CN103149258B - 一种基于纳米多孔金-导电聚合物的生物电极的制备方法 - Google Patents

一种基于纳米多孔金-导电聚合物的生物电极的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于纳米多孔金-导电聚合物的生物电极的制备方法，先制备纳米多孔金，将导电聚合物单体3,4乙烯二氧噻吩（10-30mmol L-1）、生物酶(10-50mg ml-1)、表面活性剂(1-20mmol L-1)、支持电解质高氯酸锂（50-500mmol L-1）使用pH为7.0的磷酸缓冲液溶解，通氮气除氧配制电聚合溶液，采用循环伏安法对纳米多孔金电极进行预活化，然后电聚合。本发明传感器经过调节聚合溶液中导电聚合物单体、生物酶、表面活性剂以及支持电解质的使用比例，控制电聚合参数，得到较佳的传感性能。以负载葡萄糖氧化酶为例，该生物传感器专一检测葡萄糖，检测电位可低至150mV，灵敏度可达到6.74μA mM-1cm-2。

Description

一种基于纳米多孔金-导电聚合物的生物电极的制备方法
技术领域
本发明涉及一种纳米多孔金属基导电聚合物包覆生物酶分子的生物电极的制备方法，可用于血糖、乙醇等的检测以及生物燃料电池的电极。
背景技术
基于纳米材料的酶生物传感器，因其具有灵敏度高、准确度高、选择性好、检测限低、价格低廉、稳定性好、能在复杂的体系中进行快速、在线连续监测等优点，在生物传感器领域研究中占有重要的地位；同时，酶生物燃料电池原料来源广泛，能够在常温常压和中性溶液环境中工作，是一种可再生的绿色能源，虽然能量密度低，但能够确保各种袖珍电子装置的用电，在疾病的诊断和治疗、环境保护以及航空航天等领域具有诱人的应用前景。
目前碳纳米材料（如碳纳米管、石墨烯）和金属纳米粒子（尤其金、银、铂等贵金属纳米粒子）在生物传感器中的应用得到了非常广泛的研究。纳米多孔金相对密度小、比表面大、导电率高，且生物相容性好，为酶的固定提供了大量尺寸合适的空隙，将会极大提高传感器的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于纳米多孔金-导电聚合物的生物电极的制备方法，该方法具有高灵敏度、高选择性以及快速响应的特性，并且该方法适用于多种氧化酶电极的构建（如葡萄糖氧化酶、辣根氧化酶等）。
本发明采取的技术方案为：
一种基于纳米多孔金-导电聚合物的生物电极的制备方法，包括步骤如下：
（1）制备纳米多孔金；
（2）配制电聚合溶液，将导电聚合物单体3,4乙烯二氧噻吩、生物酶、表面活性剂、支持电解质高氯酸锂使用pH为7.0的磷酸缓冲液溶解，浓度组成为：3,4乙烯二氧噻吩10-30mmol L-1、生物酶10-50mg ml-1、表面活性剂1-20mmolL-1、高氯酸锂50-500mmolL-1，通氮气除氧；
（3）采用循环伏安法对纳米多孔金电极进行预活化：以硫酸溶液为电解质，参比电极为饱和甘汞电极，进行伏安扫描，电压窗口控制在-0.5V到1.5V之间，扫描速度为80-100mV/s扫描圈数10-50圈；
（4）电聚合，对预活化后的纳米多孔金电极采用循环伏安法扫描，以步骤（2）电聚合溶液为电解质，以银氯化银电极为参比电极，电压窗口控制在0V到1.8V之间，扫描速度为10-200m V s-1，聚合圈数1-10圈。
上述步骤（1）中纳米多孔金可使用脱合金、阳极氧化、电化学腐蚀等方法制备，本专利中使用对金银合金进行化学腐蚀，脱合金得到孔径适合、结构稳定、连续的纳米多孔结构。在20℃-35℃之间，用浓硝酸对金银合金进行自由腐蚀，腐蚀20min—40min，以制取纳米多孔金，将纳米多孔金置于玻碳电极上，充分干燥。
步骤（2）所述的生物酶为葡萄糖氧化酶。所述的表面活性剂为十二烷基硫酸钠或者聚乙二醇。
步骤（3）所述的硫酸溶液浓度范围0.1-1M，优选电压窗口控制在-0.24V到1.5V，扫描速度为100mV s-1。
上述步骤（4）优选电压窗口控制在0V到1.5V，扫描速度为为100m V s-1。
