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        基于多孔金結(jié)構(gòu)的三相界面酶電極的制備及高效電化學(xué)酶?jìng)鞲行阅?/h1>
        2021-10-15 03:50:06張嘉懿丁臻堯王丹丹陳禮平封心建
        關(guān)鍵詞:界面檢測(cè)

        張嘉懿,丁臻堯,王丹丹,陳禮平,封心建,2

        (1.蘇州大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)部,2.蘇州大學(xué)化學(xué)科學(xué)國(guó)際合作創(chuàng)新中心,蘇州215123)

        開(kāi)發(fā)高性能生物傳感器對(duì)于精準(zhǔn)醫(yī)療和人民健康具有重要意義[1~7].生物酶因具有專(zhuān)一性好和反應(yīng)條件溫和等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于開(kāi)發(fā)酶生物傳感器[8~10].在天然氧氣的存在下,氧化酶能選擇性地氧化其底物(待測(cè)物),并生成等比例的過(guò)氧化氫,因此通過(guò)電化學(xué)方法測(cè)定酶催化反應(yīng)產(chǎn)物過(guò)氧化氫的生成量即可獲得待測(cè)物的濃度,這也是第一代酶?jìng)鞲衅鞯幕竟ぷ髟恚?1~14].在酶?jìng)鞲袡z測(cè)中,酶催化反應(yīng)通常發(fā)生在電極/溶液兩相界面,界面反應(yīng)所需的氧氣由溶液提供.在氧化酶量一定的情況下,隨著待測(cè)物濃度的增加,酶催化反應(yīng)對(duì)氧氣的需求量會(huì)逐漸上升,然而受限于溶液中氧氣溶解度低和擴(kuò)散速率慢等缺點(diǎn),反應(yīng)界面的氧氣無(wú)法得到快速補(bǔ)給,嚴(yán)重限制了酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)以及產(chǎn)物過(guò)氧化氫的形成,進(jìn)而限制了酶?jìng)鞲衅鳈z測(cè)的線性范圍以及靈敏度.另外,由于常見(jiàn)待測(cè)溶液中氧氣濃度易波動(dòng),嚴(yán)重影響了酶催化反應(yīng)的穩(wěn)定性,進(jìn)而限制了酶?jìng)鞲衅鳈z測(cè)的準(zhǔn)確性.

        材料的表界面狀態(tài)對(duì)包括酶催化反應(yīng)在內(nèi)的多相催化反應(yīng)有重要的影響[15~17].自然界中許多生物體的表面(如荷葉)利用特定微納米結(jié)構(gòu)和低表面能物質(zhì)的協(xié)同效應(yīng)而呈現(xiàn)超疏水的性質(zhì)[18~21].受該特性啟發(fā),研究者開(kāi)發(fā)了多種具有超疏水性能的人工材料,并廣泛用于自清潔材料[22]、電催化[23~25]以及光電催化[26,27]等物理、生物及化學(xué)研究領(lǐng)域.超疏水材料具較強(qiáng)的憎水/親氣性,當(dāng)其浸入水溶液中時(shí),會(huì)在液體和固體的界面處形成與大氣連通的穩(wěn)定氣膜,即形成固-液-氣三相共存的界面[28~33].相比于傳統(tǒng)的固-液兩相界面體系,這一獨(dú)特的三相界面結(jié)構(gòu)使得氣體反應(yīng)物能夠通過(guò)氣相快速傳輸至固-液反應(yīng)界面[34~38],進(jìn)而大幅提高氣體參與的界面化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué).

