α-磷酸锆在电化学葡萄糖传感器中的应用

生物传感器作为一种新型的检测技术具有体积小，成本低，准确、灵敏、易操作，又不会或很少损伤样品或造成污染，可现场检测等优点，因此国内外对生物传感器展开了广泛深入的研究，且纳米材料在生物传感器中的应用也已经进入新的研究阶段。这是因为纳米材料的量子尺寸效应和表面效应可以有效地提高生物传感器的响应性能。

将α-ZrP层状材料进行剥离，剥离的α-ZrP比表面积大、表面活性中心多．以其作为插层主体，将葡萄糖氧化酶(GOx)引入到α-ZrP层间，制成了电化学葡萄糖传感器并将其应用于葡萄糖的检测中。由于α-ZrP层状材料具有良好的导电性，从而提高了生物传感器的灵敏度、稳定性及抗干扰能力。

一、实验部分

1、仪器和试剂

α-ZrP（from绵竹耀隆化工）、B-D-葡萄糖、葡萄糖氧化酶(GOx，196000unit／g)、四丁基氢氧化铵(TBAOH)、壳聚糖和二茂铁甲酸(FcCOOH)。配制三种不同的磷酸盐缓冲溶液（二茂铁甲酸）：

(1)10 mmol/L PBS，pH7.0；

(2)10 mmol/L PBS，pH7.0, 1mmollL Ca2+)；

(3)10 mm01/L PBS，pH7.0，1 mmol／L

实验中所用的其它试剂均为分析纯。所用水均为二次蒸馏水。所有实验均在室温下进行。

循环伏安法、差示脉冲伏安法和计时电流法均在CHI 760B型电化学工作站上室温下进行。计时电流法时，支持电解质的体积为10 mL。电化学实验采用三电极体系，修饰的玻碳(GCE，直径4 mm)电极为工作电极，Ag／AgCl电极为参比电极，铂电极为对电极。利用DOmax 2500 X—ray粉末衍射仪对样品的结构进行分析。利用JSM一5600LV显微镜进行扫描电子显微镜(SEM)分析。

2、α-ZrP的剥离和葡萄糖氧化酶的固定

首先配置2％α-ZrP的悬浊液。即将0.2g α-ZrP溶解在10 mL的二次蒸馏水中，然后加入适量的TBAOH。这样得到的悬浊液在室温下搅拌12h使α-ZrP剥离，再置于超声仪中超声40min，从而加快α-ZrP的剥离并使其能充分分散，将制得的2％α-ZrP的悬浊液和2.3 mg／mL COx溶液按照3：1的体积比进行混合．在室温下放置1 h使其达到平衡状态。反应完毕后反应液在10 000 r／min的转速下离心10 min。使游离的葡萄糖氧化酶与已经同定的葡萄糖氧化酶分离。再用二次蒸馏水进行清洗。最后将所制备的GOx／α-ZrP冻干。干燥之后可以发现。没有和GOx发生反应前，α-ZrP的粉末是白色的。当进行完以上反应过程后。得到的GOx／α-ZrP粉末变成了黄色，证明了GOx／α-ZrP的成功合成。

3、葡萄糖传感器的制备

在使用玻碳电极前，分别用1和0.05um的铝粉打磨电极，直到获得光滑的玻碳电极镜面为止。然后冲洗干净，再分别用二次蒸馏水、乙醇溶液和二次蒸馏水超声1 min。将由上面过程制得的干燥的GOx／α-ZrP粉末取1 mg溶解分散到0.5 mL二次蒸馏水中，然后取6uL的混合液滴在经过预处理的玻碳电极的表面，干燥后，再滴6uL 0.3％的壳聚糖溶液．再置于4℃冰箱中过夜自然干燥即可得到所需的生物传感器界面。在不使用时，将修饰有GOx／α-ZrP的电极置于4℃冰箱中干燥保存。

