專利名稱：一種導電聚苯胺/纖維素復合生物傳感器的制備方法
技術領域：
本發明屬于生物材料領域，涉及一種生物傳感器，尤其涉及一種以天然纖 維素和導電聚合物為原料制備的導電聚苯胺/纖維素復合生物傳感器的制備方法。
背景技術：
導電聚合物因其特殊的結構和優異的物理化學性能，在光學，電磁學和化 學等領域具有廣闊的應用前景。近年來，導電聚合物在生物材料領域的應用， 取得了一定的研究成果。導電聚合物在生物材料領域中的應用，以作為生物傳感器最為多見。通常情況下，將不同的酶、輔酶、抗體、DNA、甚至細胞和組織等生物活性物質 固定于導電聚合物中，形成各種新型的生物傳感器。這種傳感器具有響應性能 強，制作過程簡單可控等特點。在構建導電聚合物生物傳感器過程中，聚合物 的合成通常采用操作簡單、易于控制電化學方法。在聚合過程中，生物活性物 質既可與聚合物單體同時聚合到電極表面，也可先與其單體吸附在電極表面， 再氧化聚合形成生物識別固態元件。其間，通過有效地控制聚合物電聚合過程， 生物活性物質可固定到各種類型的電極或者電極的特定部位，也可將兩種或多 種酶等生物活性物質同時固定于同一層聚合膜或分別固定于多層聚合膜上。導 電聚合物作為分子導線，其三維立體導電結構可使電子在生物分子(活性中心) 與電極表面直接傳遞，顯著提高生物傳感器的響應特性。通過控制聚合膜的厚 度、生物分子在膜中的空間分布、聚合膜的空隙度等指標可以調整生物傳感器 的響應特性和選擇性。構建導電聚合物生物傳感器的關鍵是如何將生物活性物質有效地固定在 導電聚合物膜上，且最大限度地保持其生物活性，形成可長期反復作用的生物 識別固態元件。生物活性物質常用的固定方法主要有包埋法、共價法、吸附法 和交聯法。其中以包埋法最為多見，該法依賴于電化學聚合而實現，既在電化 學聚合的同時，生物活性物質以包埋的形式固定到導電聚合物膜中。此外，為 了更有效地固定生物活性物質，最大限度地保持其生物活性，有關固定生物活性物質一些新技術也不斷涌現，主要有兩種以上的酶同時固定在聚合物、溶膠 -凝膠技術、納米技術和絲網印刷技術。其中，納米技術是指將金屬或非金屬 納米粒子引入某些生物活性物質中，可增加其催化活性，提高電極的響應電流 值。若同時引入多種納米粒子，由于納米粒子具有吸附濃縮、吸附定向、宏觀 隧道效應和量子尺寸效應，復合納米顆粒比單一納米顆粒更易于形成連續勢 場，降低電子在電極和固定化酶間的遷移阻力，提高電子遷移率，有效地加速 酶的再生過程，可顯著增強傳感器的電流響應。目前，導電聚合物生物傳感器的研究雖然取得了一定的成果，但同時也面 臨了一些問題。如無常規設備可制造穩定的可重復生產的導電聚合物生物傳感 器，這在很大程度上限制了此類傳感器在分析領域的廣泛應用。雖然生物活性 物質可通過電化學聚合固定于導電聚合物中，但這些方法需要貴重金屬作為電 極，成本高，這也限制生物傳感器的廣泛應用。發明內容本發明的目的是提供一種不需要鉑、金等貴重金屬，成本低，導電性和熱 穩定性優異的導電聚苯胺/纖維素復合材料生物傳感器的制備方法。本發明導電聚苯胺/纖維素復合生物傳感器及其制備方法，包括以下工藝 步驟(一)導電聚苯胺/纖維素導電復合材料的制備先將苯胺單體充分溶于 鹽酸溶液中，再將苯胺單體質量1 2.5倍量的纖維素加入到苯胺的鹽酸溶液中，攪拌0.5 1.5h后，將反應體系放入冰水浴中，并加入苯胺單體質量4.2-4.5% 的過硫酸銨溶液，攪拌反應18 21h;過濾后，先用蒸餾水洗滌，除去多余的 鹽酸，再用乙醇洗滌，除去未反應的苯胺單體及生成的低聚物，干燥，得聚苯 胺/纖維素復合材料。