1  引  言

      细胞膜的脂质双层对带电离子是不通透的，但是在其中的镶嵌物可以选择性地调节各种金属离子出入细胞，并实现着化学反应和电现象的转化。

      实验征明，BLM是细胞膜极好的实验模型，通过仿生原理，利用BLM的电化学特性，实现对水溶液中金属离子的检测，无疑是一种新技术的探索。RLM的金属支撑(金属-BLM)，不但提高了BLM的稳定性和寿命，而且其本身就构成了一种电化学传感器。

      本文是关于BLM的金属支撑对BLM的K+离子敏感特性影响的研究。若用经修饰的金属-BLM检测金属离子，那么检测中的化学反应和电现象之间的转化，就是通过金属对BLM的支撑来实现的。BLM的金属支撑就是一种换能器，这种换能器不同于经典电化学换能器，因此研究这种新的换能器对BLM的金属离子敏感特性的影响，就成了金属-BLM检测金属离子研究的一项重要内容。

      用缬氨霉素修饰的BLM作为敏感膜，制成金属-BLM和经典电化学K+离子电极。通过两种电极对K+离子检测的对比实验，及支撑介质的不同直径和新鲜面不同给出方法的金属-BLM电极的对比实验，探讨BLM的金属支撑对BLM的K+离子敏感特性的影响。金属-BLM中的支撑介质是不锈钢针，故在论文中用不锈钢-BLM表示其电极。

      2  实  验

      2.1  主要材料及仪器

      不锈钢针(华佗牌针灸针)、大豆卵磷脂(PC)(北京美亚斯磷脂技术有限公司)、正癸烷(分析纯、天津北联精细化学品有限公司)、缬氨霉素(产地美国、来源北京西美杰抗美科技有限公司)、KCl(分析纯、沈阳瑞丰精细化学品有限公司)、PXJ-IC型数字离子计(江苏电分析仪器厂)、JB-I型磁力搅拌器(上海雷磁仪器厂)、Ag-AgCl电极(自制)、饱和甘汞电极(SLE)(上海电光器材厂)。

      2.2  K+离子标准溶液配制及成膜液配制

      K+离子标准溶液配制：用KCl按常规方法配制成1 mol／L贮备液，然后用二次蒸馏水依次稀释成10-1～10-5mol／L。

      成膜液配制：将卵磷脂溶于正癸烷，配制成3％的卵磷脂癸烷溶液，然后掺入缬氨霉素直到饱和。

      2.3  电极制备

      不锈钢-BLM修饰电极制备：将包封聚四氟乙烯的不锈钢针，先后用高纯水和无水乙醇洗涤，然后将其一端浸人已制备好的成膜液中，并切出新鲜而，静置10 min取出，立即放人纯水中，静置15 min。

      经典电化学BLM修饰电极制备：将聚四氟乙烯管(壁厚0.5 mm)的一端封闭，形成杯形，并在杯的一侧中部且同一水平打两个直径为0.5 mm的小孔。把聚四氟乙烯杯和玻璃容器充分洗涤后，将杯放在玻璃容器内，端口向上。往聚四氟乙烯杯和玻璃容器内加入纯水，并使两者液面处于同一水平且刚好淹没小孔，用微量注射器将成膜液滴在小孔上。成膜过程可用显微镜观察，也可通过测量膜电容和膜电阻来验证(经测试BLM稳定可达8 h)。确认成膜后，往聚四乙烯杯内加入准确称量的KCl，充分溶解后，往聚四氟乙烯杯和玻璃容器内同时补加少许纯水至刻度，然后将Ag-AgCl电极插入聚四氟乙烯杯(杯内浓度为0.01 mol／L)。

      2.4  测试

      将已制备好的电极浸入KCl标准溶液中，用饱和甘汞电极为外参比电极，在搅拌下，从稀至浓依次进行下列测试：①不同直径及新鲜面不同给出方法的不锈钢-BLM修饰电极对不同浓度K+离子响应的性能测试；②经典电化学BLM修饰电极对不同浓度K+离子响应的性能测试。研究在测试过程中保持BLM稳定的操作方法，是本测试的一项内容。

      本实验主要是通过对比的方法进行研究，在测试方法和条件上，控制一致性。测量值取三次平行测定的平均值。

      3  结果与讨论

      3.1  不锈钢-BLM修饰电极与经典电化学BLM修饰电极对K+离子测试数据分析

      从表1可以看到，两种电极的Nernst响应的线性范围相同。这说明，对于BLM膜，改变传统的换能器而用金属支撑，虽然阻碍了离子通过，但并没有影响到修饰BLM膜应有的检测功能，也没有影响到修饰BLM和电极问的信号传递功能。

      从表1的另外两项性能数据看，不锈钢-BLM电极的灵敏度较高，检测下限较低。电极的实测斜率与Nernst理论值的偏差可按下式计算式中，E1，E2为活度a1，a2时测得的电位。K值愈靠近100％，其Nernst响应就愈好。经测量计算，25℃时不锈钢-BLM电极的K值为98.82％，经典BLM电极的K值是96.28％。

