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Amperometric phenol biosensor based on
sol–gel silicate/Nafion composite film
Min Ah Kim, Won-Yong Lee∗
自己搜下这篇文献.这里附上一部分翻译,两页足够了.
基于溶胶-凝胶硅酸盐/全氟磺酸复合膜的安培型苯酚
生物传感器
Min Ah Kim, Won-Yong Lee
韩国首尔120-749延世大学化学系
收稿日期：2002.8.9；修回日期：2002.11.18；发表日期：2002.11.28



摘要

基于由硅酸盐/全氟磺酸复合膜固定的酪氨酸酶安培型生物传感器已经被用来测定各种酚类化合物.复合膜中的全氟磺酸聚合物,不仅可以克服纯溶胶-凝胶源性硅酸盐膜的脆性,而且还增强了生物传感器的长期稳定性.酪氨酸酶是通过硅酸盐/全氟磺酸复合薄膜固定在玻碳电极上的.酚类化合物的含量随着游离的具有生物催化活性的醌类物质含量的减少而定,该实验在 200mV的电位下进行,以Ag/AgCl（3MNaCl）作为参比电极.由此法制备的酶电极的工艺参数和各种实验变量,如pH值和工作电位,已经被选定为适合该酶电极操作的最佳优化值.在15s之内,该生物传感器的电流值可以达到稳态电流值的95%.该生物传感器对邻苯二酚和苯酚的灵敏度分别是200 mA∕M和46mA∕M.在信噪比为3的情况下,邻苯二酚的检出限为0.35mM.在pH值为7,浓度为50mM的磷酸盐缓冲溶液储存下,两周之后,酶电极仍保留74 ％的初始活性.
© 2002 Elsevier Science科技有限公司保留所有权.

关键词：溶胶-凝胶技术；硅酸盐/全氟磺酸复合膜；酪氨酸酶；酚类化合物；安培型生物传感器


1引言
因其在环境中的毒性和持久性,我们对于酚类化合物的含量测定是十分必要的.由于酚类化合物会对人类健康产生不利影响,我们需要对这类化合物进行一个严格的定性和定量分析.天然水中或土壤中的酚类化合物的浓度在一定程度上可能会有所不同,但总的来说,它们目前都是在ppb级.许多方法都可用于测定酚类化合物,包括气相色谱和分光光度分析法.然而,这些方法都需要进行复杂的样品预处理,并且具有不易控制的实验条件.为了解决这个问题,我们做了大量的努力来寻求一种简单有效的测定酚类化合物的方法.基于酪氨酸酶的安培型苯酚传感器已被证实有望达到这一目标,而各种模型如碳糊,环氧石墨等复合材料也被用来掺入到酪氨酸酶电极表面.
近来,溶胶-凝胶化学为化学传感器和生物传感器的领域提供了一个新的电化学平台.由于其固有的低温进程,溶胶-凝胶技术为那些热敏感生物体（酶,蛋白质和抗体）的固定提供了一种切实可行的方法.这一类的溶胶-凝胶硅酸盐模型具有化学稳定性,物理刚性,生物相容性,孔隙度可调性,高度的对光和对热稳定性和光透性等特点.正是由于这些显著的特点,人们在光学和电化学生物传感器方向上展开了更加深入的研究.如苯酚传感器,Tan和同事们发布了关于由硅溶胶-凝胶固定的安培型苯酚生物传感器的报道.此外,Al2O3溶胶-凝胶也被认为是一个能改进酪氨酸酶固定稳定性的合适的模型.然而,尽管溶胶-凝胶模型有众多优势,但随着时间的流逝,溶胶-凝胶模型的开裂现象仍然是个潜在的问题.为了防止裂缝,将一些聚合物,如聚（环氧乙烷）,聚（乙二醇）,聚羟基,天然高分子壳聚糖,以及聚（乙烯基吡啶）和聚（乙烯醇）的接枝共聚物等,与溶胶-凝胶源性硅酸盐模型混合,从而形成有机-无机杂化材料,而每种有机-无机杂化材料都有其自身独特的特点.例如,基于壳聚糖的有机-无机杂化材料,具有生物降解性和无毒性,这是因为壳聚糖是一种天然高分子产品.此外,壳聚糖含有氨基,因而提供了一种能与生物大分子相容的亲水环境.基于聚（乙烯基吡啶）和聚（乙烯醇）的接枝共聚物的有机-无机杂化材料,能够防止石英玻璃在溶胶-凝胶过程中的开裂现象,同时也能消除共聚物水凝胶的膨胀性.
在本文中,我们首次对由溶胶-凝胶源性硅酸盐/全氟磺酸（磺酸盐离子交联聚合物）复合膜固定的酪氨酸酶安培型生物传感器进行报道.这种类型的复合膜材料可以克服纯溶胶-凝胶源性硅酸盐模型的脆性,还可以延缓硅酸盐的缩水性.该复合膜的另一个优点是全氟磺酸与酪氨酸酶具有生物相容性,从而为苯酚传感器的长期稳定性能提供了很大的改进.另外,生物传感器的选择性,可通过在制备复合膜过程中,恰当选择硅酸盐与全氟磺酸的比率来确定.这是因为全氟磺酸薄膜中含有带负电荷的磺酸基团,从而能够阻止带负电荷的待测物质迁移而沉积到电极表面.下面,我们将进一步讨论溶胶-凝胶源性硅酸盐/全氟磺酸复合膜的优化条件和影响该生物传感器电化学响应的实验参数,比如工作电位和pH值.此外,对于传感器性能,我们将在响应时间,灵敏度,检出限和长期稳定性方面进行探讨研究.

