CN102645474B - 同轴纳米纤维构筑三维酶电极表面的方法 - Google Patents

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Abstract

一种同轴纳米纤维构筑三维酶电极表面的方法。将高分子量聚合物与高导向性纳米材料溶于水中作为同轴电纺的内核材料；将具有催化性能的酶或蛋白与高分子量聚合物混合溶于水中作为同轴电纺外壳材料；通过同轴电纺方法将纳米纤维纺制在电极表面；经交联剂交联得到三维酶电极；所述同轴电纺方法的条件为：纺丝电压：8-30kV；液体流速：0.5-2mL/h；纺丝间距：10-100cm。本发明利用同轴电纺技术制备同轴纳米纤维膜电极，在相对简单的步骤下完成酶电极制备，提高酶电极表面酶固化稳定性，改善酶电极响应速度、提高燃料电池输出功率。

Description

同轴纳米纤维构筑三维酶电极表面的方法
技术领域
本发明涉及的是一种酶电极的制备方法。
背景技术
传统的生物传感器和生物燃料电池所用的酶电极多采用滴涂、电化学沉积或者两者相结合的方式来制备。在应用滴涂方式制备修饰电极纳米复合膜的过程中，纳米材料极易团聚，从而影响酶在电极表面的分布和酶在电极表面的取向，进一步影响酶电极综合性能。另一方面，电沉积的应用，使成膜材料在电极表面分布不均匀，而且电极表面的稳定性和可重复性较差。
随着纳米技术的不断发展，静电纺丝技术引起了越来越多研究者的关注。电纺纤维膜具有比表面积高、孔隙小、孔隙率大等优点，使其在组织工程支架、药物释放载体和光电器件等方面具有潜在的应用价值。近几年已有研究者成功的利用静电纺丝技术制备了酶修饰电极。但是，随着酶修饰电极应用的增多也暴露出它的局限性。例如，部分酶在溶于某基体进行电纺后会失去活性，因此不能用于直接电纺含酶纤维膜修饰电极的制备。当在电纺纤维膜表面固定活性酶时，由于部分纤维表面疏水性，固定在纤维膜表面的酶稳定性差，易脱落。若使用交联剂进一步固定酶，又容易因大分子包埋引起酶活性的丧失。因此在应用过程中，酶与电极间电子传递困难、酶易从纤维表面脱落，导致酶电极综合性能提高有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种步骤简单，能提高酶电极表面酶固化的稳定性，改善酶电极响应速度，提高燃料电池输出功率的同轴纳米纤维构筑三维酶电极表面的方法。
本发明的目的是这样实现的：
将高分子量聚合物与高导向性纳米材料溶于水中作为同轴电纺的内核材料；将具有催化性能的酶或蛋白与高分子量聚合物混合溶于水中作为同轴电纺外壳材料；通过同轴电纺方法将纳米纤维纺制在电极表面；经交联剂交联得到三维酶电极；所述同轴电纺方法的条件为：纺丝电压：8-30kV；液体流速：0.5-2mL/h；纺丝间距：10-100cm。
所述具有催化性能的酶或蛋白为血红蛋白、牛血清白蛋白、葡萄糖氧化酶、半乳糖苷酶或碱性磷酸酶。
所述高分子量聚合物聚乙二醇(PEG)。
所述高导电性纳米材料为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管。
所述高导电性纳米材料在使用之前在酸中进行纯化处理。
本发明利用同轴电纺技术制备同轴纳米纤维膜电极，在相对简单的步骤下完成酶电极制备，提高酶电极表面酶固化稳定性，改善酶电极响应速度、提高燃料电池输出功率。
