文摘

电化学生物传感器是必不可少的健康监测,有助于疾病的诊断和检测。酶生物传感器电极上吸附和它们之间的直接电子转移被认为是影响生物传感器性能的关键因素。TiO₂有很好的蛋白质吸附能力和促进更多的酶吸附和更好的电子转移。在这个工作中,镁离子引入TiO₂nanodots为了进一步提高电极性能,因为镁离子被认为有良好的亲和力与蛋白质或酶。Mg掺杂TiO₂nanodots在钛基板是由旋转涂布和煅烧。Mg掺杂nanodots形态学上的影响,研究了电极的性能。TiO的密度和大小₂nanodots明显改变了Mg兴奋剂。掺2%毫克TiO的敏感性₂基于nanodots生物传感器电极从1377.64增加到897.8µ一个毫米⁻¹厘米⁻²和它的从0.83减少到1.27毫米,这意味着酶达到较高的催化效率由于更好的亲和力与Mg掺杂TiO的酶₂。目前的工作可以提供另一种改善生物传感器性能。

1。介绍

电化学生物传感器领域的广泛研究和应用相关的健康监测,环境领域,医药和工业领域1- - - - - -5]。其中,过氧化氢(H₂O₂因为H)生物传感器吸引越来越多的关注₂O₂参与的生物事件和细胞间通道和氧化酶类的副产品,如胆固醇氧化酶,乳酸氧化酶、谷氨酸氧化酶。在各种技术,电化学方法显示了许多优点如高灵敏度、低成本、快速的响应,并且简单(6]。

在电化学传感器、酶和电极之间的直接电子转移已被确定为一个关键的因素,以确定他们的表现(7]。由于酶和裸电极之间的直接电子转移是非常困难的发生(8),中介通常需要建立一个酶和电极之间的桥梁;因此,适当的电极是一种有效的方式来控制设计的直接电子转移(9]。TiO₂是一个宽带半导体具有良好的化学稳定性和生物相容性,据报道,修饰电极和纳米中介可能会加速的直接电子转移速率(10,11]。因此,纳米TiO₂高表面积、高表面活性应该是一个很好的中介蛋白质吸附能力强,有利于酶和电极之间的电子转移(12]。有许多研究掺杂TiO₂有几种方法来修改和增强TiO的效率₂在各种应用程序13- - - - - -17]。生物传感器应用中,掺杂TiO₂提供了更有效的交互区域和更可行的电极的电子传递接口以支持测量电流的响应(18]。镁离子在TiO掺杂₂它表明,离子可以改善TiO的效率₂在医学应用(19)由于良好的镁离子与蛋白质亲和。

基于我们以前的工作在TiO₂nanodots基础生物传感器电极(20.),在这项工作中,我们采用Mg兴奋剂,试图改善TiO的表演₂基于nanodots H₂O₂生物传感器电极通过加强直接电子转移的帮助下良好的Mg掺杂TiO亲和力₂nanodots酶。TiO Mg掺杂的影响₂nanodots和由此产生的生物传感器的性能特点和讨论。

2。实验设计

2.1。掺杂TiO的制备和表征毫克₂Nanodots钛衬底上的电影

(Ti)钛箔纯度为99.99%,厚度为0.1毫米。维度的衬托都切成小基质(2×1)厘米,然后在乙醇超声清洗,去离子水,丙酮(1:1:1)。用去离子水和乙醇清洗后,基质室温下干燥。phase-separation-induced自组装的方法被用来TiO做好准备₂nanodots钛衬底(21]。短暂,前体溶胶制备六水合氯化镁(MgCl乙醇溶液₂h·6₂O,胡适化学试剂,AR),乙酰丙酮(中航商用飞机有限公司、Lingfeng化学试剂,AR, > 99%),聚乙烯吡咯烷酮(PVP K30,化学试剂国药控股,AR, > 99%),去离子水,钛tetrabutoxide (TBOT化学试剂国药控股,CP, > 98%)。的摩尔比H₂O: TBOT:中航商用飞机有限公司是1:1:0.3。表1显示了Mg的浓度、TBOT和PVP的前体溶胶对不同样品。齐次前体索尔spin-coated 30L在钛基板在50年代的7500 rpm。然后空气中的样本教廷在500°C的90分钟。场发射扫描电子显微镜(FESEM)(日立,s - 4800)被用来观察TiO的形态₂nanodots电影。

