CJChE文章荐读 | 基于三维普鲁士蓝/铂修饰碳纳米纤维的丝网印刷芯片制备及其在对苯二酚生物传感中的应用

酚类化合物是一类危险、不可降解、致癌的化学物质，能够对环境和人体造成严重且不可逆的危害。根据中国废水综合排放标准，酚类物质的最大允许浓度为0.4 mg·L⁻¹，因此，对水中的酚类化合物进行快速、实时的监测对于防止废水过量排放和污染物泄漏至关重要。目前，酚类检测最常用的技术有高效液相色谱法（HPLC），气相色谱/质谱法（GC/MS）等。然而由于预处理过程复杂，检测周期长等缺点，大多数检测技术无法实现酚类化合物的实时和原位分析。

近年来，电化学生物传感技术因其快速响应、在线检测模式和高特异性等优势而受到极大，能够将待测物质的含量转化为电化学信号输出。同时，新型纳米材料和纳米结构也越来越多的被应用于生物传感器的设计和制备，用来提高检测灵敏度和低浓度响应能力。针对对苯二酚检测而言，漆酶是一种具有高催化活性的生物酶，能够特异性识别对苯二酚。然而，由于各种酚类化合物通常共存于真实环境水样本中，现有的生物传感器难以区分不同酚类化合物的特征响应信号；此外，由于漆酶易失活，且传感材料容易团聚，导致电极界面酶反应的稳定性和重现性差，无法保证生物传感器检测结果可靠性。

在本工作中，针对生物传感器信号分辨能力差、纳米材料传感界面稳定性差等问题，设计了一种新型的PB/Pt-CNF的三维纳米复合材料，通过普鲁士蓝、铂纳米粒子以及碳纳米纤维的引入改善纳米材料的分散性，并为漆酶的负载提供更大的比表面积，能够改善所制备生物传感器的性能表现。将此三维骨架材料转化为可供印刷的浆料批量化制备出微型生物传感芯片，实现了对对苯二酚的高灵敏度、宽范围的动态响应，并且有望用于真实水样中对苯二酚在线监测。这种优异的检测性能主要是由于三维骨架结构中高度分散的纳米材料和酶的协同作用。

图1 基于PB/Pt-CNF的SPE制备原理图

[制备过程主要分为以下三个步骤：(a) CNF酸化以及原位Pt纳米颗粒的沉积；(b) PB在三维Pt-CNF骨架表面的自组装；(c) 漆酶在骨架结构上的固定化并用于对苯二酚检测]

通过溶剂热还原法将高度均一且分散的铂纳米颗粒沉积于碳纳米纤维表面，并通过自组装的方式原位在基底表面构筑Pt-CNF三维骨架结构，此后通过原位自组装技术将PB纳米颗粒沉积于骨架结构中，促进电化学反应过程中的电子转移以及催化能力。在固定漆酶后，所制备的对苯二酚生物传感器在低工作电位下有较宽的检测范围，并且在真实水样中也具有较高的检测准确性。

图2 TEM表征图

(a) 碳纳米纤维; (b) CNF上高度分散的Pt纳米颗粒；扫描电镜图：(c) ITO基底表面的三维Pt-CNF骨架结构; (d)−(g) 不同自组装层数下的PB/Pt-CNF表面形貌；(i)−(l) 三维骨架结构的表面能谱图

通过TEM和SEM表征说明了Pt纳米颗粒能够在CNF表面均匀沉积，PtNPs尺寸约为2.5 nm，且能够有效避免颗粒的相互团聚。通过控制PB的沉积次数，能够有效地调控三维骨架结构表面和堆积孔中PB的含量，避免晶体过于密集堆积。

图3 (a) 未固定漆酶的裸SPE电极的循环伏安测试；(b) 未固定漆酶的PB/Pt-CNF修饰SPE电极的循环伏安测试；(c) 漆酶固定的PB/Pt-CNF修饰SPE电极的循环伏安测试；(d) 0.15 V电位下修饰电极对漆酶的计时电流响应；(e) HQ检测的标准曲线；(f) 0.25 V下所制备丝网印刷修饰电极对邻苯二酚的计时电流响应