二、结果与讨论

1、α-ZrP和Gox/α-ZrP的表征

XRD作为研究晶体结构的一种重要手段。被广泛用来表征无机纳米材料。图1是GOx／α-ZrP的XRD衍射图。GOx／α-ZrP层间距的测量按Bragg定律进行计算。根据Bragg定律(从00l反射(Z=1,2, etc．))由此可以算出d=11.6 nm，即葡萄糖氧化酶的介入，使α-ZrP的层间距增大，同时可以表明葡萄糖氧化酶已经进入到α-ZrP的夹层当中。

图2是制备的GOx／α-ZrP层状材料的扫描电镜图。图2(a)为制备GOx／α-ZrP的低倍扫描电镜图。从图中可以看到制备的GOx／α-ZrP的大致形态。其薄膜表面致密并且比较均匀，这表明了GOx／α-ZrP膜的形成及其形成的层层组装的方式比较一致。图2(b)为GOr/α-ZrP的高倍扫描电镜图，从图中可以看到，层片状的GOx／α-ZrP，较均匀的排列，粒径较小，分层形成小的聚合体。

2、GOx／α-ZrP修饰电极的电化学行为

图3中曲线a是在0.1 mol／L磷酸盐缓冲溶液中(pH7.0)GOx／α-ZrP修饰电极的循环伏安曲线图。从图中可以看出GOx/α-ZrP修饰电极的循环伏安曲线没有明显的氧化还原峰，当往磷酸盐缓冲液中加入1 mmol／L二茂铁甲酸后出现一对很明显的氧化还原峰(曲线b)，但当继续加入1mmol／L葡萄糖时。其循环伏安曲线发生了明显的变化(曲线C)，氧化峰电流明显增大，而还原峰电流减小。这说明葡萄糖在GOx的催化作用下，发生氧化反应．使氧化还原曲线发生显著的变化。在该过程中。二茂铁甲酸只是媒介体，起着传导电子的作用．其氧化还原反应的反应机理：

在没有加人葡萄糖(曲线b)的情况下，加入二茂铁甲酸，只会发生(3)反应，(1)和(2)不发生，所以得到的是可逆的循环伏安曲线；但当在GOx存在．同时二茂铁甲酸也存在的条件下。加入葡萄糖(图3曲线c)，(1)和(2)反应与(3)同时发生，由于(1)和(2)反应中发生的是得电子的过程，这与(3)中FcCOOH(ox)→FcCOOH(red)的半反应的得电子过程相竞争，使得还原峰电流减小；同时在整个反应中生成的FcCOOH red)增多，从而使得(3)的FcCOOH (red)→FcCOOH(ox)的半反应失电子增多，氧化峰电流增大。因此便得到了图3中的曲线C的氧化还原曲线图。

在固定葡萄糖的浓度为2 mmol／L的情况下，考察了不同浓度的二茂铁甲酸对GOx/α-ZrP膜修饰电极电化学行为的影响。图4是GOx/α-ZrP膜修饰的玻碳电极在10 mmol／L磷酸盐缓冲溶液(pH7.0)中加入不同浓度的二茂铁甲(浓度范围0.1～50 umol／L)的差示脉冲伏安响应曲线。从图4可以看出。随着二茂铁甲酸浓度的增大，其电流响应也随之增大，且峰位置保持不变。由此可以得出．二茂铁甲酸的浓度对GOx／α-ZrP膜修饰电极对葡萄糖的响应值有很大的影响。二茂铁甲酸的浓度越高。其响应值也就越大。由此可见，二茂铁甲酸的浓度影响了GOx／α-ZrP膜修饰电极的信号强度，同时也直接影响了传感器的检测下限．另外二茂铁甲酸的浓度与电流响应值之间存在正比例关系。综合以上结论可以得出高浓度的二茂铁甲酸对该实验是有利的。但由于二茂铁甲酸在中性条件下溶解度不高．整个实验过程采用二茂铁甲酸的浓度为1 mmol／L。

