血红蛋白的直接电子转移在三世Oxide-Ag锰纳米纤维改性玻璃碳电极

文摘

我们研究了血红蛋白的电化学行为与Mn玻璃碳电极修改₂O₃ag纳米纤维。锰的₂O₃ag纳米纤维作为主持人Hb和glassy-carbon-modified电极之间的电子转移。锰的₂O₃ag纳米纤维研究通过扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)。血红蛋白显示quasireversible电化学氧化还原行为与正式的潜力−49个mV(与Ag / AgCl) 0.1米磷酸钾缓冲溶液pH值7.0。生物传感器具有良好的稳定性和重现性和设计达到稳态电流的95%不到五秒。

1。介绍

血红蛋白是一个非凡的分子机器,使用运动和小结构变化来调节它的行动。在四个血红素氧绑定网站在血红蛋白不同时发生。一旦第一个血红素结合氧,它介绍了小的变化相应的蛋白质链的结构。红细胞的主要功能是转移O₂从肺组织和转让有限公司₂从组织到肺部。为了实现这些功能,红细胞血红蛋白(Hb)。其结构(Hb铁在中心1]。铁(Hb结构中具有非常重要的作用2]。我们也使用Hb在这个项目。玻璃碳它的名字来自表现出断裂行为类似于玻璃,从一个无序结构在大尺寸(尽管它包含一个石墨微晶结构),因为它是一个硬的材料,能够高度磨光的3- - - - - -5]。玻璃碳在电化学应用中尤其有用,因为它的电阻率低,气体不渗透性,高耐化学性,因为它有最广泛的潜在范围观察碳电极。玻璃碳在1962年首次由佐藤山田和高温度的酚醛树脂热解,戴维森,后来,他们利用纤维素为原料(6,7]。他们得出的结论是,玻璃碳由长微纤维扭转、弯曲、和联锁形成纤维间债券,这些面向微纤维是随机的8]。因为渴望传授选择性的电化学反应和控制电子转移动力学,几个调查人员利用吸附或者共价结合玻璃碳催化剂的表面。这些修改的目的是控制分子和离子与电极表面之间的相互作用(9]。小纤维在亚微米范围内,与大公司相比,是众所周知的在同一压降来提供更好的过滤效率的拦截和惯性嵌入机制(10,11]。先前的研究表明这样的效果通过假设中性流在纤维表面12]。而较小的纤维尺寸导致高压下降,拦截和惯性嵌入效率会增加更快,超过补偿压降增加。因此,颗粒大小的兴趣,也就是说,从亚微米,更好的过滤效率可以实现在同一压降,或相反,相同的过滤效率可以实现在较低的压力降较小的纤维尺寸。聚合物纳米纤维可以通过电纺的过程,已被描述在文献[13)和专利(14]。电纺的利用电场来画一个聚合物溶液从毛细管的收集器。电压应用于聚合物溶液,使解决方案的一个飞机停飞收集器吸引。罚款喷射干燥形成聚合物纤维,可以收集在一个网络。电纺的过程被记录使用各种成纤聚合物(15,16]。通过选择合适的聚合物和溶剂系统,纳米纤维直径在40 - 2000纳米的范围。PVP是一种聚合物,可以通过许多点吸附分子的表面上的钢铁,铜,锌和减少材料的腐蚀速率(17- - - - - -19]。辆pvp战车被认为是作为食品添加剂和,因此,他们除了治疗RO水不会引起健康问题。然而,聚乙烯吡咯烷酮的分子量的影响,它的浓度和温度对316 L不锈钢的腐蚀特性的反渗透水没有评估。

