基于中空多孔金納米/石墨烯復(fù)合納米材料的葡萄糖電化學(xué)生物傳感器

糖尿病是一種由于胰島素分泌不足或無法有效利用胰島素而引起的以高血糖為特征的代謝性疾病。近年來，人們膳食結(jié)構(gòu)和生活方式的改變導(dǎo)致糖尿病迅猛增長，對人體各種組織器官，特別是眼、腎、心臟、血管、神經(jīng)等產(chǎn)生慢性損害和功能障礙。為了做好糖尿病前期預(yù)防及其并發(fā)癥的監(jiān)測，控制和監(jiān)測血糖水平顯得尤為必要?；谄咸烟茄趸傅碾娀瘜W(xué)生物傳感器由于其特異性和靈敏度高、制備簡單、響應(yīng)速度快、成本低等優(yōu)點受到研究者廣泛關(guān)注。在酶基電化學(xué)傳感器構(gòu)建中，采用固定化酶方法可提高葡萄糖氧化酶的穩(wěn)定性和傳感器的使用壽命，結(jié)合納米材料高的比表面積和良好的光電化學(xué)性質(zhì)，利用其獨特的電催化性能和協(xié)同效應(yīng)，可實現(xiàn)葡萄糖的高靈敏傳感檢測。

中空多孔金納米粒子（HPAuNPs）是一種具有納米級孔的新型金納米材料，與傳統(tǒng)球形金納米粒子（AuNPs）相比，具有比表面積大、密度低、連通性好、不易團(tuán)聚和穩(wěn)定性高等優(yōu)點。HPAuNPs的多孔中空結(jié)構(gòu)可使更多分子吸附到顆粒的外表面和空腔壁上，從而顯著提高功能分子荷載量。由于HPAuNPs的獨特多孔中空結(jié)構(gòu)和優(yōu)異電催化性能，使其可作為一種納米負(fù)載材料和電極修飾材料，用于生物酶的有效和高負(fù)載固定，構(gòu)建新型傳感界面，實現(xiàn)分析物的高靈敏檢測。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，來自云南民族大學(xué)的研究人員采用溶液相犧牲模板法制備HPAuNPs，并將HPAuNPs與還原氧化石墨烯（rGO）復(fù)合制備HPAuNPs/rGO復(fù)合納米材料。該復(fù)合納米材料不僅為電子轉(zhuǎn)移提供更大的表面積，也為葡萄糖氧化酶（GOx）固定提供了更有利的微環(huán)境，從而實現(xiàn)對葡萄糖的直接和靈敏測定。相關(guān)研究以“基于中空多孔金納米/石墨烯復(fù)合納米材料的葡萄糖氧化酶直接電化學(xué)及其生物傳感研究”為題發(fā)表在《分析測試學(xué)報》期刊上。

檢測原理

GOx/HPAuNPs/rGO/GCE修飾電極的制備及檢測葡萄糖的原理如圖1所示。采用溶液相犧牲模板法制備HPAuNPs，將HPAuNPs和rGO混合后超聲分散，得到HPAuNPs/rGO懸浮液。移取HPAuNPs/rGO混合液滴涂于GCE表面，通過物理吸附將其修飾到GCE表面，再將GOx固定于修飾電極表面，構(gòu)建GOx/HPAuNPs/rGO/GCE傳感界面。當(dāng)溶液中存在葡萄糖時，電極表面發(fā)生酶催化反應(yīng)。由于HPAuNPs和rGO的良好導(dǎo)電性能、大比表面積及生物相容性，HPAuNPs/rGO復(fù)合材料可提高GOx的負(fù)載量和保持酶的活性，呈現(xiàn)良好的電催化性能和協(xié)同效應(yīng)，有效促進(jìn)電子在電極表面的傳遞，所構(gòu)建的新型傳感界面可用于葡萄糖的檢測分析。

