专利名称：一种基于聚2-氨基吡啶的pH敏感电化学开关及其应用的制作方法
技术领域：
本发明属于高分子基智能开关调控生物电催化的技术领域。
背景技术：
生物酶促反应高度的专一性和灵敏度，使得生物电催化的研究成为生物电化学领域一个活跃的分支。然而，这个领域最主要的挑战之一是实现生物电催化过程的可调控，这对于可调控生物传感器的制备以及生物燃料电池的智能化是非常重要的。要实现对生物电催化过程的智能化控制，必须安装一种“智能开关”，这种智能开关的工作模式是通过智能材料受外部环境刺激而产生相应性质的变化,来影响生物电催化过程中的电子传输、物质扩散等，从而实现可控的生物电催化。各种外界刺激，包括光，磁场，电场，PH，温度等，均已被用于实现可控的生物电催化，其中，PH是研究最多的。为实现可控的生物电催化，我们必须选择合适的智能材料来修饰电极。高分子材料在结构上具有多样性和复杂性，可以在分子结构(包括支链结构)、聚集态结构、复合等诸多方面，进行单一或多方面的综合利用，能最大程度地满足其他高技术要求，提供更多更好的功能，因此智能高分子及其复合材料是修饰电极的最佳选择。智能高分子材料能够感知外部环境刺激(如电位、溶液PH和温度)而发生相应性质(如电导率、溶胀/收缩状态、渗透性等)的变化，而且能够通过某种反馈机制，做出某种响应。通过设计不同类型的高分子，可实现不同刺激下的可调控生物电催化。另外，高分子材料可以有效地固定生物分子和电子媒介体，有利于生物器件的微型化。
发明内容
本发明的目的在于提出一种能调控生物电催化过程的基于聚2-氨基吡啶的pH敏感电化学开关。本发明电化学开关包括以含负电荷探针的磷酸盐缓冲溶液为电解液，至少包括以修饰有聚2-氨基吡啶膜的电极为工作电极的电极系统。上述负电荷探针可以为铁氰化钾或羧酸二茂铁等带负电荷的电活性探针。由于电极表面修饰有聚2-氨基吡啶膜，聚2-氨基吡啶是一种弱电解质，其质子化程度随外部溶液PH的变化而变化，因此其具有pH敏感性质。利用聚2-氨基吡啶的这一性质，将其修饰在电极上，通过循环伏安法证明了聚2-氨基吡啶膜电极具有对负电荷探针的pH敏感性:
当pH=3.0时，探针有一对近乎可逆的氧化还原峰，峰电流很大，此时聚2-氨基吡啶膜对探针处于“开”的状态；当PH=7.0时，探针的氧化还原峰几乎消失，聚2-氨基吡啶膜对探针处于“关”的状态，并且聚2-氨基吡啶膜电极对探针的这种pH开关性能具有可逆性。本发明所述修饰有聚2-氨基吡啶膜的电极的制备方法是:以2-氨基吡啶和NaNO3的pH 6.0磷酸盐缓冲溶液为聚合溶液，以甘汞电极为参比电极、钼丝电极为对电极、玻碳电极为工作电极的三电极系统，在氮气氛围下，循环伏安电位范围为-0.8 1.6 V，扫描速率为100 mv/s，循环扫描I 5次，于玻碳电极表面修饰得到聚2-氨基吡啶膜。所述循环扫描的次数为2次较佳。所述聚合溶液由2-氨基吡啶和NaNO3的pH 6.0磷酸盐缓冲溶液组成，其中2_氨基吡啶占聚合溶液总量的0.01 mo I /dm3, NaNO3占聚合溶液总量的0.1 mo I /dm3。本发明制备修饰有聚2-氨基吡啶膜的玻碳电极的方法简单，稳定性好。本发明还提出基于聚2-氨基吡啶的pH敏感电化学开关的应用:
可以用来调控以负电荷探针为氧化还原媒介体，辣根过氧化酶电催化还原过氧化氢的过程。
