CN100595577C - 一种检测葡萄糖的酶电极的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高灵敏度的检测葡萄糖的酶电极的制备方法。将静电自组装技术制备的普鲁士蓝膜修饰电极作为基底，双层明胶包埋固定葡萄糖氧化酶。由于静电自组装层数可控、双层不同浓度的明胶包埋既保证酶不会泄漏，又保证酶有良好的活性。所以这种酶电极有较高的灵敏度和快速的响应性能，且可以根据实际需要改变组装层数得到不同灵敏度的酶电极。
Description
技术领域
本发明涉及一种酶电极的制备方法，尤其涉及一种高灵敏度的检测葡萄糖的酶电极的制备方法，所制备的电极可以应用于食品或医药卫生中低浓度葡萄糖的检测。
背景技术
自Clark等报道了基于测量O2还原电流的生物传感器以来[Clark L C.[P]USA：3529455，1970]，这一领域得到了广泛、深入的研究，不同类型的氧化酶结合铂电极组成的电流型生物传感器被大量应用于实践。这些生物传感器多是利用直接电化学法检测酶反应的物质或产物且不能检测低浓度的分析物，此外由于测量氧的还原电流时，电流的大小深受Pt电极(或其它贵金属电极)表面状态影响，使得测量的重现性差，因此在目前报道的生物传感器中基于铂电极法测量H2O2氧化电流的酶传感器的应用更加广泛。可以催化过氧化氢的氧化或还原的电化学无机介体如普鲁士蓝(PB)用于氧化酶生物传感器的组装，可以使应用电势大大下降，随之可以避免许多电化学的干扰。基于使用PB修饰电极的葡萄糖传感器的第一个例子是由Karyakin等[Karyakin A.A.，Gitelmacher O.，Karyakina E.E..AAnal.Lett..1994，27(15)：2861-2869.]报道的，其在1995年又继续优化了这个传感器[Karyakin AA，Gitelmacher O V，Karyakina E E.Anal.Chem..1995，67：2419-2423]，这种生物传感器有低的检测限和宽的线性范围。目前，基于PB的传感器的研究其中一个主要的问题就是灵敏度不够。
发明内容
本发明的目的是提供一种高灵敏度的检测葡萄糖的酶电极的制备方法，适用于食品或医药卫生中低浓度葡萄糖的检测，且方法简单易行，具有可控度性，有较高的灵敏度。
本发明的技术方案为：一种检测葡萄糖的酶电极的制备方法，其具体制备步骤如下：
1)将聚阳离子或聚阴离子电解质与酸液配制成离子水溶液，将支撑体电极进行预处理，然后浸入到聚阳离子电解质中，使支撑体电极表面带上正电荷；或者将预处理后的支撑体浸入到聚阴离子电解质中，则支撑体电极表面带上负电荷；
2)将经上述步骤处理后带上正电荷支撑体电极先浸入K4Fe(CN)6和KCl的水溶液或者是K3Fe(CN)6和KCl的水溶液，用N2吹干，再浸入相同浓度的FeCl3和KCl的水溶液或者是(NH4)2Fe(SO4)2和KCl水溶液中，用N2吹干；或者是将处理后带上负电荷支撑体电极先浸入FeCl3和KCl的水溶液或者是(NH4)2Fe(SO4)2和KCl的水溶液中，用N2吹干再浸入相同浓度的K4Fe(CN)6和KCl的水溶液或者是K3Fe(CN)6和KCl的水溶液，用N2吹干；
3)重复步骤2)1-80次，得到聚电解质/普鲁士蓝膜电极；
4)分别配制葡萄糖氧化酶溶液和两种不同浓度的明胶溶液，明胶溶液2的浓度要大于明胶溶液1的浓度；取葡萄糖氧化酶溶液与明胶溶液1混合均匀；移取上述混合溶液均匀滴于步骤3)制得的电极上，置于冰箱中；然后再将处理后的电极表面浸渍到明胶溶液2中后取出，置于冰箱中后取出，得高灵敏度的检测葡萄糖的酶电极。
其中所述的聚阴离子电解质为聚苯乙烯磺酸钠、聚乙烯磺酸盐、硫酸葡聚糖、硫酸软骨素、海藻酸钠、聚丙烯酸钠、聚甲基丙烯酸、肝素或硫酸肝素中的一种或其中任意两种的混合物；所述的聚阳离子电解质为聚烯丙基胺盐、聚联丙烯基二甲基铵氯化物、聚乙烯醇、胶原、壳聚糖、多聚赖氨酸或聚乙烯基亚胺盐酸盐中的一种或其中任意两种的混合物。聚阴离子或聚阳离子电解质与酸液配制成离子水溶液中，聚阴离子或聚阳离子电解质浓度为0.005-0.05mol/L，离子溶液的pH值控制在1-4。
