一種基於納米多孔金-導電聚合物的生物電極的製備方法

2023-05-21 22:36:31 1

專利名稱：一種基於納米多孔金-導電聚合物的生物電極的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種納米多孔金屬基導電聚合物包覆生物酶分子的生物電極的製備方法，可用於血糖、乙醇等的檢測以及生物燃料電池的電極。
背景技術：
基於納米材料的酶生物傳感器，因其具有靈敏度高、準確度高、選擇性好、檢測限低、價格低廉、穩定性好、能在複雜的體系中進行快速、在線連續監測等優點，在生物傳感器領域研究中佔有重要的地位；同時，酶生物燃料電池原料來源廣泛，能夠在常溫常壓和中性溶液環境中工作，是一種可再生的綠色能源，雖然能量密度低，但能夠確保各種袖珍電子裝置的用電，在疾病的診斷和治療、環境保護以及航空航天等領域具有誘人的應用前景。目前碳納米材料(如碳納米管、石墨烯)和金屬納米粒子(尤其金、銀、鉬等貴金屬納米粒子)在生物傳感器中的應用得到了非常廣泛的研究。納米多孔金相對密度小、比表面大、導電率高，且生物相容性好，為酶的固定提供了大量尺寸合適的空隙，將會極大提高傳感器的性能。

發明內容
本發明的目的是提供一種基於納米多孔金-導電聚合物的生物電極的製備方法，該方法具有高靈敏度、高選擇性以及快速響應的特性，並且該方法適用於多種氧化酶電極的構建(如葡萄糖氧化酶、辣根氧化酶等)。本發明採取的技術方案為:一種基於納米多孔金-導電聚合物的生物電極的製備方法，包括步驟如下:( I)製備納米多孔金；(2)配製電聚合溶液，將導電聚合物單體3，4乙烯二氧噻吩、生物酶、表面活性劑、支持電解質高氯酸鋰使用PH為7.0的磷酸緩衝液溶解，濃度組成為:3，4乙烯二氧噻吩10-30mmol L \生物酶 10_50mg ml \表面活性劑 1 -20mmo11, \高氣酸裡 50_500mmolL S通
氮氣除氧；(3)採用循環伏安法對納米多孔金電極進行預活化:以硫酸溶液為電解質，參比電極為飽和甘汞電極，進行伏安掃描，電壓窗口控制在-0.5V到1.5V之間，掃描速度為80-100mV/s 掃描圈數 10-50 圈；(4)電聚合，對預活化後的納米多孔金電極採用循環伏安法掃描，以步驟(2)電聚合溶液為電解質，以銀氯化銀電極為參比電極，電壓窗口控制在OV到1.8V之間，掃描速度為10-200m V s—1，聚合圈數1-10圈。上述步驟(I)中納米多孔金可使用脫合金、陽極氧化、電化學腐蝕等方法製備，本專利中使用對金銀合金進行化學腐蝕，脫合金得到孔徑適合、結構穩定、連續的納米多孔結構。在20°C -35°c之間，用濃硝酸對金銀合金進行自由腐蝕，腐蝕20min — 40min，以製取納米多孔金，將納米多孔金置於玻碳電極上，充分乾燥。
步驟(2)所述的生物酶為葡萄糖氧化酶。所述的表面活性劑為十二烷基硫酸鈉或
者聚乙二醇。步驟(3)所述的硫酸溶液濃度範圍0.1-1M，優選電壓窗口控制在-0.24V到1.5V,掃描速度為IOOmV S-1。上述步驟(4)優選電壓窗口控制在OV到1.5V，掃描速度為為IOOm V s'本發明中步驟(2)電聚合溶液體系使用水系，而非有機溶劑(如本課題組之前申請的用作超級電容器的納米多孔金上生長的導電聚合物使用的是乙腈溶液(申請號CN201210356113.6))，有機溶劑會抑制酶的生物活性。磷酸緩衝液為酶提供適宜的pH值，表面活性劑可以促進親油性的聚合物單體的水溶性，使單體在水相中較好分散，形成散布較好的膠束體系。與現有技術比本發明通過一步聚合生物酶構建生物傳感器的方式方便快捷、酶負載穩定、可控性強，本發明是首次在納米多孔金基底上實現，由於其較高的比表面積可提高酶的負載量，而其特殊的納米多孔結構對聚合條件的要求是異於平板金的，本發明摸索出了一種最佳的路線。本發明傳感器經過調節聚合溶液中導電聚合物單體、生物酶、表面活性劑以及支持電解質的使用比例，控制電聚合參數，得到較佳的傳感性能。以負載葡萄糖氧化酶為例，該生物傳感器專一檢測葡萄糖，檢測電位可低至150mV(參比與飽和甘汞電極)，靈敏度可達至Ij 6.74 μ AmlT1CnT2O