2.2。H的准备₂O₂生物传感器

辣根过氧化物酶酶(合)被选中是因为合具有灵敏度高、纯度好,它是用于制造生物传感器的准确和可靠的测定H₂O₂(20.,22- - - - - -25]。合从阿拉丁试剂购买(250毫克⁻¹)和储存在4°C。全氟磺酸(5 wt %)从Sigma-Aldrich购买,和0.5 wt %电解质溶液制备用于固定合酶,在室温下储存在黑暗的地方。0.1 PBS是它是不准备的₂阿宝₄,Na₂HPO₄、氯化钠和H₂o .盐酸和氢氧化钠被用来调整PBS的pH值。PBS溶液被冒泡纯N缺氧₂天然气使用前30分钟。H的解决方案₂O₂(过氧化氢30%,AR)是刚做好的。使用的其他化学物质在我们的实验中均为分析纯,使用提供的。蒸馏去离子水被用于解决方案。

Mg掺杂进TiO₂nanodots电影除了2.5×2.5毫米,与环氧树脂密封²;它被作为测量区域。物理吸附法是用来固定合酶在电极表面,在6L合解决方案是掉在电极表面,在室温下晾干。合解决方案是由溶解合0.01 PBS(磷酸盐缓冲溶液的pH = 7.4 (26,27)为了获得0.01克毫升⁻¹解决方案。最后,4L (0.5 wt %电解质溶液滴落在生物传感器表面保护酶,使生物传感器是生物相容性,因为全氟磺酸作为酶固定化基质,保持长期稳定的生物传感器(28),然后把它在室温下晾干(图1)。全氟磺酸/合/ Mg-TND /钛电极清洗后存储在4°C 1天(26,27,29日]。修改后的全氟磺酸/合/ Mg-TND /钛电极存储不使用时在4°C。

2.3。H₂O₂生物传感器特性

修饰电极的电化学工作站测试利用CHI 660 d。0.1磷酸缓冲解决方案准备各种pH值(5.0,6.0,6.5,7.0,7.4,和8.0),以选择最佳的PBS的pH值可以显示高性能生物传感器。目前的生物传感器电极的性能与酸碱反应被证明是在最高7.0;因此,pH值7.0个基点是用于测量电极性能。循环伏安法的技术被用来测试修饰电极在PBS 20毫升(PBS, 0.1 25°C和清除与纯氮为30分钟,以消除氧)和骑车通过应用之间的电压0.2 V和−−0.8 V。测量电流的技术进行生物传感器,而各种应用的潜在价值应用−−0.4 V 0.9 V为了找到最佳的生物传感器应用电压给高电流响应,因此−0.8 V被选为最佳应用的潜在价值。

3所示。结果与讨论

3.1。Mg掺杂TiO的微观结构₂基于Nanodots电极

Mg掺杂后,产生的电影也有类似的nanodot形态;它表明,镁离子的添加在0 ~ 6摩尔%的范围内不可能影响马朗戈尼效应在旋转涂布诱导相分离,导致nanodot形态(21]。然而,Mg兴奋剂被TiO的密度和大小的变化₂nanodots Ti(图2)。相比之下,无掺杂TiO₂nanodots TiO的密度₂nanodots Mg浓度成反比,TiO的大小₂nanodots Mg浓度成比例(表2)。这种变化可以归因于这样一个事实:旋转薄液层的球形相分离是影响氯离子从毫克的前兆。个体TiO的观察₂nanodot在TEM下,发现TiO中镁元素的分布₂nanodots同质(图3),这有利于吸附蛋白质或酶。

3.2。Mg掺杂TiO的电化学行为₂基于Nanodots生物传感器电极

图4显示了镁掺杂TiO的循环伏安曲线₂nanodots基础生物传感器电极,这表明过氧化氢生物传感器的典型反应机理发生如下(30.,31日]: 的生物传感器电极与Mg掺杂量不同,都有一个小的一对氧化还原峰,和全氟磺酸/合/ Mg-TND-4 / Ti和全氟磺酸/合/ TND-6 / Ti生物传感器电极(曲线(a)和(b))阴极峰电位有小于电解质/合/ Mg-TND-2 / Ti生物传感器电极(曲线(c)),这意味着全氟磺酸/合/ Mg-TND-2 / Ti改进的电化学反应合酶(32]。更好的伏安响应可能导致更好的建立在电极表面之间的电子转移和合全氟磺酸/合/ Mg-TND-2 /钛电极。