        本文通過(guò)電沉積法制備三維多孔金結(jié)構(gòu)電極基底,對(duì)其表面進(jìn)行超疏水和親水潤(rùn)濕性調(diào)控,并負(fù)載氧化酶層,構(gòu)建了具有固-液-氣三相界面微環(huán)境的酶電極,實(shí)現(xiàn)了界面氧氣的高濃度穩(wěn)定輸運(yùn)及酶?jìng)鞲行阅艿拇蠓岣?該三相界面酶電極的工作原理如Scheme1所示,當(dāng)該酶電極浸入待測(cè)溶液中時(shí),會(huì)在超疏水多孔金基底內(nèi)形成與大氣連通的穩(wěn)定氣膜,電子受體氧氣可以通過(guò)氣相傳輸?shù)矫复呋磻?yīng)界面.在氧氣存在下,氧化酶會(huì)選擇性地氧化其底物(待測(cè)物),同時(shí)生成相應(yīng)比例的過(guò)氧化氫.由于氧氣在空氣中的含量遠(yuǎn)高于其在溶液中的溶解氧含量,并且氧氣在氣相中的擴(kuò)散速率比其在液相中高104倍[39],這使得反應(yīng)界面處的氧氣濃度將從液相依賴(lài)(濃度低且易波動(dòng))變?yōu)闅庀嘁蕾?lài)(濃度高且穩(wěn)定).三相界面酶電極的構(gòu)筑將極大提高氧化酶催化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)及其穩(wěn)定性,進(jìn)而可以大幅提高酶?jìng)鞲衅鳈z測(cè)的線性范圍、靈敏度及準(zhǔn)確性.

        Scheme 1 Schematic illustration of the solid?liquid?air triphase enzyme electrode based on a three?dimensional(3D)porous Au substrate

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 試劑與儀器

        1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷(1H,1H,2H,2H-Perfluorooctyl trichlorosilane,97%,Macklin公司);三水合四氯金酸(HAuCl4·3H2O,98%,安耐吉化學(xué)公司);過(guò)氧化氫(H2O2,30%,永華化學(xué)股份有限公司);D-(+)葡萄糖(C6H12O6,99%)、氯化銨(NH4Cl,99.8%)、環(huán)己烷(C6H12,99.5%)、二水合磷酸二氫鈉(NaH2PO4·2H2O,99%)、無(wú)水磷酸氫二鈉(Na2HPO4,99%)和氯化鉀(KCl,99.5%)(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);實(shí)驗(yàn)室用水為超純水(電阻率≥18.2 MΩ·cm,利用上海和泰儀器有限公司Master-S15純水儀制備).

        CHI 660E型電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司);GVC-2000型離子濺射儀(上海禾早電子科技有限公司);Evolution220型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(美國(guó)Thermo Fisher公司);SU8010型掃描電子顯微鏡(日本Hitachi公司).

        1.2 多孔金結(jié)構(gòu)三相界面酶電極的制備

        1.2.1 多孔金電極基底的制備參照文獻(xiàn)[40]方法,在10 mmol/L HAuCl4與2.5 mol/L NH4Cl的混合溶液中,以金片為工作電極,鉑絲為對(duì)電極,Ag/AgCl(3 mol/L KCl)為參比電極,采用循環(huán)伏安法,以50 mV/s的掃描速率在+0.8~0 V之間進(jìn)行25次掃描.然后在?2.5 V電位下繼續(xù)沉積一定時(shí)間(0~120 s).

        1.2.2 多孔金基底的超疏水處理在10 mL環(huán)己烷中加入20 μL 1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷,將上述多孔金基底在該混合液中浸泡2 h,取出后放入120℃烘箱中處理2 h,得到具有超疏水性的多孔金基底.

        1.2.3 過(guò)氧化氫電催化劑的沉積使用離子濺射儀在超疏水多孔金表面濺射鉑(Pt)納米顆粒,工作電流為20 mA,濺射時(shí)間為45 s.

        1.2.4 葡萄糖氧化酶的負(fù)載取體積為100 μL的葡萄糖氧化酶(GOx)溶液(20 mg/mL),加入50 μL殼聚糖溶液(2 mg/mL,1%的乙酸溶液),再加入45 μL去離子水和5 μL戊二醛溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%),配制葡萄糖氧化酶-殼聚糖(GOx-Chit)混合液.取不同量的GOx-Chit混合液(體積分別為1,3,5,7,10 μL)滴在沉積了Pt催化劑的多孔金基底表面,室溫下干燥,即獲得三相界面葡萄糖氧化酶電極.

