第２３卷第２期　２０１　１　２月　化学研究与应用　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｖｏ１．２３．Ｎｏ．２　Ｆｅｂ．．２Ｏ】１　

文章编号：１００４一】６５６（２０１　１）０２－０１６５－０８　

多壁碳纳米管功能化及其在电化学葡萄糖　

传感器中的应用　

孙莹莹　，任群翔，秦　岩，尚志航　

（沈阳医学院化学教研室，辽宁沈阳１　１００３４）　

摘要：利用硅烷偶联剂的表面修饰技术，将氨基丙基三乙氧基硅烷（ＡＰＳ）共价接枝到酸处理后的碳纳米管的　

表面。红外光谱数据证实了该反应的可行性。修饰后的碳纳米管在水中具有良好的分散性。利用西夫碱反　

应将氨基化的碳纳米管与醛基化的葡萄糖氧化酶共价层层自组装到电极表面，获得灵敏度可控的葡萄糖传　感器。用电化学交流阻抗法和扫描电镜对成膜过程进行了跟踪，发现此膜的形成是一个逐步均匀的过程。　

与传统的葡萄糖传感器相比，该传感器制作简便，灵敏度高，且可以通过控制组装层数来调节该传感器的灵　敏度与检测限。此外，该传感器具有相当好的稳定性及重现性。　

关键词：碳纳米管；硅烷化；电化学；葡萄糖氧化酶；层层共价自组装　

中图分类号：０６５７．１　文献标识码：Ａ　

Ａｍｉｎｏ．ｆｈｎｃｔｉ０ｎａｌｉｚａｔｉ０ｎ　Ｏｆ　ｍｕｌｔｉ．ｗａｌｌ　ｃａｒｂｏｎ　ｎａｎｏｔｕｂｅｓ　

ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　ｇｌｕｃｏｓｅ　ｓｅｎｓｏｒｓ　

ＳＵＮ　Ｙｉｎｇ—ｙｉｎｇ　，ＲＥＮ　Ｑｕ－ｘｉａｎｇ，ＱＩＮ　Ｙａｎ，ＳＨＡＮＧ　Ｚｈｉ—ｈａｎｇ　

（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ｍｅｄｉｃａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　１　１００３４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｕｒｆａｃｅ　ｆｕｎｅｔｉｏｎａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉ—ｗａｌｌ　ｃａｒｂｏｎ　ｎａｎｏｔｕｂｅｓ　ｗａｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｂｙ　ａｃｉｄ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｆｏｌｌｏｗｅｄ　ｂｙ　ｒｅａｃｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　

ｍｕｈｉｆｕｎｅｔｉｏｎａｌ　ｓｉｌａｎｅ，３－ｍｎｉｎｏｐｒｏｐｙｈｒｉｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ．Ｔｈｅ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｉｌａｎｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｏｘｉｄｉｚｅｄ　ｎａｎｏｔｕｂｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｗａｓ　

ｃｏｎｆｉｒｍｅｄ　ｂｙ　Ｆｏｕｒｉｅｒ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（ｆＴｒ—ＩＲ）．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ　ｃａｒｂｏｎ　ｎａｎｏｔｕｂｅｓ　ｗｅｒｅ　ｕｎｉｆｏｒｍｌｙ　ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ　ｉｎ　ｗａｔｅｒ．　Ｓｕｃｈ　ａｍｉｎａｔｅｄ　ｎａｎｏｔｕｂｅｓ　ｗｅｒｅ　ｕｔｉｌｉｚｅｄ　ｔｏ　ｆａｂｒｉｃａｔｅ　ｇｌｕｃｏｓｅ　ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ　ｗｉｔｈ　ｐｅｒｉｏｄａｔｅ　ｏｘｉｄｉｚｅｄ　ｇｌｕｃｏｓｅ　ｏｘｉｄａｓｅ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｌａｙｅｒ－－ｂｙ・－ｌａｙｅｒ　

ｃｏｖａｌｅｎｔ　ａｔｔａｃｈｍｅｎｔ　ｏｎ　ａＤ　ａｍｉｎａｔｅｄ　Ａｕ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ　ａｎｄ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｍｉｅｒｏｇｒａｐｈｓ　ｆｏｌｌｏｗｅｄ　ｔｈｅ　ａｓｓｅｍｂｌｙ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｖｅｒｉｆｉｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｆｉｌｍｓ　ａｒｅ　ｆｏｒｍｅｄ　ｉｎ　ａ　ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ　ａｎｄ　ｕｎｉｆｏｒｍ　ｍａｎｎｅｒ．Ｔｈｅ　ｍｏｄｉｆｉｅｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ　

