氧化铈/聚吡咯纳米复合材料作为胆固醇生物传感器矩阵

文摘

一种纳米复合材料组成的氧化铈纳米颗粒(CeO₂NPs)和聚吡咯(PPy)为胆固醇传感应用程序到一个微电极制作的。胆固醇氧化酶(ChOx)首席执行官固定化₂NPs PPy /物理吸附电极的路线。首席执行官的结构和形态₂NPs PPy /纳米复合材料通过x射线衍射,场发射扫描电子显微镜和能量色散x射线光谱。结果表明,ChOx /首席执行官₂NPs PPy /电极线性相关与胆固醇在50到500 mg / dL。的敏感性ChOx /首席执行官₂NPs PPy /电极马/ mg⋅dL⁻¹。最优参数,包括pH值和温度,和选择性,存储稳定性和再现性ChOx /首席执行官₂NPs PPy /电极进行调查。

1。介绍

胆固醇是细胞膜的重要组成部分。正常情况下,人体血液中的总胆固醇量低于200 mg / dL代表了理想的水平,从200年到239 mg / dL的边缘型高心脏病,和超过240 mg / dL对应于高血胆固醇(1]。人类血液的高胆固醇水平通常是相关的心脏疾病,糖尿病,肾病,阻塞性黄疸(2]。因此,胆固醇水平评估在临床诊断是非常重要的。不同的方法,包括高效液相色谱法(3- - - - - -6),近红外(IR)光谱(7- - - - - -9),和比色测定10- - - - - -12),已被用于胆固醇水平检测。然而,上述方法是昂贵和费时,需要大量的血清样本(13,14]。因此,快速、健壮的和敏感的胆固醇检测方法应该开发(15]。

电化学生物传感器,由于其简单的优点,选择性、快速反应、稳定、成本低、易于制造(15- - - - - -20.),最近研究发现胆固醇水平。女子和龚20.报道一种新型壳聚糖(芽)/ SiO₂/微碳纳米管(MWCNT) /使用电极胆固醇生物传感器。他们建立了氧化电流响应和胆固醇浓度之间的线性关系在-5000 - 5.0的范围μg / mL,响应时间的5 s和灵敏度3.4 na mg / dL⁻¹。Wisitsoraat et al。21)开发了一种新的胆固醇生物传感器利用碳纳米管(CNT)直接生长在玻璃芯片通过低温化学汽相淀积过程。他们决定线性检测范围在50和400 mg / dL之间的灵敏度0.0512 na / mg⋅dL⁻¹。汗等。22]研究了胆固醇生物传感器利用nano-ZnO-CHIT作为传感元件。他们发现颗粒多孔形态nano-ZnO-CHIT可以提供一个更好的生物相容性环境酶。发达传感器提出了一个线性从5到300毫克⋅dL⁻¹和85天的保质期。安萨里et al。23]研究了氧化CHIT-tin (SnO₂胆固醇生物传感器发展)nano-biocomposite电影。他们表明,ChOx / CHIT-SnO₂/ ITO(碳管分散)比ChOx更稳定/芽/ ITO bioelectrode,它提出了一个高灵敏度34.7 ma / mgdL⁻¹厘米²的线性响应范围的10 - 400 mg / dL,和较低的检出限5 mg / dL。

聚吡咯(PPy)功能导电高分子材料,通常被认为是p型材料具有良好的热环境和高稳定性、低氧化潜力,和高导电率(24]。近年来,PPy-based具有不同纳米材料的纳米复合材料,如问[25),金属氧化物(26),十二烷基苯磺酸钠(DBS) (27生物传感器发展),吸引了广泛关注由于大量的特定的表面区域,高导电性和生物相容性。辛格et al。25]研究了生物传感器利用PPy / MWCNT作为胆固醇传感的中介。PPy和carboxy-functionalized MWCNT被electrochemicaly合成到ITO电极用对甲苯磺酸(PTS)。此外,ChOx和胆固醇酯酶(ChEt)固定到PPy-MWCNT / ITO电极使用N乙基-N——(3-dimethylaminopropyl)碳化二亚胺和N羟基琥珀酰亚胺化学。ChEt-ChOx / PPy-MWCNT /分/ ITO电极提供了一个快速响应时间约9 s检测极限的0.04毫米/ L。他们还表明,发达的胆固醇生物传感器可以很容易伪造,快速响应时间,血清样本中是有用的。一种新型电流型生物传感器基于导电聚合物和DBS-modified电极成功开发的使用等。27]。ChOx身体禁锢在PPy-DBS膜表面;然后,胆固醇浓度决定通过执行一个电化学检测的H₂O₂酶反应中生成的胆固醇。他们的研究结果显示,90.0%的胆固醇生物传感器的响应电流可以保留30活动化验后,10 nm的最小检测浓度也决定。王等人。28]合成首席执行官₂电化学传感器应用程序/ PPy复合检测亚硝酸钠。首席执行官₂/ PPy复合制备原位复合和涂层在玻璃碳电极电化学传感器获得。他们显示阳极峰电流响应与亚硝酸钠浓度成比例范围0.125 - -22.5更易与L和检出限为0.08μmol / L。Nguyet et al。29日根据首席执行官)公布DNA传感器₂/ PPy沙门氏菌检测的纳米复合材料。原位化学氧化聚合被用来准备核壳CeO₂-NR@PPy纳米复合材料,为电化学DNA生物传感器的制造提供了合适的平台。sDNA /首席执行官₂NRs@PPy /电极反应最佳条件下提出了0.01和0.4之间的线性和灵敏度为593.7 nmΩ•纳米⁻¹•厘米⁻²。

