（物理化学专业论文）基于氧化铋半导体材料生物传感器的构筑及其传感性能.pdf

张静：基于b i o 。半导体材料生物传感器的构筑及传感性能 中文摘要 一、基于无机半导体氧化铋薄膜中血红蛋白的直接电化学 通过基于多晶态氧化铋半导体固定血红蛋白，制备了血红蛋白多晶氧化铋薄 膜，实现了血红蛋白与玻碳电极间的直接电子传递过程。将血红蛋白多晶氧化铋 修饰的玻碳电极置于p h7 o 的p b s 缓冲溶液中，扫描速率为1 5 0 m v s 。时，循环伏 安扫描在一o 8 0 2 v 范围内有一对稳定的、准可逆的血红蛋白辅基血红素 f i i i ) f e ( i i ) 电对的氧化还原峰，峰位罨大约在0 4 1 0 v ( v s s c e ) 左右。 固定在血红蛋白多晶氧化铋薄膜中的血红蛋白的直接电化学反应是一个表 面控制的、非理想薄层电子传递过程，并在一个电子传递的同时伴随着一个质子 传递。它的电子传递速率常数大约是2 3 4 s 。且对于0 2 、h 2 0 2 、n o ，、三氯乙 酸等的还原具有一定的电催化作用。红外、紫外等结果说明血红蛋白和生物纳米 复合物之间存在弱的相互作用力，且血红蛋白在仿生膜中保持了它原有的结构。 二、基于无机半导体氧化铋薄膜的酚类安培传感器 以多晶氧化铋薄膜( b i o 。) 和多酚氧化酶( p p o ) 合成的生物复合膜，制备测 试环境水样中酚类化合物的无介质的安培生物传感器。实验室制备的氧化铋半导 体具有多态性，其亲水性提供了良好的微环境使固定的蛋白质保持生物活性。本 章系统地研究了该传感器构建的最佳参数以及溶液p h 值、操作电位和系统温度等 使用条件对酶传感器响应电流的影响。该生物传感器表现出一些优异的分析性能： 以s = 3 ，p p o b i 0 。的生物传感器针对浓度从4 1 0 由m 到1 5 1 0 。m 邻苯二酚， 表现出良好的线性，检测的灵敏度达到了1 1 3am 4c i i l 之，最低检测下限为 1 l o - 9 m 。而且，这种p p o b i o 。生物复合膜的特性用扫描电子显微镜( s e m ) 、傅 里叶变换红外光谱( f t i r ) 和旋转圆盘电极伏安做了详细的研究。 三基于无机半导体氧化铋的葡萄糖生物传感器 2 扬州人学硕l ：学位论文 用多晶氧化铋固定葡萄糖氧化酶( g o d ) ，制备成了b i o x g o d p t 电极。实验结 果表明制作葡萄糖氧化酶生物传感器的最佳条件，即多晶氧化铋和葡萄糖氧化酶 的最佳质量比为2 ：1 ，还研究了膜层厚度以及酶的用量对传感器响应电流的影响。 研究发现传感器使用的最佳条件为：测量温度为5 6 0 c 、工作电位为0 5 v ，底物溶 液p h 为6 5 。同时，考察了该传感器在优化的实验条件下对葡萄糖溶液的响应特 性。实验结果表明：该生物传感器对葡萄糖表现出了宽广的线性检测范围( 1 1 0 击 1 5 1 0 0m o l l ) ，检出限为4 1 0 0m o l l ( 信噪比的3 倍) ，酶催化反应的表观米氏常 数为2 9m m o l l ，酶催化反应的表观活化能为2 2 4k j m o l 。同时该传感器还表现 出响应快5 s 、重现性好、使用寿命长等优点。 张静：基于b i o 。半导体材料生物传感器的构筑及传感性能 3 a b s t r a c t 1 d i r e c te l e c t r o c h e m i s t 拶a n de l e c t r o c a t a l y s i so f h e m o g l o b i nb a s e do n i n o 玛a n i cs e m i c o n d u c t o r b i s m u t ho x i d ef i l m s i i i l m o b i l i z e dh 锄o g l o b i n ( h b )i na h i g hb i o c o m p a t i b l ec o m p o s i t es y s t 锄 b a s e do np 0 1 y c 巧s t a l l i n eb i s m u t ho x i d ef i l m s ，m ed i r e c te l e c 仃o n 仃i m s f 打b e t w e 肌 h 锄。