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        易更新磁性碳納米管修飾電極對(duì)白蛋白的測(cè)定

        2013-08-14 02:26:30于巧玲李建平
        化工技術(shù)與開發(fā) 2013年12期
        關(guān)鍵詞:玻碳碳納米管檢出限

        于巧玲,李建平

        (1.桂林理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院,廣西 桂林 541004;2.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院環(huán)境與食品工程系,廣西 柳州 545006)

        蛋白質(zhì)是維持生命活動(dòng)的重要物質(zhì)。血清中白蛋白濃度的降低是低蛋白血癥和營(yíng)養(yǎng)失調(diào)的典型癥狀;血清或尿液中的白蛋白濃度變化與 慢性肝功能障礙、糖尿病性腎病息息相關(guān),也是胰島素依賴型糖尿病的可能誘因[1]。最新研究表明,糞便中血紅蛋白和白蛋白可以用于非侵入式篩查大腸癌[2]。因此,血清白蛋白的檢測(cè)對(duì)于生命科學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)都有重要意義。白蛋白的檢測(cè)尚未有全球化的標(biāo)準(zhǔn)方法,電化學(xué)傳感器具有高靈敏度、低檢出限的優(yōu)點(diǎn)[3],是常用的蛋白質(zhì)檢測(cè)方法。然而,作為核心部件的修飾電極在電化學(xué)分析的過程中,締合、雜交等反應(yīng)通常在電極表面發(fā)生,使得電極表面更新困難,重復(fù)使用使得測(cè)定的精密度和重現(xiàn)性變差,而整個(gè)電極的重復(fù)制作又不經(jīng)濟(jì)。因此,制作能多次使用的修飾電極是電化學(xué)分析的重要研究?jī)?nèi)容。

        磁性納米粒子可以在非接觸性的磁力作用下,與其它物體結(jié)合;磁力消失后又瞬間分離,具有更新方便的特點(diǎn),是理想的可更新修飾電極原料。本文將磁性納米粒子結(jié)合在電化學(xué)性能和吸附性能優(yōu)良的碳納米管(CNTs)上,制成了更新方便、實(shí)用的磁性碳納米管修飾電極,成功實(shí)現(xiàn)了皮克級(jí)牛白蛋白(BA)的測(cè)定,檢出限為1.2pg·mL-1。

        1 材料與方法

        1.1 儀器與試劑

        日本島津H600 型透射電鏡;CHI 66 0B 電化學(xué)工作站,使用三電極體系,即參比電極為飽和Ag/AgCl 電極,對(duì)電極為鉑絲電極,工作電極為自制的磁性CNTs 修飾電極。

        BA,配好的水溶液在4℃的冰箱內(nèi)保存,2d 內(nèi)使用;CNTs,多壁碳納米管,外徑10nm,純度>95%;其余無機(jī)試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純,實(shí)驗(yàn)用水為蒸餾水。

        1.2 磁性CNTs 的制備與負(fù)載

        本文參考了文獻(xiàn)[4]中有關(guān)磁性納米粒子的合成,并做了適當(dāng)調(diào)整使磁性納米粒子Fe3O4牢固結(jié)合在CNTs 上。具體實(shí)驗(yàn)方法為:稱取1g CNTs 置入25mL 的FeCl3(0.5mol·L-1)溶液中,超聲60min;在攪拌條件下,分別滴入14.3mL FeSO4(0.5mol·L-1)和3.5mL 濃氨水,攪拌15min 后,繼續(xù)緩慢滴入1.5mL 濃氨水,繼續(xù)攪拌30min 后,置于80℃恒溫水浴中反應(yīng)30min。然后將合成的磁性CNTs 在磁力的約束下反復(fù)沖洗至中性、干燥,制成了磁性CNTs 納米粒子。

        取0.2g 制備好的磁性CNTs,置于0.5mmol·L-1ARS 水溶液中震蕩吸附8h。反復(fù)沖洗后轉(zhuǎn)移至25mL 容量瓶中,定容,得到負(fù)載ARS 的磁性CNTs的懸濁液。