首席执行官₂/ PPy材料生物传感器已经广泛研究各种生物传感器应用。然而,报告胆固醇生物传感器,使用CeO₂/ PPy纳米材料作为介质,是有限的。作者的知识,最好的CeO₂NPs PPy /纳米复合材料生物探测仪已经很少使用胆固醇检测。

在这项研究中,我们开发了一个胆固醇生物传感器通过使用一个首席执行官₂NPs PPy /纳米复合材料作为中介固定在电极表面ChOx不使用一个中间链接器。结果显示改善胆固醇检测的性能,这可能是由于PPy和首席执行官的协同效应₂NPs。影响因素,包括pH值和温度、选择性,存储稳定性和再现性ChOx /首席执行官₂NPs PPy /电极中强调这项工作。

2。实验

2.1。化学试剂

ChOx从Sigma-Aldrich采购。亚铁氰化钾(III) (K₃[Fe (CN)₆]),亚铁氰化钾(II) (K₄铁(CN)₆]),磷酸缓冲盐(PBS)从北京购买化学试剂(中国)。六水合硝酸铈三世Ce(没有₃)₃.6H₂O (99.999%)、CH₃COONH₄(99.999%)、胆固醇(95%)和从Sigma-Aldrich购买。所有的解决方案都用超纯水(18.2 MΩ从微孔Milli-Q系统·厘米)。

2.2。首席执行官₂NPs PPy /纳米复合材料合成

在这部作品中,微电极作为工作电极用于胆固醇制备生物传感器。样品被溅射的20 nm Cr和200 nm的非盟在一个大约100纳米厚二氧化硅层,热生长在硅晶片上。饱和Ag / AgCl电极作为参比电极。作为对电极铂板。电极被修改之前,其表面与九打扫干净了₂O₇在98% H₂所以₄。然后,清洗电极治疗通过循环伏安法(CV)技术与一个潜在的范围从0.5−2.1 V使用0.5 H₂所以₄电解质,冲洗与蒸馏H₂啊,直到溶液的pH值中性和干下氮流。随后,首席执行官₂NPs在传统的三电极电化学合成细胞通过简历从−0.6到1.8 V的扫描速度100 - 500 mV / s电解溶液在室温下。0.001 - -0.02 M的解决方案包含混合物Ce(没有₃)₃.6H₂啊,0.01的氯化钾,0.02 CH₃COONH₄。最后,PPy由恒电流极化使用电化学合成草酸水溶液与0.1吡咯单体为240秒1 mA /厘米²。电化学沉积后,CeO₂NPs / PPy-modified电极与乙醇和蒸馏水清洗去除杂质,然后在室温下干燥。胆固醇生物传感器制造的示意图所示方案1。

2.3。制备ChOx /首席执行官₂NPs / PPy /电极

ChOx固定的CeO₂NPs / PPy-modified电极浸在一个固定的解决方案(ChOx 1.0毫克/毫升0.1 PBS) 12 h启用绑定ChOx通过物理吸附在电极表面。然后,ChOx /首席执行官₂NPs PPy /电极进一步与去离子水冲洗几次删除ChOx解开。总共5μL的电解质溶液滴落在电极表面,以防止可能的酶泄漏。ChOx /首席执行官₂NPs PPy /电极在4°C存储在PBS。