圖1導電聚合物聚合到納米多孔金上SEM圖(左側為聚合2圈，右側為裸多孔金)；圖2納米多孔金電極在硫酸溶液中的活化曲線(取第20圈)；圖3為一步電聚合的循環伏安曲線；圖4為酶傳感器的時間電流曲線以及校正曲線(插圖)。
具體實施例方式下面結合實施例進一步說明。實施例1現以葡萄糖氧化酶為例，闡述實施方案。實驗第一階段，使用脫合金的方法，製備具有30nm直徑的納米多孔金電極。實驗具體步驟:在20°C _35°C之間，用濃硝酸對IOOnm厚的12K金銀合金進行自由腐蝕，腐蝕約20min一40min,以製取納米多孔金。將納米多孔金置於玻碳電極上，充分乾燥一定時間。實驗第二階段，通過一步電聚合的方式構建基於納米多孔金屬的酶電極。實驗具體步驟:I)配製溶液，首先配製一定濃度的電聚合溶液，成分有導電聚合物單體3，4乙烯二氧噻吩20mmol L_\葡萄糖氧化酶30mg ml'表面活性劑為聚乙二醇lmmol L'支持電解質高氯酸鋰IOOmmol L_\使用pH為7.0的磷酸緩衝液IOOmmol L—1溶解,通20分鐘的氮氣。2)採用循環伏安法對納米多孔金電極進行預活化。電解質為硫酸溶液，電壓窗口控制在-0.5V到1.5V(參比電極為飽和甘汞電極)之間的某個區間上(電位區間為-0.2V-+1.6V)，掃描速度為IOOmV s'並注意調節合理的電流精度。3)電聚合，採用循環伏安法，電壓窗口控制在OV到1.8V之間的某個區間上(參比電極為銀氯化銀電極)，掃描速度為IOOm V s'分別選擇聚合不同的圈數以找到最佳聚合量。實驗第三階段，通過電化學方法對酶電極進行評價。實驗具體步驟:在合適的檢測電位(0.15V,參比電極為飽和甘汞電極)下，在濃度ImM的對苯醌的磷酸緩衝液中，連續加入檢測底物葡萄糖(每次加入ImM濃度改變量的葡萄糖)，對溶液通氮氣排出溶氧，得到時間電流曲線及該傳感器的校正曲線(附圖4)。在較優的情況下，該生物傳感器專一檢測葡萄糖，檢測電位可低至150mV (參比與飽和甘汞電極)，靈敏度可達到6.74 μ AmM 1Cm 2。
權利要求
1.一種基於納米多孔金-導電聚合物的生物電極的製備方法，包括步驟如下: (1)製備納米多孔金； (2)配製電聚合溶液，將導電聚合物單體3，4乙烯二氧噻吩(10-3011111101L—1)、生物酶(10-50mg ml—1)、表面活性劑(l-20mmol L—1)、支持電解質高氯酸鋰(50-500mmol L—1)使用PH為7.0的磷酸緩衝液溶解，通氮氣除氧； (3)採用循環伏安法對納米多孔金電極進行預活化:以硫酸溶液為電解質，參比電極為飽和甘汞電極，進行伏安掃描，電壓窗口控制在-0.5V到1.5V之間，掃描速度為80-100mV/s掃描圈數10-50圈； (4)電聚合，對預活化後的納米多孔金電極採用循環伏安法掃描，以步驟(2)電聚合溶液為電解質，以銀氯化銀電極為參比電極，電壓窗口控制在OV到1.8V之間，掃描速度為10-200m V s—1，聚合圈數 1-10 圈。
2.根據權利要求1所述的一種基於納米多孔金-導電聚合物的生物電極的製備方法，其特徵是，步驟(2)所述的生物酶為葡萄糖氧化酶。
3.根據權利要求1所述的一種基於納米多孔金-導電聚合物的生物電極的製備方法，其特徵是，所述的表面活性劑為十二烷基硫酸鈉或者聚乙二醇。
4.根據權利要求1所述的一種基於納米多孔金-導電聚合物的生物電極的製備方法，其特徵是，步驟(3)所述的硫酸溶液濃度範圍0.1-1M，電壓窗口控制在-0.24V到1.5V，掃描速度為IOOmV s'
5.根據權利要求1所述的一種基於納米多孔金-導電聚合物的生物電極的製備方法，其特徵是，步驟(4)電壓窗口控制在OV到1.5V，掃描速度為IOOm V s'
全文摘要
本發明涉及一種基於納米多孔金-導電聚合物的生物電極的製備方法，先製備納米多孔金，將導電聚合物單體3,4乙烯二氧噻吩(10-30mmol L-1)、生物酶(10-50mg ml-1)、表面活性劑(1-20mmol L-1)、支持電解質高氯酸鋰(50-500mmol L-1)使用pH為7.0的磷酸緩衝液溶解，通氮氣除氧配製電聚合溶液，採用循環伏安法對納米多孔金電極進行預活化，然後電聚合。本發明傳感器經過調節聚合溶液中導電聚合物單體、生物酶、表面活性劑以及支持電解質的使用比例，控制電聚合參數，得到較佳的傳感性能。以負載葡萄糖氧化酶為例，該生物傳感器專一檢測葡萄糖，檢測電位可低至150mV，靈敏度可達到6.74μA mM-1cm-2。
文檔編號G01N27/327GK103149258SQ20131006037
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月26日 優先權日2013年2月26日
發明者司鵬超, 肖鑫鑫, 李輝, 王蒙恩 申請人:山東大學