其中所述的支撑体电极为金属电极或玻璃电极。
其中步骤2)的水溶液中K4Fe(CN)6、K3Fe(CN)6、FeCl3或者(NH4)2Fe(SO4)2的浓度为1-500mM，KCl浓度为0.1-0.5M。优选重复步骤2)次数为5-40次，得到聚电解质/普鲁士蓝膜电极。优选步骤2)中的支撑体电极在K4Fe(CN)6和KCl的水溶液或者是K3Fe(CN)6和KCl的水溶液，或者在相同浓度的FeCl3和KCl的水溶液或者是(NH4)2Fe(SO4)2和KCl水溶液中的浸入时间分别为20s-2min。
优选上述步骤4)中配制葡萄糖氧化酶溶液的浓度为100-10000IU/ml，明胶溶液1的质量百分浓度为0.1-1.5％，明胶溶液2的质量百分浓度为2-4％。
其中步骤4)中移取葡萄糖氧化酶溶液与明胶溶液1体积比为1∶10～1∶1000混合均匀。移取混合溶液均匀滴于步骤3)制得的电极上，置于冰箱中2-24小时；然后再将处理后的电极表面浸渍到明胶溶液2中2-60s后取出，置于冰箱中2-24小时后取出，得高灵敏度的检测葡萄糖的酶电极。
支撑体电极的预处理方法参照常见方法，金属电极的预处理优选以下方法：金相砂纸打磨电极表面，打磨至光滑无特殊反光。用抛光粉抛光电极表面。再配制体积比3∶7的H2O2、H2SO4混合溶液，将电极放入其中浸渍2-24h。取出用去离子水冲洗并在60℃下超声清洗10-30min。
将制备的葡萄糖氧化酶电极作为工作电极，以Ag/AgCl电极为参比电极，铂电极为对电极构筑三电极体系，单室电解池持续搅拌，应用CHI660(上海辰华)电化学工作站检测加入不同浓度的葡萄糖后的时间-电流曲线，计算其灵敏度能达到60mA/cm2M左右，响应时间小于20s，在这两方面大大超出目前同类传感器的性能。
有益效果：
本发明是一种基于静电自组装技术结合双层明胶包埋酶固定化方法的酶电极制备工艺。将静电自组装技术制备的普鲁士蓝修饰电极作为基底，双层明胶包埋固定葡萄糖氧化酶。由于静电自组装技术成膜驱动力来源于正负电荷间的静电力作用，他们之间以离子键互相结合，作用力较强，可以通过控制循环交替涂膜的次数来控制膜厚，真正达到从分子水平上对膜材料和膜结构的控制；双层不同浓度的明胶包埋既保证酶不会泄漏，又保证酶有良好的活性，所以所制得的酶电极能够应用于食品工业及医药卫生领域低浓度葡萄糖的检测，且有较高的灵敏度和快速的响应性能，能够改变自组装PB膜的层数改变酶电极的灵敏度以适应不同的需要。本发明方法工艺简单经济，重复性好，可控程度高，响应性能好(如图1和图2所示)
附图说明
图1为所制得的酶电极对不同浓度葡萄糖的响应曲线图，其中横轴代表葡萄糖浓度(单位为1×10-6M)，纵轴代表电流响应强度(单位1×10-7A)。
图2为基于不同层数普鲁士蓝的酶电极对葡萄糖的响应曲线图，其中横轴代表葡萄糖浓度(单位为1×10-6M)，纵轴代表电流响应强度(单位1×10-7A)；■为15层，●为10层，▲为5层。
具体实施方式
实施例1
1)将聚二丙烯基二甲基氯化铵中加入盐酸，配制成聚阳离子溶液，其中聚二丙烯基二甲基氯化铵浓度为0.005mol/L，氢离子浓度为0.1mol/L；
2)将铂电极金相砂纸打磨电极表面，打磨至光滑无特殊反光。用抛光粉抛光电极表面。再配制体积比3∶7的H2O2、H2SO4混合溶液，将电极放入其中浸渍2h。取出用去离子水冲洗并在60℃下超声清洗10min。浸入到聚二丙烯基二甲基氯化铵电解质中10min，使支撑体表面带上正电荷；
3)分别配制FeCl3和KCl的水溶液、K4Fe(CN)6和KCl水溶液，其中的FeCl3、K4Fe(CN)6的浓度为1mM，KCl的浓度为0.1M；
4)将处理后的电极先浸入K4Fe(CN)6和KCl水溶液20s，用N2吹干再浸入FeCl3和KCl水溶液中20s，用N2吹干；
5)重复步骤4)20次，得到聚电解质/普鲁士蓝膜电极；