本发明选用同轴电纺构筑三维酶电极表面来进一步提高酶电极综合性能。同轴电纺与一般的单喷头纺丝装置不同，它的喷头由内、外两喷嘴嵌套而成，分别连接在装有不同聚合物的内、外层容器上。实验时可对内外层液体施加相同或不同的高压电场，使从两个同轴但不同直径的喷管中喷出的芯质和表层材料的液体为同心分层流，固化后形成同轴纤维。本发明将具有催化活性的酶的水溶液作为同轴电纺外壳，聚合物与高导电性物质作为同轴电纺内核，可有效解决酶固定的稳定性问题，同时保证酶与待测物的充分接触。另外，具有良好生物相容性高导电物质加入内核中，在与酶充分接触的情况下降低电阻、有效提高电子传输速率，从而提高生物传感器和生物燃料电池的性能。
附图说明
图1为同轴纳米纤维构筑三维酶电极表面的装置示意图。
具体实施方式
图1为同轴纳米纤维构筑三维酶电极表面的装置，其中1为加压口、2为待纺溶液、3为电极、4为密封塞、5为高压电源。
本发明的技术方案为：称取一定量的具有催化性能的酶或蛋白：血红蛋白、牛血清白蛋白、葡萄糖氧化酶、半乳糖苷酶、碱性磷酸酶；高分子量聚合物聚乙二醇(PEG)；高导电性纳米材料：单壁碳纳米管、多壁碳纳米管。碳纳米管是在使用之前需在一定配比的混酸中纯化数小时。将聚合物及高导向性纳米材料溶于水中作为同轴电纺的内核材料，将酶与聚合物混合溶于水中作为同轴电纺外壳材料。通过同轴电纺技术将纳米纤维纺制在电极表面。纺丝电压：8-30kV；液体流速：0.5-2mL/h；纺丝间距：10-100cm。得到电极经交联剂交联若干小时及得到实验所需电极。电极在不用时可存放在4℃冰箱内。
在上面的基本技术方案的基础上，结合实例对本发明的技术方案及效果作进一步描述。但是，所使用的具体方法、配方和说明并不是对本发明的限制。
实施例1：
在制备过程中，以血红蛋白为具有催化活性的酶，聚乙二醇为聚合物基体，碳纳米管为掺杂相以提高内核导电性。其制备过程如下：将0.005g血红蛋白和0.2g聚乙二醇溶于2ml水中作为电纺外壳。将0.2聚乙二醇和0.01g单壁碳纳米管溶解在三氟乙醇中作为电纺内核。通过同轴电纺技术将纳米纤维纺制在电极表面。纺丝电压：12kV；液体流速：1mL/h；纺丝间距：20cm。得到电极经交联剂交联若干小时及得到实验所需电极。
实施例2：
以血清蛋白为具有催化活性的酶，聚乙二醇为聚合物基体，单壁碳纳米管为掺杂相，其它条件同实施例1，可制得同轴纤维膜修饰电极。
实施例3：
以葡萄糖氧化酶为具有催化活性的酶，聚乙二醇为聚合物基体，单壁碳纳米管为掺杂相，其它实验条件同实施例1，可制得同轴纤维膜修饰电极。
实施例4：
改变纺丝电压，其它实验条件同实施例1，可制得纺丝纤维直径不同的纳米纤维膜修饰电极。
实施例5：
其它实验条件同实施例1，改变纺丝时间可得到不同厚度的纳米纤维膜修饰电极。

Claims (1)

1.一种同轴纳米纤维构筑三维酶电极表面的方法，其特征是：将聚乙二醇与单壁碳纳米管或多壁碳纳米管溶于水中作为同轴电纺的内核材料；将具有催化性能的酶或蛋白与聚乙二醇混合溶于水中作为同轴电纺外壳材料，所述具有催化性能的酶或蛋白为血红蛋白、牛血清白蛋白、葡萄糖氧化酶、半乳糖苷酶或碱性磷酸酶；通过同轴电纺方法将纳米纤维纺制在电极表面；经交联剂交联得到三维酶电极；所述同轴电纺方法的条件为：纺丝电压：8-30kV；液体流速：0.5-2mL/h；纺丝间距:10-100cm；
所述单壁碳纳米管或多壁碳纳米管在使用之前在酸中进行纯化处理。
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