LB膜制備及其在葡萄糖生物傳感器中的應(yīng)用

摘要：介紹單分子膜的形成原理，以及一種超薄膜——LB膜的制備方法及膜類型，并舉例介紹LB膜在葡萄糖生物傳感器中的應(yīng)用，可供一線高中化學(xué)教師用于拓展學(xué)生的視野。

關(guān)鍵詞：高中化學(xué)；單分子膜；LB膜；制備；葡萄糖生物傳感器

文章編號(hào)：1005–6629（2013）10–0075–03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

高中物理《選修1-2》課程標(biāo)準(zhǔn)中有一個(gè)建議實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容涉及用油膜法估測(cè)分子的直徑。把很小體積的油酸滴在水面上，水面上形成一層油酸薄膜，通過測(cè)量油酸的體積和油膜面積就可以估算出油酸分子的直徑。這個(gè)計(jì)算方法的前提是，薄膜是由單層油酸分子組成，而油酸分子是等徑圓球，如圖1所示。

1 單分子膜的形成原理

油酸是怎么在水面形成單分子層的呢？這要從油酸的分子結(jié)構(gòu)說起。高中物理的油膜實(shí)驗(yàn)將油酸分子簡(jiǎn)化為球形分子了，事實(shí)上油酸分子不是球形分子，它的結(jié)構(gòu)式為CH3（CH2）7CH=CH（CH2）7COOH（如圖2 左部所示），分子具有一個(gè)疏水（親油）的長(zhǎng)烷基鏈，還具有一個(gè)親水的羧基。在水中，油酸分子的疏水長(zhǎng)烷基鏈與水的親和性差，具有逃離水環(huán)境的強(qiáng)烈趨勢(shì)，體系能量高。為了使體系的能量達(dá)到最低，分子自動(dòng)在氣-水界面中定向排列，親水基沒在水中，疏水基伸向水面上方的空氣中（如圖2 右部所示）[1]。當(dāng)每個(gè)分子都這樣取向時(shí)，油酸就在水面上鋪展成了不溶的單分子膜。在水面上可鋪展形成單分子膜的分子通常都是類似油酸這樣既含有親水基頭部又含有親油基尾巴的兩親分

子[2]。

工作電極上葡萄糖分子識(shí)別元件的響應(yīng)原理如圖7[19]所示。待測(cè)液中的葡萄糖分子擴(kuò)散到電極表面，與GOx簇接觸，在它的催化下，葡萄糖與O2反應(yīng)，生成葡萄糖酸內(nèi)酯和H2O2[20]：

葡萄糖+O2 葡萄糖酸內(nèi)酯+H2O2

研究發(fā)現(xiàn)，GOx簇之間是存在間隙的，這些間隙大小足以讓PB靠近電極表面，因此PB可以有效地從電極表面獲得電子[21]，轉(zhuǎn)變成還原態(tài)普魯士白（Fe4ⅡK4[FeⅡ（CN）6]3，PW）[22]：

Fe4Ⅲ[FeⅡ（CN）6]3+4e-+4K+→Fe4ⅡK4[FeⅡ（CN）6]3

PB PW

葡萄糖分解產(chǎn)生的H2O2擴(kuò)散到PB膜，被PW分子還原為OH-，而PW自身被氧化回PB[23]：

Fe4ⅡK4[FeⅡ（CN）6]3+2H2O2→Fe4Ⅲ[FeⅡ（CN）6]3+4K++4OHPW PB

在這個(gè)過程中PB膜起到了至關(guān)重要的電子傳遞體作用[24]。由于葡萄糖氧化產(chǎn)生H2O2的反應(yīng)是一個(gè)定量反應(yīng)，而PB膜與H2O2的反應(yīng)也是定量的，所以通過PB膜轉(zhuǎn)移的電子數(shù)就與溶液中葡萄糖的濃度存在定量關(guān)系，即葡萄糖濃度與電流變化存在線性關(guān)系（見圖8）[25]。因此，通過測(cè)定待測(cè)液電流的大小，就可以定量獲得其中葡萄糖的濃度[26]。

該葡萄糖傳感器響應(yīng)非常迅速（僅為3秒）；含量低至12.5 μmol·L-1到高達(dá)70 mmol·L-1的葡萄糖都可以實(shí)現(xiàn)定量檢測(cè)；非常靈敏，每平方厘米電極上1 mmol·L-1的待測(cè)葡萄糖溶液可以產(chǎn)生50 nA檢測(cè)電流。該葡萄糖生物傳感器性能如此優(yōu)異的原因，可歸于兩方面。一是元件制作使用了LB技術(shù)，制得了超薄元件。二是MBA中具有苯環(huán)，它的共軛電子結(jié)構(gòu)使電子能夠高效、迅速地由電極表面向PB上轉(zhuǎn)移[27]。葡萄糖生物傳感器的開發(fā)使血糖檢驗(yàn)更加快速、精確，無疑為糖尿病患者帶來了福音。

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