圖1 GOx/HPAuNPs/rGO/GCE修飾電極的制備過程和檢測原理示意圖

GOx/HPAuNPs/rGO/GCE的電化學(xué)表征

采用循環(huán)伏安法（CV）和電化學(xué)阻抗譜法（EIS）研究修飾電極的制備過程。圖2A為不同修飾電極在0.1 mol/L PBS（pH = 7.4）緩沖液中的CV圖，相比于裸GCE（曲線a），HPAuNPs和rGO單獨修飾的電極均呈現(xiàn)較大的峰電流（曲線b、c），HPAuNPs/rGO復(fù)合材料修飾電極呈現(xiàn)更大的峰電流（曲線d）。以上結(jié)果表明，HPAuNPs/rGO復(fù)合材料可顯著促進(jìn)電極表面的電子傳遞。圖2B為不同修飾電極在5 mmol/L [Fe(CN)?]3?/??和0.1 mol/L KCl溶液中的EIS圖，由圖可見，對比HPAuNPs和rGO單獨修飾電極，HPAuNPs/rGO復(fù)合材料修飾電極呈現(xiàn)較小的阻抗，更有利于電極表面的電子傳遞。

圖2 不同修飾電極的循環(huán)伏安圖（A）和電化學(xué)阻抗譜（B）

葡萄糖傳感檢測分析

采用差分脈沖伏安法（DPV）測定GOx/HPAuNPs/rGO/GCE修飾電極對不同濃度葡萄糖的響應(yīng)峰電流。如圖3所示，隨著葡萄糖濃度的增加，DPV的響應(yīng)峰電流逐漸增大。修飾電極的響應(yīng)峰電流與葡萄糖濃度在0.05 mmol/L~ 7.0 mmol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系（圖3插圖），檢出限（S/N = 3）為16 μmol/L，相關(guān)系數(shù)（R2）為0.9970。

圖3 GOx/HPAuNPs/rGO/GCE修飾電極對不同濃度葡萄糖的DPV響應(yīng)曲線

傳感器的重現(xiàn)性、穩(wěn)定性與選擇性

在含1 mmol/L葡萄糖的PBS緩沖液（0.1 mol/L，pH = 7.4）中，分別測試了修飾電極的重現(xiàn)性、穩(wěn)定性及抗干擾性。采用同一批次制備的6支GOx/HPAuNPs/rGO/GCE電極進(jìn)行測試，結(jié)果表明，6支修飾電極對同一濃度葡萄糖電流響應(yīng)的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為3.7%，說明該修飾電極具有良好的重現(xiàn)性。將GOx/HPAuNPs/rGO/GCE修飾電極在4℃下放置不同時間后，測定其對1 mmol/L葡萄糖的響應(yīng)電流，21 d后修飾電極的響應(yīng)電流仍保持在其初始值的93.3%，表明修飾電極的穩(wěn)定性良好。此外，選擇5 mmol/L尿酸（UA）、多巴胺（DA）、抗壞血酸（AA）及其混合物為干擾物，將GOx/HPAuNPs/rGO/GCE修飾電極用于檢測，結(jié)果顯示，各干擾物及其混合物的電流信號與空白溶液無明顯差異，僅1 mmol/L葡萄糖表現(xiàn)出明顯的電流響應(yīng)信號，說明修飾電極用于葡萄糖檢測具有優(yōu)異的抗干擾性和選擇性。

綜上所述，該研究基于HPAuNPs/rGO納米復(fù)合材料構(gòu)建了GOx/HPAuNPs/rGO/GCE傳感界面，并研究了固定化GOx的直接電化學(xué)性能。研究表明，該HPAuNPs/rGO復(fù)合材料提供了良好的微環(huán)境，可有效實現(xiàn)GOx與電極之間的直接電子轉(zhuǎn)移。將該電化學(xué)傳感器用于葡萄糖的檢測，方法靈敏快速，并具有良好的選擇性、抗干擾性和穩(wěn)定性，為葡萄糖的快速檢測及自供能傳感器的構(gòu)建提供了研究基礎(chǔ)。

審核編輯：劉清