通过循环伏安法的测试表明，未固定漆酶的修饰电极无法有效的对检测体系中的对苯二酚产生信号响应，验证了漆酶对于对苯二酚检测的特异性，同时也说明了三维骨架材料本身无法对对苯二酚进行直接的电位氧化，有效避免了信号干扰。计时电流法的结果表明所制备的生物传感器对对苯二酚的检测范围为2.5−1450 μmol·L⁻¹。同时，该生物传感器在更高的电位（0.25 V）下无法对其他酚类物质例如邻苯二酚有明显的信号响应，表明其在检测过程中能够避免其他酚类物质带来的干扰。

图4 (a) 所制备丝网印刷修饰电极在50 μmol·L⁻¹对苯二酚中的稳定性测试；(b) 所制备丝网印刷修饰电极在PBS中的稳定性测试；(c) 所制备丝网印刷修饰电极在真实水样中的稳定性测试；(d) 所制备生物传感器的重现性；(e) 所制备生物传感器的抗干扰性能测试；(f) 生物传感器的30天稳定性测试

从循环伏安法的测试结果中可以发现，所制备的生物传感器在高浓度HQ体系和真实水样中均能保证优异的运行稳定性。不仅如此，使用自组装方法制备的基于PB/Pt-CNF三维骨架结构的生物传感器还具有优异的重现性、抗干扰能力以及稳定性，有望用于真实水样的实时准确检测。

本文设计了一种新型的PB/Pt-CNF三维纳米复合材料，并基于此三维骨架材料批量化制备出微型生物传感芯片，能够用于对苯二酚的高灵敏度、宽范围的动态响应，有望用于真实水样中对苯二酚在线监测，对于水体污染物排放监控以及污染源泄露预警具有重要意义。

第一作者：刘涛，南京工业大学化工学院在读博士研究生。2017年本科毕业于南京工业大学，同年于南京工业大学化工学院硕博连读，主要研究方向为纳米材料的设计与制备、电化学生物传感器的构建。在Biosens. Bioelectron.，J. Mater. Chem. B，Chin. J. Chem. Eng.等期刊发表SCI论文4篇。

通讯作者：储震宇，男，博士，教授。先后承担国家自然科学基金面上、青年项目，江苏省自然科学基金，江苏省产业技术研究院“二次开发”等项目，作为副组长承担国家重大科学仪器研制计划子任务，以课题联系人参与工程院院士咨询项目等。在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., Biosens. Bioelectron., Chem. Commun.等期刊上发表SCI论文60余篇，被SCI引用1700余次，申请中国发明专利15项，欧洲发明专利1项。现担任中国研究型医院学会“麻醉学专委会”委员、中国膜工业协会“医药生物用膜技术专业委员会”委员，入选江苏省科技副总计划，担任Frontiers in Nanotechnology副主编。相关研究成果在南京膜材料产业技术研究院进行产品转化，成功开发生物发酵传感分析仪并实现推广。

通讯作者：金万勤，男，博士，教授，南京工业大学材料化学工程国家重点实验室常务副主任， “973”首席科学家，德国“洪堡”学者。主要从事膜材料、膜制备及膜反应器的研究，受聘国家973首席科学家，先后主持了国家863计划、国家自然科学基金重点项目等10余项科研项目；已在Nature、Nat. Rev. Mater.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、 Angew. Chemie、Chem. Eng. Sci.、J. Am. Chem. Soc. 等国际期刊发表SCI论文230余篇，被SCI引用11000多次，申请发明专利45项（PCT专利1项，美国专利1项）。于2017年担任膜领域权威期刊J. Membr. Sci.的Editor（首位任该期刊的中国学者）。以第一完成人获得教育部自然科学奖二等奖1项，中国石油和化学工业协会科技进步一等奖1项；获得中国石油和化学工业协会青年科技突出贡献奖和“江苏省有突出贡献的中青年专家”称号。