西o b i na n dt h eu n d 甜姐n g 哲a s s yc a r b o ne l e c t r o d e ( g c e ) c a i lb er e a d i l ya 出e v e d c y c l i cv o l t 锄m e t 拶o fh b p 0 1 y c r y s t a l l i n eb i s i n u mo x i d ef i l m s g c es h o w e dap a i ro f s t a b l ea n dq u a s i r e v e r s i b l ep e a l 【sf o rh bf e ( i i i ) f e ( i i ) r e d o xc o u p l ea ta b o u t - o 41ov v e r s u ss a t l l r a t e dc a l o m e ie l e c t r o d e ( s c e ) i np h7 ob u f 蚤a tt h es c a nr a t eo f15 0m v s 1 t h ee l e c t r o c h e m i c a lr e a c t i o no f 玷i m m o b i l i z e di np 0 1 y c d ，s t a l l i n eb i s m u t ho x i d ef i l m s c o m p o s i t em a t d xe x h i b i t e das u r f a c e - c o n t r 0 1 l e da n dn o n i d e a lt h i n - f i l mp r o c e s sw i t l la i l e l e c 仃o nn 觚s 衔a c c o m p a n i e ds i n 掣ep r o t o n 缸硼s p o r t a t i o n t 1 1 ee l e 咖n 仃a n s 舒r a t e c o n s t a n tw a se s t i m a t e dt ob e 2 3 4 s i ti sh a sc a t a l y t i ca b i l i t yo fo x y g e n 、h 2 0 2 、i l i 仃o u s a c i da i l dt r i c h l o r o a c e t i ca c i d t h ei r i t e r a c t i o nb e t w e e i lh b 孤d 锄sb i o n 狃。一c o n l p o s i t e m a t e r i a lw a sa l s oi n v e s t i g a t e du s i n gf t - i ra n du v vi ss p e c t r o s c o p y ，i n d i c a t i i 培t h a t h br 锄a i n e di t sn a t i v es t n 】c t u r ei nt h i sh y b r i dm a t r i x 2 i n o r g a n i cs e m i c o n d u c t o rb i s m u t ho x i d ef i l m sf o rd e v e l o p m e n to f 一 ! 一 a m p e r o m e t r i cb i o s e n s o rf o rp h e n o l i cc o m p o u n d s a na t t r a c t i v eb i o c o m p o s i t eb a s e do np o l y c r y s t a l l i n eb i s m u t ho x i d ef i l m ( b i o x ) a i l d p o l y p h e n o lo x i d a s e ( p p o ) w a sp r o p o s e d f o rt h ec o l l s t m c t i o no fam 酣i a t o r 仔e e a m p e r o m 嘶cb i o s e n s o rf o rp h e n o l i cc o m p o u n d si ne n v i r o m n e n t a lw a t e rs 锄p l e s t h e 1 a b o r a t o 拶p r 印a r e d b i s m u t ho x i d es e m i c o i l d l j c t o rc o n s i s t e d p o l y m o 叩h i s m i t s h y d r o p t l i l i c i t yp r o v i d e daf a v o r a b l em i c r o e i l v i r o 咖e n t f o r r e t a i l l i n gt h eb i 0 1 0 百c a l a c t i v i t yo ft h ei m m o b i l i z e dp r o t e i n t h ep r o p o s e dp p 0 b i o xb i o s e n s o rp r o v i d e dal i n e a r r e s p o n s et 0c a t e c h o lo v e rac o n c e i l t r a t i o nm g eo f4 1 0 9m t o1 5 1 0 5mw i ma d r a m a t i c a l l yd e v e l o p e ds e i l s i t i v