（分析化学专业论文）三氧化二铝溶胶凝胶生物传感器的研究.pdf

摘要 摘要 f 自从1 9 6 2 年c l a r k 提出生物传感器的设想，1 9 6 7 年u p d i k e 研制出第一个葡 萄糖生物传感器以来，生物传感器已经发展为一门涉及化学，生物学，医学， 电子学等诸多领域交叉的前沿学科。在临床医学，工农业生产，环境保护等许 多方面有着广阔的应用前景。) 在生物传感器发展的进程中，与电化学基础电极 相结合的电化学生物传感器是最重要的一类。在研制生物传感器中，生物功能 物质的固定化是一个关键。它直接关系到传感器的寿命，灵敏度等一系列指标。 自从1 9 9 0 年b r a u n 等人首次成功地将蛋白分子固定在溶胶壤胶中，溶胶凝胶 技术迅速引起了人们的极大关注，并成为这一领域的重要发展方向。本论文着 重探讨了表面带正电荷的三氧化二铝溶胶凝胶固定生物分子的研究。f 主要是采 用生物陶瓷膜方式，并结合其他各种电化学方法，制备了以下几种生物传感器。 论文包括以下五部分内容： 一概述滓胶凝胶技术及其在生物传摩器中的应用 从以下几个方面对该领域研究概况进行评述 ( 1 ) 生物传感器的简单介绍 ， ( 2 ) 溶胶凝胶技术的系统介绍 ( 3 ) 溶胶凝胶生物传感器的当前发展状况 ( 4 ) 本论文工作的目的与意义 二三氧化二铝涪胶凝胶蕾萄糖生物传矗器 以葡萄糖氧化酶为例。首次用三氧化二铝溶胶凝胶成功地将具有功能性的 生物分子固定在镀有铂黑的玻碳电极表面，构成葡萄糖传感器。结果表明，带 正电荷的三氧化二铝溶胶凝胶表面能与带负电荷的葡萄糖氧化酶很好地结合。 而且，由于在基体电极表面( 玻碳电极) 上镀了一层疏松多孔的铂黑，不仅为 反应提供了较大的比表面积，提高了检测灵敏度，同时增加了溶胶凝胶膜在电 极上的附着力，降低了反应检测物过氧化氢在玻碳电极表面的过电位，能在+ o 6 v 的极化电位下氧化成水。该传感器对葡萄糖1 3 8 x l o 5 m o l l 到2 1 9 x 1 0 0 m o l l 范 围内，电流与葡萄糖的浓度成很好的线性关系。检测下限为4 x 1 0 4 m o l l 。此电 极的寿命不少于2 周以上。本实验还对电极的制各条件和工作条件进行了研究， 摘要 为酶电极的响应找到了适宜的条件。 三三氧化二铝涪胶摄胶酚类传摩器的研究 酚类化合物是地表水源的一种主要污染物。现在，己逐步对环境中酚类物 质浓度进行严格控制，并已法律化，规范化。 f 1 ) 利用溶胶凝胶性质受过程参数的影响这一特点，通过改变溶胶凝胶技 术的过程参数，即水铝比的不同，对其凝胶孔径进行人工裁剪。分别把大小不 同的分子固定在与之匹配的孔径膜中。用孔径较小的溶胶一凝胶膜固定f e ( c n ) 6 “ 中，孔径较大的溶胶，凝胶膜中固定酪氨酸酶，制备了介体型的酚类传感器。本 实验中，制各好的传感器其表面结构由三层组成：玻碳电极ls o l g e l f e ( c n ) 6 4 i s o l - g e l - t y r o s i n a s el 。实验通过电化学测量、扫描电镜、可见光谱及傅立叶变 换红外光谱分析了亚铁氰化钾介体和溶胶凝胶基质之间的相互作用。结果表明 表面带正电荷的三氧化二铝溶胶凝胶能够很好的与带负电荷的f e ( c n ) 6 “作用。 该传感器具有较好的稳定性及灵敏度。 f 2 1 另外，实验中意外发现，三氧化二铝本身对酶促产物邻苯二醌具有很好 的电催化活性及富集作用，利用这一特点，制备了无介体的酚类传感器。该传 感器集三氧化二铝的电催化性能与溶胶- 凝胶性质于一身，大大提高了传感器的 灵敏度与稳定性。扫描电镜和傅立叶变换红外光谱同时表明，a 1 2 0 3 溶胶凝胶 的亲水性及其较大的比表面积在酶的固定化中起到了重要作用。因此，该传感 器具有较好的稳定性，较高的灵敏度，最低检测限为0 2 n m o l 几。我们还作了该 类酶传感器的其它工作性能的检测，并将它运用到合成样品酚类物质的测定。 四三氯化二铝涪胶凝胶过氧化氢生物传蓐器的研究 将溶胶凝胶技术与电化学聚合结合，以辣根过氧化物酶为例，进一步研究 了酶与三氧化二铝溶胶凝胶的相互作用。实验中发现光敏性的 n - m e t h y l p h e n a z o n i u mm e t h y ls u l f a t e ( p m s ) ，见光后经过一系列变化，最终生成的 蓝色稳定物质( p m s ) ，仍然是一个非常有效的氧化还原介体。将见光后的p m s 电聚到修饰有溶j 癸凝胶固定化的酶膜的电极表面，构成介体修饰过氧化氢传感 器。电聚膜增加了酶膜的稳定性与牢固性，而多孔的酶膜增加了电聚膜的总量 与比表面积。本实验还对酶在水溶液中和在三氧化二铝溶胶凝胶中两个体系进 摘要 行了园二色谱表征。结果表明酶在三氧化二铝溶胶凝胶能够中保持其结构不变。 五d n a 碱基在电活化玻碳电极上的研究及应用 本部分对d n a 四个碱基：鸟嘌呤，腺嘌呤，胸腺嘧啶，胞嘧啶在电活化玻 碳电极上的电化学氧化进行了研究。b r e t t 小组首次观察到在超声辅助条件的差 示脉冲伏安中，同时出现来自四个碱基在玻碳电极上的四个氧化峰。