ｓｈｏｗ　ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ　ｅｌｅｃｔｒｏｃａｔａｌｙｔｉｃａｌ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｏｘｉｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇｌｕｃｏｓｅ．Ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｖｏｌｔａｍｍｅｔｆｉｃ　ｓｉｇｎａｌ，ｔｈｅ　ｃｏｖｅｒａｇｅ　ｏｆ　

ａｃｔｉｖｅ　ｅｎｚｙｍｅ　Ｏｉｌ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｗａｓ　ｅｓｔｉｍａｔｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｈａｓ　ａ　ｌｉｎｅａｒ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ　ｂｉｌａｙｅｒｓ．Ｔｈｉｓ　

ｓｕｇｇｅｓｔｅｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｔｉｃａｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ，ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｌｉｍｉｔ，ａｎｄ　ＳＯ　ｏｎ，ｉｓ　ｔｕｎａｂｌｅ　ｂｙ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｔｈｅ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　

ｂｉｌａｙｅｒ．Ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ　ｅｘｈｉｂｉｔｅｄ　ｇｏｏｄ　ｒｅｐｒｏｄｕｃｉｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃａｒｂｏｎ　ｎａｎｏｔｕｂｅｓ；ｓｉｌａｎｉｚａｔｉｏｎ；ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ；ｇｌｕｃｏｓｅ　ｏｘｉｄａｓｅ；ｌａｙｅｒ—ｂｙ—ｌａｙｅｒ　ｃｏｖａｌｅｎｔ　ａｔｔａｃｈｍｅｎｔ　

碳纳米管自１９９１年被发现…以来，因其独特　

的结构、优异的电学和机械性能，成为世界范围内　的研究热点之一。碳纳米管可以认为是将石墨烯　

片按一定的螺旋度卷曲成中空无缝纳米级圆柱　

收稿日期：２０１０￣６－３０；修回日期：２０１０－９—１９　基金项目：辽宁省教育厅一般项目（Ｌ２０１０５４３）资助；沈阳医学院优秀人才启动基金项目（２００９３０２３）　联系人简介：孙莹莹（１９８０．），女，讲师，主要从事纳米材料制备、电分析化学及生物传感器研究。Ｅｍａｉｌ：ｓｙｙｘｉｕｄａ＠ｇｍａｉｌ

