聚吡咯摻雜苯磺酸鈉葡萄糖生物傳感器*

閆長領， 郭玉娟， 張春朵， 王公軻， 劉 璟

(河南師范大學 化學化工學院，河南 新鄉 453007)

聚吡咯摻雜苯磺酸鈉葡萄糖生物傳感器*

閆長領， 郭玉娟， 張春朵， 王公軻， 劉 璟

(河南師范大學 化學化工學院，河南 新鄉 453007)

采用電化學聚合技術，用摻雜苯磺酸鈉的聚吡咯(PPy)導電薄膜修飾鉛筆芯電極，在修飾電極表面吸附葡萄糖氧化酶制備了葡萄糖生物傳感器。研究了苯磺酸鈉摻雜對PPy薄膜形貌、葡萄糖傳感器性能的影響。實驗結果表明：摻雜苯磺酸鈉能夠改變PPy形貌、極大提高其導電性。優化條件下該生物傳感器抗干擾能力強、穩定性好，響應電流和葡萄糖濃度在0～0.7 mmol/L范圍內有良好的線性相關度(R=0.997 6)，靈敏度為26.10 μA/mmol/L，平均響應時間約為6.5 s，檢測下限為47.2 μmol/L。

電化學聚合； 聚吡咯； 苯磺酸鈉； 葡萄糖生物傳感器

0 引 言

在食品工業、臨床診斷和生物技術等眾多領域，快速高效檢測葡萄具有重要意義[1]。聚吡咯(PPy)作為一種導電材料具有良好的環境穩定性、高導電性、一定的滲透性和合成方便等優點而廣泛應用于傳感、電池、光電等方面，尤其在葡萄糖生物傳感器方面得到廣泛應用[2～4]。研究表明，利用電化學聚合時通過摻雜芳香類陰離子能夠提高PPy薄膜的導電性、熱穩定性，增強PPy薄膜在電極上的附著力，改變薄膜的微觀結構和形貌，提高薄膜的通透性和對酶的固定能力[5～7]。

本文通過摻雜苯磺酸陰離子，研究了PPy葡萄糖生物傳感器的檢測性能。實驗表明:摻雜苯磺酸陰離子可顯著提高傳感器的靈敏度、使用壽命，響應速度快，在低濃度具有良好線性和強的抗干擾能力。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

采用CH1660型電化學工作站(北京華科普天科技責任有限公司)JSM—6390LV型掃描電子顯微鏡(日本電子公司)。

吡咯(阿拉丁化學試劑公司)，苯磺酸鈉(阿拉丁化學試劑公司)，葡萄糖(天津科密歐化學試劑有限公司)，葡萄糖氧化酶(100—250 kU/g,北京奇松生物科技有限公司)，磷酸二氫鈉(北京化工廠)，磷酸氫二鈉(北京化工廠)等均為分析純試劑，吡咯使用前減壓蒸餾，其它試劑直接使用。葡萄糖氧化酶溶液由5 mg牛血清蛋白(BSA)和2.5 mg的葡萄糖氧化酶(GOD)溶于100 μL的磷酸鹽緩沖液(PBS，0.1 mol /L，pH=7.00)中配制而成，實驗用水均為二次水。

1.2 鉛筆芯電極的預處理

將2B鉛筆芯(直徑2 mm)套上絕緣橡膠套，依次用2 mol /L硫酸、6 mol /L鹽酸和4 mol /L硝酸浸泡5 min后用水洗凈，留出5 mm，用金相砂紙打磨拋光后再用水洗凈，使用前在0.1 mol/L硫酸溶液中激活。

1.3 葡萄糖生物傳感器的制備

利用電化學工作站，以鉛筆芯 (PCE)為工作電極，鉑電極為輔助電極，飽和甘汞電極為參比電極組成三電極體系，在50 mL含0.1 mol/L PPy和不同比例的苯磺酸鈉(BSNa)溶液中，在恒電位0.7 V，恒溫25 ℃條件下，電化學聚合90 min。聚合完成后取出工作電極，用二次水洗凈、干燥，電極表面形貌用掃描電子顯微鏡進行表征。

對文獻[4,8,9]報道的方法進行改進，將葡萄糖酶固定在摻雜的PPy薄膜表面。每次取10 μL酶溶液均勻地涂覆在電極的PPy/BSNa薄膜表面，晾干后再涂第二層，依次涂覆40 μL酶溶液。然后將電極在5 %的戊二醛溶液中交聯1 min，取出用水浸泡洗凈，室溫真空干燥過夜，然后保存在4 ℃的PBS溶液中。該生物傳感器標記為：PCE-PPy/BSNa-GOD。

1.4 傳感器性能的檢測

以PCE-PPy/BSNa-GOD為工作電極, 飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為輔助電極組成三電極體系。測試底液為50 mL 空氣飽和的PBS溶液。在室溫(20 ℃)、恒電位(0.5 V)條件下測量電流響應, 待背景電流穩定后用微量進樣器每次加入250 μL不同濃度的葡萄糖標準溶液(放置24 h)，使溶液中葡萄糖溶液濃度從0～1.5 mmol/L變化，測量加入葡萄糖溶液前后電流變化[10,11]。

2 結果與討論

2.1 摻雜對PPy薄膜形貌的影響

圖1為摻雜BSNa的PPy(PPy/BSNa)薄膜代表性樣品的掃描電鏡照片。可以看出:PPy薄膜均呈由小微粒組成的菜花狀結構，摻雜量的增加薄膜表面形貌變化菜團狀微粒稍有增大。與未摻雜相比，PPy/BSNa薄膜較平滑、致密，組成菜花狀結構的微粒更小。這是因為在聚合過程中，摻雜后磺酸根基團使薄膜表面具有一定的親水性，對聚合物微粒的聚集有一定的阻礙作用[12]。