我们发现 d n a 四个碱基能够同时在电活化玻碳电极上氧化，从而实现了一次差示脉冲伏安 扫描，检测d n a 四个碱基混合物中各个成份的含量。结果显示，电极表面经过 电活化处理以后，表面产生的类似酚类，羰基化合物，类醌结构等的含氧官能 团与d n a 四个含苯环的碱基相互作用，从而促进了碱基与电极表面的电子转移， 对于四个碱基氧化峰的分离起了很大的作用。本工作实现了d n a 样品中四个碱 基的直接检测，不需要任何的预处理。并对其机理进行了简单探讨。) 关键词： 三氧化二铝滓胶一凝胶 生物传感器。n a a b s t r a ( 玎4 a 1 2 0 3s o l - g e ld e r i v e db i o s e n s o r b i o s e n s o rh a v ed e v e l o p e dt ob eaf r o n t i e ra n dn e w l y - i n t e r d i s c i p l i n a r y i n c l u d i n g c h e m i s t r y , b i o l o g y , m e d i c a ls c i e n c ea n de l e c t r o n i c ss i n c et h ed e v e l o p m e n to ft h ef i r s t o u e o s eb i o s e n s o ri n 1 9 6 7 e l e c t r o c h e m i c a lb i o s e n e o ri s e x t e n s i v e l yi n v e s t i g a t e da n d b e c o m e so n eo ft h em o s tp m c t i c a la n dm o s tp r o s p e c t i v ed e v i c e sa m o n ga uk i n d so f b i o s e n s o r s av e r yi m p o r t a n tf a c t o r me n z y m e - b a s e de l e c t r o d e d e v e l o p m e n t i st h e 蛐b i l i z a f i o no f 豇比y m e s s i n c eb r a u ne ta lr e p o r t e dt h ef i r s ta t t e m p t st oe n c a p s u l a t e p r o t e i n si n s i d es i l i c ag l a s s e si n l 9 9 0 ，t h el o wt e m p e r a t u r es o l - g e lp r o c e s sh a sb e c o m em a t l r a 击v ea v e n l 1 ef o rt h ei m m o b d i z z f i o no fb i o m o l c c u l c si nc o n n e c t i o nw i t ht h e d e v e l o l m a e n to f n e w b i o s 黜o r s i nt h i st h e s i s , w eh a v ed e v e l o p e dan e wb r a n d o f s o l - g e l d e r i v e db i o s e n s o t 3 t h i s p a p e r i n c l u d e sf i v e p a r t s ： 1 i n u o d u c t i o no fs o l - g e lp m c 髑sa n d 嘶im t e r i a bf o rb i o s e n s o r s a r e v i e wo i ls o l - g e lp r o c e s sa n di t sa p p l i c a t i o ni nb i o s e n s o r si sp r e s e n t e d a s p e c t s d e r a i lr e v i e w e di n c l u d e ( 1 ) b r i e f i n t r o d u c t i o no f b i o s e n s o r , ( 2 ) s y s t 咖碰ci n u o d l l c t i o l lo fs o l - g e lt e c t m i q u e , t n c l u d i n gt h ep r o c e s s ，a d v a m a g e sa n d p r o p e r t i e so f s o l - g e ti m m o b d i z a l i o nm e t h o d , 0 ) s o l - g e l b i o s e n s o r si n c l u d i n g 0 p 如a lb i o s e n s o r a n d a m p e r o m c t r i cb i