i t yo f1 1 3a m 1c m - 2 锄dad e t e c t i o nl i m i to fl l0 9m 4扬州人学硕 ：学位论文 b a s e do ns n = 3 m o r e o v t h ec h a r a c t 甜s t i c so fp p o b i o xb i o c o m p o s i t ew e r e i n v e s t i g 锄e di n d e t a i lb ys c a i l i l i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) ，f o u e r 仃a i l s f o m i n 仔a r e ds p e c t r a ( f t i r ) a n dr o t a t i n gd i s ke l e c t r o d ev 0 1 t a 加m e t 3 a m p e r o m e t r i cd e t e c t i o no fg l u c o s ew i t hg l u c o s eo x i d a s ei m m o b i l i z e d i ni n o 玛a n i cs e m i c o n d u c t o rb i s m u t ho x i d ef i l m s an o v e lc h e 印a i l ds i m p l e 锄p 啪m e t r i cb i o s e l l s o r ，b a s e do nm ei m m o b i l i z a t i o no f 酉u c o s eo x i d a s e ( g o d ) i n t op o l y c r y s t a l l i n eb i s m u t ho x i d ef i l m si sp r e s e n t e d t 1 1 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 ft h ee n z y m ee l e c t r o d ea i l dv a r i o u se x p e r i m e n t a l v 撕a b l e ss u c ha sp h ，a p p l i e dp o t e n t i a la n dt e m p e r 狐i r ew e r ee x p l o r e df o ro p t i m u m a n a l ”i c a lp 幽m a n c eo ft h ee n z y m ee l e c t r o d e t h eb i o s e n s o rc a nr e a c h9 5 o f s t e a d y - s t a t ec u r r e i l tl e s sm a n5s t h ee n z y m ee l e c t r o d ep r o v i d e dal i n e a r 陀s p o n s et o g l u c o s eo v e rac o n c e n t r a t i o nr a n g eo flx 1o - 6 1 5 1o 3m 0 1 lw i t has e n s i t i v 时o f 4 1o 。7m o l la n dad e t e c t i o nl i m i to fo 1mb a s e do nt h es i 盟a 1 t o - n o i s er a t i oo f3 n l e a c t i v a t i o ne n e r g yf o re n z y m a t i cr e a c t i o nw a sc a l c u l a t e dt ob e2 2 4l ( jm o l m e a n 、) l ，b i l e ， t h ee n z y m ee l e c t r d ee x h i b i t e dw o n d e m l l o n g t 锄s t a b i l i t y ，a n dg o o dr 印r o d u c i b i l i 咄 张静：基于b i o ，半导体材料生物传感器的构筑及传感性能 8 1 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研究成果。除 文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果。