        1.3 磁性CNTs 修飾電極的制做

        在玻璃管內(nèi)依次封裝玻碳片、彈簧,鐵棒;為了保證良好的導(dǎo)電性,石墨糊填充在鐵棒與玻碳之間;電極尾端用塑料圓片粘膠密封,就制成了玻碳裸電極。對(duì)該電極進(jìn)行物理性拋光,然后依次置于(1∶1)HNO3、無水乙醇中超聲清洗5min,沖洗干燥后,將5μL 負(fù)載ARS 的磁性CNTs 納米粒子懸濁液滴到玻碳裸電極上,在永久性白磁鐵的作用下,這些納米就牢牢附著在玻碳裸電極上制成磁性CNTs 修飾電極,即得工作電極(圖1)。

        圖1 碳納米管磁性修飾電極示意圖

        1.4 測(cè)定方法

        在10mL 容量瓶中加入0.7mL H2SO4(0.2mol·L-1),一定量的BA 標(biāo)準(zhǔn)溶液,用0.2 mol·L-1的KCl 定容,然后全部轉(zhuǎn)移至燒杯中,靜置100s,使BA 與電極表面的ARS 反應(yīng)。在-0.1~-0.45V 間,掃描速度為0.1V·s-1條件下,記錄穩(wěn)定后的循環(huán)伏安曲線,測(cè)量前后電流變化值。磁性修飾電極每次使用后,棄去磁性CNTs納米粒子,拋光清洗玻碳裸電極。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 磁性CNTs 納米粒子的表征

        磁性CNTs 納米粒子形貌采用日本島津H600型透射電鏡進(jìn)行分析,結(jié)果如圖2 所示??梢钥闯?,CNTs 上沉積有較多的球形Fe3O4納米粒子,這些磁性粒子結(jié)合在CNTs 的外壁上,粒徑分布集中在15~25nm 之間,其尺寸與形狀與文獻(xiàn)報(bào)道一致[4]。顯然,采用本文上述的實(shí)驗(yàn)方法,可以在CNTs 外表面結(jié)合具有磁性的Fe3O4納米粒子,從而實(shí)現(xiàn)磁性CNTs 納米粒子的制備。

        圖2 磁性CNTs 納米粒子的透射電鏡圖

        2.2 磁性CNTs 修飾電極的伏安特性

        考察了磁性CNTs 修飾電極在0.14mol·L-1H2SO4-0.2mol·L-1KCl 介質(zhì)以及加有BA 溶液中的循環(huán)伏安特性,結(jié)果見圖3??梢钥闯?,玻碳裸電極背景低,沒有任何氧化還原峰(圖3c);修飾成磁性CNTs 修飾電極后,修飾電極中的ABS 直接發(fā)生氧化還原反應(yīng),形成明顯的氧化還原電流(圖3a),說明該磁性CNTs 修飾電極電子傳導(dǎo)性能良好,ARS的峰形稍差主要是由于ARS分子內(nèi)大π鍵中的π-π電子與CNTs 內(nèi)碳原子的sp2雜化形成的六元環(huán)相互重疊成鍵,影響到電化學(xué)氧化還原過程,使得ARS峰形變差;隨著BA 的加入,BA 逐步與ARS 反應(yīng),ARS 的峰電流變小、峰形卻逐漸變好(圖3b)。BA由3個(gè)圓筒狀的包埋有疏水性氨基酸殘基的疏水性空腔[5]組成,電極反應(yīng)時(shí),ARS 分子嵌入BA 疏水性空腔形成非電活性的超分子化合物導(dǎo)致峰電流變小,同時(shí)ARS 也遠(yuǎn)離碳元素的π 電子,峰形變好。圖3 充分說明磁性CNTs 修飾電極具有良好的電化學(xué)性能,對(duì)BA 響應(yīng)明顯,適合BA 測(cè)試使用。

        圖3 循環(huán)伏安圖

        2.3 測(cè)試底液的優(yōu)化選擇

        分別以硼砂緩沖液、Tris-HCl、NH3.H2O-NH4Cl、HAc-NaAc、磷酸鹽緩沖液、鹽酸、硫酸等溶液作為底液進(jìn)行pH 的優(yōu)化選擇。結(jié)果表明,在硫酸介質(zhì)中ARS 循環(huán)伏安圖的峰形最好,峰電流最大。改變硫酸溶液的pH 進(jìn)一步考察,當(dāng)pH ≤2 時(shí),ARS氧化和還原過程都能得到良好的峰形,主要是因?yàn)榇藭r(shí)的ARS 以分子內(nèi)氫鍵的形式存在[6];當(dāng)pH >2 時(shí),峰形開始變差,這可能是由于此pH 條件下的ARS 是以一級(jí)電離和二級(jí)電離結(jié)構(gòu)存在,電活性差的原因引起的。因此本文選取0.14mol·L-1硫酸-0.2mol·L-1KCl 作為底液。