o s e n s o r , ( 4 ) t h e t r e n di nt h ef i e l do f s o l - g e ld e r i v e db i o s e m o r 2 j d 2 0 ss o l - g e ld e r i v e da m p e r o m e t r i cb i o s e m o rf o rg l u c o s e an e w t y p eo fa 1 2 0 ss o l - g e ld e r i v e dg l u c o s eb i o s c z a s o ri sd e v e l o p e d t h ee n z y m e e l e c t r o d ec 0 加呻g l u c o s eo x i d a s ei m m o b i l i z e di nt l a e a 1 2 c hs o l g e l m a 瞳i xo na p l a f i n i z e dg l a s s y c a r b o ne l e c l m d e p l a t i n u mb l a c kn o t o n l y 珥d 、慨l a r g es p e e i 丘es u r f a c e a r e ab u ta l s oe n h w a z et h ea d h e r e n c e o f s o l - g e l f i l m t h ee f f e c t so f o p e r a t i o r m l 脚e t e x s s u c h 船t h ep i q 脚蚯o nc o n d i f i o n so fa 1 2 0 3s o l - g e l ，t h eo p e r a 血gp o t e n t i a lo ft h e w o l 蚰l l ge l e c t r o d e , p ha r ce x p l o i t e df o ro p l 洫u l na n a l y t i c a lp e r f o r m a n c eb yu s i n ga n a m p e r o m e t r i cm e t h o d l i n e a r 坷m 蜘f o ro u c o s ei so b l a i n e di nt h er a n g1 3 8 1 0 4 a b s t r a c t m o f l _ 2 1 9 xl o 。m o l lu n d e rt h eo p t i m i z e dc o n d i t i o n s t h eb i o s e n s o rh a sah i g h s t a b i l i t ya n dl o n g l i f e t i m e 3 a l z 0 3s o l - g e ld e r i v e dp h e n o lb i o s e n s o r s ( 1 ) an e wt j l o s i n a s eb i 蛆s o rb a s e d0 1 1t a i l o r i n gt h ep o r o s i t yo fa 1 2 0 3s o l - g e l t oe o i m m o b i l i z e t y l o s i l l l 峙ea n d t h em e d i a t o r a f l e wt y r o s i m s eb i o s e n s o rh a sb e e n d e v e l o p e d , b a s e d o nt h ec o i m m o b i l i z a t i o no f t y r o s i n a s ea n d t l a em e d i a t o r , f e ( c n ) ，i n p o s i l i v e l yc b a r g e da 1 2 0 3s o l - g e lm e m b r a n e s d i f f e r e n ts i z e so fm o l e c u l e sw 骶e n l l a p 咖i n t ot h es o l - g e tm e m b r a n e sw i t hd i 插玳虹t s i z ep o r e s ，w h i c hv c c r eo b t a i n e db ye h , 螂n gt h er a l i oo fa i ：h 2 0d u r i n gt h es o l - g e l p r o c e s s t y r o s i n a s e w a si m m o b i l i z e do na1 3 a a l l i xw i t hr e l a t i v e l yl a a g e rp o r e s ；f e ( c i 4 w a si m m o b i l i z e d0 1 1am a l r i xw i 血s n l r l l e rp o r e s t