一種酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極及其製備與應用的製作方法
2023-05-28 13:17:46 1
本發明屬於電化學酶生物燃料電池領域，具體涉及一種基於聚吡咯的酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極及製備方法與應用。
背景技術：
酶生物燃料電池是採用氧化還原酶作為催化劑催化燃料氧化的生物燃料電池，在陽極產生氫離子和自由電子，陰極利用氫離子和自由電子將過氧化物還原為水，從而完成電子的流動，將化學能轉化為電能。
在酶生物燃料電池應用中，利用各種途徑(如加入納米顆粒、導電聚合物等對酶電極進行修飾)實現酶與電極之間的直接電子傳遞過程是提高輸出功率的重要手段，增加酶催化劑在電極表面的固定量也是提高輸出功率的重要方法，採用各種固定化技術(如利用生物高分子)將酶催化劑固定在電極表面是提高使用壽命的重要途徑。
在現有酶生物燃料電池中，作為催化劑的酶外層自身包裹蛋白質，該蛋白質層不導電，應用到燃料電池中會影響電子直接向外傳導的速率；而且在現有的酶生物燃料電池中，電池性能還會受到某些電活性物質的幹擾；同時現有的酶的吸附量小，吸附不穩定。
技術實現要素：
為了解決以上現有技術的缺點和不足之處，本發明的首要目的在於提供一種具有良好的選擇性、靈敏度和穩定性的基於聚吡咯的酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極，特別是酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極；
本發明的另一目的在於提供上述基於聚吡咯的酶生物燃料電池陽極的製備方法；
本發明的再一目的在於提供上述基於聚吡咯的酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極在製備生物傳感器和/或製備生物燃料電池的應用。
本發明目的通過以下技術方案實現：
一種基於聚吡咯的酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極，以基底電極為中心，由內到外依次是介體層和酶層，介體層的材料為聚吡咯膜，酶層由甘油激酶(GK)水溶液、甘油3-磷酸氧化酶(GPO)水溶液及殼聚糖(CS)的醋酸溶液製備而成。
上述基於聚吡咯的酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極的製備方法，包括以下步驟：
(1)對基底電極進行表面預處理；
(2)在步驟(1)經過預處理的電極表面製備聚吡咯膜；
(3)將甘油激酶水溶液、甘油3-磷酸氧化酶水溶液及殼聚糖的醋酸溶液混合均勻，得複合溶液；
(4)將複合溶液滴加到步驟(2)的製備有聚吡咯膜的電極表面，室溫晾乾，得到酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極。
步驟(1)中所述的表面預處理過程如下：將基底電極的表面依次用直徑為0.3μm和0.05μm的Al2O3粉末拋光成鏡面，再用水衝洗；然後依次在無水乙醇和水中超聲清洗，取出用水洗淨，晾乾，然後置於鐵氰化鉀溶液中(5mMK3Fe(CN)6+0.2M KCl)在0～0.8V下採用循環伏安法掃描進行電極活化處理。
步驟(2)中所述的聚吡咯膜的製備，包括以下步驟：
(a)將吡咯單體進行旋轉蒸發預處理，然後配成吡咯水溶液；
(b)將電極採用循環伏安法在吡咯水溶液中進行電化學聚合，晾乾，得到覆蓋在電極表面的聚吡咯膜。
步驟(a)中所述旋轉蒸發預處理的條件為60～80℃旋轉蒸發1.5～2.5h，經過旋轉蒸發可較好解決吡咯單體放置一定時間後會發生自氧化聚合的問題。
步驟(a)中所述吡咯水溶液中需加入LiClO4，溶液中LiClO4的濃度為0.1M，吡咯的濃度為0.05～0.15M。
步驟(b)中所述電化學聚合的條件為聚合電位為-1～1V，聚合圈數為4～16，掃速為50mV/s。
步驟(3)中所述殼聚糖的醋酸溶液中殼聚糖的質量分數為0.15～0.25％，殼聚糖的醋酸溶液是採用醋酸溶液與殼聚糖配製而成的，所述醋酸的濃度為0.1M。
步驟(3)中所述甘油激酶水溶液的濃度為20～50mg/mL，甘油3-磷酸氧化酶水溶液的濃度為20～50mg/mL。
步驟(3)中所述複合溶液中甘油激酶水溶液、甘油3-磷酸氧化酶水溶液及殼聚糖的醋酸溶液的體積比為1:1:1.