采用的纖維素由農作物秸稈制備而得，其具體制備方法為將農作物秸稈粉碎成20~100目的粉末，溶于農作物秸稈質量15 20倍、濃度為5~8%的硝 酸溶液中，在100 12(TC，磁力攪伴下蒸餾2~2.5h，然后加入農作物秸稈質量 7~10倍、濃度為3 5°/。的氫氧化鈉溶液(一部分用來中和多余的酸，另一部分 用來溶解農作物秸稈中的其他雜質)，繼續蒸餾l 1.5h;冷卻至室溫，先用蒸 餾水洗滌至無色，再用乙醇洗滌，除去殘留的低聚糖，干燥得纖維素。本發明制備的纖維素為淡黃色，顯微鏡下呈帶狀或扁平棒狀，這種結構有 利于苯胺單體的附著。本發明所采用的纖維素采用玉米秸稈，麥稈等高纖維素含量的農作物秸稈。然而，眾所周知，玉米秸稈作為富含天然纖維素的農作物 殘留物，在我國的利用率特別低，大部分被當作廢棄物燃燒掉或僅作為燃料， 既浪費了大量的資源，又造成了環境污染。將其變廢為寶，作為工業原料，對 降低工業成本，提高農業收益，可再生資源的開發都具有重要的意義。本發明制備聚苯胺/纖維素復合物中，聚苯胺呈現單層或多層復合片狀結 構，這種結構有較大的表面積，有利于生物活性物質的吸附。且片狀物上的褶 鈹，有利于生物活性物質更穩定的固定在導電聚合物上。本發明的聚苯胺/纖維素復合物，以天然材料纖維素和苯胺為原料，通過 苯胺的化學氧化聚合制得聚苯胺/纖維素復合材料，生產成本低，生產效率高， 且操作簡單，便于工業化生產，產品具有優越的性能具有良好的導電性(3.0X10—2Scm")，且聚苯胺薄片的保護作用，大大提高了纖維材料的熱穩定性。(二)導電聚苯胺/纖維素復合材料生物傳感器的制備先將聚苯胺/纖維素復合材料置于含有生物活性物質的緩沖溶液中，浸漬4 5h，使生物活性物 質充分吸附在聚苯胺薄片表面；再將固定有生物活性物質的聚苯胺/纖維素復 合材料與導電墨水以1:0.5 1:2的質量比混合形成糊狀物；然后以Ag/AgCl電 極為參比電極，碳電極為輔助電極，涂敷有混合物的工作電極組成三電極導電 聚苯胺/纖維素復合材料生物傳感器。制備生物傳感器可適用的生物活性物質主要有葡萄糖氧化酶、乳酸氧化或 脲酶以及其他的一些輔酶和抗體等；所使用的緩沖溶液依據生物活性物質的不 同而不同。如葡萄糖氧化酶采用Britton&Robinson緩沖溶液，乳酸氧化酶則 采用磷酸鹽緩沖溶液等。本發明采用的生物活性物質可以為葡萄糖氧化酶或乳酸氧化酶或脲酶；緩 沖溶液中為Britton&Robinson緩沖溶液，或磷酸鹽緩沖溶液。本發明所采用的導電墨水是將導電物質加入到水中，再加入粘度調節劑， 攪拌反應形成的一種流體物質，該物質可以通過噴墨打印的方式，打印在玻璃， PET片材及紙張上。其中導電物質為導電聚合物聚苯胺、聚妣咯、聚噻吩；或 金屬單質銀粉、銅粉等；還可以是石墨類片狀材料。粘度調節劑有阿拉伯樹膠， 聚乙二醇。水的用量是導電物質質量的50 100倍；粘度調節劑的加入量是導 電物質質量的1~3倍。本發明制備的導電聚苯胺/纖維素復合材料生物傳感器，生物活性物質以 吸附法固定在導電復合物中，相對于傳統的包埋法，具有酶活性活力高，載體 可再生和成本低等優點，利于導電聚合物生物傳感器進一步發展。本發明的導電復合物生物傳感器可應用于多種不同的領域，如醫療，食品 以及環境監測等，可制備出葡萄糖傳感器(其生物活性物質為葡萄糖氧化酶)， 乳酸傳感器(生物活性物質為乳酸氧化或脫氫酶)和尿素傳感器(生物活性物 質為脲酶)等多種生物傳感器。
