基于石墨烯-氧化锌复合物的乙酰胆碱酯酶生物传感器用于辛硫磷的测定

　　将乙酰胆碱酯酶(AChE)固定到石墨烯-氧化锌(GR-ZnO)纳米复合物修饰的玻碳电极表面，构建了一种用于辛硫磷检测的高灵敏电化学生物传感器.

　　纳米复合物不仅为保持AChE 的生物活性提供了适宜的微环境， 并且对辛硫磷的传感性能的改善显示出强大的协同效应. 抑制率与辛硫磷浓度的对数值在1.0×10^-11 mol/L 到1.0×10^-6 mol/L 范围内呈良好的线性关系， 检测限为3.4×10-12 mol/L(S/N=3).

　　辛硫磷是农业生产中应用广泛的一种有机磷农药，它可以抑制乙酰胆碱酯酶的活性，导致体内神经递质乙酰胆碱的大量蓄积，从而产生恶心、头疼等中毒症状，严重的可以导致死亡，因此对其快速检测显得非常重要. 传统的检测方法主要是色谱法，但这些方法样品处理复杂，不适于进行现场检测. 基于电化学方法的传感器，由于仪器易于微型化，为实现现场检测分析提供了可能.

　　石墨烯是由单层碳原子密集排列成的二维蜂窝晶格结构的一种碳材料，具有导电性能好、比表面积大和电子转移速率快等优点， 目前已用作制备电化学传感器的电极材料. 但石墨烯的团聚限制了它的广泛应用. 研究表明， 石墨烯-氧化物复合材料具有良好的分散性和稳定性，这些特性使其有望用于电化学传感器的构建并用于实际测定研究. 基于此，本文构建了一种基于石墨烯-ZnO(GR-ZnO)复合物的乙酰胆碱酯酶生物传感器，并用于快速灵敏的检测辛硫磷农药.

1、材料与方法

　　1.1、仪器与试剂

　　Prestige-21 傅立叶变换红外光谱仪：日本岛津公司;Hitachi-800 透射电子显微镜： 日本日立公司;X-射线粉末衍射仪：XRD，D/max 2550，日本理学公司; CHI650C 电化学工作站：上海辰华仪器有限公司. 采用三电极系统：玻碳电极(GCE， Φ= 3mm)及复合物修饰电极为工作电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极， 铂丝电极为对电极.氯化乙酰胆碱(ATCl)和乙酰胆碱酯酶(AChE，C3389，236 U/mg)购于Sigma 公司;辛硫磷(纯度≥99.99%)购自北京上立方联合化工技术研究院;戊二醛(25%)由上海国药集团提供;其他试剂均为分析纯. 试验用水为二次蒸馏水.

　　1.2、GR-ZnO 复合物的制备

　　首先采取文献中方法合成石墨氧化物(GO)和石墨烯(GR).GR-ZnO 复合物采用改进的文献方法合成.在200 mL 蒸馏水中首先加入0.2 g GO，超声2 h，然后与100 mL 含有0.2 g Zn(NO3)2 的溶液混合均匀， 之后加入3 mL 氨水和0.2 mL 水合肼，120 ℃反应4 h. 产物用蒸馏水洗至中性，60 ℃干燥12 h，即制得GR-ZnO 复合物.

　　1.3、乙酰胆碱酯酶生物传感器的制备

　　壳聚糖(CHI)首先溶解在1%的冰醋酸中制得0.5%g/mL 壳聚糖分散液. 然后将适量GR-ZnO 复合物加入到上述分散液中， 超声分散后得到GRZnO/CHI 分散液.

　　GR-ZnO/CHI 分散液与0.5%戊二醛等体积混合，之后取5 μL 溶液滴加至电极表面，晾干后再滴加5 μL 的乙酰胆碱酯酶溶液，冰箱中干燥即得乙酰胆碱酶生物传感器(AChE/ZnO-GR/CHI/GCE).

　　1.4、抑制率的计算方法

　　乙酰胆碱酯酶能够催化底物氯化乙酰胆碱水解，催化活性受有机磷农药的抑制，导致水解产物硫代胆碱浓度减小， 故电流减小. 农药的浓度越大，电流减小的越显著，即对酶的抑制率增加. 抑制率可由下式计算：

　　抑制率(A%)=[(I0-I1)/I0]×100%，

　　式中:I0 为ATCl 在AChE/ZnO-GR/CHI/GCE 的响应电流;I1 是辛硫磷抑制后ATCl 在AChE/ZnO-GR/CHI/GCE 的响应电流.

结论

　　本文中提出了一种基于石墨烯-氧化锌复合物固定乙酰胆碱酯酶的新型生物传感器(AChE/ZnO-GR/CHI/GCE)， 并将其用于农药辛硫磷的测定. 采用循环伏安法对不同修饰电极的电化学行为进行了表征，结果表明ZnO-GR/CHI 复合膜修饰于碳玻电极表面， 能有效地提高玻碳电极的电化学响应能力及保持乙酰胆碱酯酶的生物活性. 由于乙酰胆碱酯酶能催化底物氯化乙酰胆碱的水解， 水解产物巯基胆碱在电极上发生氧化产生电流，农药的加入会使该电流减小，产生抑制作用，抑制率与加入农药浓度的对数在一定范围内有良好的线性关系，据此建立了测定辛硫磷的新方法.