对本文的 研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 签字日期：么彳年 ；房窍 乡月7 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人授权扬州大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到 0 4 0 固 o 4 5 o 5 0 4567891 0 p h f i g 2 8 e f f e c to f p ho nf o n n a lp o t e n t i a lo f h b b i o x g ei no 1m p b s 在p h5 o 9 o 的范围内，e p a 、e p c 、e o 与p h 之间存在线性关系( 图2 8 ) ，其斜 率为3 6 3 m v p h 式量电位e o 随p h 增加而负移的现象与水分子以及血红素周围氨 基酸的质子作用有关，在蛋白质分子中同时存在着氧化还原中心和质子化位点。 电子传递伴随质子转移的反应，会改变氧化态或还原态中心离子与质子化过程的 静电作用，表现形式为氧化还原峰电势随溶液p h 值的增加而负移。直线的斜率值 小于伴随一个质子转移的可逆单电子转移过程的理论值5 9 m v p h ，原因可能是质 子化作用，不是简单过程，而是受血红素轴向配位基团和水合铁离子质子化作用 的共同影响。 2 3 6 氧化铋膜生物电极电催化作用 2 3 6 1 氧化铋膜生物电极对氧气的电催化作用 血红蛋白可以与氧气可逆的结合，它在生物体内的主要生理功能是运载氧。 研究结果表明，血红蛋白与氧气的结合不会改变血红蛋白结构中f e 的价态，但会 使f e 原子伸出卟啉平面，引起蛋白质分子构象上的一些变化【3 1 】，因此溶液中氧气 的存在将对血红蛋白的电化学行为有一定的影响。图2 9 是h b b i o x g c e 生物电 扬州人学硕 ：学位论文 极在无氧( 曲线a ) 和有氧( 曲线b ，c ) 时，o 1m 磷酸缓冲溶液( p h7 0 ) 中的循环伏安图。 当注入1 0 m l 空气时，发现还原峰电流增加的同时，氧化峰电流减少；而且还原峰 电流随空气量的增加而增加，这说明血红蛋白氧化铋电极对氧气有很明显的催化 作用【3 2 1 。其机理为： 2 h b ( f e ”) + 4 h + + 0 2 寸2 h b ( f e ) + 2 h 2 0 ( 1 ) 1 0 0 5 0 0 0 5 1 o 1 5 2 0 2 5 3 0 0 90 60 30 00 3 e v ( v s s c e ) f i g 2 9 c y c l i cv o l t a m m o g r a m so fh b b i o x g c ea to 15 v s 一1i l lp h7 o p h o s p h a t eb u 脓：( a ) w i t l l o u to x y g ；( b ) a f c r1o m lo fa i rw a s e c t e di n t 0c e l l ；( c ) a f i 盯2 0 m lo fa i rw 懿i n j e c t e d 2 3 6 2 氧化铋膜生物电极对双氧水的电催化作用 图2 1 0 是血红蛋白氧化铋膜电极电催化还原过氧化氢的循环伏安图。扫描速 率为1 5 0m v s 。a 到e 对应的h 2 0 2 浓度为1 6 7p mh 2 0 2 、5 0p mh 2 0 2 、1 5 0p m h 2 0 2 和2 0 0 p mh 2 0 2 。我们看到当一定浓度过氧化氢加入到空白p h7 o 的p b s 缓 张静：基于b i o 。半导体材料生物传感器的构筑及传感性能 3 5 冲溶液中时，电极的还原峰增加了而氧化峰却降低了。且随着溶液中过氧化氢浓 度的增加，还原峰电流越来越大，氧化峰却慢慢消失了。这说明血红蛋白氧化铋 膜电极对过氧化氢具有非常好的电催化还原作用。其检测机理为： t tt t t h ，o ，+ f e 工i 专h ，o + f e 儿1( 1 ) 1 o 0 5 0 o 一0 5 鼍1 o - l = 1 5 2 0 2 5 。- 3 0 - 3 5 一o 9一o 6o 300 3 e v ( v s s c e ) f i g 2 1 0 c y c l i cv o l t a m m o g r a m so f h b b i o 。g c ei i lo 1mp h7 op b s ( a ) a i l d i i lt 1 1 ep r e s 舶c eo f1 6 7p mh 2 0 2 ( b ) ，5 0p mh 2 0 2 ( c ) ，1 5 0p m h 2 0 2 ( d ) 锄d2 0 0 肛mh 2 0 2 ( e ) s c a i lr a t e ：1 5 0m v s - 1 2 3 6 3 氧化铋膜生物电极对三氯乙酸的电催化作用 三氯乙酸一般在杀虫剂、制医药、有机合成以及化学试剂中含有，通过吸入、 食入以及表皮吸入等对人体有很大的的危害，所以对于三氯乙酸的检测很受人们 的关注【3 3 ，3 4 1 。