静电纺丝制备的固定酶电极及其方法技术

本发明专利技术公开一种静电纺丝制备的固定酶电极及其方法，属于固定化酶电极技术。所述的酶电极由电极基底、反应层构成，反应层由聚合物的纳米纤维薄膜及膜内氧化还原酶构成，或者反应层由聚合物的纳米纤维薄膜及膜内氧化还原酶和粒径为５～１００纳米电活性金属粒子或碳纳米管构成，或者反应层由聚合物的纳米纤维薄膜及膜内氧化还原酶和电子介体构成。其制备方法包括以下过程：电极打磨，聚合物溶液的配制，配制含有氧化还原酶的聚合物溶液，或向含有氧化还原酶的聚合物溶液中加入钠米金属颗粒或电子介体，将上述溶液用静电纺丝制得酶电极。本发明专利技术的优点在于制备的酶电极活性酶膜面积大，抗干扰能力强，制备方法简单，适用于批量化生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，属于固定化酶电极技术。
技术介绍
固定化酶电极是将具有生物催化作用的酶固定在电极材料表面，从酶催化电极反应产生的电极电位和响应电流得到组分的详细信息。固定化酶电极是生物传感器、生物燃料电池等的关键组成部件。其中生物传感器作为近几十年来出现的一种新型传感技术，在临床诊断、食品和药物分析、环境分析、生物药物开发、工业控制、军事、生物芯片和生物技术等方面均有应用。生物燃料电池可以利用生物体内的有机物作为燃料产生电能，是一种清洁、绿色、纯天然的可再生能源。常见的固定酶电极制备方法主要有包埋、共价键、吸附、交联、静电组装等。包埋法是将酶用凝胶或微胶囊包埋于格状结构或胶囊结构中，方法简便，采用具有良好生物亲和性的凝胶材料使固定酶量多，活性高，电极灵敏度高，但是酶易流失，从而使使用寿命降低；吸附法是利用酶与载体间的范德华力、离子键、氢键等作用力固定酶的方法，可以保留酶的活性，酶结合力强，但是酶的负载量较低，灵敏度低，长期使用会由于解吸附造成灵敏度下降；交联法是使酶与带两个以上的多功能团试剂进行交联反应，生成不溶于水的二维交联聚集体，这种方法是用化学结合的固定酶，结合力强，酶不易流失，但缺点是交联剂降低了酶的活性；静电组装是通过带相反电荷的聚电解质静电相互作用固定酶，方法简单，稳定性好不受基体材料的尺寸限制，可以在分子水平控制膜的组成结构和厚度，适用性广；此外，还有碳糊固定酶电极、导电聚合物固定酶电极等方法。目前市售的生物传感器酶电极均用上述方法制备。如US6，280，587，CN1，186，115主要采用包埋酶的方法制备酶电极；Decher G等用静电自组装形成的高分子聚合物膜固定酶电极(Decher G et.al，Chem.Macromol.Symp.1991，46)。CN1563969A综合了包埋技术、纳米技术，用PEM膜层制备了酶电极。静电纺丝是聚合物溶液或熔体借助于高压静电作用进行喷射拉伸而形成超细纤维的纺丝方法。通过静电纺丝可最终在接收屏上形成纳米级长丝(Z.M.Huang，Y.Z.Zhang，M.Kotaki，et al.，.Comp.Sci.Technol.，2003，632223-2253.)。静电纺丝法可用于超级电容器、聚合物电解质、场效应晶体管等的研制中，也可以用来固定酶。Lili Wu等利用PVA静电纺丝的方法固定化纤维素酶催化纤维素的水解(Lili Wu，Xiaoyan Yuan.，Jing Sheng，.Journal of Membrane Science 2005，250167～173)，Jia等用静电纺丝制备的纳米纤维固定α-糜蛋白酶(Jia HF，Zhu GY et.al，Biotechnol Prog，2002)。Bin Ding等提出用PVA和PAA共纺的方法构筑NH3亲和型传感器(Bin Ding，JinhoKim，Yasuo Miyazaki，.Sensors and Actuators B，2004，101373-380)，但通过静电纺丝的方法固定化酶构筑安培型生物传感器和生物燃料电池尚未见文献报道。通过静电纺丝的方法制备超细纤维同时固定酶，制备的活性酶膜面积大，制备方法简单，适用于批量化生产，在生物传感器及生物燃料电池电极的制备方面将有很现实的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种，该固定酶电极具有活性酶膜面积大，制备过程简单，使用寿命长的特点。本专利技术是通过下述技术方案加以实现的，一种静电纺丝制备的固定酶电极，它由电极基底、反应层构成。