图1为聚2-氨基吡啶膜电极在含铁氰化钾探针的不同pH磷酸盐缓冲溶液中的循环伏安响应图。图2为聚2-氨基吡啶膜电极在含铁氰化钾探针的磷酸盐缓冲溶液中的循环伏安氧化峰电流与缓冲溶液pH值的关系图。图3为聚2-氨基吡啶膜电极交替置于pH3.0和pH7.0含铁氰化钾探针的缓冲溶液中的氧化峰电流图。图4 为聚 2-氨基吡啶膜电极在含 I mM K3Fe (CN)6, 0.0lM KCl, 0.2 mg ml/1 HRP和0.24mM H2O2的不同pH值的缓冲溶液中的循环伏安响应图。
具体实施例方式一、采用循环伏安法，将在玻碳电极表面聚合修饰聚2-氨基吡啶膜:
玻碳电极在使用前用0.05 ii m的Al2O3悬浮液在丝绸上打磨干净,再将电极依次置于乙醇和二次水中超声，然后在空气中晾干备用。电化学聚合采用三电极系统，甘汞电极为参比电极，钼丝电极为对电极，玻碳电极为工作电极，设置循环伏安电位范围为-0.8 1.6 V,扫描速率为100 mv/s,循环扫描次数2次。聚合溶液由2-氨基吡啶和NaNO3的pH 6.0磷酸盐缓冲溶液组成，其中2_氨基吡啶占聚合溶液总量的0.01 mo I /dm3, NaNO3占聚合溶液总量的0.1 mo I /dm3。聚合前通氮气至少30 min，聚合过程要在N2氛围下进行。聚合结束后，将修饰了 2-氨基吡啶膜的玻碳电极在二次水中洗10 min以除去表面残留的单体，然后置于空气中晾干备用。二、构建电化学开关，并测量聚2-氨基吡啶膜电极在含负电荷探针铁氰化钾的pH值分别为3.0,4.0,5.0,6.0,7.0的缓冲溶液中的循环伏安响应:
缓冲溶液为磷酸盐缓冲溶液:由磷酸氢二钾(0.1mol dm_3)和磷酸二氢钾(0.1moldm_3)配制，并通过滴加磷酸溶液调节pH，分别得到pH值为3.0,4.0,5.0,6.0和7.0的磷酸盐缓冲溶液。三电极系统:甘汞电极为参比电极，钼丝电极为对电极，修饰聚2-氨基吡啶膜的玻碳电极为工作电极，设置循环伏安电位范围为-0.2 0.8 V，扫描速率为100 mv/s。在五个电解池中分别加入溶液为包含ImM铁氰化钾和0.0lM氯化钾的不同pH的磷酸盐缓冲溶液。
1、在以上五个不同电解池中，以相同的循环伏安电位电压和扫描速率测试聚2-氨基吡啶膜电极在含负电荷探针铁氰化钾的不同pH值的缓冲溶液中的循环伏安响应，结果如图1、2所示。图1显示了聚2-氨基吡啶膜电极对铁氰化钾探针的pH敏感开关性能，图中曲线a、b、c、d、e分别为磷酸盐缓冲溶液的pH值为3.0、4.0、5.0、6.0和7.0五个电解池中聚2-氨基吡啶膜电极对铁氰化钾探针的循环伏安响应。图2显示了不同pH下，聚2-氨基吡啶膜电极在含铁氰化钾探针的磷酸盐缓冲溶液中的循环伏安氧化峰电流。由图1，2可见，在pH=3.0的磷酸盐缓冲溶液中，有一对近乎可逆的氧化还原峰，峰电流很大，说明，此时聚2-氨基吡啶膜对探针处于“开”的状态。随着pH的增大，峰电流急剧降低。在pH=7.0的磷酸盐缓冲溶液中，氧化还原峰几乎消失，峰电流很小，说明，此时聚2-氨基吡啶膜对探针处于“关”的状态。2、将聚2-氨基吡啶膜电极交替地置于pH值分别3.0和pH 7.0的包含ImM铁氰化钾和0.0lM氯化钾的磷酸盐缓冲溶液中,可以发现氧化峰电流在最大值和最小值之间交替变化，如图3所示，说明基于聚2-氨基吡啶的pH敏感电化学开关是可逆的。3、通过改变电化学聚合过程的循环次数对修饰电极的聚2-氨基吡啶膜厚进行优化，结果显示循环扫描2次得到的聚2-氨基吡啶膜电极的pH开关效果最佳，扫描次数太多或太少都不具备pH敏感开关性质。三、应用:
将聚2-氨基吡啶膜电极分别置于含有I mM Fe (CN)63-和0.2 mg/ml HRP的pH= 3.0和pH= 7.0 PBS缓冲溶液中，通氮气15 min后，滴加一定量的H2O2，设置循环伏安电位范围为-0.2 0.8 V，扫描速率为2mv/s，开始测循环伏安。图4中，封闭的曲线a、b分别表示了缓冲溶液pH值为3.0和7.0时的循环伏安响
应曲线。由图4可以看出，pH=3.0时，还原电流很大，生物电催化过程处于“开”状态，而pH=7.0时，还原电流很小，生物电催化过程处于“关”状态。这说明基于聚2-氨基吡啶的PH敏感电化学开关可以用来调控以铁氰化钾为氧化还原媒介体，辣根过氧化酶电催化还原过氧化氢的过程。本发明基于聚2-氨基吡啶的pH敏感电化学开关还可以用于调控其他的生物电催化过程，例如，葡萄糖氧化酶电催化氧化葡萄糖的过程。
权利要求
1.一种基于聚2-氨基吡啶的pH敏感电化学开关，其特征在于包括以含负电荷探针的磷酸盐缓冲溶液为电解液，至少包括以修饰有聚2-氨基吡啶膜的电极为工作电极的电极系统。
2.根据权利要求1所述电化学开关，其特征在于所述负电荷探针为铁氰化钾或羧酸二茂铁。
3.根据权利要求1所述电化学开关，其特征在于所述修饰有聚2-氨基吡啶膜的电极的制备方法是:以2-氨基吡啶和NaNO3的pH 6.0磷酸盐缓冲溶液为聚合溶液，以甘汞电极为参比电极、钼丝电极为对电极、玻碳电极为工作电极的三电极系统，在氮气氛围下，循环伏安电位范围为-0.8 1.6 V,扫描速率为100 mv/s,循环扫描I 5次,于玻碳电极表面修饰得到聚2-氨基吡啶膜。
4.根据权利要求3所述电化学开关，其特征在于所述循环扫描的次数为2次。
5.根据权利要求3所述电化学开关，其特征在于所述聚合溶液由2-氨基吡啶和NaNO3的pH 6.0磷酸盐缓冲溶液组成，其中2-氨基吡啶占聚合溶液总量的0.01 mo I /dm3, NaNO3占聚合溶液总量的0.1 mo I /dm3。
6.一种如权利要求1所述基于聚2-氨基吡啶的pH敏感电化学开关的应用，其特征在于可以调控以负电荷探针为氧化还原媒介体，辣根过氧化酶电催化还原过氧化氢的过程。
全文摘要
一种基于聚2-氨基吡啶的pH敏感电化学开关及其应用，属于高分子基智能开关调控生物电催化的技术领域。本发明电化学开关包括以含负电荷探针的磷酸盐缓冲溶液为电解液，至少包括以修饰有聚2-氨基吡啶膜的电极为工作电极的电极系统。由于电极表面修饰有聚2-氨基吡啶膜，聚2-氨基吡啶是一种弱电解质，其质子化程度随外部溶液pH的变化而变化，因此其具有pH敏感性质，可以用来调控以负电荷探针为氧化还原媒介体，辣根过氧化酶电催化还原过氧化氢的过程。
文档编号G01N27/416GK103163202SQ201310107960
公开日2013年6月19日 申请日期2013年3月29日 优先权日2013年3月29日
发明者薛怀国, 陆钧, 王晶晶, 何佳, 邓安毅, 许雪莲 申请人:扬州大学