3、生物传感器的响应特性及葡萄糖的检测

图5是GO/α-ZrP膜修饰的玻碳电极对葡萄糖催化的循环伏安曲线图。从图中可以看到，当加入不同浓度的葡萄糖时。其氧化峰电流随葡萄糖浓度的增大而增大。而还原峰电流则随葡萄糖浓度的增加而不断减小氧化峰。并且氧化峰和还原峰的峰位置都不变，这是典型的电催化峰形特性。这表明了GO/α-ZrP膜修饰的玻碳电极在二茂铁甲酸存在的条件下对葡萄糖有很高的电催化活性。

图6A是GO/α-ZrP膜修饰的电极对葡萄糖响应的计时电流图，图6 B为葡萄糖传感器的标准曲线。从图中可以看到．该传感器对葡萄糖有灵敏快速的响应。在0.0l～20 mmol／L范同传感器呈良好的线性关系，相关系数为0.996，根据S/N=3的原则．可以得出检测下限为0.01mmol／L。由于传感器的线性范围覆盖了4个数量级．这表明了有大量的酶分子固定到电极表面。另外传感器对葡萄糖的灵敏度为4.74 uA／(mmol/L)。

三、结论

将α-ZrP进行剥离，通过α-ZrP与葡萄糖氧化酶的自组装，在α-ZrP层间成功地插入了葡萄糖氧化酶，再将该复合物同定到玻碳电极的表面，这样制得了的电化学葡萄糖传感器在用二茂铁甲酸作电子媒介体时对葡萄糖响应迅速，并有较宽的线性范围和较高的灵敏度。

有很多种，都可以降解。

淀粉、纤维素做填充料的应该容易降解。

环境降解塑料是一类新型的塑料品种国外开发可环境降解的塑料始于70年代，当时主要开发光降解塑料，目的在于解决塑料废弃物，尤其是一次性塑料包装制品带来的环境污染问题，至80年代时，开发研究转向以生物降解塑料为主，而且，也出现了不用石油而用可再生资源，如植物淀粉和纤维素，动物甲壳质等为原料生产的生物降 解塑料。另外，也开发了用微生物发酵生产的生物降解塑料。一类早已临床应用的能为生体降解的医用塑料，如聚乳酸也引起了人们的注意，希望能用它来解决塑料的环境污染问题，但是，对于这类塑料是否归类为环境降解塑料尚有不同见解，日本降解塑料研究会的意见认为不能归入环境降解塑料。但从降解塑料是一类新型塑料的角度考虑，应也可包括生体降解塑料，并不妨将将降解塑料从用途分类，分为环境(自然)降解塑料和生体(环境)降解塑料。后者已在医学上用于手术缝合线，人造骨骼等。中国降解塑料的开发研究基本与世界同步。但是，中国降解塑料的研究开发始于农用地膜。中国是一个农业大国，地膜的消费量占世界第一位，为解决累积在农田的残留地膜对植物根系发育造成的危害而影响作物产量，以及残膜对农机机耕操作的妨碍问题，70年代即开始了光降解塑料地膜的研制，1990年前后，出现了淀粉填充于通用塑料的生物降解塑料，同时，在光降解塑料的基础上，开发同时填充淀粉的兼具光降解和生物降解功能的地膜。各类降解地膜正在发展中，尚处于应用示范推广阶段。随着中国人民生活水平的提高，一次性塑料包装制品带来的环境污染问题日趋严重，为此，也正在积极开发用于包装，主要是一次性包装的降解塑料制品，如垃圾袋，购物袋，餐盒等。

新型塑料

光降解型塑料

是指在紫外线的影响下聚合物链有次序地进行分解的材料。大多数聚合物并不吸收285NM以上波长的光能，但是，如果在聚合物中加入光敏感基团或添加具有光敏感作用的化学助剂，可加速光氧化反映的过程，使之快速发生降解。根据光降解聚合物分子设计原理及制造方法，可分为合成型光降解塑料和添加型光降解塑料。

