶胶凝胶体积为600单位，则所含苹果汁的量为100单位）。3.3 电位扫描条件的确定(一) 扫描速度的选择讨论修饰电极工作时多巴胺在电极上的富集过程是靠扩散控制还是受吸附控制（因为若制备电极时所用苹果汁含淀粉质比较多时会出现吸附富集的现象）。两种情况下扫描速度对峰电流的影响有所不同。在不同的扫描速度下测得的实验结果见表6。表6扫描速度的影响 v/V s-1v1/2峰电流/A0.0500.223611.22E-060.0750.273861.32E-060.1000.316231.45E-060.1250.353551.65E-060.1500.387301.85E-060.1750.418332.10E-060.2000.447212.33E-06可见峰电流与扫描速度的平方根的关系并不是正比关系，也就是说，多巴胺在电极上的富集是由吸附控制的。本实验所选择的实验扫描速度为100mV/s。(二) 停留时间的影响在进行阴极扫描之前，于0.6V下，停留时间对响应峰电流的峰高有影响。设定不同停留时间（2s,5s,10s,15s,20s,25s）,分别测定同一多巴胺样品得表7数据。表7 静止时间对传感器性能影响静止时间/sipc/A26.059E-0756.469E-07107.214E-07157.507E-07207.551E-07257.004E-07停留时间对响应电流的影响也进一步证实了电极过程具有吸附特性。当停留20s时，多巴胺的响应峰电流响应较高，决定停留时间定为20s。（三）、电位扫描范围的选择确定起始电位为-0.2v，在不同的上限电位下扫描峰电位也有较大影响。如表8，分别采用不同的上限电位测量同一样品得到的结果。 表8 上限电位对传感器性能影响上限电位/vipc/A0.42.915E-070.66.531E-070.89.184E-071.01.586E-061.22.263E-06可见峰电流随上限电位增加而趋于增大，考虑到窄电位扫描可排除某些物质的干扰，最后将扫描电位定在-0.2v -0.6v。4、多巴胺传感器的选择性4.1 抗坏血酸(AA)干扰消除 AA的消除：由于抗坏血酸(AA) 的氧化电位与DA接近，严重干扰测量。对此，我们在植物溶胶凝胶电极上修饰一层Nafion膜。因为在生理pH条件下，(本实验用PBS缓冲液) ，DA为阳离子，而AA为阴离子，利用Nafion膜磺酸根阴离子与AA阴离子的排斥作用，可以较好地消除AA对DA的测量，如图3。 图3修饰电极对AA的响应a-苹果汁-溶胶-凝胶电极对AA的响应b-Nafion-苹果汁-溶胶-凝胶电极对AA的响应如图4: 曲线a为普通植物电极对DA的响应曲线，曲线b为没加Nafion膜电极所测得DA与AA混合溶液的响应曲线，可见AA对DA起了很大的干扰。对此，利用Nafion膜后，在DA与AA混合溶液中测量得曲线c，结果表明，加了Nafion膜后可较好地消除AA对DA干扰。图4 修饰电极在DA、DA与AA混合溶液的响应a-苹果汁-溶胶-凝胶电极对DA的响应 b-苹果汁-溶胶-凝胶电极在DA和AA混合溶液中的响应c-Nafion-苹果汁-溶胶-凝胶电极在DA和AA混合溶液中4.2 肾上腺素干扰消除由于肾上腺素（EP）和DA都是常存在于生物体内的神经递质，对此我们向DA溶液加进一定量的肾上腺素，考察其对DA有没有干扰（图5）。结果表明添加了Nafion膜的组织电极能排除EP对DA的干扰。 图5 Nafion膜对EP干扰的排除a-苹果汁-溶胶-凝胶修饰电极在EP中b-Nafion-苹果汁-溶胶-凝胶修饰电极在EP中c-Nafion-苹果汁-溶胶-凝胶修饰电极在DA和EP混标中5、分析应用配制一系列浓度的多巴胺标准溶液，采用示差脉冲伏安法及利用Nafion-苹果汁溶胶凝胶修饰电极对多巴胺标准溶液进行测定，绘制工作曲线（图6）。结果表明，多巴胺浓度在210-6 mol/L110-4 mol/L范围内响应电流呈良好的线性关系。吸取多巴胺针剂溶液30L，用PBS定容配成25mL（即多巴胺浓度为6.3310-5 mol/L）。用本传感器进行定量分析，测得多巴胺的浓度为6.5810-5 mol/L，实验误差为3.9%。参考文献1 蔡沛祥，黄昊，余新志，聂兵，“对多巴胺敏感的植物组织碳糊生物电极的改进”， 传感技术学报，1996,3, (1)：75-782 唐尹平，成凤桂，“Sol-Gel固定法制作生物传感器应用及发展”，中南民族学院学报，2000，3，19(1):89-933 何星存，李平，莫金垣，“用修饰电极导数伏安法同时测定多巴胺和肾上腺素”，分析测试学报，2000，1，19(1):19-214 汪振辉，郏建波，李工安，周漱萍，“多巴胺在聚茶碱Nafion双层修饰玻碳电极上的电化学行为”，分析化学，2000,5,28(5):568-5725 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SiO2 sol-gel and plant juice are mixed a certain proportion to make the enzyme from nature plant immobilized in the SiO2 sol-gel film. The dopamine biosensor is prepared from a platinum electrode coated with a Nafion film and then the midified SiO2 sol-gel layer.Cyclic voltammetry(CV) and Linear scan voltammetry are used to investigate the electrochemical characteristics of the sensor. The catalysis eff