圖1為不同放大倍數的聚苯胺/纖維素復合材料SEM照片 圖2為聚苯胺/纖維素復合材料的FT-IR譜圖 圖3為聚苯胺/纖維素復合材料和純纖維素的TG曲線比較 從圖1可以看出，聚苯胺以片狀形式沉積在纖維素表面。苯胺鹽酸鹽沉積 在纖維素的褶皺和凹陷處，在過硫酸銨作用下，苯胺鹽氧化聚合形成低聚物。 隨著苯胺鹽的進一步沉積，聚合反應不斷進行，低聚物進一步生長形成高聚物。 其間，纖維素因其具有相對平坦的表面，苯胺以此為模板，不斷生長，形成較 大面積的薄片。此外，纖維素(鹽酸溶液使得部分分子間羥基裸露)與苯胺之 間的氫鍵作用，作為一種牽引力，使聚苯胺薄片繼續生長。圖2均顯示了纖維素和聚苯胺的特征官能團的吸收峰。3431和2910cm—1 分別為纖維素締合O-H，吡喃環C-H的伸縮振動吸收峰；1067 cm—1處寬且強 的吸收峰為多糖化合物的特征吸收峰，主要是由C-O， C-O-C基團的伸縮振動 引起。1583、 1490、 1302和809cm"均為聚苯胺的特征吸收峰。1583和1490 cm—1分別表明聚苯胺中苯式和醌式結構的存在，這也說明苯胺單體已氧化聚 合；1302 cm'1為C-N的伸縮振動峰；809 cm—1為苯環中對位取代的C-H伸縮 振動吸收峰。圖3顯示了纖維素和聚苯胺/纖維素導電復合材料的TG曲線。聚苯胺薄片 作為一種保護層沉積在纖維素表面，阻止了纖維素的氧化分解，提高了纖維素 材料的熱穩定性。由于過量的鹽酸溶液使得纖維素分子間的氫鍵斷裂，引起纖 維素在較低溫度發生大量失重現象。對此，通過調節鹽酸溶液的濃度加以解決。
具體實施方式
實施例1、(1)纖維素的制備將玉米秸稈粉碎成20~100目的粉末后，溶于玉米秸 稈質量15倍、濃度為8°/。的硝酸溶液中，在11(TC，磁力攪伴下蒸餾2小時， 然后加入玉米秸稈質量7倍、濃度為3%的氫氧化鈉溶液，繼續蒸餾1.5小時后，將反應混合物冷卻至室溫，先用蒸餾水洗滌至無色，再用乙醇洗滌多次，以除去其中殘留的低聚糖。最后，4(TC下，干燥箱中干燥5小時。此纖維素為 淡黃色，顯微鏡下呈帶狀，或扁平棒狀，這種結構有利于苯胺單體的附著。(2) 導電聚苯胺/纖維素導電復合材料的制備在室溫下先將苯胺單體溶于鹽酸溶液中，持續攪拌至苯胺鹽酸鹽完全溶解；再將苯胺單體等質量的纖維 素加入到苯胺的鹽酸溶液中，攪拌1小時后，使大量苯胺鹽沉積在纖維素基體表面；將反應體系放入冰水浴中，并加入苯胺單體質量4.2%的過硫酸銨溶液， 攪拌反應20小時；過濾后，先用蒸餾水洗滌，除去多余的鹽酸，再用乙醇洗滌多次，除去未反應的苯胺單體及生成的低聚物，在4(TC下，干燥10小時， 即制得聚苯胺/纖維素導電復合材料。(3) 導電聚苯胺/纖維素復合材料生物傳感器的制備先將聚苯胺/纖維素 復合材料置于含有葡萄糖氧化酶的Britton&Robinson緩沖溶液中，浸漬4 — 5 小時，使有葡萄糖氧化酶充分吸附在聚苯胺薄片表面；再將固定有葡萄糖氧化 酶的聚苯胺/纖維素復合材料與導電墨水以1:0.5的質量比混合形成糊狀物；然 后以Ag/AgCl電極為參比電極，碳電極為輔助電極，涂敷有混合物的工作電 極組成三電極導電聚苯胺/纖維素復合材料葡萄糖傳感器。