其特征在于，反应层由聚合物的纳米纤维薄膜及膜内氧化还原酶构成，或者反应层由聚合物的纳米纤维薄膜及膜内氧化还原酶和粒径为5～100纳米电活性金属粒子或碳纳米管构成，或者反应层由聚合物的纳米纤维薄膜及膜内氧化还原酶和电子介体构成。上述的聚合物的纳米纤维薄膜为聚乙烯醇、明胶、壳聚糖、海藻酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、聚苯胺中的一种或两种以上的纳米纤维薄膜。上述聚合物薄膜的层数为1-3层，每层膜厚度在5～50nm。上述氧化还原酶为葡萄糖氧化酶、乳酸氧化酶、尿酸氧化酶、胆固醇酯酶、胆固醇氧化酶、胆红素氧化酶、乙酰胆碱酯酶、漆酶、辣根过氧化物酶、细胞色素C氧化酶、微过氧化物酶中的一种或两种以上。上述电活性纳米金属粒子为金颗粒、银颗粒、铜颗粒、二氧化硅颗粒中的一种或两种以上，粒径范围在30～80nm。上述电子介体为二茂铁系聚合物、含配位键的锇或钌电活性过渡金属螯合物。上述的生物酶电极的制备方法，其特征在于包括以下过程1)用粒径10-50μm的Al2O3粉在鹿皮上打磨工作电极的下端部分，使之光亮洁净，经二次去离子水反复冲洗后，置于pH＝6.8的磷酸缓冲溶液(PBS)中经循环伏安扫描至稳定。2)用聚乙烯醇、明胶、壳聚糖、海藻酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、聚苯胺中的一种或两种以上，加入去离子水，经水浴加热并搅拌使之完全溶解，搅拌下冷却至室温，制得质量体积比浓度为1％-10％的水溶液。3)向按步骤2)已配制好的溶液中，加入葡萄糖氧化酶、乳酸氧化酶、尿酸氧化酶、胆固醇酯酶、胆固醇氧化酶、胆红素氧化酶、乙酰胆碱酯酶、漆酶、辣根过氧化物酶、细胞色素C氧化酶、微过氧化物酶中的一种或两种以上酶溶液或混合溶液，每毫升溶液加入10～500u。(1)或者向步骤3)配制的含酶溶液中加入含有金颗粒、银颗粒、铜颗粒、二氧化硅颗粒中的一种或两种以上，加入比例为每毫升凝胶溶液中加入10-40μl。(2)或者向步骤3)含酶和金属颗粒的溶液种加入二茂铁系聚合物、含配位键的锇或钌电活性过渡金属螯合物。4)将步骤3)中含有氧化还原酶的溶液或按步骤3)中(1)或步骤3)中(2)配制好的溶液分别注入带有针头(12号，内径0.8mm，长度约为30mm，尖端磨平)的注射器，将注射器固定在注射泵上。以流量为0.1ml/h，电压为10kV，在接收屏上和电极上收集纺丝纤维，纺丝时间为1.5-3h。纺丝结束后置于低温箱中(4℃)备用。5)将纺丝置于浓度为10％-30％的戊二醛溶液的上方，在37℃常压环境下以戊二醛的蒸汽对纺丝纤维进行交联。交联后用去离子水清洗，得到静电纺丝制备的固定酶电极。本专利技术的有益效果在于，1)通过静电纺丝的方法制备的固定酶电极可以将酶和电子介体有效的固定在基片表面，扫描电镜照片表明通过静电纺丝方法得到了固定有酶和电子介体的纳米纺丝纤维膜。2)静电纺丝所得到的酶电极具有更好的响应性能，其响应电流高。通过在纺丝膜中加入电子介体，提高了酶膜的电子传输能力，有利于提高酶电极的抗干扰能力。3)通过静电纺丝的方法制备超细纤维同时固定酶，制备的活性酶膜面积大，制备方法简单，适用于批量化生产，该方法在生物传感器及生物燃料电池电极的制备方面将有很现实的意义。附图说明图1为未加酶的静电纺丝扫描电镜照片，图2为按照实施例1制备的静电纺丝电极电镜照片。从图中可以看到在纺丝纤维上出现了一些呈梭状的突起，这是因为酶的加入，削弱了溶液形成纺丝喷射细流的能力，从而产生了梭形珠。图3中(A)为用聚乙烯醇(PVA)静电纺丝的IR谱图，(B)为用实施例2制备电极的IR谱图。图4中(a)为实施例3与浇铸膜法所得酶电极C-V曲线的比较；(b)实施例3与实施例7所得酶电极的C-V曲线；(c)实施例5酶电极的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种静电纺丝制备的固定酶电极，该酶电极由电极基底、反应层构成，其特征在于，反应层由聚合物的纳米纤维薄膜及膜内氧化还原酶构成，或者反应层由聚合物的纳米纤维薄膜及膜内氧化还原酶和粒径为５～１００纳米电活性金属粒子或碳纳米管构成，或者反应层由聚合物的纳米纤维薄膜及膜内氧化还原酶和电子介体构成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：许鑫华，陈强，刘强，袁晓燕，任光雷，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]