6)配制100IU/ml的葡萄糖氧化酶溶液，质量分数为0.1％的明胶溶液1和2％的明胶溶液2；
7)取1μl葡萄糖氧化酶溶液与50μl明胶溶液1充分混合均匀。移取上述溶液5μl均匀滴于步骤5)制得得电极上，置于冰箱中12小时；
8)将步骤7)处理后的电极表面浸渍到明胶溶液2中60s后取出，置于冰箱中12小时后取出。
实施例2
1)将聚苯乙烯磺酸钠(PSS)中加入盐酸，配置成聚阴离子溶液，其中聚苯乙烯磺酸钠浓度为0.01mol/L，氢离子浓度为0.01mol/L；
2)将金电极用金相砂纸打磨电极表面，打磨至光滑无特殊反光。用抛光粉抛光电极表面。再配制体积比3∶7的H2O2、H2SO4混合溶液，将电极放入其中浸渍2h。取出用去离子水冲洗并在60℃下超声清洗10min。浸入到PSS电解质中10min，使支撑体表面带上负电荷；
3)分别配制(NH4)2Fe(SO4)2和KCl的水溶液、K3Fe(CN)6和KCl的水溶液，其中(NH4)2Fe(SO4)2、K3Fe(CN)6的浓度为20mM，KCl的浓度为0.2M；
4)将处理后的电极先浸入(NH4)2Fe(SO4)2和KCl水溶液中40s，用N2吹干再浸入K3Fe(CN)6和KCl的水溶液中40s，用N2吹干；
5)重复步骤4)10次，得到聚电解质/普鲁士蓝膜电极；
6)配制5000IU/ml的葡萄糖氧化酶溶液，质量分数为0.5％的明胶溶液1和2.5％的明胶溶液2；
7)取1μl葡萄糖氧化酶溶液与500μl明胶溶液1充分混合均匀。移取上述溶液2μl均匀滴于步骤5)制得得电极上，置于冰箱中24小时；
8)将步骤7)处理后的电极表面浸渍到明胶溶液2中20s后取出，置于冰箱中24小时后取出。
实施例3
1)将聚丙烯酸钠、聚甲基丙烯酸的混合物中加入盐酸，配置成聚阴离子溶液，其中聚丙烯酸钠、聚甲基丙烯酸的总浓度为0.05mol/L，氢离子浓度为0.001mol/L；
2)将ITO玻璃电极首先用丙酮超声清洗30min，再再配制体积比3∶7的H2O2、H2SO4混合溶液，将电极放入其中浸渍24h。取出后用去离子水超声30min，浸入到聚阴离子电解质中10min，使支撑体表面带上负电荷；
3)分别配制(NH4)2Fe(SO4)2和KCl的水溶液、K3Fe(CN)6和KCl水溶液，其中(NH4)2Fe(SO4)2、K3Fe(CN)6的浓度为100mM，KCl的浓度为0.5M；
4)将处理后的电极先浸入(NH4)2Fe(SO4)2和KCl的水溶液40s，用N2吹干再浸入K3Fe(CN)6和KCl的水溶液中40s，用N2吹干；
5)重复步骤4)5次，得到聚电解质/普鲁士蓝膜电极；
6)配制10000IU/ml的葡萄糖氧化酶溶液，质量分数为1.5％的明胶溶液1和4％的明胶溶液2；
7)取1μl葡萄糖氧化酶溶液与1000μl明胶溶液1充分混合均匀。移取上述溶液2.5μl均匀滴于步骤5)制得得电极上，置于冰箱中24小时；
8)将步骤7)处理后的电极表面浸渍到明胶溶液2中2s后取出，置于冰箱中24小时后取出。
实施例4
1)将聚二丙烯基二甲基氯化铵中加入盐酸，配制成聚阳离子溶液，其中聚二丙烯基二甲基氯化铵浓度为0.005mol/L，氢离子浓度为0.1mol/L；
2)将铂电极金相砂纸打磨电极表面，打磨至光滑无特殊反光。用抛光粉抛光电极表面。再配制体积比3∶7的H2O2、H2SO4混合溶液，将电极放入其中浸渍2h。取出用去离子水冲洗并在60℃下超声清洗10min。浸入到聚二丙烯基二甲基氯化铵电解质中10min，使支撑体表面带上正电荷；
3)分别配制FeCl3和KCl的水溶液、K4Fe(CN)6和KCl的水溶液，其中FeCl3、K4Fe(CN)6的浓度为500mM，KCl的浓度为0.5M；
4)将处理后的电极先浸入K4Fe(CN)6和KCl的水溶液中2min，用N2吹干再浸入FeCl3和KCl的水溶液中2min，用N2吹干；
5)重复步骤4)60次，得到聚电解质/普鲁士蓝膜电极；
6)配制10000IU/ml的葡萄糖氧化酶溶液，质量分数为1.5％的明胶溶液1和4％的明胶溶液2；