      一般情况下，电极的响应时间随被检测离子浓度的增大而变短。在K+离子浓度Ck≥10-2 mol／L时，不锈钢-BLM电极的响应时间t≤60 s，经典BLM电极的响应时间t≤90 s。电极响应实际上是一个动力学平衡的电极过程，这个过程的快慢，对于不锈钢-BLM和经典BLM电极的测试来说，因外部条件控制一致，敏感膜又相同，所以响应时间的差异显然与两种电极的换能方式有关。测定两种电极的响应时间，是根据IUPAC推荐的办法。

      溶液浓度改变后，再回到开始的浓度测量，发现测得的电位值与前一次在相同浓度测得的电位值有偏差，重复多次，不锈钢BLM电极的平均偏差是0.5 mV，经典BLM电极的平均偏差为0.7 mV(1.0×10-2mol／L和1.0×10-3 mol／L浓度间的测量值)。这种偏差反映了电极滞后程度，这种滞后效应影响电极测量的精密度。

      电极的稳定性通常以电极电位的漂移程度和电极的重现性好坏予以衡量。将不锈钢-BLM和经典BLM电极分别浸在10-3mol／L的KCl溶液中6 h(20℃)，其电位漂移值分别为0.5 mV和0.8 mV。

      通过以上数据及分析可以看到，BLM的金属支撑对K+离子的传感，在性能上要优于经典的电化学传感器。对于这两种电极的Nerst响应机理，目前较前沿的研究有以下两种看法。一种研究认为，在BLM两侧形成了一种跨膜电势，Nerst方程描述了平衡一种跨膜离子浓度梯度所需的电位，这个方程适用于所有跨膜分布的离子，而与离子跨膜转运的具体机制无关。关于这个研究的Nerst方程的推导就不介绍了。这个研究比较满意地解释了经典BLM电极的响应机理，但对金属BLM电极，其BLM两侧的环境不同于经典BLM电极，且支撑介质又阻碍了离子过膜行为，所以其Nerst响应无法用上述机理解释。新的研究认为，BLM具有平板电容器的性质，支撑的BLM是整合受体的极好基质，经修饰的金属-BLM电极在检测离子时，支撑膜中的受体与配体的结合可以引起膜电容的变化，因而直接引起电极电位的变化，故不需要中间介质的传导。

      因此从传感机制上也可以看出，金属-BLM比经典BLM电极能更直接、更快地传导信号。

      3.2  不同直径及新鲜面不同给出方法的不锈钢-BLM电极对K+离子测试数据分析

      通过不同直径及新鲜面不同给出方法的不锈钢-BLM电极对K+离子响应的数据分析，BLM的金属支撑对BLM的K+离子敏感特性的影响主要表现为两个方面。

      (1)支撑金属的新鲜表面状况不一致，造成测量数据分散。用三根直径相同的不锈钢针，用剪切法给出新鲜面，制成不锈钢-BLM电极，对10-3mol／L的K+离子进行测量，发现响应值分散程度较大。电位响应的最大偏差是1.2 mV，响应时间的最大偏差为40 s。同样用三根直径相同的不锈钢针，用水中打磨、活化清洗的方法给出新鲜面，制成电极重复以上测试，其电位响应的最大偏差为0.6 mV，响应时间的最大偏差是30 s。对剪切和打磨给出新鲜面的电极的测量数据进行比较，也有较大差异。若将以上两个测试的电极改用不同直径，没有发现直径对测量的明显影响。

      根据以上现象，用显微镜对不锈钢针的新鲜表面的状况进行了观察，发现剪切法给出的新鲜面很不平整，有裂痕和凹凸，而且每次剪的新鲜表面的状况差别较大，因为人工剪切是无法使新鲜表面平整且一致的。

      从显微镜中也看到打磨给出的新鲜面的状况较剪切要好些，但人工打磨也很难做到给出的每个新鲜表面平整一致，而且打磨的新鲜表面也会因氧化和吸附杂质程度的不同造成差异。比较剪切和打磨给出的新鲜面，其差异更是明显。所以认为新鲜表面状况的不一致，是造成测量数据分散的主要原因，数据的分散程度与新鲜表面的不一致程度相关。

      (2)剪切和打磨给出新鲜面的电极的稳定性有差别。将剪切和打磨给出新鲜面的电极进行稳定性测试，发现剪切给出新鲜面的电极的稳定性较好。把以上两组不同电极浸入10-3mol／L的K+离子溶液中8 h(20℃)，剪切电极漂移值为0.7 mV，打磨电极的漂移值是1.0 mV。

      剪切给出的新鲜表面虽然不平整，但由于剪切是在成膜液中进行的，所以较好地保持了剪切新面的洁净，而新面的裂痕和凹凸又增加了吸附BLM的表面积。经打磨的新面会不同程度的被氧化，另外又难免有杂质的吸附。

      4  结  论

      新鲜表面状况的不一致所造成的测量误差是不能忽略的。缩小这种误差，乃至于可以忽略，还须经过科学的探索，这也是BLM的金属支撑走向应用在技术上需要突破的一个问题。