h es t a b i l i t yo ft h ee n c a p s u l a l i o n m o l e c u l e sw a sf i l l - t h e i re n h a n c e db yt h ee l e e t z o s t a d ei n t 硎o r lb e t w e e nt h em o l e c u l e s a n dm a l r i x t h ee a z y m ei m m o b i l i z e di nt h ep o r o u sa n d h y d r o p l a i l i es o l - g e ll n a l r i c e si s m u c hs t a b l ea n dr e t a i n si t sf u n c t i o n a la 血v i t yt oa l a r g ee x t e n t t h ea c c u m u l a t i o n o f t h e o - q u i n o n c si nt h ea l u m i n af i l mg r e a t l yi m p r o v e dt h e 鸵碰斑时i 粤o ft h e s c r l s o r t h e p r o c e s sp a r a m e t e r sf o rt h ef a b r i c a t i o no f t h ee n z y m eb i o s e r i s o r 晡桃o p t i m i z e d t h e d e t e c t i o nl i m i ti s5 o x l o 8m o l l t h el i f e t i m ei sm o r el t l a no n em o n t h ( 2 ) p r o b i n gt r a c ep h e n o l sb a s e d m e d i a t o r - t r e ea l u m i n as o l - g e l d e r i v e d t y r o s i 咖s eb i o s e m o r an o v e lt y r o s i n a s eb i o s e m o rh a sb e e nd e v e l o p e df o rt h es u b n 衄o m o l a rd e t e c t i o no f p h e n o l s ，b a s e d o i lt h ei m m o b i l i z a l i o no f t y r o s i n a s ei na p o s i t i v e l yc h 鹆e da 1 2 0 3s “g d m 朗a b r a n e0 1 3 ag l a s s yc a r b o ne l e c t r o d e i th a sb e e nf o u n d t h a ta 1 2 0 3 s o l g e li sp e r f e c t l y b e n e f i c i a lt ot h ei m m o b i l i z a t i o no ft y r o s i m s e , b e c a u s ei tn o to n l yp o s s e s s e st h eg e n e r a l a d v a n t a g e so fs o l - g e l ，b u t a l s oi sa ne f f e c t i v ep r o m o t e ro ft h eb i o s e m o r t h eh r g e m i c r o s e o 出s u r f a c ea r e a , p o r o u sm o r p h o l o g ya n dh y 出唧幢h cp r o p e r t yo f t h es o l - g e l m a l r i xr e s u l ti nb i g h 衄z y m e l o a d i n g , a n d t h ee n z y m e 伽越i p p c di nt h i sm a t r i xm a i n si t s a c t i v i t yt oal a r g ee x t e n t , t h ea 1 2 0 3s o l - g e l - c o n t a i n i n gs u r f a c ea l s od i s p l a y sa nh 血= i l 哦 e l e e t r o c a t a l y t i eo - q l l i n o n e 肿s p o r l ，a n dl m a e eo f f e r s ah i g h - s e n s i t i v e ( 1 2 7 p a m m 1 ) c a b s t r a c t 6 m o n i t o r i n go f p h e n o l s t h ed e t e c t