LB膜制备及其在葡萄糖生物传感器中的应用

摘要：介绍单分子膜的形成原理，以及一种超薄膜——LB膜的制备方法及膜类型，并举例介绍LB膜在葡萄糖生物传感器中的应用，可供一线高中化学教师用于拓展学生的视野。

关键词：高中化学；单分子膜；LB膜；制备；葡萄糖生物传感器

文章编号：1005–6629（2013）10–0075–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

高中物理《选修1-2》课程标准中有一个建议实验，内容涉及用油膜法估测分子的直径。把很小体积的油酸滴在水面上，水面上形成一层油酸薄膜，通过测量油酸的体积和油膜面积就可以估算出油酸分子的直径。这个计算方法的前提是，薄膜是由单层油酸分子组成，而油酸分子是等径圆球，如图1所示。

1 单分子膜的形成原理

油酸是怎么在水面形成单分子层的呢？这要从油酸的分子结构说起。高中物理的油膜实验将油酸分子简化为球形分子了，事实上油酸分子不是球形分子，它的结构式为CH3（CH2）7CH=CH（CH2）7COOH（如图2 左部所示），分子具有一个疏水（亲油）的长烷基链，还具有一个亲水的羧基。在水中，油酸分子的疏水长烷基链与水的亲和性差，具有逃离水环境的强烈趋势，体系能量高。为了使体系的能量达到最低，分子自动在气-水界面中定向排列，亲水基没在水中，疏水基伸向水面上方的空气中（如图2 右部所示）[1]。当每个分子都这样取向时，油酸就在水面上铺展成了不溶的单分子膜。在水面上可铺展形成单分子膜的分子通常都是类似油酸这样既含有亲水基头部又含有亲油基尾巴的两亲分

子[2]。

工作电极上葡萄糖分子识别元件的响应原理如图7[19]所示。待测液中的葡萄糖分子扩散到电极表面，与GOx簇接触，在它的催化下，葡萄糖与O2反应，生成葡萄糖酸内酯和H2O2[20]：

葡萄糖+O2 葡萄糖酸内酯+H2O2

研究发现，GOx簇之间是存在间隙的，这些间隙大小足以让PB靠近电极表面，因此PB可以有效地从电极表面获得电子[21]，转变成还原态普鲁士白（Fe4ⅡK4[FeⅡ（CN）6]3，PW）[22]：

Fe4Ⅲ[FeⅡ（CN）6]3+4e-+4K+Fe4ⅡK4[FeⅡ（CN）6]3

PB PW

葡萄糖分解产生的H2O2扩散到PB膜，被PW分子还原为OH-，而PW自身被氧化回PB[23]：

Fe4ⅡK4[FeⅡ（CN）6]3+2H2O2Fe4Ⅲ[FeⅡ（CN）6]3+4K++4OHPW PB

在这个过程中PB膜起到了至关重要的电子传递体作用[24]。由于葡萄糖氧化产生H2O2的反应是一个定量反应，而PB膜与H2O2的反应也是定量的，所以通过PB膜转移的电子数就与溶液中葡萄糖的浓度存在定量关系，即葡萄糖浓度与电流变化存在线性关系（见图8）[25]。因此，通过测定待测液电流的大小，就可以定量获得其中葡萄糖的浓度[26]。

该葡萄糖传感器响应非常迅速（仅为3秒）；含量低至12.5 μmol·L-1到高达70 mmol·L-1的葡萄糖都可以实现定量检测；非常灵敏，每平方厘米电极上1 mmol·L-1的待测葡萄糖溶液可以产生50 nA检测电流。该葡萄糖生物传感器性能如此优异的原因，可归于两方面。一是元件制作使用了LB技术，制得了超薄元件。二是MBA中具有苯环，它的共轭电子结构使电子能够高效、迅速地由电极表面向PB上转移[27]。葡萄糖生物传感器的开发使血糖检验更加快速、精确，无疑为糖尿病患者带来了福音。

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