2实验
2.1试剂
四甲氧基硅酸盐(TMOS, 99%)是从AcrosChemical公司 （比利时）购买的.酪氨酸酶（从蘑菇中提取,EC1.14.18.1, 4400单位/毫克）是从Sigma（圣路易斯,密苏里州,美国）购买 .邻苯二酚,苯酚,甲酚, 4-氯苯酚, 4-乙酸氨基酚 ,从Aldrich（密尔沃基,威斯康星,美国）购买 .工作溶液每次均用pH值为7.0,浓度为0.05M磷酸盐缓冲溶液稀释至所需浓度.全氟磺酸（磺酸盐离子交换树脂,由其5％（W/ V ）溶解于配比为90 ％脂肪醇/10 ％水（体积比）的混合溶液而成）是从Aldrich购买.本实验中所有稀释用的水均用Milli- Q水净化系统(Millipore, Bedford, MA, USA)来净化.本实验所有化学试剂均达到试剂要求,若没有特别说明,使用时无需再进一步纯化.
2.2 仪器
本文所有安培和循环伏安实验均在EG&G 273A电化学工作站上进行（橡树岭,田纳西州,美国）.所有实验都是用的传统的三电极系统.其中玻碳电极作为工作电极（ 1.7500000000000002px2,表面被酶层覆盖）,铂丝作为对电极,Ag/AgCl（ 3MNaCl ）作为参比电极（本文提到的所有电位值都是相对此而言的）.一个10mL的小烧杯和磁力搅拌器.
2.3 苯酚生物传感器的制备
将1.0ml的TMOS,200μl的去离子水和10μl的浓度为0.1M的 HCl混合于一个小烧杯中,此溶液在室温下强力分散10分钟,至分散均匀,然后将该溶液在室温下静置12个小时,即可得到溶胶-凝胶储备液.将该储备液与全氟磺酸溶液混合（溶胶-凝胶悬浮液/全氟磺酸= 1/2（体积比））,从而形成溶胶-凝胶硅酸盐/全氟磺酸复合液.同时,用pH为7.0 ,浓度为0.05M的磷酸盐缓冲溶液将酪氨酸酶稀释至浓度为15mg/ml.然后,取上述30μl的硅酸盐/全氟磺酸复合液与30μl的络氨酸酶溶液混合,即可得到悬浮液.取此溶液1.0μl,覆盖在玻碳电极的表面.其中玻碳电极在每次实验前,都需要用0.05μm的α-氧化铝进行抛光,然后用蒸馏水彻底清洗干净.悬浮溶液需要在室温下干燥2分钟成膜.最后,酶电极在首次使用之前,需要用pH为7.0,浓度为0.05M的磷酸盐缓冲溶液于4℃下浸泡一夜,这是为了洗掉电极表面上游离的酪氨酸酶,并同时完善溶胶-凝胶的聚合.该电极在不使用时,需储存在pH为7.0 ,浓度为0.05M的磷酸盐缓冲溶液中,放置于冰箱,温度为4℃.
2.4 实验条件
在对待测液进行安培检测时,此待测液以10ml的pH值为7.0,浓度为0.05M的磷酸盐缓冲溶液为介质,并处于不断搅拌的环境中.磁力搅拌器及搅拌子为安培检测提供了电子迁移动力.相对于Ag/AgCl（ 3M NaCl）的参比电极来说,工作电极保持-0.2V的恒电位,在酚类化合物标准溶液的等分试样添加到电化学测试液之前,使背景电流衰减到一个稳定值.