共聚型光降解塑料由美国杜邦公司发明，由聚乙烯（PE）与一氧化碳共聚即E—CO共聚物，或由聚乙烯与乙烯基铜共聚即GUILLET共聚物，其目的是使PE带有羰基，以增强PE塑料的降解性。改变PE中羰基的含量，可控制此塑料的降解期在60~600天左右。后来，又发展了聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯和聚酰胺（PA）等含羰基共聚物。在西方国家的一些发达国家，PE光降解膜已经用做地膜、食品袋和垃圾袋，PP降解膜也用在食品包装和香烟生产中。

添加型光降解塑料即在聚合物中添加少量的光引发剂和其他助剂，，典型的光引发剂或光敏剂有芳香酮、芳香胺、乙酰丙酮铁、2-羟基-4甲基苯乙酮肟铁、硬脂酸铁等。在PE、PP、PVC和PS等聚合物中适量添加这些光敏剂都是可行的。

近几年已完成了用长链烷基二茂铁的衍生屋制得的光降解聚乙烯的研究，以及中科院长春应用化学研究所研究成功的以铁化物为光敏剂的光降解PE塑料薄膜。大连塑料研究所开发的以金属为光敏剂的光降解PE薄膜。

生物降解型塑料

从生物降解过程看分为完全生物降解性和生物崩坏性塑料两大类；从制备方法考虑又可分为生物发酵合成、化学合成、利用动植物天然高分子或矿物质等四种。

完全生物降解性塑料在化学方法合成时用利用脂肪族聚脂、聚乙烯醇（PVA）和聚乙二醇生产容易降解。利用这些高分子易生物降解的特性对生物降解塑料进行研究开发，其中以对脂肪族聚脂的研究优为突出。在纵多的脂肪族聚脂的中，聚己内脂（PCL）应用甚广，它是一种热塑性结晶型聚脂，可以被脂肪酶水解成小分子，然后，进一步被微生物同化。美国UCC公司已进行批量生产，并已经用于外科用品、黏结膜、脱膜剂等产品。PCL与PHB共混后，也可以制备生物降解塑料。脂肪族聚脂与尼龙进行胺脂的交换反应，合成聚酰脂共聚物（CPAE），CPAE则是新型的一种生物降解塑料。

在用动植物的天然高分子合成时，植物的纤维素、淀粉等，动物中的壳聚糖、聚氨基葡萄糖、动物胶以及海洋生物的藻类等，可以制造有价值的生物降解塑料。

也可以利用化学方法与天然高分子共混技术来合成可降解塑料，主要品种有PHB/PCL，糊化淀粉/PCL等制品。它们的主要特点是可完全降解，同时通过共混提高其耐热性、耐水性以及降低成本，使其成为通用的降解性塑料。

生物崩坏性塑料是属于不完全生物降解塑料，是在烯烃通用塑料中混入生物降解性物质，使材料丧失力学性能与形状，而通过堆肥化产生与生物降解性能同样的效果，因这类塑料成本低，国内外已经采用这种方法。

脂肪族聚脂类生物崩坏塑料是通用塑料很纤细的纤维状均匀的分散到具有生物降解性的聚脂而能使共聚物具有生物降解性。将脂肪族通用塑料如PE、PP、PS、PVC等共混，控制其相结构和分散状态，制得物理性能优秀的生物降解塑料；而天然矿物质生物崩坏塑料与碳酸钙填充改性聚烯烃塑料相似，为了适应环境的需要，研究开发了高填充碳酸钙母料以及专用料，以此制成薄膜、片材、盒等包装材料。吉林研究所研究了PE/碳酸钙类地降解材料。这类材料具有塑料用量低、能耗低、成本低等优点，然而密度大、气密性小、降解诱导期不宜控制以及力学性能较差的缺点，因此只能作为一次性使用的包装材料，其降解性还有待进一步研究。