步驟(4)中所述複合溶液滴加量為5～20μL。
上述基於聚吡咯的酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極在製備生物傳感器和/或生物燃料電池中的應用。
本發明的原理：
本發明首先是製備聚吡咯膜，利用該導電聚合物固定酶，提高傳感器的靈敏度，促進酶與電極材料間的電子傳遞；然後，利用殼聚糖的包埋作用，將混合酶包埋起來，有力增加酶催化劑在電極表面的固定量，以利於對底物的催化；最後，取適量混合液滴於已表面預處理的工作電極上，得到修飾後的工作電極，該修飾電極即為所述酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極。
聚吡咯(PPy)在較寬的pH範圍內具有較高導電性、熱穩定性、機械延展性。聚吡咯作為電子轉移媒介體，可改善電極與酶之間的電子傳遞，降低電極的工作電位，消除某些電活性物質的幹擾，可以提高傳感器的靈敏度。
本發明的製備方法及所得到的產物具有如下優點及有益效果：
(1)本發明採用聚吡咯作為轉移電子的酶介體，在較寬的pH範圍內具有較高的導電性和穩定性，可以促進酶與電極材料間的電子傳遞；同時可以降低電極的工作電位，消除某些電活性物質的幹擾，提高所述燃料電池陽極及生物傳感器的反應速度與靈敏度；
(2)本發明利用殼聚糖的包埋作用，將混合酶包埋起來，有力增加酶催化劑在電極表面的固定量，以利於對底物的催化；
(3)本發明所述的檢測甘油的酶生物燃料電池陽極，製備方法簡單且成本較低，反應在室溫中性環境下進行，製備的酶電極催化性能好，具有良好的應用前景。
附圖說明
圖1為實施例1中基底玻碳電極在未聚合吡咯和聚合吡咯兩種不同條件下在鐵氰化鉀溶液中的循環伏安曲線；曲線a為未聚合吡咯的基底玻碳電極的循環伏安曲線(GCE)，b為表面聚合有聚吡咯膜的玻碳電極的循環伏安曲線(PPy/GCE)；
圖2為實施例4製備的酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極滴加不同濃度甘油後在磷酸鹽緩衝溶液中的循環伏安曲線圖，圖中方框內為磷酸鹽緩衝溶液中甘油的添加濃度。
具體實施方式
下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限於此。
實施例1
一種基於聚吡咯的酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極的製備方法，包括以下步驟：
(1)將直徑為3mm的玻碳電極依次用直徑為0.3μm和0.05μm的Al2O3粉末拋光成鏡面，用蒸餾水衝洗，然後依次在無水乙醇和蒸餾水中超聲清洗2min，再將玻碳電極置於10mL鐵氰化鉀溶液中(5mM K3Fe(CN)6+0.2M KCl)在0～0.8V下採用循環伏安法掃描6圈進行電極活化(曲線如圖1(a)所示)，取出用蒸餾水衝洗，室溫晾乾得到預處理的玻碳電極；
(2)將吡咯單體(經70℃旋轉蒸發2h預處理)配製成為0.1M的吡咯溶液(所述吡咯溶液中含0.1M的LiClO4)；採用循環伏安法(聚合電位：-1～1V，聚合圈數：8，掃速：50mV/s)在10mL吡咯溶液中電化學聚合，即可在電極表面得到聚吡咯膜，將電極在室溫下晾乾；
(3)採用0.1M醋酸將殼聚糖配製成質量分數為0.2％的殼聚糖(CS)醋酸溶液，將甘油激酶配製成濃度為30mg/mL的水溶液，將甘油3-磷酸氧化酶配製成濃度為30mg/mL的水溶液，將三種溶液以1:1:1體積比混合得到混合溶液，取5μL混合物滴於步驟(2)的電極表面，在室溫下晾乾，製得甘油催化生物燃料電池陽極。
將步驟(2)的聚合有聚吡咯膜(即聚合吡咯)的玻碳電極置於10mL鐵氰化鉀溶液中(5mM K3Fe(CN)6+0.2M KCl)在0～0.8V下採用循環伏安法掃描6圈，曲線如圖1(b)所示。