2。材料和方法

2.1。电纺纳米纤维

应用高压电场的电纺的过程(几个至几十千伏)产生带电喷射聚合物解决方案或融化,并进一步产生聚合物纳米纤维。这种技术非常相似的商业过程微尺度纤维;然而,它更适合生成纳米纤维,因为伸长可以实现非接触式计划通过外部电场的应用(20.]。一般来说,一代的多孔表面上批量电纺纳米纤维可以通过两种不同的方式实现。第一个是基于组件的选择性去除从纳米纤维复合或混合材料制成的,而另一个相关的使用相分离的聚合物在电纺的适当的应用程序下犯罪参数(16]。孔隙大小和密度控制通过改变参数。例如,在解放军/ PVP电纺纳米纤维,可以生成更多的孔隙度时,两种材料在等量加载比较对应的11个产品由不同比例的PLA / PVP。这可以归因于快速阶段分离和凝固的旋转射流(14- - - - - -17]。聚乳酸的解放军是收缩的名字,它是一种热塑性聚合物由乳酸和主要被用于可降解产品,如塑料袋和种植杯(18]。中国人民解放军/ PVP /纳米纤维已经被电纺的[准备19]。发现解放军/ PVP /纳米纤维的平均直径使纤维变得更大了,和纤维的形态变得细计划增加的内容。气孔的形成也受到溶剂的蒸汽压和大气的湿度。来自快速蒸发的冷却效果高度挥发性溶剂可能引起聚合物分离成不同阶段液体喷射。因为蒸发冷却和冷凝的水滴内也可以形成纤维促进多孔纳米纤维的形成(20.- - - - - -22]。静电纺丝的表现出一些独特的特性,这使的普遍利用他们。因为电纺的是一个持续的过程,没有任何接触力伸长,纤维可以只要几公里,可以进一步组装到一个3 d垫与多孔结构。同时,实际上电纺纤维可以薄直径和表面体积比,由于多孔结构的存在。此外,由于简单的制造工艺和合适的材料的多样性,电纺的技术及其合成纳米纤维产品吸引了越来越多的关注。这些属性加强使用静电纺丝等各种应用程序的增强复合材料,nanofiber-based膜,nanofiber-based支持酶,和催化剂23- - - - - -25]。

2.2。试剂

Hb、四水合硝酸锰(II)和聚(乙烯吡咯烷酮(PVP, MW = 1300000))从σ购买。硝酸银和其他材料由默克公司。0.1磷酸缓冲解决方案与各种pH值是由混合股票Na的标准解决方案₂HPO₄和不₂阿宝₄和调整pH值与氢氧化钠和H₃阿宝₄解决方案。实验中使用的所有解决方案都用去离子水由Barnstead生成水系统。

2.2.1。锰的制备₂O₃ag纳米纤维

44 wt % Mn(没有₃)₂11 wt % AgNO₃,44 wt % PVP溶解在DMF。解决方案是在磁搅拌2 h,然后装入一个塑料注射器配有23-gauge针不锈钢做的。电纺的过程是由一个外加电压20 kV喂养率为0.3毫升/小时和一组15厘米的距离。纳米纤维被收集在铝箔然后空气气氛下煅烧500°C 3 h PVP的退化和Mn(没有的分解₃)₂和AgNO₃:

应用高压电场的电纺的过程(几个至几十千伏)产生带电喷射聚合物解决方案或融化,并进一步产生聚合物纳米纤维。因此,在本研究中,我们使用这种方法生产锰₂O₃ag纳米纤维。

2.2.2。锰的制备₂O₃-Ag-Nanofibers-Modified玻璃碳电极

最常用的碳基电极分析实验室的玻璃碳(GC)。它是由pyrolyzing碳聚合物,小心控制的条件下,高温2000°C。密不可分的带状材料结果与保留高电导率、硬度和惰性。玻碳电极(GCE迪亚。3毫米)与1抛光μm和0.05μ米氧化铝料浆顺序,然后用去离子水冲洗。之后,电极是用去离子水,最后干燥环境条件下。准备修改后的全球教育运动,Mn₂O₃ag纳米纤维/玻璃碳电极放入新鲜PBS包括5毫克毫升⁻¹Hb (pH值7.0,3 - 5°C) 8 h。最后,修改后的电极在去离子水清洗,放置在PBS (PH值7.0)在冰箱(3到5°C),录用前的电化学测量工作电极。

2.2.3。仪和电化学测量

JEOL 6335 f场发射扫描电子显微镜(SEM)被用来检查做好准备的形态和大小的纳米纤维。更详细的形态和选定区电子衍射(SAED) Mn的模式₂O₃与Tecnai ag纳米纤维得到病人透射电子显微镜(TEM)在120千伏。XRD模式获得了与牛津衍射XcaliburTM PX超缟玛瑙探测器研究Mn的晶体结构₂O₃ag纳米纤维是稳压器/恒流器进行测量(美国EG&G模型263)使用单一舱伏安细胞、配备铂杆辅助电极。所有实验使用三电极电化学电池(10毫升容量的工作容积5毫升),工作电极,Ag / AgCl参比电极,铂丝电极。电化学测量进行了稳压器/恒流器(美国EG&G模型263)使用单一舱伏安细胞、配备铂棒辅助电极。

