王琨琦，楊煥欣，朱起凡

（長春工程學(xué)院理學(xué)院，長春130012）

0 前言

光電化學(xué)生物傳感器是將能夠產(chǎn)生光電化學(xué)過程的光電活性材料（用來產(chǎn)生檢測信號）與生物識別原件（與電極緊密相連）相結(jié)合，以確定待測物含量的一類檢測裝置。該傳感器具有靈敏度高、設(shè)備簡單、易于微型化等優(yōu)勢，在分析檢測和識別生物分子方面展現(xiàn)出了獨特的優(yōu)越性和廣闊的應(yīng)用前景［1－5］。眾所周知，自然界生物細胞中有300多種脫氫酶使用輔酶——煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）作為生物催化反應(yīng)中氫和電子的傳遞體，因此，NADH在酶參與的生化反應(yīng)和能量轉(zhuǎn)換方面起著至關(guān)重要的作用，而且，目前已有大量NADH電化學(xué)生物傳感器的研究報道［6－10］。但是，這種電化學(xué)生物傳感器在分析實際樣品的過程中易受到多種因素的干擾，導(dǎo)致電極污染、靈敏度降低、重現(xiàn)性變差以及使用壽命短等問題［11］，嘗試開發(fā)新型NADH生物傳感器是科研工作者面臨的重要任務(wù)。如今，我國南京大學(xué)陳洪淵院士研究組較早開始NADH光電化學(xué)生物傳感器的研究工作［12］。本文以四羧基苯基卟啉（結(jié)構(gòu)如圖1）為修飾電極的光敏染料，成功構(gòu)建NADH光電化學(xué)傳感器。其原因是激發(fā)態(tài)TCPP分子存在時間比較長（＞1ns），TCPP分子的HOMO能級和LUMO能級與TiO2的導(dǎo)帶匹配良好，而且TCPP上帶有的羧基更有助于電子從激發(fā)態(tài)的卟啉轉(zhuǎn)移到TiO2的導(dǎo)帶。

圖1 TCPP分子結(jié)構(gòu)示意圖

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

四羧基苯基卟啉（TCPP）、tris－三羥基－甲基－氨基－甲烷和脫氧膽酸購買于百靈威化學(xué)試劑公司。NADH購買于Sigma－Aldrich公司，其他所有試劑均為分析純。光源紫外燈（型號HQL 125W，深圳市喜萬年科技有限公司）。電化學(xué)工作站（CHI602A，上海辰華儀器有限公司）。TiO2／FTO電極（長春應(yīng)用化學(xué)研究所王鵬組）Perkin－Elmer Lambda 900分光光度計、FT－IR吸收光譜儀（Shimadzu 4200FT－IR分光儀）。電化學(xué)測試采用叁電極體系，TCPP／TiO2／FTO電極為工作電極，鉑片為對電極，飽和甘汞電極為參比電極。所有實驗均在室溫下完成。

1.2 TCPP／TiO2／FTO電極的制備

0.593 mg TCPP溶于5mL乙醇形成溶液。1.963mg脫氧膽酸溶于5mL乙醇形成溶液。將上述2mL TCPP溶液和1mL脫氧膽酸溶液于小燒杯中混合，磁力攪拌10h以上備用（小燒杯避光）。TiO2／FTO電極于500℃下高溫爐中灼燒30min，爐中冷卻至100℃，取出電極立即放入TCPP和脫氧膽酸的混合溶液中浸泡24h（避光），于是，TCPP／TiO2／FTO工作電極成功制備。

1.3 TCPP／TiO2／FTO電極光電化學(xué)氧化 NADH過程

TCPP／TiO2／FTO電極光電化學(xué)氧化NADH過程如圖2所示。紫外光照射到光敏染料TCPP分子，TCPP分子被激發(fā)形成電子－空穴對；電子與空穴不斷分離，電子直接注入到二氧化鈦導(dǎo)帶中，TCPP形成激發(fā)態(tài)正離子（TCPP＊＋）；TCPP＊＋接受溶液中NADH的電子被還原成基態(tài)TCPP，同時NADH被氧化成（NAD＋）；這樣，TCPP不斷被激發(fā)，NADH連續(xù)提供電子，光電流因此持續(xù)產(chǎn)生。