．ＣＯＢ　１６６　化学研究与应用　第２３卷　

体，两端的“碳帽”由五元环和六元环封闭。根据　

组成的石墨烯片层数的不同分为单壁碳纳米管　

（ＳｗＮＴ）和多壁碳纳米管（ＭＷＮＴ）。虽然碳纳米　

管具有奇特的电学性能、很好的柔韧性，良好的化　

学稳定性、热稳定性及吸附特性，但由于它的低溶　

解度和在常见有机溶剂中的低分散度极大的限制　

了其应用性　ｊ。为解决此问题，人们采取了各种　

措施加以改善，其中以通过在碳纳米管上共价修　

饰亲水基团来增加溶解性最为广泛。这种方法是　

基于碳纳米管的酸氧化，使其两端的富勒烯半帽　

形区打开氧化成羧基进而与其它化学试剂反应，　

引进增溶基团。例如Ｐｅｎｇ等　将酸化后的碳纳　

米管表面的羧基变成酰氯，再与双胺基终端化合　

物缩合生成以胺基为端基的ＳＷＮＴ。功能化后的　

ＳＷＮＴ在水和乙醇中的溶解度均有所改善。这种　

方法不仅改善了碳纳米管的溶解性，而且为其下　

一步的应用提供了可能。然而，此种方法的缺点　

在于反应要在强有机相中（ＤＭＦ）进行，过程非常　

繁琐费时，所涉及的化学试剂过多，从而导致产率　

不高。硅烷化修饰是一种常见的表面修饰技术。　

硅烷偶联剂对表面带有羟基的无机纳米材料的修　

饰最为有效。其作用机理如下：硅烷偶联剂经水　

解转变为硅醇，硅醇基与无机物表面的羟基发生　

共聚缩合反应形成硅氧烷键。此种方法不仅过程　

简单易行，而且可以避免过多的化学试剂参与反　

应，从而提高产物的产率。　

酶传感器是生物传感器中的重要组成部分之　

一。自从１９６２年Ｃｌａｒｋ【４　制成第一支酶传感器以　

来，酶传感器便迅速发展成为新的分析装置。它　

兼备酶法和电化学方法的优点，测定迅速而准确。　

特别是葡萄糖氧化酶传感器，由于它可为糖尿病　

患者的临床诊断提供非常重要的信息，故它的研　

究已引起人们的高度重视。由于碳纳米管具有良　

好的导电性、催化活性和较大的比表面积，因此被　

广泛用于修饰电极的研究，这为酶传感器的发展　

提供了一个广阔的新天地。目前已有将碳纳米管　

引人到葡萄糖氧化酶修饰电极的报道，如Ｌｉｕ　

等　利用ＰＤＤＡ作为连接剂将碳纳米管与葡萄糖　

氧化酶通过静电相互作用共同组装到电极上。作　

者对该电极展开了详细的研究。然而，由于成膜　

的驱动力是一种弱的相互作用力（静电），导致此　

膜具有非常差的稳定性。此外，在酶膜中引入了　

非导电的ＰＤＤＡ，使得该膜的分析性能受到限制。　因此，制备一种性能优良稳定的碳纳米管参与的　

葡萄糖传感器成为人们努力的方向。　

本文利用硅烷偶联剂的表面修饰技术，将氨　

基丙基三乙氧基硅烷（ＡＰＳ）通过硅氧烷在酸处理　

后的碳纳米管表面的水解一缩合反应，将氨基官能　

团接枝到碳纳米管的表面。所得功能化的碳纳米　

管在水中具有良好的分散性。将氨基化的碳纳米　

管与醛基化的葡萄糖氧化酶通过西夫碱反应共价　

层层自组装到电极表面，获得灵敏度可控的葡萄　

糖氧化酶传感器。该传感器对葡萄糖的响应迅速　

准确，具有较好的分析性能，其灵敏度可通过控制　

组装的层数来加以调控。另外该电极具有相当好　

的稳定性及重现性。　

１　实验部分　

１．１仪器和试剂　

红外光谱（Ｆｒ．ＩＲ）由布鲁克公司ＩＦ．￥６６Ｖ型　

真空傅里叶变换红外光谱仪在４００－４０００ｃｍ。区域，　

用ＫＢｒ压片测得。扫描电子显微镜（ＳＥＭ）在　

ＳＨＩＭＡＤＺＵ　ＳＳＸ￣５０上测定。电化学实验在　

ＣＨＩ６６０Ｂ电化学工作站（美国）上进行。三电极系　

统：以修饰的金电极（ＣＨ１０１，２ｍｍ直径）作为工作　

电极，铂丝作为对电极，饱和甘汞电极（ＳＣＥ）作为　

参比电极。采用循环伏安法研究修饰电极的特　

性，采用恒电位安培检测法定量研究修饰电极对　

葡萄糖的催化氧化。电化学交流阻抗实验以　

５ｍｍｏｌ／Ｌ的Ｋ３［Ｆｅ（ＣＮ）　］／Ｋ　［Ｆｅ（ＣＮ）６］（１：１）　

为探针，在电位Ｅ。：０．１７　Ｖ下进行，频率范围从　

０．１Ｈｚ到１００　Ｏ００Ｈｚ，交流电压振幅设定为ｌＯｍＶ。　

在每次实验前，向底液中至少通高纯氮气２０ｍｉｎ，　

以除去溶液中溶解的氧气，并在实验过程中保持　

氮气氛围。所有实验均在２５±１　ｏＣ的温度条件　

下进行。　

葡萄糖氧化酶（ＥＣ　１．１．３．４，ｆｒｏｍ　ａｓｐｅｒｇｉｌｌｕｓ　

ｎｉｇｅｒ，１００　ｕｎｉｔｓ／ｍｇ，ＧＯｘ，Ａｍｅｒｓｃｏ公司），胱胺盐　

酸盐，氨基丙基三乙氧基硅烷（ＡＰＳ，９９％）和羟　

基二茂铁（Ａｌｄｒｉｃｈ公司）。多壁碳纳米管（直径为　

１０－３０ｎｍ，长度为１－２Ｉｘｍ，纯度大于９５％，ＭＷＮＴ，　

中国深圳纳米港有限公司）。其它试剂均为分析　

纯试剂。实验用水为二次蒸馏水。葡萄糖储备溶　

液在使用前２４ｈ配制，以完成其构型转换。