3结果和讨论
3.1溶胶-凝胶硅酸盐/全氟磺酸的影响
组成的影响
众所周知,溶胶-凝胶的制备条件,对溶胶-凝胶源性生物传感器的电化学响应有着重大的影响.特别是,由于酸催化水解效应,在溶胶-凝胶储备液中,醇与水的比率强烈地影响溶胶-凝胶源性生物传感器的穿透性.例如,由葡萄糖氧化酶固定的碳复合电极,由辣根过氧化物酶和尿酸固定的碳糊电极.基于先前的结果,我们用相对较高的TMOS与水的比率为5的溶液来配制硅酸盐凝胶,以形成尺寸较小的相对密集的溶胶-凝胶模型,从而导致更多的酶载入和较大规模的生物反应.
据报道,适度的疏水性对保持最佳的酪氨酸酶活性是十分必要的.全氟磺酸具有疏水性的氟碳骨架和亲水性的阳离子交换场所,从而具有适度的疏水性.因此,全氟磺酸与溶胶-凝胶硅酸盐混合,形成有机-无机杂化材料.通过测定不同比例的全氟磺酸/溶胶-凝胶硅酸盐溶液（体积比）或纯的溶胶-凝胶硅酸盐膜时的电流响应数据,然后进行校准拟合,即可得到标准曲线,图1表明了典型的邻苯二酚校准曲线,同时将其实验特征总结在表1中.据此观察到,当上述两者之比为2时,该生物传感器的电流响应最大.这一结果表明,当全氟磺酸与溶胶-凝胶硅酸盐复合液的比率小于2时,随着全氟磺酸含量的增加,酪氨酸酶的稳定性增强,同时灵敏度也增加.然而,进一步提高全氟磺酸在复合膜中的比率,将会增加复合膜的疏水性,从而会导致酪氨酸酶变性,继而降低其灵敏度.此外,由于全氟磺酸的稳定性是由乙醇作为介质的,提高全氟磺酸在复合膜中的比率,可能会导致由乙醇引起的更多的酪氨酸酶的失活.基于纯溶胶-凝胶硅酸盐膜的生物传感器非常不稳定,很容易破碎,显示出短期的动态范围和低灵敏度.
当邻苯二酚的浓度达到9.9μM时,开始有响应（响应时间少于22s）,且在全氟磺酸与溶胶-凝胶硅酸盐溶胶以任何比率混合下,电流响应都随着邻苯二酚浓度的增加而增强.然而,响应时间与全氟磺酸/溶胶-凝胶硅酸盐复合膜的比率有关,但其响应时间比基于纯溶胶-凝胶硅酸盐膜的酪氨酸酶电极（50s）要短得多.由于纯溶胶-凝胶硅酸盐膜和硅酸盐/全氟磺酸复合膜的厚度差不多（小于10μm ） ,相应的,快速响应时间主要取决于溶胶-凝胶硅酸盐复合膜增加的孔径,这同时也导致了底物和产物进出此膜过程中的快速扩散.这种行为同样也发生在由溶胶-凝胶硅酸盐/聚乙烯聚合膜固定的酪氨酸酶电极上.在 Ru(bpy)32+电发光实验中,与纯硅酸盐膜相比,溶胶-凝胶硅酸盐/全氟磺酸复合膜会产生更加开阔的结构,从而使其发光信号增强.故在后续实验中,全氟磺酸与溶胶-凝胶硅酸盐溶胶的最优比率选定为2.另外,关于酶掺杂硅酸盐/全氟磺酸复合膜的微观结构和生物传感特征之间的关系也在进一步的研究当中.