2.4。电化学测量ChOx /首席执行官₂NPs / PPy /电极

电化学测量进行了使用一个IM6阻抗分析仪在PBS IM6-THALES软件解决方案包含铁(CN)₆^3/4−作为氧化还原探针。ChOx /首席执行官₂NPs / PPy /电极连接到测试和调查,和Pt电极连接的对电极IM6阻抗分析仪。参比电极是一个Ag / AgCl电极。简历的情节都被记录下来,氧化峰电流密度的差异被认为是ChOx-catalyzed胆固醇氧化产生的信号。

3所示。结果与讨论

3.1。结构表征

(a)的首席执行官的形态₂NPs、纯PPy (b)和(c)首席执行官₂NPs PPy /纳米复合材料是通过场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)(图1)。图1(一)表明原始形态的CeO₂NPs,在溶液中合成Ce(不包含0.015米的混合物₃)₃.6H₂啊,0.01的氯化钾,0.02 CH₃COONH₄通过简历的范围从0.6−1.8 V。可以看出,形态是均匀分布的,直径大约80 - 100 nm。纯PPy的形态与结构共同作用呈现在图1 (b)。图1 (c)显示FE-SEM的CeO₂nps PPy /纳米复合材料有轻微结块和直径大约100 - 120 nm,由恒电流极化使用电化学合成草酸水溶液与0.1吡咯单体在240秒1 mA /厘米²。

(一)

(b)

(c)

x射线衍射(XRD)模式的纯PPy (a), (b)的首席执行官₂NPs和(c)的首席执行官₂NPs PPy /纳米复合材料在图所示2(一个)。如图2(一个)(A), x射线衍射模式纯PPy是无定形的,没有山峰可以定义其x射线衍射模式。衍射峰在28.6°,发现33.1°,47.6°,56.5°,和59.1°对应(111)、(200)、(220)、(311)和(222)飞机原始立方萤石结构的首席执行官₂NPs,如图2(一个),(B),这些山峰索引使用JCPD卡没有。34 - 0394。首席执行官的x射线衍射模式₂NPs PPy /纳米复合材料如图2(一个)(C),样品的概要图中所示的是类似于原始的CeO₂NPs。结果表明,晶体结构的CeO₂NPs被纯粹的PPy修改的。然而,当PPy被用来修改CeO₂NPs,样品的衍射峰强度降低对原始的CeO₂NPs。

(一)

(b)

图2 (b)显示了能量色散x射线能谱(EDS)的首席执行官₂NPs PPy /纳米复合材料。如图2 (b),Ce和O的存在与CeO₂NPs。碳元素与PPy有关。不会发现有污染元素的CeO₂NPs / PPy样品制备过程中,未发现其他山峰除了Si和Pt峰来自底物。

3.2。导电性特征的CeO₂NPs PPy /纳米复合材料

首席执行官的导电性₂NPs PPy /纳米复合材料作为首席执行官的函数₂浓度在室温下如图3。纯PPy导电性得到大约在11.3 S /厘米。电导率增加到23.1 S /厘米当CeO₂NP 25 wt。%添加;然后,它减少了在更高的首席执行官₂NP浓度。这个结果是一样的结果通过Seema和普拉萨德(30.),他决定导电性是由于电荷载体的过度形成。这里,电导率下降可能是由于相对较大尺寸的CeO₂NPs,阻碍了跳跃的电荷载体。

3.3。胆固醇生物传感器的电化学特性

简历是一个强大的工具来评估生物传感器的界面性质。图4显示了简历的结果胆固醇生物传感器在PBS溶液pH值(7.4)包含(Fe (CN)₆]^{3−−/ 4}中介在0.0 - -0.8 V的范围和扫描速度为100 V / s。图中的氧化电流的峰值 , ,和马裸电极的CeO₂NPs /电极,分别和PPy /电极。结果与增加氧化电流可以解释为增加电活性电极表面,导致增加电化学反应。氧化峰值电流不断进一步增加马当首席执行官₂NPs / PPy nanocomposite-modified电极的电子传递促进氧化还原探针(Fe (CN)₆]^{3−−/ 4}电解质溶液与电极之间。减少氧化峰值电流被观察到马ChOx后附加到首席执行官₂NPs PPy /电极表面,形成一个厚膜。电子转移的抑制由于绝缘笨重的蛋白质分子的性质。氧化电流显著增强马ChOx /首席执行官₂NPs / PPy /电极在200 mg / dL胆固醇在PBS缓冲。这一发现可以解释如下:

在反应(1),胆固醇首次被氧气氧化形成cholestenone和H₂O₂在ChOx的存在。然后,H₂O₂减少在电极表面产生电子(31日]。首席执行官₂NPs PPy /纳米复合材料的电子转移到电极通过调查指标转换,导致氧化峰值电流增加。这种氧化峰值电流反应成正比增加胆固醇浓度,如图5。

(一)

(b)

如图5(一个),氧化峰值电流增加胆固醇的含量不同,从50到500 mg / dL在PBS缓冲(pH值7.4)在100年的mV / s扫描速率。存在ChOx胆固醇被氧化,产生大量的电子,所述反应(2)。校准块ChOx /首席执行官₂NPs PPy /电极从简历改建响应,如图5 (b)。胆固醇浓度的线性关系,从50到500 mg / dL,观察后的线性回归方程 (mg / dL)。胆固醇生物传感器的灵敏度计算从校准曲线的斜率马/ mg⋅dL⁻¹。比较发达与其他胆固醇生物传感器是生物传感器的呈现在图6。如数据所示6(一)和(b),发达的胆固醇生物传感器灵敏度高于女子的发现和龚20.)和Wisitsoraat et al。21),而它是低于在汗等的结果。22),安萨里et al。23],Dhand et al。32]。发达的保质期传感器是13周,由Wisitsoraat比发现et al。21汗,et al。22),安萨里et al。23],Dhand et al。32)(图6 (c))。发达的胆固醇生物传感器的线性范围也很好对另一组(图6 (d))。

(一)

(b)

(c)

(d)

3.4。最优的实验条件

胆固醇生物传感器对pH值(图进行优化7(一))。氧化峰值电流的大小与pH值的增加从5.0增加到7.4。氧化电流峰值不同pH值的变化可以归因于最大的酶活性和ChOx不变性,从而保留了自然结构。氧化峰值电流与进一步降低pH值从7.4增加到9.0。这种情况可能是由于活动损失ChOx酶的高pH值。因此,pH值7.4作为最优值在所有的成功实验。

(一)

(b)

工作温度对胆固醇生物传感器响应的影响研究的范围25°C到55°C。提出了图7 (b),生物传感器的输出信号随温度的增加40°C,和价值不断降低,当温度增加40°C以上。这一趋势可能是由于酶可能是高温变性,从而失去催化活性。40°C的温度被认为是胆固醇生物传感器反应的最适温度为。然而,随后的实验在室温下进行实际应用。

3.5。选择性、贮存稳定性和重现性的胆固醇生物传感器

的选择性测量ChOx /首席执行官₂NPs PBS / PPy /电极均含有200 mg / dL胆固醇和葡萄糖和抗坏血酸。制作生物传感器可忽视地受到干扰(图8(一个))。2.67%和2.36%的响应值占20 mg / dL 90 mg / dL葡萄糖和抗坏血酸,分别。结果表明,ChOx /首席执行官₂NPs PPy /电极是实际应用的高度选择性。

(一)

(b)

(c)

的存储稳定性ChOx /首席执行官₂NPs PPy /电极被存储在PBS进一步研究在4°C;然后,测试其响应(图8 (b))。电极活性保留9周后90%的最初反应。13周后,电极反应是63%,高于文献中报道的价值(21- - - - - -23,32]。

五个不同ChOx /首席执行官₂NPs PPy /电极准备,电化学反应进行了研究在含有200 mg / dL胆固醇PBS。简历的技术被用来评估胆固醇生物传感器的重现性。如图8 (c),所有的制作生物传感器具有相同的响应特征。平行测量的相对标准偏差为五修饰电极是3.3%。这一发现证实了胆固醇生物传感器具有良好的重现性。

4所示。结论

在这项研究中,我们开发了一个利用CeO胆固醇生物传感器₂NPS PPy /纳米复合材料作为中介固定ChOx固定在电极表面。结果证实,捏造ChOx /首席执行官₂NPs PPy /电极的线性响应范围宽(50 - 500 mg / dL)和高灵敏度( 马/ mg⋅dL⁻¹)。另外,胆固醇生物传感器表现出良好的选择性和重现性和可接受的贮存稳定性。这些结果表明,发达的胆固醇生物传感器可以作为一个有用的工具为胆固醇检测在临床诊断。

数据可用性

在这项研究中提出的数据都可以在请求从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由越南国家科学技术发展基金会(批准号103.02 - -2019.337)。

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