圖1 溶液中吡咯單體與BSNa為不同摩爾比時得到的PPy薄膜掃描電鏡圖Fig 1 SEM images of PPy films prepared from an aqueous solutions containing different molar ratio of pyrrole to BSNa

2.2 摻雜對傳感器性能的影響

圖2是摻雜量不同的條件下制備的PCE-PPy/BSNa-GOD生物傳感器對葡萄糖的電流響應曲線圖。可以看出，摻雜的生物傳感器對葡萄溶液的響應電流遠遠大于未摻雜傳感器。當電解液中吡咯單體與BSNa的摩爾比為1∶0.6時，傳感器的導電性最強，基礎響應電流大約提高15倍；傳感器對葡萄糖溶液的響應電流也最大，在線性范圍內靈敏度高。這一方面是由于摻雜BSNa改變了PPy薄膜的表面形貌，使薄膜有效表面積增大，葡萄糖與酶作用的活性位點增多。另一方面，平面型的芳香性苯磺酸根陰離子摻雜有利于PPy鏈規整排列，使得鏈間π電子波函數和重疊加強，電荷傳輸更容易，增強了的薄膜的導電性[13,14]。然而，摻雜量過多摻雜離子會降低PPy鏈的長度、影響鏈間作用破壞鏈的規整性，從而導致導電能力的降低。

圖2 改變溶液中吡咯與BSNa摩爾比時得到的PCE-PPy/BSNa-GOD生物傳感器對葡萄糖的電量響應Fig 2 Amperometric response of PCE-PPy/BSNa-GOD sensors to glucose(PPy film is prepared from an aqueous solutions containing different molar ratio of pyrrole to BSNa)

對圖2(d)的響應電流數據進行處理可以得到生物傳感器對葡萄糖的相關性能參數(表1)，其中響應時間為在線性范圍內每次注入葡萄糖溶液至響應電流達到最大值90 %時所用時間的平均值。 可以看出:優化條件下，該傳感器具有靈敏度高、線性相關度高、電流響應時間短等優良性能。

表1 優化條件下PCE-PPy/BSNa-GOD傳感器對葡萄糖溶液的性能參數Tab 1 Performance parameters of PCE-PPy/ BSNa-GOD sensor to glucose under optimal conditions

2.3 傳感器的抗干擾性和穩定性

實驗考察了常見干擾物抗壞血酸(AA)、尿酸(UA)、L—半胱氨酸(L-cys)對傳感器響應電流的影響。圖3是以空氣飽和的PBS溶液為底液，依次加入葡萄糖溶液和干擾組分溶液的電流響應情況[1,15,16]。可以看出:加入干擾物電流未發生任何變化，當再次加入葡萄糖溶液時又出現明顯的響應電流，說明傳感器對常見的干擾物具有良好的抗干擾能力。

圖3 傳感器的抗干擾測試曲線Fig 3 Anti-interference detection curve of sensor

在含有0.5 mmol/L葡萄糖的PBS緩沖溶液中，檢測傳感器的穩定性。最初連續5天,每天測試一次，然后每隔5天一次，其間將傳感器于4 ℃的PBS溶液中保存。結果(圖4)表明:該生物傳感器具有良好的穩定性，30天內對葡萄糖的響應電流穩定，保持了大約92 %的響應電流。

圖4 優化條件下PCE-BSNa/PPy-GOD傳感器的使用壽命Fig 4 Working lifetime of PCE-BSNa/PPy-GOD biosensor under optimal conditions

3 結 論

采用電化學方法，通過改變溶液中吡咯與BSNa的摩爾比制備了摻雜PPy薄膜葡萄糖生物傳感器。摻雜量對對PPy形貌和導電性能有很大影響。當溶液中吡咯與BSNa的濃度比為1∶0.6時，制備出的傳感器性具有良好的性能，在低濃度溶液范圍內線性較好，響應快、靈敏度高，使用壽命可長，對抗壞血酸、尿酸和半胱氨酸等常見干擾成分具有較強的抗干擾能力。

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Benzene sulfonic acid sodium doped polypyrrole glucose biosensor*

YAN Chang-ling, GUO Yu-juan, ZHANG Chun-duo, WANG Gong-ke，LIU Jing

(School of Chemistry and Chemical Engineering,Henan Normal University,Xinxiang 453007,China)

A benzene sulfonic acid sodium doped polypyrrole(PPy)glucose biosensor is fabricated through electrochemical polymerization on pencil-core electrode.The influence of dopant ion on the morphology and performance of the biosensor is investigated.The morphologic change and the enhancement of conductivity have been found for the doped PPy film.The optimized results indicate that the biosensor exhibited excellent linear response to glucose at linear range 0～ 0.7 mmol/L(R=0.997 6),a low detection limit of 47.2 μmol/L(3SD/slope),average response time(is about 6.5 s)and sensitivity is 26.10 μA/mmol/L,also,the biosensor has good stability and anti-interference ability.

electrochemical polymerization; polypyrrole(PPy); benzene sulfonic acid sodium; glucose biosensor

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0082—03

2014—04—15

國家自然科學基金資助項目(21173071,21071047)

O 657.1

B

1000—9787(2014)12—0082—03

閆長領(1965-)，男，河南濮陽人，副教授，主要研究方向為電化學和溶液化學。