        兩相界面酶電極采用了類(lèi)似的構(gòu)筑方法,只是沒(méi)有對(duì)多孔金基底進(jìn)行超疏水處理.

        1.3 過(guò)氧化氫生成速率的測(cè)定

        在磷酸鹽緩沖溶液(PBS,0.2 mol/L Na2HPO4-NaH2PO4)中加入不同濃度的葡萄糖,將三相界面酶電極浸入溶液,以600 r/min的速度攪拌,10 min后取840 μL反應(yīng)液加入比色皿,依次加入375 μL鄰苯二甲酸氫鉀和375 μL碘化鉀/氫氧化鈉/鉬酸鈉混合液(1.2 mol/L碘化鉀溶液、0.18 mol/L氫氧化鈉溶液和0.3 mmol/L七鉬酸鈉溶液按體積比1∶1∶1混合).再以500 r/min的速度攪拌5 min后,采用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定混合液的吸光度,并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)過(guò)氧化氫的產(chǎn)量進(jìn)行標(biāo)定.

        1.4 電化學(xué)檢測(cè)

        在PBS溶液中,以三相界面酶電極為工作電極,鉑絲為對(duì)電極,Ag/AgCl(3 mol/L KCl)電極為參比電極,加入不同濃度的待測(cè)液后,攪拌30 s,靜置10 s后,檢測(cè)相應(yīng)電位下的電流值.

        2 結(jié)果與討論

        2.1 多孔金基底及三相界面酶電極的結(jié)構(gòu)表征

        圖1 (A)和(B)分別為電沉積法制備的多孔金結(jié)構(gòu)的低倍和高倍掃描電子顯微鏡(SEM)照片.從圖中可以看到金膜基底呈三維多孔狀結(jié)構(gòu),孔洞尺寸約為48~56 μm(圖S1,見(jiàn)本文支持信息),多孔結(jié)構(gòu)是由平均粒徑為43.6 nm的金顆粒組裝而成,多孔膜的厚度約為28.2 μm,且各層孔洞間相互連通(圖S2,見(jiàn)本文支持信息).這是由于在電沉積過(guò)程中,H+和金離子[Au(III)]在陰極同時(shí)被還原,并產(chǎn)生大量的氫氣.氫氣氣泡在脫離基底過(guò)程中充當(dāng)Au(III)還原的動(dòng)態(tài)模板,從而形成多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu).

        Fig.1 SEM images of porous Au substrate and triphase enzyme electrode

        圖1 (A)插圖為水滴經(jīng)疏水處理后多孔金表面的光學(xué)照片.水在其表面的接觸角為(151±2)°,表明經(jīng)過(guò)1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷修飾后的多孔金表面具有超疏水特性.在超疏水多孔金表面進(jìn)一步濺射Pt納米顆粒(過(guò)氧化氫電催化劑,圖S3,見(jiàn)本文支持信息),并通過(guò)X射線光電子能譜進(jìn)行元素分析(圖S4,見(jiàn)本文支持信息).圖S4(A)為所制電極的元素全譜掃描圖,從圖中可以看出金(Au)和鉑(Pt)元素均存在于電極中.圖S4(B)和(C)分別為Au4f和Pt4f的XPS譜[41].在濺射Pt納米顆粒的電極表面負(fù)載葡萄糖氧化酶,獲得了三相界面酶電極.圖1(C)和(D)分別為多孔金結(jié)構(gòu)三相界面酶電極的表面和側(cè)面SEM照片,從圖中可見(jiàn)酶層均勻鋪展在多孔金表面,且酶電極表面呈現(xiàn)親水性,水在酶電極表面的接觸角為(35±2)°[圖1(C)插圖].從圖1(D)中可以看出,多孔金表面覆蓋有酶層,但是底部仍然保持多孔形貌.為了更直觀地表征三相界面,將三相界面酶電極浸泡在羅丹明B(RhB)溶液中,使親水的氧化酶層染色,并通過(guò)激光共聚焦顯微鏡采用層掃模式從上到下間隔1 μm進(jìn)行連續(xù)掃描,收集酶層吸附的RhB染料分子的熒光信號(hào)(圖S5,見(jiàn)本文支持信息).激光共聚焦顯微鏡由圖S5(A)中的掃描方向自上而下進(jìn)行層掃,得到的掃描圖片如圖S5(B)所示.其中,酶層中心區(qū)域[圖S5(A)中每個(gè)小圖的中間區(qū)域]最初熒光信號(hào)較弱(Layer 1),隨后掃描信號(hào)開(kāi)始逐漸增強(qiáng)(Layers 2和3),最后所選區(qū)域中心的熒光信號(hào)完全消失(Layer 4).該結(jié)果表明,吸附了RhB分子的酶層只能浸潤(rùn)電極表面,無(wú)法浸潤(rùn)電極內(nèi)部,證明只有電極表面的區(qū)域親水,而內(nèi)部保持疏水.

