基于新材料的电化学传感界面的设计及其应用研究

（盘锦职业技术学院, 辽宁 盘锦 124000）

摘  要：电化学传感界面的设计是当前一个活跃的研究领域，尤其是传感界面的研制，能够为今后生命科学以及疾病的治疗提供重要的研究和分析方法。本文在此基础上，探讨了基于新材料的电化学实验，为今后的传感界面研发与应用提供理论支撑。

关键词：新材料；电化学；传感界面

1  基于三-二茂铁乙烯基毗淀盐为新型电子媒介体的电化学葡萄糖生物传感器的研究

作为一种特性敏感的亲水网状交联水凝胶，自身的体积会发生改变，尤其是会根据周围的环境变化而产生变化。所以说水凝胶通常运用于器件的设计当中，比如液体的尺寸可以让水凝胶充分被开发，并且可以结合在实验室的应用中或者是其他医学器件的构造和设计当中。并能够组建成一个新的系统，水凝胶自身具有对水温的敏感性，因此可以设计成为物质的尺寸分离或浓缩的器具。实践表明，可以在水凝胶的内部形成一种血红蛋白血能够运用于氧气的载体当中，成为一种新型的器具。

酶物质的固定，主要是参照是否具有质量传达的阻力，并且能够在一定的程度上提高酶物质的活性。而水凝胶的应用，能够极大的开发酶固定工作的前景和进程。和其他的技术相比，水凝胶能够为媒的生存提供良好的含水环境，通常3D水凝胶尤其是能够为酶的生存提高相对的高负载量。这和以往的技术相比，具有较大的改进。换而言之，利用水凝胶的特性，可以保持传感材料的活性度，并且该技术已经成为了当前最常应用的技术之一，在未来的发展中具有广阔的前景。

研究学者Hamachi利用水凝胶研发出了一种蛋白质列阵，且能够处于半湿度状态。为了能够进一步的明确3D水凝胶中分子与分子之间的关系和作用，Schaus进一步研究了在水凝胶的网状结构中，小分子蛋白和蛋白质之间的筛选与识别的方程式。

而如今我国开始研发一种在水凝胶基础上的蛋白压电生物芯片。该器具能够采用共价键的方式将抗生素蛋白固定在电压晶体上。通过还原酶的化学反应，可以将其化学能转换为基于新型化学生物传感器和催化反应下的构建提供相应的基础。而且可以在后续的美生物研究中，提供理想的交换机研究模型，为人们今后的生物学科发展奠定了坚实的基础。3D水凝胶的广泛应用，不仅能够缩短电极间电子和酶的传递距离，而且能优化交换流程。所以我也能够3D水凝胶更良好的应用于还原环境中，为还原酶的固定以及电化学研究提供良好的基础。

基于多羟基纤维素所研发的HRP有机相酶电极能够在非水溶剂中做到对H2O2的检测。并且HRP也可以在N-异丙基丙烯酰胺-3-三甲氧基甲硅烷基丙基甲基丙烯酸中良好采用，最终研发成生物电催化技术支持下的传感器。而水凝胶在应用过程中，可以通过直接电化学和催化研究，将血红素蛋白直接催化这一研究领域，受到了社会各界的广泛关注。所以和HRP对比来说，水凝胶采用范围更广且适用性更强，具有较好的兼容性，并且在应用过程中也表现出了良好的过氧化酶活性。

2  实验部分

2.1  试剂和设备

试剂：主要采用了以下两种制剂，一是葡萄糖氧化酶，二是醋酸纤维素。这两种都购自Sigma。实验所采用的葡萄糖和H2O2都来自于北京的某一家试剂公司。在实验中所采用的所有试剂以及化学用品通常都是分析纯。并且在实验过程中，整个流程都是在0.1mol/L磷酸盐缓冲溶液中开展的。在实验中所用。溶液是经过二次蒸馏水而配置的。

仪器：主要应用了来自上海田京电子光学技术有限公司的DM-220型高真空多级镀膜台。上海金玛电光技术研究所的ZDF-2F型复合真空计。上海金玛电光技术研究所的LHC-2型膜厚监控仪。日本的SEM，JSM-636OLV扫描电子显微镜。美国的紫外-可见分光光度计仪和傅立叶变换红外光谱仪。