2 TCPP／TiO2／FTO電極光電化學(xué)氧化NADH過程

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜表征

圖3是TCPP和TCPP敏化TiO2納米晶在波數(shù)為600～1 800cm－1范圍內(nèi)的紅外吸收光譜圖。由圖3可知：TCPP在717cm－1和799cm－1處有很強的吸收，這是由于苯和吡咯環(huán)上C—H的伸縮振動引起；965cm－1處的吸收峰源于吡咯環(huán)上C—H彎曲振動引起；C—O的伸縮振動出現(xiàn)在1 225cm－1處，而在1 691cm－1處出現(xiàn)═C O吸收峰（圖3中曲線a）。當(dāng)有染料TCPP吸附在TiO2納米晶上，═C O吸收峰的強度減小，并在1 639cm－1和1 399cm－1處分別出現(xiàn)羧基不對稱振動峰和對稱振動峰，（圖3中曲線b），而且其羧基伸縮鍵的劈裂能為240cm－1，表明TCPP的羧基與TiO2納米晶的連接方式是橋連或螯合作用［13］。

圖3 TCPP和TCPP敏化TiO2納米晶于波數(shù)600～1 800cm－1范圍內(nèi)的紅外吸收光譜

2.2 TCPP／TiO2／FTO電極對NADH的電化學(xué)響應(yīng)

圖4是 TCPP／TiO2／FTO電極對不同含量NADH的循環(huán)伏安圖。當(dāng)電解質(zhì)溶液（0.25Mtris緩沖溶液 ＆0.1M－1KCl溶液）中不含有NADH時，－0.2V至1.0V電位范圍內(nèi)，沒有明顯的氧化還原峰（曲線a），而將6μL NADH溶液加入到電解質(zhì)溶液中后，0.2V處開始有NADH的電化學(xué)氧化，于0.75V處NADH氧化電流快速增大，到1.0V出現(xiàn)最明顯的氧化峰（曲線b）。表明：NADH的電化學(xué)氧化比較緩慢，徹底氧化NADH需要很高的電勢，就這一點來講，安培型NADH電化學(xué)生物傳感器的應(yīng)用受到一定限制。

圖4 TCPP／TiO2／FTO電極循環(huán)伏安圖

2.3 TCPP／TiO2／FTO電極的光電化學(xué)響應(yīng)

圖5 是 TiO2／FTO 電極和 TCPP／TiO2／FTO電極在380nm光激發(fā)下的光電流響應(yīng)圖。由圖可知：TCPP／TiO2／FTO 電 極 的 光 電 流 明 顯 高 于TiO2／FTO電極，表明激發(fā)態(tài)的TCPP能將電子注入TiO2導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生光電流。圖6是TCPP／TiO2／FTO電極對不同摩爾濃度NADH的光電響應(yīng)曲線（電位：0.25V，380nm 光照）。如圖所示：隨著體系中NADH摩爾濃度的增加（0～8.0μM）光電流明顯增大，同時將光電流與NADH的摩爾濃度關(guān)系繪制于圖7中。由圖可知：在0～8.0μM NADH范圍內(nèi)，光電流與NADH摩爾濃度線性相關(guān)。（線性相關(guān)方程為：y＝0.000 106 871＋0.000 010 1607x，線性相關(guān)性系數(shù)為0.958 1），在信噪比為3的條件下，檢出限0.359 2μM低于目前報道 NADH 的電化學(xué)生物傳感器［8，14－15］，靈敏度為3.603×10－2μAM－1cm－2。因此，由 TCPP／TiO2／FTO電極構(gòu)成的光電化學(xué)生物傳感器能夠?qū)ADH進行有效檢測，在含6μL NADH tris緩沖溶液中，進行TCPP／TiO2／FTO電極光電流響應(yīng)重現(xiàn)性檢測，其相對標(biāo)準偏差為5%，表明上述電極有較好的重現(xiàn)性。

圖5 TiO2／FTO電極（a）與TCPP／TiO2／FTO電極（b）的光電流響應(yīng)

圖6 TCPP／TiO2／FTO電極對不同摩爾濃度NADH的光電響應(yīng)—時間曲線，從下至上NADH的摩爾濃度依次為0、1.6、3.2、4.8、6.4、8.0μM

圖7 TCPP／TiO2／FTO電極對不同含量NADH的線性關(guān)系曲線

3 結(jié)語

利用光敏染料TCPP與TiO2納米晶間的強烈相互作用，成功制備了有光電化學(xué)響應(yīng)的修飾電極TCPP／TiO2／FTO，利用該電極獲得了低檢出限的NADH光電化學(xué)生物傳感器，該研究為光電化學(xué)生物傳感器電極的構(gòu)建提供了新參考。

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