        因此,當(dāng)將該酶電極沒(méi)入待測(cè)溶液中時(shí),溶液可以浸潤(rùn)頂部的親水酶層,無(wú)法浸潤(rùn)下部疏水的多孔金(圖S6,見(jiàn)本文支持信息),這一獨(dú)特的三相界面酶電極結(jié)構(gòu)使得氧氣可以直接從大氣環(huán)境通過(guò)氣相快速傳輸?shù)窖趸复呋磻?yīng)界面,提高酶催化反應(yīng)速率和穩(wěn)定性,進(jìn)而提高酶?jìng)鞲袡z測(cè)的性能.在傳統(tǒng)固-液兩相界面酶電極的傳感體系中(圖S7,見(jiàn)本文支持信息),氧化酶催化反應(yīng)所需要的氧氣只能通過(guò)液相緩慢且不穩(wěn)定地供給.

        2.2 三相界面氧化酶催化性能探究

        通過(guò)測(cè)量酶催化反應(yīng)產(chǎn)物過(guò)氧化氫的生成速率,考察了基于三相界面的酶催化活性.通過(guò)碘化法對(duì)酶催化反應(yīng)產(chǎn)物過(guò)氧化氫進(jìn)行顯色,并利用紫外-可見(jiàn)吸收光譜測(cè)量顯色產(chǎn)物的吸光度變化,可以得到酶催化反應(yīng)中過(guò)氧化氫的生成速率.如圖2(A)所示,在三相界面酶催化反應(yīng)體系中,隨著葡萄糖濃度的增加,350 nm處的特征吸收峰位置保持不變,但吸光度逐漸增加,表明過(guò)氧化氫的濃度在逐漸增加.通過(guò)Lambert-Beer定律測(cè)量得到酶電極在特定葡萄糖濃度下一定時(shí)間內(nèi)生成的過(guò)氧化氫量,并計(jì)算得到過(guò)氧化氫的反應(yīng)速率v.圖2(B)中紅色曲線為三相界面復(fù)合電極在0~50 mmol/L葡萄糖濃度范圍內(nèi)所測(cè)得的過(guò)氧化氫生成速率,黑色曲線為兩相界面復(fù)合電極在0~20 mmol/L葡萄糖濃度范圍內(nèi)所測(cè)得的過(guò)氧化氫生成速率,曲線擬合結(jié)果表明三相和兩相界面酶電極的酶催化反應(yīng)均遵循米氏(Michaelis-Menten)動(dòng)力學(xué)模型.基于圖2(B)中過(guò)氧化氫生成速率隨葡萄糖濃度的變化曲線,根據(jù)米氏方程