如图2 1 1 我们可以看到血红蛋白氧化铋电极对f c a 也有很好的催化 作用，当一定浓度的三氯乙酸加入到p h7 o 的p b s 缓冲溶液中时，我们可以观察 到随着三氯乙酸浓度的增加，还原峰电流越来越大，氧化峰越来越小，该电极对 扬州人学硕f ：学位论文 三氯乙酸表现了良好的催化还原作用，3 6 4 m m 4 3 9 6 m m 浓度范围内呈现良好的 线性关系，相关系数为o 9 9 9 0 4 0 0 i _ 0 4 _ - 0 8 1 2 1 6 0 9_ o 60 3oo 3o 6 e v ( v s s c e ) f i g 2 1 1 c y c l i cv o l t 姗m o g r a m so fh b b i o 。g c ea tl5 0 m v s 一1i np h7 o b u f f e r sw i t h 廿l et c ac o n c e n 仃a t i o no f o ，l 1 0 一，4 1 0 3 ，8 l o 一3m ，1 2 l o 一3 鲫d2 0 1 0 3 ( 舶mi l l i l e rt o0 u t 叫 其检测原理如。f 式所不 h b f e m + e h b f e 2 h 吣f e h + c 1 3 c c o o h + h + 争c 1 2 c h o o h + 2 h 吣f e f 玎+ c 1 一 h b f e l l + e h b f e l 2 h b f e i + c l ，c h c o o h + h + 一c l c h ，c o o h + 2 h b f e n + c l - 2 h b f e l + c l c h 2 c o o h + h + 一c h1 c o o h + 2 h b f e f i + c l 一 ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) 张静：皋于b i o ，半导体材料生物传感器的构筑及传感性能 2 5 2 0 1 5 i 、 一1 0 5 0 o1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 【t c a 】m m f i g 2 1 2 l i i l e a rc a l i b r a t i o np l o to fm ec a t a l 蜘cp e a l 【c u 矾m t t ot h e t c a c o n c 跏i o n o m e r sa r es 锄e 够f i g 2 1 1 2 3 6 4 氧化铋膜生物电极对亚硝酸盐的电催化作用 血红蛋白由四条肽链( 两条0 【链和两条p 链) 和四个亚铁血红素组成，每一条 肽链结合一个血红素。血红素为一平面分子，铁离子位于平面外的o 0 7 5 n m 处。 在铁离子的6 个配位键中。4 个用于与血红素结构中( h 锄e 环) 的吡咯氮原子结 合，另两个配位键则垂直于血红素平面，一个是用于与蛋白肽链中的组氨酸咪唑 氮结合，另一个可与一些小分子，如0 2 、c o 等发生可逆的结合，对血红蛋白所 l 具有的生理功能起了决定性的作用。由于铁原子可提供空的3 d 轨道，因此那些能 提供未共用电子对的小分子( n 0 ) 就容易与血红蛋白结合。 如图2 1 3 所示当p b s 溶液充分除氧时，血红蛋白分子可在o 伽v 的电位范围 内呈现一对明显的氧化还原峰。然而，当向体系中加入n a n 0 2 溶液时( 亚硝酸钠 加入溶液可以反应生成n o ，如反应式所示) 。这对氧化还原峰降低，并随n a n 0 2 溶液加入量的增大而完全消失。血红蛋白电化学性质的改变表明血红蛋白与n 0 2 。 3 8 扬州大学硕l ：学位论文 分子发生了作用。这种性质的改变与n 0 2 浓度的依赖关系表明血红蛋白可以成为 检测n 0 2 。浓度的电化学探针【3 5 。7 】。 1 0 0 5 o 0 一o 5 司 1 o h 1 5 - 2 0 2 5 3 o 1 3 - 0 8- 0 30 2 e v ( v s s c e ) 重i g z 1 3 c y c l l cv o l t a m m o g r a m so th b b l o x g c em 0 1m p h 7 op b s f o r ( a ) c o n t a i n i n gn on a n 0 2 ；( b g ) c o n t a i n i n g o ，5 ，8 ，2 5 ，5 0 锄dl o o m m 该血红蛋白氧化铋电极对亚硝酸盐亦有很明显的催化作用，如图所示随着亚硝 酸钠的加入还原峰电流增大，氧化电流增大，线性范围为8 5 0 0 i 】= l m ，原理如下式 所示： 3 n 0 l 一+ 2 h + 一2 n o + n o i 一+ h 2 0，( 1 ) h b 肿e 。1 + n o 专h b h f e l l n 0 ( 2 ) 2 h b h f e 。1 n o + 2 e + 2 h + _ 2 h b h f e 。1 + h 2 0 + n 2 0( 3 ) 张静：基于b i o 。半导体材料生物传感器的构筑及传感性能 t 1 2 1 0 0 8 司 o 6 0 4 0 2 0 0 0l0 02 0 03 0 04 0 0 【n 0 2 。】m m i i 。