i o n l i m i ti s0 2 n ma ta s i g r l a l - m - n o i s eo f 3 ，t h er e s p o n s e t i m ei st e s st b _ m4 sr e a c h i n g9 5 o ft h es t e a d ys t a l ev a l 憾a n d7 0 o ft h ea c t i v i t yi s r e t a i n e da f t e r3m o n t h s 4 址0 3s o l - g e ld e r i v e dh y d r o g e np e r o x i d eb i o a e n a o r h o r s e r a d i s hp e r o x i d a s ew a ss e l e c t e da sam o d e le n z y m et of a b r i c a t ean o v e l b i o s e 髓s o rb a s e do nt h ec o u p l i n go fs o l - g e lm a t r i c e sw i t he l e c t r o p o l y m e l r i z a t i o n t h e 血由嚣a c 妇b e t w e e ne n z y m ea n d s o l - g e lw a s f u r t h e rs t u d i e db yc i r c u l a rd i e h r o i s r n i th a s b e e nf o u n dt h a tt h e p h o t o s e n s i t i v en - m e t h y l p u mm e t h y ls u l f a t e ( p m s ) c a l l c h m g e i n t oab l u ec o m p o t w aw h e ni ti s e x p o s e d t ol i g h t , t h eb l u ec o m p o u n d ( p m s ) e x h i b i t sa c o u p l e o fr e v e r s i b l er e d o x p e a k s o h v o l t a m m o g r a p h a n di tc a nb e e l e e 扫o p o l y m e f i z e d o nt h e g l a s s yc 司妇e l e c t r o d em o d i f i e dw i t hs o l - g e l 衄z y r l l e m e m b r a n e t h ec o m p a s i t el a y e ro fa 1 2 0 3s o l - g e le n z y m ef i l ma n dd d z l r o g c a e r a t e d p o i y f p m s ) h a s b e e ns h o w nt ob eu s e f u lf o r h a n c i n gt h e s e n s i l i v i t ya n ds t a b i l i t yo f t h e r e s u l t i n g 钮卿ee l e c t r o d e s t h eb i o s e n s o rh a sa f a s tr e s p o n s ew i t hal i n e a rc a l i b r a t i o n r a n g eo f2 5 1 0 t m o l l - 3 8 1 0 。4m o f l b a s e d o nas i g n a l - t o - n o s er a t i oo f3 t h e d e l 2 d 蛔l i m i to f t h eb i o s e n s o ri s1 0x1 0 t m o l l 5 s m d i mo ht h ee l e c t r o - o x i d a t i o no fd n af o u rb a s eo ne l e e t r o a c t i t e 四越科 a h b o i ie l e c t r o d e , a n di t sa p p l i c a t i o n i tw a s f i r s t l yf o u n dt h a ta l lo f t h ef o u rb a s e so fd n a , 罂妇，a d e l 血e ，t h y m i n e ， c y t o s i n e , c o u l db eo x i d i z e do ne l e e t r o a e t i v a t e dg l a s s yc a l - b o l le l e c t r o d ea n dc o u l db e s i m u l t a n e o u s l yd e l e n n i n e