生物降解型塑料的发展方向是A、利用纤维素、淀粉、甲壳质等高分子材料制取生物降解塑料，进一步开发改良天然高分子的功能与技术。B、利用高分子设计、精细合成技术合成生物降解塑料。通过对具有生物降解性的合成高分子生物降解机理的解析，制取生物降解塑料；同时对这类高分子与现有通用聚合物、天然高分子、微生物类聚合物等的镶段共聚进行研究开发；C、提高生物降解塑料的生物降解性能和降低其成本，并扩宽应用。D、降解速度的控制研究。总之，随着社会的需要，生物降解塑料会越来越受到重视，成为今后一个时期的重大研究课题。

PHA降解塑料是生物降解塑料中性能最为优良的，同时由于其成本较高，生产工艺较为复杂，目前还处于市场起步阶段。2010年全球的PHA的产能还不到8万吨，而其中美国的Metabolix公司有大约5万吨的产能，占据了市场上的60%以上。中国企业在PHA的生产工艺和研发上同样走得较为靠前，天津国韵生物材料有限公司拥有1万吨的PHA产能，宁波天安拥有2000吨的产能，深圳意可曼生物科技有限公司有5000吨的产能。日本的Kaneka公司，巴西的PHBIndustrial公司也是PHA行业的典型代表，这些公司都是PHA行业的推动者，虽然目前来说PHA的应用较为局限，导致Metabolix每年的实际销售量还不超过100吨，但是随着未来下游应用的逐渐拓展，尤其是在薄膜包装，农膜，食用餐具，无纺布等行业应用的进一步成熟，PHA的市场潜力巨大。

光、氧化/生物全面降解性塑料

是结合光降解、氧化降解与生物降解等多方面降解作用，以达到完全降解的作用，它是当前世界降解塑料的主要研究开发方向之一。这种塑料在美国的研究已有了较好的成绩，在我国仍然还是一项较为困难的研究课题之一。

热塑性淀粉树脂降解塑料

将淀粉分子变构而无序化，形成具有热塑性的淀粉树脂，再加入极少量的增塑剂等助剂，就是所谓的全淀粉塑料。其中淀粉含量在90%以上，而加入的少量其他物质也是无毒且可以完全降解的，所以全淀粉是真正的完全降解塑料。几乎所有的塑料加工方法均可应用于加工全淀粉塑料。全淀粉塑料是国内外认为最有发展前途的完全生物降解塑料。日本住友商事公司、美国Wanler lambert公司和意大利的Ferruzzi公司等宣称研制成功淀粉质量分数在90%～100%的全淀粉塑料，产品能在1年内完全生物降解而不留任何痕迹，无污染，可用于制造各种容器、薄膜和垃圾袋等。德国Battelle研究所用直链含量很高的改良青豌豆淀粉研制出可降解塑料，可用传统方法加工成型，作为PVC的替代品，在潮湿的自然环境中可完全降解。

二氧化碳基生物降解塑料

日本井上祥平等发现二氧化碳可与环氧化物开键开环聚合生成脂肪族聚碳酸酯(APC)，这是迄今最有应用前景的二氧化碳共聚物。Takanashi等用二氧化碳、环氧丙烷和含酯键的环氧化物的三元共聚物作药物缓释剂。Masahiro等用蒸发溶剂的方法制备PPC微球作为药物缓释体系的载体，研究该体系释药速率影响因素，如PPC的分子量、药物含量等。结果表明，随着微球直径的减小或负载药物浓度的增加，释药速率增加，但释药速率和生物降解性能与共聚物的分子量无关，通过SEM观察释药前后微球形态，确认PPC微球支持了药物的长效、均匀释放。美国专家采用一项新的技术，使用特殊的锌系催化剂，将二氧化碳和环氧乙烷（或环氧丙烷），按一定的比例混合共聚，便制成了具有新特性的塑料包装材料。中国吉油集团公司与中国科学院长春应用化学研究所协作实施的二氧化碳基完全生物降解塑料项目，已列入国家863科研计划。它是一个具有广阔发展前景的新型高科技环保材料研究开发项目。

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