3所示。结果与讨论

3.1。Mn的表征₂O₃ag纳米纤维

首次使用SEM对锰的形态进行调查₂O₃ag纳米纤维。图2(一个)提出了一种典型的扫描电镜图像实际上电纺前兆PVP-Mn(没有₃)₂-AgNO₃纳米纤维。PVP Mn的用于描述₂O₃ag纳米纤维,因为PVP与极性分子结合非常好,由于其极性。这导致了在涂料中的应用提高照片质量的微观研究。PVP的分子结构可以观察到在图1。PVP溶于水和其他极性溶剂。干燥时,它是淡片状粉末,容易吸收高达40%的重量在大气水。在溶液中,它具有良好的润湿特性和容易形成电影。这使它良好的涂层或涂料的添加剂。PVP是支化聚合物,其结构是更复杂的比线性聚合物,但这也是在一个二维平面上。此外,由于锰₂O₃ag纳米纤维也有极性基团,这种纳米纤维和PVP之间创建一个良好的结合。

煅烧后,和锰₂O₃ag复合纳米纤维(图2 (b))具有多孔网络结构,表面不再光滑如前兆纳米纤维。这样的特性赋予纳米纤维表面体积比高,这不仅可以提供大的表面积Hb加载也是大界面Hb的直接电子转移。作为比较,纳米纤维由单一的金属盐(Mn(没有₃)₂与PVP及其煅烧产物(Mn)₂O纳米纤维)给出数据2 (c)和2 (d),分别。

3.2。XRD衍射的锰₂O₃ag纳米纤维

的组成及晶体结构在XRD(图的特征3)。Mn的XRD谱₂O₃ag纳米纤维的组合相匹配的标准光谱JCPDS 41 - 1442 (Mn₂O₃)和JCPDS 04 - 0783 (Ag)。面心立方晶体Mn的形成₂O₃由衍射峰显示在哪里2θ值为32.951,38.234,45.178,49.347,55.189,和65.806,对应于(111)、(200)、(220)、(311)、(222)和(400)晶面,分别,衍射峰2θ值为38.116,44.277和64.426,这对应于(111),(200)和(220)晶面,分别显示立方晶体Ag)的形成。

3.2.1之上。直接电化学Hb /锰₂O₃ag纳米纤维/ GCE

循环伏安法(CV)是用来描述修改电极。循环voltammograms (CVs)得到了不同修饰电极在0.1 PBS pH值7.0。没有观察到氧化还原峰的CVs光秃秃的GC电极。与裸露的GC电极相比,Mn的背景电流₂O₃-Ag-nanofibers-modified电极显然更大,这表明有效的电极表面积显著增强了Mn的使用₂O₃ag纳米纤维修改电极。然而,CVs Hb /锰₂O₃ag纳米纤维/ GC电极给一对定义良好的氧化还原峰100−75 mV扫描速度的mV / s,血红素铁(III) / Fe的特征(2)氧化还原Hb的夫妇,表明之间的直接电子转移取得了Hb和修改电极。的电子传递蛋白,在裸电极是非常缓慢的氧化还原峰蛋白质通常可以观察到。图4(一个)显示循环voltammogram (CV)的裸玻碳电极。图4(b)显示了一个循环voltammogram Hb /锰₂O₃ag纳米纤维/玻璃碳电极在0.1磷酸盐缓冲剂pH值7.0。Hb显示quasireversible电化学行为与正式的潜力−49号(与Ag / AgCl);阴极和阳极峰没有观察到使用裸露的石墨电极。这表明,锰₂O₃ag纳米纤维作为主持人的电子转移Hb到电极表面的氧化还原物种,反之亦然。这些结果符合前面的工作,解释了纳米粒子作为电子传递的主持人的行为。