db yp e r f o r m 吨o n e d i f f e r e n ：d a lp 1 1 l v o l t a m m e t r i c 蚴t h e f u n c t i o n a lg r o u p so nt h es u r f a c eo ft h ee l e c t r o a a i v 啦dg l a s s yc a r b o nw f f l p a r t i c u l a r l y u s e f u lt o 鸵群瞄由et h ef o u rb a s e s p e a ：b t h ei n c o r p o r a l i o no f t h eb s r 位eg r o u p sa n dt h e f o u rb a s e sp r o b a b l yp r o m o t e dt h ee l e c t r o nt r a n s f e ro ft h ee l c c e m o x i d a l i o no ft h ef o u r b a s e si ta c h i e v e dt h ed | 酏朗卫】i r l 舐0 no fd n a s a m p l e sw i t h o u ta n yp r e - s e p a r a t i o n , a n d a l s oc o u l d m u # y m o m t o rt h ed a m a g e d e g r e eo f t h e d e n a t u r e dd n a k e y w o r d s ：a 1 2 0 3s 0 1 g d b i o s e n s o rd n a 第一章溶胶一凝胶技术及其在生物传感器中的应用 第一章溶胶凝胶技术及其在生物传感器中的应用 一、生物传癌器 现代分析化学的重要特征是信息化和仿生化，而生物电化学就是用电化学 方法研究生物体系及其模型从而获得生物体系重要信息的一门学科，它由生物 化学，生物物理和电化学等许多学科互相交叉不断发展而成。而生物传感器是 将生物活性体制备的感应器与各种固态物理转换器相结合而形成的一种检测方 法。具有灵敏度高，选择性好，检测限低，价格低廉等特点，已被广泛应用于 生物、医药、农业、食品和环境等各方面。生物传感器，尤其是酶电极，已经 引起了相当大的关注，并已部分商品化，从血糖的自动测量仪到各种新陈代谢 物的分析仪口2 1 。这种装置主要有两部分组成：生物元件即感应器与转换器，转 换器能把特殊的识别信号转换成有用的电信号、光信号等可测量的信号。 生物元件的有效固定化是成功制备生物传感器的一个关键因素。这一重要 步骤的目的就是提供一个简单的方法固定蛋白质，使得其能够与目标分析物相 接近，与电极表面密切接触，而蛋白质本身能够长时期地保持其生物活性与稳 定性。通常，固定方法包括：物理包埋( 包埋在半渗透膜中或聚合物膜中) ，共 价键合或用双功能试剂交联，及一些非共价连接方法，例如：表面吸附，混合 于组合电极中等。然而以上这些方法往往冗长耗时，制得的传感器稳定性差， 消耗昂贵的试剂或污染环境的溶剂。为了提高生物传感装置的分析能力，满足 复杂的环境样品与临床样品的分析，迫切需要发展新的固定方案与先进的传感 器材料。在寻求蛋白质固定的适宜介质时，溶胶一凝胶技术的应用引起了极大 兴趣。1 9 9 0 年，b r a u n 3 l 等人首次成功地将蛋白生物分子包埋在溶胶凝胶中。溶 胶凝胶技术用于生物传感器成为这一领域的重要发展方向【4 培】。 二、涪胶景胶技术 溶胶凝胶技术，作为一种生产陶瓷的方法，早在1 5 0 年前就已报道，然而 现在又重新引起了人们的极大关注【9 - 比】，因为它提供了一个简单便捷地固定热敏 性物质于多孔的陶瓷中的方法，包括有机分子和活性蛋自。溶胶凝胶技术的相 对简单化也是该技术盛行的原因之一。无机支持物，特别是以硅为基础的基质， 第一章溶胶一凝胶教术及其在生物传感器中的应用 具有有机聚合物所不具有的优点：物理刚性，抗腐蚀性，水相和有机相中可忽 略的溶胀性，化学惰性，抗生物降解能力，光、化学、热的高稳定性，光透性 与极低的荧光。基质的性质，包括孔径分布、比表面积、表面极性、导电性、 刚性、物理构型等，都是影响传感器质量的重要内容。 2 1 藩胶凝胶法的基本过程 溶胶礞胶过程，正如它的名字所暗示的，包括两个过程：一是形成一个胶 态悬浮液( s 0 1 ) ，另一个是溶胶凝化后形成千凝胶( 一个球状的相互交联的固体 基质) ；( 3 ) 溶胶一凝胶技术，是材料化学中发展最快的领域之一，是在低温下 制备纳米粉末或多孔玻璃的一种技术 1 3 - 1 4 l ，是有机前体室温下反应而制备材料 的一种方法 1 5 - 1 6 i 。一般情况下，一些小分子量的金属醇盐作为前体分子，首先 在水、酸催化剂、互溶剂如乙醇中水解。水解后产生硅烷醇基团( s i o h ) 。这 些硅烷醇进一步发生缩合反应形成硅氧烷聚合物，从而产生一种胶态悬浮液体 ( 即溶胶) ，逐渐变为凝胶。最后，经过一个干燥过程，溶剂从这些相互交联的 孔状结构中移走，得到一个干凝胶态。这个溶胶一凝胶过程为生物传感器的制 备开辟了一条新的途径。