        的雙倒數(shù)變形式

        以1/v作對(duì)1/[S]作圖,所得方程的截距即為該催化反應(yīng)的最大反應(yīng)速率vmax,繼而根據(jù)下式

        可求得催化反應(yīng)速率常數(shù)kcat.其中,KM(mol/L),[S](mol/L),v(mol?L?1?min?1),[E](mol?L?1?min?1)分別為米氏常數(shù)、底物濃度、反應(yīng)速率和酶濃度.由圖2(B)中插圖可知,兩相界面酶電極測(cè)得的動(dòng)力學(xué)參數(shù)為kcat=22.2 min?1,三相界面酶電極測(cè)得的動(dòng)力學(xué)參數(shù)為kcat=600.9 min?1,即三相界面酶催化反應(yīng)速率常數(shù)比兩相界面提高了27倍.這主要是由于三相界面電極在浸入待測(cè)溶液中時(shí),疏水的多孔金能存儲(chǔ)氧氣,使得氧氣可以直接從氣相傳輸至酶催化反應(yīng)界面,酶催化反應(yīng)所需氧氣能得到迅速補(bǔ)充,進(jìn)而大幅度提高了其反應(yīng)動(dòng)力學(xué).

        Fig.2 Oxidase kinetics of triphase and diphase nanoporous Au?based enzyme electrodes

        2.3 多孔金結(jié)構(gòu)三相界面酶電極的優(yōu)化

        進(jìn)一步研究了不同沉積時(shí)間所制備的多孔金基底對(duì)酶催化反應(yīng)的影響,并對(duì)三相界面酶電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化.圖3(A)~(F)為沉積不同時(shí)間的多孔金基底的SEM照片,當(dāng)沉積時(shí)間小于30 s時(shí),金顆粒尚未組裝形成三維多孔結(jié)構(gòu),厚度為8.3 μm(圖S8,見(jiàn)本文支持信息),表面疏水處理后無(wú)法對(duì)氣體的傳輸起到明顯促進(jìn)作用,因此無(wú)法有效提升酶催化反應(yīng)速率[圖3(G)].當(dāng)電沉積時(shí)間增加到120 s時(shí),以電化學(xué)還原持續(xù)產(chǎn)生的氫氣氣泡作為Au(III)還原的模板,可以形成完整的三維孔道結(jié)構(gòu).氣體能通過(guò)疏水處理后的孔道快速傳輸至酶催化反應(yīng)區(qū)域,最終提高酶催化反應(yīng)速率.而當(dāng)沉積時(shí)間繼續(xù)增加至150 s時(shí),雖然所沉積樣品仍然具有三維多孔結(jié)構(gòu),但由此制備的三相界面酶催化反應(yīng)速率并沒(méi)有進(jìn)一步增加.這可能是由于氣體傳輸?shù)钠款i問(wèn)題已被克服,更厚的多孔膜不會(huì)再帶來(lái)額外的性能提升.另外還發(fā)現(xiàn)在電沉積過(guò)程中一旦沉積時(shí)間超過(guò)120 s,三維多孔金膜容易從導(dǎo)電基底脫落,不利于后續(xù)酶電極的穩(wěn)定構(gòu)筑.如圖3(G)所示,隨著電沉積多孔金的時(shí)間增加,復(fù)合電極酶催化反應(yīng)產(chǎn)物過(guò)氧化氫在1~50 mmol/L葡萄糖中的生成速率逐漸增大,且電沉積時(shí)間為120 s時(shí)生成速率達(dá)到最大值;繼續(xù)增加電沉積時(shí)間,過(guò)氧化氫的生成速率不再增大.通過(guò)電化學(xué)法測(cè)得不同沉積時(shí)間的多孔金基底對(duì)葡萄糖檢測(cè)的影響,如圖S9所示(見(jiàn)本文支持信息),隨著電沉積多孔金的時(shí)間增加,響應(yīng)電流逐漸增大,且電沉積時(shí)間為120 s時(shí)檢測(cè)電流達(dá)到最大值;繼續(xù)增加電沉積時(shí)間,葡萄糖檢測(cè)電流不再增大,與酶動(dòng)力學(xué)測(cè)試結(jié)果一致.因此選擇沉積時(shí)間120 s作為多孔金電極的最佳電沉積時(shí)間.