本實施例中基底玻碳電極在未聚合吡咯和聚合吡咯兩種不同條件在鐵氰化鉀溶液中的循環伏安曲線如圖1所示；圖1(a)(曲線a)為未聚合吡咯的基底玻碳電極的循環伏安曲線(GCE)，圖1(b)(曲線b)為表面聚合有聚吡咯膜的玻碳電極的循環伏安曲線(PPy/GCE)。從圖1可知，電極修飾聚吡咯膜後出現一對可逆的氧化還原峰，峰間距沒有明顯變化(ΔEp＝92mV)，中間電位(Em)約為0.399V，電流密度Jmax＝788.29μA/cm2。
實施例2
一種基於聚吡咯的酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極的製備方法，包括以下步驟：
(1)將直徑為3mm的玻碳電極依次用直徑為0.3μm和0.05μm的Al2O3粉末拋光成鏡面，用蒸餾水衝洗，然後依次在無水乙醇和蒸餾水中超聲清洗2min，再將玻碳電極置於10mL鐵氰化鉀溶液中(5mM K3Fe(CN)6+0.2M KCl)在0～0.8V下採用循環伏安法掃描6圈進行電極活化，取出用蒸餾水衝洗，室溫晾乾，得到預處理的玻碳電極；
(2)將吡咯單體(經70℃旋轉蒸發2h預處理)配製成為0.1M的吡咯溶液(所述吡咯溶液中含0.1M的LiClO4)；採用循環伏安法(聚合電位：-1～1V，聚合圈數：8，掃速：50mV/s)在10mL吡咯溶液中電化學聚合，即可在電極表面得到聚吡咯膜，將電極在室溫下晾乾，得到表面聚合有聚吡咯膜的電極；
(3)將採用0.1M醋酸將殼聚糖配製成質量分數為0.2％的殼聚糖(CS)醋酸溶液，將甘油激酶配製成濃度為20mg/mL的水溶液，將甘油3-磷酸氧化酶配製成濃度為20mg/mL的水溶液，將三種溶液以1:1:1體積比混合得到混合溶液，取5μL混合溶液滴於步驟(2)的表面聚合有聚吡咯膜的電極表面，在室溫下晾乾，得到酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極。
本實施例酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極的性能測試採用標準三電極體系：將所述修飾後的生物燃料電池陽極與參比電極和對電極組成三電極體系(鉑電極為對電極，銀/氯化銀電極為參比電極)，在室溫下進行電化學試驗，均在10mL磷酸緩衝溶液(0.02M、pH7.0)中進行，測試之前通N2，測試過程中採用循環伏安法，其中空白對照未滴加甘油，測試穩定後滴加100μL甘油。本實施例在甘油濃度為0.99mM時，測試的氧化峰電流密度為76.37μA/cm2。
實施例3
一種基於聚吡咯的酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極的製備方法，包括以下步驟：
(1)將直徑為3mm的玻碳電極依次用直徑為0.3μm和0.05μm的Al2O3粉末拋光成鏡面，用蒸餾水衝洗，然後依次在無水乙醇和蒸餾水中超聲清洗2min，再將玻碳電極置於10mL鐵氰化鉀溶液中(5mM K3Fe(CN)6+0.2M KCl)在0～0.8V下採用循環伏安法掃描6圈進行電極活化，取出用蒸餾水衝洗，室溫晾乾得到預處理的玻碳電極；
(2)將吡咯單體(經70℃旋轉蒸發2h預處理)配製成為0.1M的吡咯溶液(所述吡咯溶液中含0.1M LiClO4)；採用循環伏安法(聚合電位：-1～1V，聚合圈數：8，掃速：50mV/s)在10mL吡咯溶液中電化學聚合，即可在電極表面得到聚吡咯膜，將電極在室溫下晾乾，得到表面聚合有聚吡咯膜的電極；
(3)採用0.1M醋酸將殼聚糖配製成質量分數為0.2％的殼聚糖(CS)醋酸溶液，將甘油激酶配製成濃度為40mg/mL的水溶液，將甘油3-磷酸氧化酶配製成濃度為40mg/mL的水溶液，將三種溶液以1:1:1體積比混合得到混合溶液，取5μL混合物滴於步驟(2)的表面聚合有聚吡咯膜的電極表面，在室溫下晾乾，得到酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極。
本實施例酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極性能測試採用標準三電極體系：將所述修飾後的生物燃料電池陽極與參比電極和對電極組成三電極體系(鉑電極為對電極，銀/氯化銀電極為參比電極)，在室溫下進行電化學試驗，均在10mL磷酸緩衝溶液(0.02M、pH7.0)中進行，測試之前通N2，測試過程中採用循環伏安法，其中空白對照未滴加甘油，測試穩定後滴加100μL甘油。