7)取1μl葡萄糖氧化酶溶液与1000μl明胶溶液1充分混合均匀。移取上述溶液5μl均匀滴于步骤5)制得得电极上，置于冰箱中12小时；
8)将步骤7)处理后的电极表面浸渍到明胶溶液2中2s后取出，置于冰箱中24小时后取出。
Claims (9)
1.一种检测葡萄糖的酶电极的制备方法，其具体制备步骤如下：
1)将聚阳离子或聚阴离子电解质与酸液配制成离子水溶液，将支撑体电极进行预处理，然后浸入到聚阳离子电解质中，使支撑体电极表面带上正电荷；或者将预处理后的支撑体浸入到聚阴离子电解质中，则使支撑体电极表面带上负电荷；
2)将经上述步骤处理后带上正电荷支撑体电极先浸入K4Fe(CN)6和KCl的水溶液或者是K3Fe(CN)6和KCl的水溶液中，用N2吹干，再浸入相同浓度的FeCl3和KCl的水溶液或者是(NH4)2Fe(SO4)2和KCl的水溶液中，用N2吹干；或者是将处理后带上负电荷支撑体电极先浸入FeCl3和KCl的水溶液或者是(NH4)2Fe(SO4)2和KCl的水溶液中，用N2吹干再浸入相同浓度的K4Fe(CN)6和KCl的水溶液或者是K3Fe(CN)6和KCl的水溶液，用N2吹干；
3)重复步骤2)1-80次，得到聚电解质/普鲁士蓝膜电极；
4)分别配制葡萄糖氧化酶溶液和两种不同浓度的明胶溶液，明胶溶液2的浓度要大于明胶溶液1的浓度；取葡萄糖氧化酶溶液与明胶溶液1混合均匀；移取上述混合溶液均匀滴于步骤3)制得的电极上，置于冰箱中；然后再将处理后的电极表面浸渍到明胶溶液2中后取出，置于冰箱中后取出，得高灵敏度的检测葡萄糖的酶电极。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是所述的聚阴离子电解质为聚苯乙烯磺酸钠、聚乙烯磺酸盐、硫酸葡聚糖、硫酸软骨素、海藻酸钠、聚丙烯酸钠、聚甲基丙烯酸、肝素或硫酸肝素中的一种或其中任意两种的混合物；所述的聚阳离子电解质为聚烯丙基胺盐、聚联丙烯基二甲基铵氯化物、聚乙烯醇、胶原、壳聚糖、多聚赖氨酸或聚乙烯基亚胺盐酸盐中的一种或其中任意两种的混合物。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于聚阴离子或聚阳离子电解质与酸液配制成离子水溶液中，聚阴离子或聚阳离子电解质的浓度为0.005-0.05mol/L，离子溶液的pH值控制在1-4。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是所述的支撑体电极为金属电极或玻璃电极。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于重复步骤2)次数为5-40次，得到聚电解质/普鲁士蓝膜电极。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤2)的水溶液中K4Fe(CN)6、K3Fe(CN)6、FeCl3或者(NH4)2Fe(SO4)2浓度为1-500mM，KCl浓度为0.1-0.5M。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤2)中的支撑体电极在K4Fe(CN)6和KCl的水溶液或者是K3Fe(CN)6和KCl的水溶液，或者在相同浓度的FeCl3和KCl的水溶液或者是(NH4)2Fe(SO4)2和KCl水溶液中的浸入时间分别为20s-2min。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤4)中葡萄糖氧化酶溶液的浓度100-10000IU/ml，明胶溶液1的质量百分浓度为0.1-1.5％，明胶溶液2的质量百分浓度为2-4％的。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤4)中移取葡萄糖氧化酶溶液与明胶溶液1体积比为1∶10～1∶1000混合均匀。
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