噜z 1 4 l m e a rc a l i b r a t l o np l o to t 。n l ec a t a l y n cp e a kc l l r r e n t t ot l l en a n 0 2c o n c e i l 仃a t i o n o m 懿a r es 锄ea sf i g 2 1 3 2 4 结论 本章使用多晶半导体氧化铋固定血红蛋白，证明了它的纳米片层结构对于制 备生物传感器的优势，红外和紫外的表征都表明了血红蛋白保持着它原有的二级 结构特征，且对于0 2 、n o ：一、h 2 0 2 、三氯乙酸等的还原具有电催化作用。检测 这些物质在生活中的存在非常有意义，我们的血红蛋白氧化铋传感器的这些优良 的性质，可以推广在我们的生活中。 参考文献： 1 e d d o w e smj ，hi l lh ao j c h e l l l s o c c h 锄c o m m u n ，1 9 7 7 ，8 2 ：7 7 1 7 7 2 2 】s c h e l l e rf ，j a n c h e nm ，e t z o l dg ；、矾l lh b i o e l e c t r o c h 锄b i o e i l e 唱19 7 41 ：4 7 8 【3 y ej ，b a l d w i nr p a n a l c h e m 19 8 8 ，6 0 ( 2 0 ) ：2 2 6 3 4 h a nx ，h u a n gw j j i aj ，d o n gs ，w a n ge b i o s e n s b i o e l e c t r o n 2 0 0 2 ，8 4 ：21 4 5 】c h e nhy j uhx ，x l myq a n a l c h e m 19 9 4 ，6 6 ：4 5 3 8 4 0 扬州人学硕f ：学位论文 6 】j uhx ，d o n gl ，c h e nhy a n a l l e t t 19 9 6 ，2 9 ( 4 ) ：5 7 8 7 】j uhx ，s u nhb ，c h e nhy ，a n a l c m m a c t a 19 9 6 ，3 2 7 ：l2 5 【8 】k a w a h a r any o h n oh e l e c t r o c h i m a c t a 19 9 8 ，4 3 ：1 4 9 3 9 】y a n gj ，h un b i o e l e c t m c h e m b i o e n e 唱，1 9 9 9 ，4 8 ( 1 ) ：1 1 7 - 1 2 7 【1 0 】董绍俊，车广礼，谢远武，化学修饰电极北京：科学出版社，1 9 9 5 ：5 3 8 5 3 9 1 l 】h e x yz 1 l ul ，e l e c t r o c h 锄c o i 姗u n 8 ( 2 0 0 6 ) 6 1 5 12 l uq ，z h o ut h uss ，b i o s e n s b i o e l e c t r o n 2 2 ( 2 0 0 7 ) 8 9 9 1 3 l i uhh ，t i a l lzq ，l uzx ，z h a i l gzl ，z h a j l gm ，p a i l gdw b i o s e n sb i o e l e c 仃o n 2 0 ( 2 0 0 4 ) 2 9 4 【1 4 s u nh ，h unf je l e c t r o a l l a lc h 锄5 8 8 ( 2 0 0 6 ) 2 0 7 1 5 z h a oly ；l i uhy h unf ，a n a lb i o a n a lc h e r i l3 8 4 ( 2 0 0 6 ) 4 1 4 16 】c a icx ，c h e i lj ，a n a lb i o c h e m 3 2 5 ( 2 0 0 4 ) 2 8 5 【1 7 l uq ，h uss ，p a l l gdw ，h ezk ，c h 锄c o m m u l l 2 0 ( 2 0 0 5 ) 2 5 8 4 【1 8 d a izh ，l msq ，j uhx ，c h e nhyb i o s e n s b i o e l e c t r o n 1 9 ( 2 0 0 4 ) 8 6 1 1 9 】x i a l lyz ，x i a i lyz h o ulh ，w ufh ，l i n gyj i i llt ，e l e 咖c h e m c o m m u l l 9 ( 2 0 0 7 ) 1 4 2 2 0 f e n gj j ，x | uj j ，c h e nh ，e l e c t r o c h e m c o m m u l l 8 ( 2 0 0 6 ) 7 7 【2 l 】g e o 唱ep h a i l 觚i ag jb i o c h e m 5 5 ( 1 9 5 3 ) 2 3 6 2 2 a s b e 唱p ，i n g a n i i so ，b i o s e n