阳极峰势和阴极峰潜力全氟磺酸树脂/合/ Mg-TND-2 / Ti被发现在0.335 V和−−0.473 V,分别(曲线(c))。峰间的分离被发现是0.138 V。当100年M H₂O₂到0.1增加了PBS,全氟磺酸/合/ TND-3 / Ti生物传感器电极被证明有很好的响应曲线(d),表明一个强大electrocatalytic活动出现在H的还原反应₂O₂。也直接电子转移率在全氟磺酸/合/ Mg-TND-2 / Ti显示速度比纯的生物传感器电极。这可能归因于固定化掺合在Mg TiO的良好功能₂nanodots。

此外,简历曲线的全氟磺酸/合/ Mg-TND-2 / Ti生物传感器电极获得各种扫描率。发现的还原峰电流与扫描速率增加线性增加(从0.1到0.5 V·s⁻¹)与pH = 7.0(图0.1米PBS5 (b))。阴极峰的增加归因于一个增强的生物传感器电极的电化学反应的发生,表明反应是地面控制和生物传感器电极上的直接电子转移发生好(33,34]。因此,Mg掺杂可以加强TiO的电化学反应₂nanodots基础生物传感器电极。

3.3。Mg掺杂TiO的性能和稳定₂基于Nanodots生物传感器电极

图6显示的是测量电流的响应的全氟磺酸/合/ Mg-TND / Ti生物传感器电极与连续添加40M H₂O₂。电极的灵敏度和检出限计算表中列出3;全氟磺酸/合/ Mg-TND-2 /钛电极被证明是最好的。全氟磺酸/合/ Mg-TND-2 / Ti生物传感器电极,减少电流与H₂O₂迅速增加,达到稳态电流的95%在3 s(图6(一))。当前和H之间的线性关系₂O₂浓度被发现在图6 (b),当前的线性范围是6M - 640M系数着色()。此外,全氟磺酸/合/ Mg-TND-2 /钛电极有检测极限(LOD)为0.027(评估的信噪比3,根据(35])和1377.64的敏感性一个毫米⁻¹厘米⁻²这是无掺杂电极的1.53倍。

虽然相应的生物传感器的敏感性增加的特定区域nanodots电影,镁离子的贡献是显而易见的。特定区域的全氟磺酸/合/ Mg-2-TND / Ti是1.09倍的全氟磺酸/合/ TND-3 /钛电极(表2),但灵敏度观察(表上的巨大差异3)。因此,建议这两个大的特定区域和适当的Mg掺杂促进酶吸附和功能。全氟磺酸的生物传感器性能/合/ Mg-2-TND /钛电极也比合/ TiO₂微球/电解质/ Ti (27),全氟磺酸/合/ Au-TiO₂纳米粒子/ GCE [32),全氟磺酸/合/ TN-3 / ITO (26,合/ Fe₃O₄/ m-silica纳米颗粒/ SPE [29日]。稳定的全氟磺酸/合/ Mg-TND-2 / Ti生物传感器由安培计的技术调查,而生物传感器是存储在4°C为12天。当前生物传感器的反应是相同的测量条件和它被发现超过89%的保留活动,表明生物传感器是生物传感器应用程序的稳定。

此外,明显Michaelis-Menten常数(因为从Lineweaver-Burk)计算方程一个关键的测量参数相关工作状态的酶(36]: 在哪里稳态电流的衬底后,是最大电流测量饱和本体溶液条件下,然后呢是体积浓度。的全氟磺酸树脂/合/ Mg-2-TND /钛电极被计算为0.83毫米,小于电解质/合/ TND /钛电极(1.27毫米)。这是事实,这种酶达到较高的催化效率低₂O₂浓度由于更好的亲和力与Mg掺杂TiO的酶₂。

4所示。结论

Mg掺杂TiO₂nanodots基础电极是由溶胶-凝胶旋转涂布,其次是煅烧。它是发现,2%毫克掺杂TiO₂nanodots电极具有更好的电化学反应,若比纯的电极性能,与1377.64的敏感性一个毫米⁻¹厘米⁻²,这是1.53倍。原因是Mg掺杂加剧直接电极转移电极由于良好的Mg掺杂TiO亲和力₂与工人酶以及增加nanodots的特定区域。这样的掺杂方法可能提供了一个有效的方法来提高性能通过化学修饰电极的电流型生物传感器。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是中国的财政支持的国家基础研究计划(973计划、2012 cb933600),中国国家自然科学基金(51372217,51372217),中央大学和基础研究基金(2013 qna4010)。