在图4(a),一看到循环voltammogram裸露的和修改的玻璃碳电极在50岁,100年,200年,300年、400年和500年扫描率。这些数据表明,锰₂O₃ag纳米纤维被成功组装在玻璃碳电极表面。氧化还原峰电流与扫描速率的平方根线性增加。扫描速率增加,吸附的阳极峰潜力Hb转移到一个更积极的价值,而阴极峰电流负方向转移。氧化还原峰电流与扫描速率(图5);因此,电极反应是典型的地面控制quasireversible过程。你可以看到在图5 (b)依赖的阳极和阴极峰电流扫描率的红线是阴极,蓝线是阳极。异构电子转移的动力学进行了分析使用Laviron模型[9]。的情节阴极峰电位与扫描速度的对数电荷转移系数0.52。扫描率从50到500 mV / s,电子转移速率常数估计是(1.9)s⁻¹。这些语句下面讨论表明,Hb强烈吸附到电极表面的修改。可以看到,如图5 (c),范围从200到500 mV⁻¹,天主教最高潜力()改变线性和的线性回归方程,根据以下方程(26- - - - - -28), 在哪里是阴极电子转移系数,是电子的数量,,,分别是气体,温度和法拉第常数(J摩尔⁻¹K⁻¹,C /摩尔,K),计算是0.52。鉴于一般来说(9),它可以得出结论和。从数字中高峰值的宽度和扫描速率低,我们也可以获得(9]。因此,Hb和改性石墨电极之间的氧化还原反应是一个单电子转移过程。为了计算的价值明显异构电子转移速率常数(),使用下列方程(26- - - - - -28]:

的计算了1.90秒⁻¹。此外,这种表明,电子转移是好的,在Hb-modified玻璃碳电极。

3.2.2。设计一个过氧化氢生物传感器

介绍了设计的生物传感器作为氢生物传感器,因为它已经在Hb氧化和还原反应;当铁^{2 +}改变铁^{3 +}氧化反应发生,当菲^{3 +}改变铁^{2 +},发生还原反应。减少国家过氧化氢生物传感器的设计是一个重要的问题(29日]。

Hb / Mn的electrocatalytic反应₂O₃ag纳米纤维/ GC电极对H₂O₂调查了简历。图6显示的过氧化氢生物传感器获得的循环voltammograms PBS (pH值7.0)含有不同浓度的H₂O₂在缺乏氧气。催化还原的过氧化氢生物传感器可以清楚的看到在图5。的H₂O₂,还原峰电流明显增加,氧化峰电流降低(数字6(一)和6 (b)),表示一个典型electrocatalytic还原过程的H₂O₂。然而,没有类似的阴极峰对应的减少H₂O₂可以观察到裸露的GC, Mn₂O₃ag纳米纤维/ GC电极在相同的条件下,可以得出结论,Hb Mn固定化₂O₃ag纳米纤维/ GC电极显示了良好的催化活性对过氧化氢(19]。图6显示了传感器的响应。发现传感器灵敏度在20到700的范围μM基于均值点的斜率发现响应曲线。可以观察到,传感器的响应在这个范围内显示了良好的线性。相关因素,,被发现是0.9962。

3.3。生物传感器的反应pH值和应用潜力的影响

为了获得一个有效的生物传感器对H₂O₂,pH值的影响和应用潜力的反应Hb /锰₂O₃ag纳米纤维/ GC电极进行调查。chronoamperometric电流与pH值的变化在不断过氧化氢浓度(50.0μ米图所示7。可以看到,最大响应出现在pH值7.0。缓冲溶液的pH值7.0被选为实验。这个设计的生物传感器具有良好的稳定性和重现性,达到95%的稳态电流小于5 s。

4所示。结论

一个新的生物传感器对H₂O₂是基于Hb / Mn做好准备了吗₂O₃ag纳米纤维/玻璃碳电极。在Mn Hb保留好₂O₃ag纳米纤维/ GCE,结合Mn的实用程序₂O₃ag纳米纤维促进电子转移。在Hb /锰₂O₃ag纳米纤维/ GCE,循环voltammogram展品一对氧化还原峰对应于一个地面控制电极过程的单个质子转移。设计的生物传感器显示高亲和力和敏感H₂O₂。传感器显示良好的重现性和稳定性。

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