s b i o e l e c t r o n 19 ( 2 0 0 3 ) 1 9 9 2 3 l a v i r o ne ，je l e c t r o a n a l c h 锄1 0 0 ( 1 9 7 9 ) 2 6 3 2 4 】m u i r h e a dh ，p e m t zmf n a t u | r e 1 9 9 ( 1 9 6 3 ) 6 3 3 【2 5 】d a iz ，l i us ，j uh ，c h e nh ，b i o s e n s b i o e l e c t r o n 19 ( 2 0 0 4 ) 8 6 1 2 6 s h a l ld ，w a n gsx ，z h udb ，x u ehgb i o e l e c t r o c h 锄i s 咄7 l ( 2 0 0 7 ) 1 9 8 - 2 0 3 2 7 】l i uhh ，t i a l lzq ，l uzx ，z h a n gzl ，z h a n gm ，p a l l gdw b i o s e n s b i o e l e c 昀n 2 0 ( 2 0 0 4 ) 2 9 4 【2 8 】“uh ，h un ，a n a l c 1 l i m a c t a 4 8 1 ( 2 0 0 3 ) 9 1 2 9 l i us ，d a iz ，c h e nh ，j uh ，b i o s e r l s b i o e l e c t r o n 19 ( 2 0 0 4 ) 9 6 3 3 0 f e n gj j ，z h a ogx uj j ，c h e nhya n a l b i o c h e m 3 4 2 ( 2 0 0 5 ) 2 8 0 - 2 8 6 【31 】c h o uj ，z h o uhh ，l uth ，w uy c o t t o ntm m b i o e l e c 仃o c h 锄b i o e i l e 略 1 9 9 6 ，4 1 ( 2 ) ：2 1 7 【3 2 n a s s a r aef b o b b i t t ，jm ，s t u a r t ，jd ，r u s l i n g ，jf ja m c h e m s o c 1 9 9 5l1 7 ， 张静：基于b i 0 ，半导体材料生物传感器的构筑及传感性能4 1 1 0 9 8 6 一1 0 9 9 3 【3 3 】) ( i a n gm ，“uxj ，h a l lx ，l igx b i o s e n s o r sa i l db i o e l e c t r o n i c s2 0 ( 2 0 0 5 ) 1 8 3 6 1 8 4 2 3 4 】s h e n g 如w 姐g a ，f e n ) ( i e a ，g u o d o n gl i u b ，t a l a l l t a7 7 ( 2 0 0 9 ) l3 4 3 - l3 5 0 【3 5 】s 锄p a t hv z h a ox j ，c a u 曲e yw s ，jb i 0 1 c h 锄2 0 0 1 2 7 6 ，1 3 6 3 5 - 1 3 6 4 3 3 6 f a nch ，g a oqx ，z h udx ，w a 印e rg “gx a n a l y s t2 0 0 1 1 2 6 ( 7 ) ，1 0 8 6 - 1 0 8 9 【3 7 m i g u e lo ，i r u i njj ，m a c r o m o ls y n l p 19 9 9 1 4 4 ，4 2 7 - 4 3 8 38 】b o n dam ，m a r c e ld e k k 既a n a l ”i c a lc h 锄i s 咄l9 8 0 ，2 7 4 2 扬州人学硕 ：学位论文 第三章基于无机半导体氧化铋薄膜的酚类安培传感器 3 1 引言 酚类化合物作为存于环境中各种过程产生的最重要的污染物，如塑料、燃料、 杀虫剂、造纸以及石化产品等。这些化合物的大多数及其衍生物，通过食入、皮 肤和呼吸道会严重的危害人类健康，因此表现出严重的环境问题。所以，迅速检 测出痕量酚类化合物对评价环境水样品总毒性是非常重要的。在文献中记载能检 测水样品中的酚类方法有如分光光度法【1 捌，液相色谱3 4 】，气相色谱【5 6 】，以及毛细 管电泳【7 】等几种。但是，这些技术昂贵、耗时和需要熟练操作人员操作，有的甚至 需要预浓缩但是浓缩步骤增加了样品损失的危险。 固定化多酚氧化酶生物传感器作为检测酚类化合物最有i j 景的工具而被大力 发展3 1 。多酚氧化酶( p p o ) 是含有双铜离子催化活性中心的一种金属酶，在有 氧条件下，底物苯酚发生邻羟基化催化反应生成儿茶酚( 单氧酶活性) ，然后儿茶 酚进一步被氧化成邻苯二醌( 儿茶酚酶活性) m 】。酚类生物传感器的传导作用是 基于安培法检测酶催化产生的邻苯二醌基础上产生的。但是，它们很少用于真实 水样品检测。 由于最常见的过渡金属配合物，能形成多种键，也表现出铁电和铁磁性【1 4 ，1 5 】， 过渡金属氧化物特别有趣。