        2.4 峰電流與掃速的關(guān)系

        在BA 溶液中,將負(fù)載ARS 的磁性CNTs 修飾電極以不同掃速進(jìn)行循環(huán)伏安掃描,結(jié)果見圖4。由圖4 可見,循環(huán)伏安圖峰型很好,是一個(gè)可逆的電化學(xué)過程,并且陰陽(yáng)兩極的峰電流都與掃速v成正比,說明整個(gè)電極過程受吸附控制,而CNTs 的吸附性能優(yōu)良,有利于降低測(cè)定的檢出限。

        圖4 掃速對(duì)峰電流的影響

        2.5 磁性CNTs 修飾電極對(duì)BA 的測(cè)定

        磁性CNTs 修飾電極在掃速為0.1V·s-1,E=-0.45V 條件下對(duì)BA 標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測(cè)定,并繪制了標(biāo)準(zhǔn)曲線,BA 的濃度與峰電流成反比,隨著BA 濃度的增大,峰電流逐漸變小,當(dāng)濃度大于150pg 后,峰電流值出現(xiàn)平臺(tái),與BA 濃度不相關(guān)。線性回歸方程 為i(mA)=-36.25C(pg·mL-1)+0.78262,相關(guān)系數(shù)r=0.9994,檢出限為1.2pg·mL-1,線性范圍為4~150pg·mL-1??梢娫摯判訡NTs 修飾電極對(duì)BA 的測(cè)定靈敏度高、檢出限低。

        2.6 電極反應(yīng)速率常數(shù)的測(cè)定

        依據(jù)Laviron 理論[7],還原峰電位遵循以下關(guān)系式:

        其中,Ep為還原峰電位,單位為V;E0為電極反應(yīng)的克式電位,單位為V;k0為電極反應(yīng)速率常數(shù),單位為s-1;α 為電子轉(zhuǎn)移系數(shù);n為反應(yīng)電子數(shù);F 為法拉第常數(shù),單位為C·mol-1;R 為氣體常數(shù),以J·mol-1·K-1為單位;T為絕對(duì)溫度,K;v為掃描速度,V·s-1。

        由式1 可知,還原峰電位Ep與lnv有線性關(guān)系(圖5)。作Ep和v關(guān)系圖(圖6),E0由Ep外推在y 軸上的截距求出,E0=-0.2742 V。由圖5 中斜率=-0.0664 可以算出α=0.19,從截距為-0.3526可以求出k0=4.6s-1。

        圖5 還原峰電位與掃速對(duì)數(shù)的關(guān)系圖

        圖6 還原峰電位與掃速的關(guān)系圖

        3 結(jié)論

        在CNTs 上合成納米級(jí)Fe3O4,吸附ARS 后,吸到玻碳裸電極表面制成了更新方便的磁性CNTs 修飾電極,成功實(shí)現(xiàn)了皮克級(jí)BA 的測(cè)定。CNTs 吸附性能超強(qiáng)使得檢出限降低,磁性顆粒更新方便。二者的結(jié)合,使得測(cè)定方法簡(jiǎn)便,靈敏度高,檢出限低,更新方便,具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

        [1]Monte W C,Johnston C S,Roll L E.Bovine serum albumin detected in infant formula is possible trigger for insulindependent diabetes mellitus[J].J Am Diet Assoc,1994,94(3):314-316.

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        [4]于巧玲,李建平.負(fù)載茜素紅S 的納米磁性碳粉修飾電極測(cè)定牛白蛋白[J].分析化學(xué),2006,34(2):247-250.

        [5]高道江,王建華.超微磁性Fe3O4粒子的制備[J].四川師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,1997,20(6):94-97.

        [6]朱永春,董紹俊.光譜電化學(xué)方法研究—茜素紅S 在玻碳電極上的電化學(xué)行為[J].化學(xué)學(xué)報(bào),1990,48(6):534-539.

        [7]Laviron E.General expression of the linear potential sweep voltammogram in the case of diffusionless electrochemical systems[J].J Electroanal Chem and Interfacial Electrochemistry,1979,101(1):19-28.

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