本實施例在甘油濃度為0.99mM時，測試的氧化峰電流密度為137.64μA/cm2。
實施例4
一種基於聚吡咯的酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極的製備方法，包括以下步驟：
(1)將直徑為3mm的玻碳電極依次用直徑為0.3μm和0.05μm的Al2O3粉末拋光成鏡面，用蒸餾水衝洗，然後依次在無水乙醇和蒸餾水中超聲清洗2min，再將玻碳電極置於10mL鐵氰化鉀溶液中(5mM K3Fe(CN)6+0.2M KCl)進行電極活化在0～0.8V下採用循環伏安法掃描6圈，取出用蒸餾水衝洗，室溫晾乾得到預處理的玻碳電極；
(2)將吡咯單體(經70℃旋轉蒸發2h預處理)配製成為0.1M的吡咯溶液(所述吡咯溶液中含0.1M LiClO4)；採用循環伏安法(聚合電位：-1～1V，聚合圈數：8，掃速：50mV/s)在10mL吡咯溶液中電化學聚合，即可在電極表面得到聚吡咯膜，將電極在室溫下晾乾，得到表面聚合有聚吡咯膜的電極；
(3)採用0.1M醋酸將殼聚糖配製成質量分數為0.2％的殼聚糖(CS)醋酸溶液，將甘油激酶配製成濃度為30mg/mL的水溶液，將甘油3-磷酸氧化酶配製成濃度為30mg/mL的水溶液，將三種溶液以1:1:1體積比混合得到混合溶液，取5μL混合物滴於步驟(2)的表面聚合有聚吡咯膜的電極表面，在室溫下晾乾，得到酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極。
本實施例酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極性能測試採用標準三電極體系：將所述修飾後的生物燃料電池陽極與參比電極和對電極組成三電極體系(鉑電極為對電極，銀/氯化銀電極為參比電極)，在室溫下進行電化學試驗，均在10mL磷酸緩衝溶液(0.02M、pH7.0)中進行，測試之前通N2，測試過程中採用循環伏安法，其中空白對照未滴加甘油，之後每次測試穩定後依次滴加100μL甘油。本實施製備的酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極在滴加不同濃度甘油後在磷酸鹽緩衝溶液中的循環伏安曲線圖如圖2所示。
本實施例在甘油濃度為0.99mM時，測試的氧化峰電流密度為319.28μA/cm2，在甘油濃度為3.85mM時，測試的氧化峰電流密度為442.71μA/cm2。
實施例5
一種基於聚吡咯的酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極的製備方法，包括以下步驟：
(1)將直徑為3mm的玻碳電極依次用直徑為0.3μm和0.05μm的Al2O3粉末拋光成鏡面，用蒸餾水衝洗，然後依次在無水乙醇和蒸餾水中超聲清洗2min，再將玻碳電極置於10mL鐵氰化鉀溶液中(5mM K3Fe(CN)6+0.2M KCl)進行電極活化在0～0.8V下採用循環伏安法掃描6圈，取出用蒸餾水衝洗，室溫晾乾得到預處理的玻碳電極；
(2)將吡咯單體(經70℃旋轉蒸發2h預處理)配製成為0.1M的吡咯溶液(所述吡咯溶液中含0.1M LiClO4)；採用循環伏安法(聚合電位：-1～1V，聚合圈數：4，掃速：50mV/s)在10mL吡咯溶液中電化學聚合，即可在電極表面得到聚吡咯膜，將電極在室溫下晾乾，得到表面聚合有聚吡咯膜的電極；
(3)採用0.1M醋酸將殼聚糖配製成質量分數為0.2％的殼聚糖(CS)醋酸溶液，將甘油激酶配製成濃度為30mg/mL的水溶液，將甘油3-磷酸氧化酶配製成濃度為30mg/mL的水溶液，將三種溶液以1:1:1體積比混合得到混合溶液，取5μL混合物滴於步驟(2)的表面聚合有聚吡咯膜的電極表面，在室溫下晾乾，得到酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極。