氧化铋是重要的过度金属氧化物之一，由于带隙，折 射率，介电性能等独特的性能在现在固体技术中发挥着重要的作用。这些特性使 其应用于如催化剂、电器陶瓷、光学镀膜、太阳能电池、微波集成电路等很大的 应用范围【1 6 _ 8 1 。在这些用途中，最近氧化铋被应用在燃料电池、氧传感器和氧泵 上【1 9 2 们。然而，就我们所知，生物传感器的构建上从未采用氧化铋颗粒。 本文研究目标是研究一种基于多酚氧化酶( p p o ) 的生物传感器来检测环境水 样中酚类化合物。我们第一次使用了实验室合成多晶氧化铋膜包埋生物大分子。 这个过程是一个价格低廉、快速简便的方法，该方法包括制作酶电极，将氧化铋 悬浮液与蛋白质简单充分混合，然后滴加到电极表面。将酶电极置于室温条件的 戊二醛饱和蒸气中交联1 5m i n ，再放在冰箱中冷藏。新制酶电极在使用前，置于 张静：摹于b 1 0 。半导体材料生物传感器的构筑及传感性能 4 3 磷酸缓冲溶液中搅拌2 0m i n ，用以除去未被固定的自由酶。酶电极不使用时存放 于4o c 冰箱中保存。 3 2 实验部分 3 2 1 试剂 多酚氧化酶( p p o ) ( e c1 1 4 1 8 1 ) 来源于m u s l 啪o m ( 8 0 7u m 9 1 ) 购于美国 触s c o 公司。其它试剂为分析纯，直接使用不需要再提纯。所有的水溶液都用二 次蒸馏水配制。酚溶液储存在o 1m 磷酸缓冲液( p b s ) 中，每次使用时都要新配。 3 2 2 氧化铋样品的制备 首先，将称量的9 7 9 6gb i ( n 0 3 ) 3 5 h 2 0 定量的加入到2 0 0m l 的容量瓶中，容 量瓶剩余部分用去离子水和浓硝酸逐滴加至刻度，摇晃至铋盐完全溶解，制成o 1 m b i ( n 0 3 ) 3 溶液。用n h 3 h 2 0 调节使铋溶液p h 值达到9 o ，并将悬浮液在1 8 0o c 下蒸压2 4 h 。将沉淀物通过反复洗涤和离心进行分离，然后在室温下真空干燥。 3 2 3 试验装置 电化学实验采用c h i6 6 0 电化学工作站( 美国c h i 公司) 。所有的电化学反应 都在常规的三电极体系中进行，电位均相对于饱和甘汞电极( s c e ) 。实验中以圆 盘玻碳电极( 直径3m m ) 为工作电极，铂丝为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电 极。制作酶电极前先把圆盘玻碳电极在涂有o 0 5 岬氧化铝粒子的丝绸上仔细打磨 光滑，再用二次蒸馏水冲洗干净并在空气中晾干。所有响应电流的测定都在2 5 的磷酸缓冲液中进行。傅里叶变换红外光谱( f t - i r ) 样品测定采用溴化钾压片， 光谱仪为加拿大b m k e r 公司s o r 2 7 光谱仪。b 1 1 l k e r d 8 衍射仪( 德国) 使用c u k 衍射测定x 射线粉末衍射图谱。在1 0 8 0 0 之间每2 0 记录图谱一次。用x l 3 0 e 扫描电镜( s e m ) ( p h i l i p s ，荷兰) 获得显微图。静态接触角测量是采用o c a4 0 系统( d a t a p h y s i c s ，德国) 座滴法在2 0 下操作进行的。一滴去离子水( 2 “1 ) 被 轻轻地放在系统表面。液滴边缘和系统表面之间的角度被测量。在不同区域的表 扬州人学硕i ：学位论文 面都需要测量。 3 2 4 酶电极制备 将分散b i o 。在二次蒸馏水水中搅拌过夜，制成氧化铋胶体悬浮液( 2m gm l 。) 。 将多酚氧化酶( p p o ) 也溶于二次蒸馏水中制成浓度4m g m l 。1 的酶溶液。将一定 量的p p o b i o x 混合液( 例如，含4 0 嵋p p o ，2 0 肛gb i o 。) 均匀滴涂到圆盘玻碳 电极表面。再将酶电极置于室温下干燥，使酶能够牢固地包埋在b i o x 膜中。等酶 电极要干时，将酶电极置于室温条件的戊二醛饱和蒸气中交联1 5m i n ，再放在冰 箱中冷藏。新制酶电极在使用前，置于磷酸缓冲溶液中搅拌2 0m i n ，用以除去未 被固定的自由酶。酶电极不使用时存放于4o c 冰箱中保存。 3 3 生物传感器响应电流测定原理 对于多酚氧化酶电极，在p p o 的作用下底物酚先发生邻羟基化反应生成邻苯 二酚，生成物在p p o 的催化作用下进一步氧化生成邻苯二醌。这一过程的酶催化 反应可表示为： 。 p p o 0 2 h p p o 0 2 酶电极响应电流的测定是基于邻苯二醌在电极上发生还原反应时产生的电流【1 2 】， 其反应方程式为： + 2 h + + 2 e ! ! ! 竺竺璺! ， h 由于在电极上还原产生的邻苯二酚又可以在膜中经p p o 催化氧化成邻苯二醌，从 而导致了所测定的电流信号的放大【4 1 1 。 张静：慕于b i 0 。半导体材料生物传感器的构筑及传感性能 4 5 3 4 结果和讨论 3 4 1x 一射线粉末衍射 氧化铋的一个特性是它的多态性：文献上已经报道盯，b ，y