所采用的導電墨水是將導電聚合物聚吡咯加入到聚吡咯質量50倍的水 中，再加入聚吡咯質量3倍的阿拉伯樹膠為醇粘度調節劑，攪拌反應形成的一 種流體物質。實施例2、(1) 纖維素的制備將小麥秸稈粉碎成20~100目的粉末后，溶于秸稈質 量20倍、濃度為6%的硝酸溶液中，在10(TC,磁力攪伴下蒸餾2.5小時，然 后加入玉米秸稈質量10倍、濃度為5%的氫氧化鈉溶液，繼續蒸餾l小時后， 將反應混合物冷卻至室溫，先用蒸餾水洗滌至無色，再用乙醇洗滌多次，以除 去其中殘留的低聚糖。最后，4(TC下，干燥箱中干燥5小時。此纖維素為淡黃 色，顯微鏡下呈帶狀，或扁平棒狀，這種結構有利于苯胺單體的附著。(2) 導電聚苯胺/纖維素導電復合材料的制備在室溫下先將苯胺單體溶 于鹽酸溶液中，持續攪拌至苯胺鹽酸鹽完全溶解；再將苯胺單體質量1.5倍的 纖維素加入到苯胺的鹽酸溶液中，攪拌0.5小時，使大量苯胺鹽沉積在纖維素 基體表面；將反應體系放入冰水浴中，并加入苯胺單體質量4.5%的過硫酸銨 溶液，攪拌反應21小時；過濾后，先用蒸餾水洗漆，除去多余的鹽酸，再用 乙醇洗滌多次，除去未反應的苯胺單體及生成的低聚物，在40。C下，干燥IO小時，即制得聚苯胺/纖維素導電復合材料。(3)導電聚苯胺/纖維素復合材料生物傳感器的制備先將聚苯胺/纖維素 復合材料置于含有乳酸氧化酶的磷酸鹽緩沖溶液中，浸漬4.5小時，使乳酸氧化酶充分吸附在聚苯胺薄片表面；再將固定有乳酸氧化酶的聚苯胺/纖維素復 合材料與導電墨水以l:l的質量比混合形成糊狀物；然后以Ag/AgCl電極為參比電極，碳電極為輔助電極，涂敷有混合物的工作電極組成三電極導電聚苯胺 /纖維素復合材料乳酸傳感器。其中導電墨水是將導電金屬單質銀粉或銅粉加入到銀粉或銅粉質量75倍 的水中，再加入銀粉或銅粉質量1倍的聚乙二醇為醇粘度調節劑，攪拌反應形 成的一種流體物質。In纖維素的制備將玉米秸稈粉碎成20~100目的粉末后，溶于玉米秸 稈質量18倍、濃度為5%的硝酸溶液中，在12(TC，磁力攪伴下蒸餾2.5h，然 后加入玉米秸稈質量10倍、濃度為4%的氫氧化鈉溶液，繼續蒸餾1.5h，然后 將反應混合物冷卻至室溫，先用蒸餾水洗滌至無色，再用乙醇洗滌多次，以除 去其中殘留的低聚糖。最后，4(TC下，干燥箱中干燥5h。此纖維素為淡黃色， 顯微鏡下呈帶狀，或扁平棒狀。(2) 導電聚苯胺/纖維素導電復合材料的制備在室溫下先將苯胺單體溶 于鹽酸溶液中，持續攪拌至苯胺鹽酸鹽完全溶解；再將苯胺單體質量2.5倍的 纖維素加入到苯胺的鹽酸溶液中，攪拌1.5小時，使大量苯胺鹽沉積在纖維素 基體表面；將反應體系放入冰水浴中，并加入苯胺單體質量4.3%的過硫酸銨 溶液，攪拌反應18小時；過濾后，先用蒸餾水洗滌，除去多余的鹽酸，再用 乙醇洗滌多次，除去未反應的苯胺單體及生成的低聚物，在40'C下，干燥IO 小時，即制得聚苯胺/纖維素導電復合材料。(3) 導電聚苯胺-纖維素復合材料生物傳感器的制備先將聚苯胺/纖維素 復合材料置于含有脲酶的磷酸鹽緩沖溶液中，浸漬5小時，使有葡萄糖氧化酶 充分吸附在聚苯胺薄片表面；再將固定有脲酶的聚苯胺/纖維素復合材料與導 電墨水以1:2.5的質量比混合形成糊狀物；然后以Ag/AgCl電極為參比電極， 碳電極為輔助電極，涂敷有混合物的工作電極組成三電極導電聚苯胺/纖維素 復合材料尿素傳感器。其中導電墨水是將導電聚合物聚苯胺加入到聚苯胺質量IOO倍的水中，再 加入聚苯胺質量2倍的阿拉伯樹膠中，攪拌反應形成的一種流體物質。