2.2  过程

2.2.1  TFc的合成

TFc的合成材料是6.42g，30mmol的二茂铁甲醛、1.39g，5mmol的哈N-乙基-2,4,6-三甲基吡啶盐。将上述两者加入到10mL氯仿、1.5mL哌啶以及20mL乙醇混合剂中。然后在氮气环境下加热六个小时，等到冷却之后出现了沉淀物，再继续加热，直至80度。在搅拌过程中，要不停的进行搅拌，带六个小时之后，冷却到正常温度，用最终的沉淀物进行色谱分离。通过真空干燥箱对其进行干燥，可以分析出3.5g的产物。

2.2.2  传感器的制备

在制备传感器时，可以将ITO导电玻璃制作成方形。然后对其用2mol/LHC1在锌粉进行催化，再刻十分钟。之后对其表面进行清洁和处理。但仍然需要在离子水和乙醇等溶剂中进行超声清洗十分钟以上。清洗过后，需要将其送到真空烘箱中，将其晾干。对ITO表面要进行预处理，可以通过紫外线和臭氧的方式，将其清洗15分钟左右。上述措施是为了能够提高ITO导电玻璃表面平整度。

随后在一定条件下，可以先对其进行空穴传输层TFc的蒸镀，此时保证膜的厚度为50nm。在蒸镀的时候，要控制蒸镀速度，最好控制在0.2nm/s左右，随后可以将葡萄糖和氧化酶与牛血清蛋白适量融合。取一定的溶液，在电极表面低滴5uL，随后取5uL0.1%(V/V)Nafion，滴到电极上。之后将其放在正常温度下干燥，如果不用的时候，可以将传感器冷置。

2.2.3  电化学实验

在电化学实验中，必须要在一定的环境下进行，来保障实验的精准度。本文所采用的是CHI-832电化学工作站。能够充分的保障实验的环境，确保实验结果的准确。在电化学实验中，采用三电极体系，参比电极是饱和甘汞电极，工作电极是ITO电极。

3  结果与讨论

3.1  生物传感器表征

图1  水凝胶SEM图

为了能够进一步的剖析在此次新材料的电化学制剂和应用研究中所运用到生物凝胶的性质。所以在此次实验中，有必要对生物传感器所固载的HRP进行图示研究。上图是水凝胶的SEM图，从图中我们可以分析出水凝胶具有的形态特征以及表面结构。初步可以从图中看出成奶酪状的孔状分布。而这种分布的样式，能够对产物的扩散具有重要的推动力量，并且可以更灵敏和更稳定的检测分析物，同时可以得到一定的响应。从图中可以看到，水凝胶的表面结构这种结构具有较大比表面积的特点，可以提高酶的固载量。

3.2  生物水凝胶的电催化性质

为了更加详细的了解水凝胶的自身电催化性能，所以本实验制备了水凝胶包裹修饰的电极，在H2O2中对双氧水的循环伏安图。通过实验可以了解到，当水凝胶加入双氧水之后，所包裹的修饰电极能够明显的增加还原电流，同时进一步减少氧化峰电流，所以从实验结果上来看，H2O2能够在生物水凝胶的电催化物质下有效还原。

图2  循环伏安图

因为传感器的使用性能很大程度上和工作的实验电压具有密切的关系所以有必要对HRP的过氧氢生物传感器的电位图进行考察。上图便是循环伏安图，可以从上图了解到还原电流能够在此阶段达到最大值，同时将会被选作为实验中的最优化电压。

3.3  生物水凝胶传感器的稳定性

我们通过每两天检测5.0X105MH2O2三次来判断H2O2传感器的稳定性。两周后传感器（其不用时放在4℃冰箱里保存）对于H2O2仍能保持90%活性。良好的稳定性表明PHC能为HRP提供一个稳定的微环境。另外，也表明HRP能稳定地存在于PHC的网状结构中不泄露。传感器的重现性也可以通过检测5.0X10+MH2O2来检测，标准偏差为2.0%(n=9)。

4  结论

本文深入的分析了在新材料的电化学传感界面设计以及具体的应用，将其应用在NO的催化氧化中可以发现，基于MWCNTs/Zn-salen层层自组装的电极对于NO的检测灵敏度最高，NO呈线性响应是在6.0x107~1.0x102molL的浓度范围达到最佳。具有较小的限低，且较强的抗干扰能力。在此实验中，着力的探讨了和研究了基于新材料，尤其是生物水凝胶的应用，将电极应用于双氧水的还原催化反应中，能有良好的还原效果，且该实验和研究能够为今后研发新型的电化学传感器提供扎实的理论基础，为未来传感器的设计发展提供重要的支持。

参考文献

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      来源：化学工程与装备-官方网站-创刊于1972    2022年第7期  在线投稿  >>