下面具体介绍一下溶胶壤胶技术的各个过程及其特点。 水解和缩橐以硅的金属醇盐为例，当用正硅酸甲酯( t m o s ) 作前体时， 发生水解反应： s i ( o c h 3 ) 4 + x h 2 0 一s i ( o c h 3 ) x ( o c h 3 ) 4 - ；+ c h | o h 同时发生缩聚反应： s i o h + r o + s 卜 一s i o - s i + r o h s i o h + h o + s i 一 - s i o - s i + i - i ：o 太多数溶胶凝胶技术使用的前体为水和小分子量的烷氧基硅烷，如四乙氧 基硅烷( t e o s ) 、四甲氧基硅烷( t m o s ) ，或类似的金属有机烷氧烃( 例如： 异丁基醇钛、异丙醇铝) 。由于烷氧烃不溶于水，通常需加入一个助溶剂。但有 的时候，水解过程中释放的乙醇足以能够溶解烷氧烃。烷氧烃的缩聚反应可以 归纳成以下三个步骤：酯的水解，硅氧硅氧的缩合，硅氧酯的缩合。 s i o s i 键的亲水能力是有机和无机聚合反应的不同之处。有机聚合物涉及 n - - 聚体、三聚体长链的形成，交联成凝胶态。然而，无机粒子是通过小 悬浮粒的聚集或者小分子量的微粒变成大分子量的粒子。由于硅粒能够在碱性 第一章溶胶一凝胶技术及其在生物传感嚣中的应用 条件下溶解，因此即使在聚合过程之后仍会有少量小分子量的硅单体或低聚物。 这样一来，大分子量的硅聚体比小分子量的硅聚体稳定，大分子的聚体会越长 越大，而小分子的硅聚体则逐渐溶解消失。 凝化与晦化凝化点是指当所有固体物质都相互联结的时候，聚合反应开始， 不断长大的粒子表面的硅氧官能团部分去质子化，表面携带的负电荷，产生斥 力以维持溶胶的稳定性。慢慢地，随着溶剂的蒸发，水解过程中水的消耗，不 断浓缩溶液，破坏悬浮液的稳定性。导致向凝胶的逐步转变，此过程伴随着粒 子的o s t w a r d 熟化机理 1 刀，即因大小粒子溶解度不同而造成的平均粒径的增加。 在此过程中，胶体粒子逐渐聚集形成三维网络结构，陈化时间对凝胶孔径大小、 交联程度有较大的影响。放置时间较长时，缩聚反应进行得较彻底，交联度高， 使得网络的孔径非常均匀，故有利于制备性能优良的凝胶。同时，在不同的介 质中陈化时，也会得到不同的凝胶干缩结构，如在酸性介质中，得到的凝胶结 构致密，孔径较小，故有利于酶分子的包埋。形成凝胶时，由于液相被包裹于 固相骨架中，整个体系失去流动性。在凝胶化的最后阶段，水和有机溶剂从玻 璃洞穴中蒸发走，固体基质慢慢地收缩( 有的情况下，干凝胶的体积只有原始 凝胶的1 0 ) 。 干燥因为湿凝胶中包裹着大量溶剂和水，在干化阶段，一些大的孔被腾空， 而小的孔里面仍保留有溶剂，从而产生很大的压力梯度。往往会导致大的凝胶 粒子裂纠1 2 l 。这是由于液体的表面张力所引起的，毛细管孔径大小不等，由此 造成的应力差导致凝胶的破裂。干凝胶传感器再浸入水中易破裂也是这个原因。 实践表明，除了凝胶本身的尺寸因素( 膜越厚越易开裂) 外，干燥速率也是一 个重要因素，干燥越快膜越易干裂。h e n c h 1 8 】建议使用控制干燥化学添加剂 ( d r y m gc o n t r o lc h e m i c a la d d i t i v e s ，d c c a ) ，如t r i t o n - x 和甲酰胺等，由于它们 的挥发性低，使不同孔径中醇的不均匀蒸发大大降低，从而减少干燥应力。这 些化合物很容易冲洗掉不会影响下面的高温处理过程。s d o n g 小组发现将多羟 基高分子掺入溶胶中，由于形成互穿网络而显著增大了凝胶的强度，从而防止 了干到1 9 1 。 另外，也可加入阳离子表面活性剂如季铵类化合物来防止凝胶在凝化过程 中的裂缝t 2 0 ，如十六烷基溴化吡啶盐。季铵类化合物与去质子化的硅氧烷基团 形成静电引力，能够防止其干化过程裂缝，甚至是反复浸入水溶液后也不会裂 第一章溶胶一凝胶技术及其在生物传感器中的应用 缝。该方法的缺点是，由于季铵盐在紫外区有吸收，从而缩小该基质的光透范 围。干化之后进入老化阶段，该阶段能够持续几个月。包括一系列慢慢地硅氧 基团的消化，和比表面积的缩小。 高沮热处理目的是消除干凝胶中的大量气孔，而得到致密的陶瓷体或纳米 粒子。虽然高温处理可增加导电性或获得期望的晶态结构，但大多数传感器中 含有酶等生物组分不能耐受高温，故在传感器应用中干凝胶即为晟终产物。经 过以上几个步骤，蛋白质分子被包埋于凝胶中( 见图1 ) 【2 1 。 图l 溶胶一凝胶聚合将蛋白质固定于网络中的示意图 f i g 1p r o t e i n e n w a p m c n t i nas i l i c a t e n 蜥x d u k n gs o l - g e lp o l y m e r i z a t i o n ( a j 水解和缩聚中形成溶胶粒子；( b ) 向溶腔中加入蛋白质； ( 渊长的s j o ：周络开始包埋蛋白质分子；( d ) 蛋白质分子被周定于凝胶中。 2 2 过程参数的影响 溶胶凝胶科学家引以自豪的是他们能够操纵他们产品的物理化学性质，可 以随意控制孔径大小、孔分布、比表面积、硅氧烷基团的浓度及干凝胶的其他 性质。