權利要求
1. 一種導電聚苯胺/纖維素生物傳感器的制備方法，包括以下工藝步驟①導電聚苯胺/纖維素導電復合材料的制備先將苯胺單體充分溶于鹽酸溶液中，再將苯胺單體質量1～2.5倍量的纖維素加入到苯胺的鹽酸溶液中，攪拌0.5～1.5h后，將反應體系放入冰水浴中，并加入苯胺單體質量4.2～4.5％的過硫酸銨溶液，攪拌反應18～21h；過濾后，先用蒸餾水洗滌，除去多余的鹽酸，再用乙醇洗滌，除去未反應的苯胺單體及生成的低聚物，干燥，得聚苯胺/纖維素復合材料；②導電聚苯胺/纖維素復合材料生物傳感器的制備先將聚苯胺/纖維素復合材料置于含有生物活性物質的緩沖溶液中，浸漬4～5h，使生物活性物質充分吸附在聚苯胺薄片表面；再將固定有生物活性物質的聚苯胺/纖維素復合材料與導電墨水以1∶0.5～1∶2的質量比混合形成糊狀物；然后以Ag/AgCl電極為參比電極，碳電極為輔助電極，涂敷有混合物的工作電極組成三電極導電聚苯胺/纖維素復合材料生物傳感器。
2、 如權利要求l所述導電聚苯胺/纖維素生物傳感器的制備方法，其特征 在于所述纖維素由以下方法制備而得將農作物秸稈粉碎成20 100目的粉 末，溶于農作物秸稈質量15~20倍、濃度為5 8%的硝酸溶液中，在100~120 °C，磁力攪伴下蒸餾2~2.5h，然后加入農作物秸稈質量7 10倍、濃度為3~5% 的氫氧化鈉溶液，繼續蒸餾l~1.5h;冷卻至室溫，先用蒸餾水洗滌至無色，再 用乙醇洗滌，除去殘留的低聚糖，干燥得纖維素。
3、 如權利要求l所述導電聚苯胺/纖維素生物傳感器的制備方法，其特征在于所述含有生物活性物質為葡萄糖氧化酶或乳酸氧化酶或脲酶；緩沖溶液中為Britton&Robinson緩沖溶液；或磷酸鹽緩沖溶液。
4、 如權利要求l所述導電聚苯胺/纖維素生物傳感器的制備方法，其特征 在于所述導電墨水是將導電物質加入水中，再加入粘度調節劑，攪拌反應 形成的一種流體物質；其中水的加入量是導電物質質量的50~100倍；粘度調 節劑的加入量是導電物質質量的1~3倍。
全文摘要
本發明公開了一種導電聚苯胺/纖維素復合材料生物傳感器，是將一定量的纖維素加入苯胺的鹽酸鹽溶液中，使苯胺氧化聚合制得一種導電聚苯胺-纖維素復合材料，再將導電聚苯胺/纖維素置于含有生物活性物質的緩沖溶液中，浸漬4～5h，使生物活性物質充分吸附在聚苯胺薄片表面，然后將一定量固定有生物活性物質的聚苯胺/纖維素復合材料與適量的導電墨水混合形成糊狀物；最后以飽和Ag/AgCl電極為參比電極，碳電極為輔助電極，涂敷有混合物的工作電極組成三電極導電聚苯胺/纖維素復合材料生物傳感器。本發明提供的導電聚合物/纖維素生物傳感器材料，具有成本低，合成方法簡單，無污染，生產效率高，易于實現工業化。
文檔編號G01N27/327GK101251506SQ20081001779
公開日2008年8月27日 申請日期2008年3月15日 優先權日2008年3月15日
發明者史華鋒, 莫尊理, 趙仲麗, 紅 陳 申請人:西北師范大學