        Fig.3 SEM images of porous Au substrate electrodeposited at different times(A—F)and oxidase kinetics of triphase enzyme electrode based on these porous substrates(G)

        在電沉積時(shí)間為120 s的多孔金基底上對(duì)GOx-chit的用量進(jìn)行了優(yōu)化.如圖S10(見(jiàn)本文支持信息)所示,當(dāng)GOx-chit的用量由1 μL增加到7 μL時(shí),測(cè)定的酶催化反應(yīng)產(chǎn)物過(guò)氧化氫的生成速率在1~50 mmol/L葡萄糖濃度下逐漸增加,且當(dāng)Gox-chit的用量為7 μL時(shí),過(guò)氧化氫生成速率達(dá)到最大值;繼續(xù)增加GOx-chit用量至10 μL時(shí),過(guò)氧化氫生成速率不再改變.因此,后續(xù)實(shí)驗(yàn)將控制GOx-chit用量為7 μL作為酶電極的最佳制備條件.

        2.4 三相界面酶電極的傳感檢測(cè)性能

        以葡萄糖為模型待測(cè)物,以三相界面酶電極為工作電極研究了其對(duì)葡萄糖的檢測(cè)性能.圖4(A)為三相界面酶電極對(duì)10 mmol/L葡萄糖的線性掃描伏安法(LSV)檢測(cè)曲線.圖中氧化電流隨著檢測(cè)電位的增加而增加,并在+0.4 V下電流開(kāi)始出現(xiàn)平臺(tái),繼續(xù)增大電位其響應(yīng)電流不再明顯增加,因此選取+0.4 V為后續(xù)葡萄糖檢測(cè)的工作電位.如圖4(B)所示,在檢測(cè)電位為+0.4 V時(shí),隨著葡萄糖濃度的增加,氧化電流逐漸增大,選擇第8 s讀取的電流值對(duì)底物濃度作圖,得到圖4(C)中的紅色曲線.可見(jiàn),三相界面酶?jìng)鞲畜w系的線性檢測(cè)范圍可以達(dá)到80 mmol/L(R2=0.99),靈敏度為9.43 μA·mmol?1·L?1,表明該體系對(duì)葡萄糖檢測(cè)具有良好的線性關(guān)系和較寬的線性范圍.

        圖4 (C)插圖為兩相界面酶電極體系檢測(cè)葡萄糖的電流-濃度曲線.可以看到其線性檢測(cè)范圍僅為1.6 mmol/L,遠(yuǎn)低于三相界面?zhèn)鞲畜w系.這是由于在傳統(tǒng)固-液兩相界面反應(yīng)體系中,氧氣在溶液中含量低且傳輸速率慢,在高濃度底物的測(cè)試環(huán)境下氧化酶反應(yīng)所需的氧氣無(wú)法得到及時(shí)快速補(bǔ)給,嚴(yán)重抑制了氧化酶的催化活性.相比之下,對(duì)于固-液-氣三相界面酶催化反應(yīng)體系,氧氣能通過(guò)氣相快速供給到反應(yīng)界面,滿足高濃度葡萄糖條件下酶催化反應(yīng)的需要,并產(chǎn)生大量的過(guò)氧化氫.因此,基于多孔金結(jié)構(gòu)三相界面酶電極的傳感體系表現(xiàn)出了較寬的檢測(cè)線性范圍和高的靈敏度.