本實施例酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極性能測試採用標準三電極體系：將所述修飾後的生物燃料電池陽極與參比電極和對電極組成三電極體系(鉑電極為對電極，銀/氯化銀電極為參比電極)，在室溫下進行電化學試驗，均在10mL磷酸緩衝溶液(0.02M、pH7.0)中進行，測試之前通N2，測試過程中採用循環伏安法，其中空白對照未滴加甘油，之後每次測試穩定後依次滴加100μL甘油。
本實施例在甘油濃度為0.99mM時，測試的氧化峰電流密度為48.87μA/cm2。
實施例6
一種基於聚吡咯的酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極的製備方法，包括以下步驟：
(1)將直徑為3mm的玻碳電極依次用直徑為0.3μm和0.05μm的Al2O3粉末拋光成鏡面，用蒸餾水衝洗，然後依次在無水乙醇和蒸餾水中超聲清洗2min，再將玻碳電極置於10mL鐵氰化鉀溶液中(5mM K3Fe(CN)6+0.2M KCl)進行電極活化在0～0.8V下採用循環伏安法掃描6圈，取出用蒸餾水衝洗，室溫晾乾得到預處理的玻碳電極；
(2)將吡咯單體(經70℃旋轉蒸發2h預處理)配製成為0.1M的吡咯溶液(所述吡咯溶液中含0.1M LiClO4)；採用循環伏安法(聚合電位：-1～1V，聚合圈數：16，掃速：50mV/s)在10mL吡咯溶液中電化學聚合，即可在電極表面得到聚吡咯膜，將電極在室溫下晾乾，得到表面聚合有聚吡咯膜的電極；
(3)採用0.1M醋酸將殼聚糖配製成質量分數為0.2％的殼聚糖(CS)醋酸溶液，將甘油激酶配製成濃度為30mg/mL的水溶液，將甘油3-磷酸氧化酶配製成濃度為30mg/mL的水溶液，將三種溶液以1:1:1體積比混合得到混合溶液，取5μL混合溶液滴於步驟(2)的表面聚合有聚吡咯膜的電極表面，在室溫下晾乾，得到酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極。
本實施例酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極性能測試採用標準三電極體系：將所述修飾後的生物燃料電池陽極與參比電極和對電極組成三電極體系(鉑電極為對電極，銀/氯化銀電極為參比電極)，在室溫下進行電化學試驗，均在10mL磷酸緩衝溶液(0.02M、pH7.0)中進行，測試之前通N2，測試過程中採用循環伏安法，其中空白對照未滴加甘油，之後每次測試穩定後依次滴加100μL甘油。
本實施例在甘油濃度為0.99mM時，測試的氧化峰電流密度為56.18μA/cm2。
性能測試：
圖1是實施例1的基底玻碳電極未聚合吡咯和聚合有聚吡咯膜分別在鐵氰化鉀溶液中(5mM K3Fe(CN)6+0.2M KCl)的循環伏安曲線，電極表面修飾聚吡咯膜後(曲線b)出現一對可逆的氧化還原峰，峰間距沒有明顯變化(ΔEp＝92mV)，中間電位(Em)約為0.399V，電流密度Jmax＝788.29μA/cm2。電流的增大可能歸結於修飾納米複合膜後，增大了電極的有效面積。
圖2是實施例4所得酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極組成標準三電極體系在0.02mo1/L，pH為7.0的磷酸鹽緩衝溶液中，不斷加入甘油得到的循環伏安曲線，其中氧化曲線右端從下到上依次對應的甘油濃度為0mM、0.99mM、1.96mM、2.91mM、3.85mM。隨著甘油濃度的增加，氧化峰逐漸增高，當甘油濃度為0.99mM時，電流密度Jmax＝319.28μA/cm2，當甘油濃度為3.85mM時，電流密度Jmax＝442.71μA/cm2。表明本發明的酶催化甘油氧化的生物燃料電池陽極中的酶可較好的催化溶液中的甘油，產生靈敏的電流響應。
上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其它的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。