影响该过程的参数很多，但是无法给出凝胶性质和过程参数的定量关系。 反应生成物是不同结构和尺寸的溶胶微粒，为了控制最终产品的结构，对 醇盐水解和缩聚条件的控制非常重要。p h 和i - 1 2 0 ：s i 的摩尔比是两个最重要的过 程参数。 ( 1 ) 溶液的p h 值：对同一种醇盐，酸催化和碱催化往往产生结构和形态不 同的水解产物，分析中用于制备固定化材料时，一般采用酸催化【2 2 1 。这时水解 由h 3 0 + 亲核机理引起，水解速度快，但反应速率随水解进行由于分子上烷氧基 团数量的减少而减慢。高的p i - i 加速水解和缩合步骤，增加硅粒的溶解，从而提 供一系列的小分子量的硅烷物种，促进硅粒的熟化。该条件同样也增加了去质 子化和表面电荷量，从而又拖后了聚集过程和凝化步骤。因此，高的p h 条件下 得到的微粒，结构较紧密，体积较大，呈现较大的孔径，比表面积。 第一章溶胶- 娥技术及其在生物传感器中的应用 在极低的p h 下，硅粒几乎是不溶的( p h 4 ，这样可防止干燥过程较长，产生较大的收缩张力。 ( 3 ) 溶剂的种类和数量：它影响水解的速率和粒径及胶凝时间，一般采用醇 为溶剂。j w a n g 2 3 1 发现，当醇含量为5 - - 2 5 ( v ) 时，醇量的改变对葡 萄糖氧化酶( g o x ) 活性影响较小。 2 3 物理构塑 溶胶凝胶过程可以用来做成各种不同形状的多孔陶瓷，如：大块粒状、膜 状、纤维状、圆圈状等等。 大块粒子：选择一个合适的模子，控制干化过程中凝胶的收缩步骤，就可 以得到任意大小、形状的大块粒子。 薄膜：活性膜与薄层膜是生物传感器中最有用的构型，因为它们的扩散路 径短。通常地，用于制备有机聚合物膜中的方法，都可用于硅和其他无机薄膜 的制备，如：平板喷洒法、浸染法、旋转涂布法等，厚度小于1 1 t m 的薄膜都可 以很容易地用溶胶一凝胶技术形成。在干化过程中，较厚的膜易收缩而脱落。 如果制各厚度大于ll a m 的薄膜，则需多次涂雍或低度交联。 粉末：主要有两种方法获得：一是在高的p h 、高的h 2 0 ：s i 比和低的离子强 第一章溶胶一凝胶技术及其在生物传感器中的应用 度下，易形成粉末状凝胶，因为它具备了o s t w a l d 熟化机理的条件；另外，不规 则的粉末还可通过压碎、研磨整块粒子来得到。 纤维：t i 0 2 ，s i 0 2 、v 2 0 5 及其他一些氧化物的毫米级粗的纤维可以通过溶胶 一凝胶技术得到。该过程要求溶筱凝胶具有较好的可纺性。也就是说，h 2 0 ：s i 比例要小。例如，h 2 0 ：s i 比例小于2 时，将抽好的纤维立即暴露在另外的水中， 即可形成纤维状结构。 2 4 漕胶凝胶法的优点 溶胶凝胶法已被广泛应用于制各多种掺杂材料和固定不同试剂，主要因为 有以下几个优点： ( 1 ) 可以控制产品的结构参数：玻璃的各种结构参数，如孔径分布、比表 面积和空余分数等，可以通过对水解过程作调整而改变 1 4 , 1 5 1 。例如，改变口h ， t m o s h 2 0 比率和掺入物或d c c a 的浓度，可以将平均孔径改变一个数量级。 n 2 吸附等温图表明当加入菲咯啉时，有机掺杂的s i 0 2 玻璃其平均孔径从2 7 r i m 转变到8 s n m 2 6 1 。 ( 2 ) 能制成各种几何构型：通过对溶胶凝胶方案作调整，便能制出任何期 望的构型，如薄膜、块状、条形和板状0 3 , 1 4 1 。薄膜的扩散路径短使得响应较快， 因而在传感器中应用最广泛【1 9 , 2 7 1 。 ( 3 ) 选择无机氧化物支持体：这包括电绝缘材料( z r o ：，a 1 2 0 3 和s i 0 2 ) 2 柚9 1 ， 半导体材料0 2 ) ，导电陶瓷( v 2 0 5 ) 3 1 1 和互穿导电高分子( p p y 和p a n ) 及 超导体( y b a 2 c u 3 0 7 ) 等。 ( 4 ) 控制极性和离子交换能力：通过对溶胶凝胶前体的衍生或在初始水解 液中加入含有期望的官能团的硅酸酯，都能调节最终产物的极性和离子交换能 力【32 1 。如用甲基硅酸甲酯( m t m o s ) 和正硅酸甲酯作前体时，发生下列反应： ( 2 x ) s i ( o c h 3 ) 4 + ( x - y ) ( c h 3 ) s i ( o c h 3 ) 3 + ( 2 - x - y ) h 2 0 _ s i 0 2 - x ( c i i 耽( c h 3 ) x y + ( 4 ( 2 一x ) + x y ) c h s o h t m o s 和m t m o s 的物质的量之比决定了玻璃的极性和s i o - 基团的浓度， 影响离子交换能力。 2 5 藩胶省啷涸定方法的基本性质 目前用溶j 典凝胶法固定试剂已成为化学修饰电极的一大热点 3 3 - 3 5 l 。因为此 第一章溶胶一凝胶技术及其在生物传感器中的应用 法固定试剂时方法简单，被固定试剂的种类和数量可任意调节，并且具有以下 性质： ( 1 ) 保持了被固定试剂的液相性质：由于包埋步骤以前不需要化学试剂的 衍生，因此被固定试剂保持了活性和特异性。1 9 9 2 年v a l e n t i n e 和z i n