        Fig.4 Detection performance of triphase nanoporous Au biosensor

        溶液中氧氣濃度的波動(dòng)對(duì)酶催化反應(yīng)的穩(wěn)定性以及酶電極的檢測(cè)穩(wěn)定性有很大影響.接下來(lái)通過(guò)在溶液中通入氮?dú)庹{(diào)節(jié)溶解氧濃度,考察了酶電極的抗溶解氧濃度波動(dòng)的性能.如圖4(D)中黑色曲線所示,兩相界面酶電極體系的檢測(cè)電流隨著氧濃度的升高而增大,表明氧氣濃度波動(dòng)對(duì)傳統(tǒng)固-液兩相界面酶催化反應(yīng)速率及酶電極響應(yīng)性能有很大的影響,限制了酶電極檢測(cè)的穩(wěn)定性.而同樣如圖4(D)所示,三相界面酶電極在不同溶解氧濃度情況下,對(duì)同一濃度葡萄糖的氧化電流響應(yīng)基本保持穩(wěn)定(紅色曲線),表明三相反應(yīng)界面體系中所需氧氣可以穩(wěn)定地從氣相中得到補(bǔ)充,擺脫了液相溶解氧濃度波動(dòng)而造成的不利影響,從而具有高的檢測(cè)穩(wěn)定性.

        最低檢出限是酶電極傳感性能的一項(xiàng)重要指標(biāo),在檢測(cè)電位為+0.4 V時(shí),通過(guò)i?t法測(cè)得本文構(gòu)建的三相界面酶?jìng)鞲畜w系對(duì)葡萄糖的檢出限為2 μmol/L[圖S11(A),見(jiàn)本文支持信息],這表明多孔金結(jié)構(gòu)三相酶電極不僅可以對(duì)高濃度待測(cè)物進(jìn)行檢測(cè),還可以對(duì)低濃度待測(cè)物進(jìn)行檢測(cè).重現(xiàn)性也是酶?jìng)鞲袡z測(cè)的一項(xiàng)重要指標(biāo).對(duì)同一個(gè)三相界面酶電極在含5 mmol/L葡萄糖的PBS溶液中連續(xù)進(jìn)行150次測(cè)量,考察了其重現(xiàn)性,結(jié)果表明,150次檢測(cè)電流的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為1.0%[圖S11(B)],表明該三相界面酶電極體系具有良好的重現(xiàn)性.

        通過(guò)與已報(bào)道的用于葡萄糖檢測(cè)的酶電極傳感性能進(jìn)行比較(表S1,見(jiàn)本文支持信息)可以看出,傳統(tǒng)固-液兩相界面的酶電極中,由于反應(yīng)物氧氣供給不足,傳感器的檢測(cè)上限較低.本研究引入固-液-氣三相界面,解決了氧氣供給的問(wèn)題,提升了傳感器檢測(cè)的線性范圍,同時(shí)也保證了較高的靈敏度,實(shí)現(xiàn)了高靈敏度和寬線性范圍的葡萄糖檢測(cè).

        3 結(jié) 論

        采用電沉積法制備了具有三維多孔結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電金基底,通過(guò)對(duì)其表面進(jìn)行超疏水和親水潤(rùn)濕性調(diào)控并負(fù)載氧化酶層,構(gòu)建了具有固-液-氣三相界面微環(huán)境的酶電極.三相界面能夠?yàn)槊复呋磻?yīng)所需要的氧氣提供快速的氣相供給通道,使得反應(yīng)界面氧氣濃度從液相依賴(lài)(濃度低且波動(dòng))變?yōu)闅庀嘁蕾?lài)(濃度高且穩(wěn)定),顯著提高了酶催化反應(yīng)的速率和穩(wěn)定性.基于該三相界面酶電極實(shí)現(xiàn)了對(duì)葡萄糖的寬線性范圍、高靈敏度和高準(zhǔn)確性的檢測(cè).本研究表明反應(yīng)界面微環(huán)境的設(shè)計(jì)和調(diào)控對(duì)提升酶催化反應(yīng)性能以及開(kāi)發(fā)高效酶?jìng)鞲衅骶哂兄匾饬x.

        支持信息見(jiàn)http://www.cjcu.jlu.edu.cn/CN/10.7503/20210355.

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