本发明中步骤（2）电聚合溶液体系使用水系，而非有机溶剂（如本课题组之前申请的用作超级电容器的纳米多孔金上生长的导电聚合物使用的是乙腈溶液（申请号CN201210356113.6）），有机溶剂会抑制酶的生物活性。磷酸缓冲液为酶提供适宜的pH值，表面活性剂可以促进亲油性的聚合物单体的水溶性，使单体在水相中较好分散，形成散布较好的胶束体系。
与现有技术比本发明通过一步聚合生物酶构建生物传感器的方式方便快捷、酶负载稳定、可控性强，本发明是首次在纳米多孔金基底上实现，由于其较高的比表面积可提高酶的负载量，而其特殊的纳米多孔结构对聚合条件的要求是异于平板金的，本发明摸索出了一种最佳的路线。
本发明传感器经过调节聚合溶液中导电聚合物单体、生物酶、表面活性剂以及支持电解质的使用比例，控制电聚合参数，得到较佳的传感性能。以负载葡萄糖氧化酶为例，该生物传感器专一检测葡萄糖，检测电位可低至150mV（参比与饱和甘汞电极），灵敏度可达到6.74μAmM-1cm-2。
附图说明
图1导电聚合物聚合到纳米多孔金上SEM图（左侧为聚合2圈，右侧为裸多孔金）；
图2纳米多孔金电极在硫酸溶液中的活化曲线（取第20圈）；
图3为一步电聚合的循环伏安曲线；
图4为酶传感器的时间电流曲线以及校正曲线（插图）。
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明。
实施例1
现以葡萄糖氧化酶为例，阐述实施方案。
实验第一阶段，使用脱合金的方法，制备具有30nm直径的纳米多孔金电极。
实验具体步骤：
在20℃-35℃之间，用浓硝酸对100nm厚的12K金银合金进行自由腐蚀，腐蚀约20min—40min，以制取纳米多孔金。将纳米多孔金置于玻碳电极上，充分干燥一定时间。
实验第二阶段，通过一步电聚合的方式构建基于纳米多孔金属的酶电极。
实验具体步骤：
1）配制溶液，首先配制一定浓度的电聚合溶液，成分有导电聚合物单体3,4乙烯二氧噻吩20mmol L-1、葡萄糖氧化酶30mg ml-1、表面活性剂为聚乙二醇1mmol L-1、支持电解质高氯酸锂100mmol L-1，使用pH为7.0的磷酸缓冲液100mmol L-1溶解，通20分钟的氮气。
2）采用循环伏安法对纳米多孔金电极进行预活化。电解质为硫酸溶液，电压窗口控制在-0.5V到1.5V(参比电极为饱和甘汞电极)之间的某个区间上（电位区间为-0.2V-+1.6V），扫描速度为100mV s-1,并注意调节合理的电流精度。
3）电聚合，采用循环伏安法，电压窗口控制在0V到1.8V之间的某个区间上(参比电极为银氯化银电极)，扫描速度为100m V s-1。分别选择聚合不同的圈数以找到最佳聚合量。
实验第三阶段，通过电化学方法对酶电极进行评价。
实验具体步骤：
在合适的检测电位（0.15V,参比电极为饱和甘汞电极）下，在浓度1mM的对苯醌的磷酸缓冲液中，连续加入检测底物葡萄糖（每次加入1mM浓度改变量的葡萄糖），对溶液通氮气排出溶氧，得到时间电流曲线及该传感器的校正曲线（附图4）。在较优的情况下，该生物传感器专一检测葡萄糖，检测电位可低至150mV（参比与饱和甘汞电极），灵敏度可达到6.74μAmM-1cm-2。

Claims (3)

1.一种基于纳米多孔金-导电聚合物的生物电极的制备方法，包括步骤如下：
(1)制备纳米多孔金：在20℃-35℃之间，用浓硝酸对金银合金进行自由腐蚀，腐蚀20min—40min，以制取纳米多孔金；
(2)配制电聚合溶液，将导电聚合物单体3,4乙烯二氧噻吩10-30mmol L-1、生物酶10-50mg ml-1、表面活性剂1-20mmol L-1、支持电解质高氯酸锂50-500mmol L-1使用pH为7.0的磷酸缓冲液溶解，通氮气除氧；
(3)采用循环伏安法对纳米多孔金电极进行预活化：以硫酸溶液为电解质，参比电极为饱和甘汞电极，进行伏安扫描，电压窗口控制在-0.5V到1.5V之间，扫描速度为80-100mV/s扫描圈数10-50圈；
(4)电聚合，对预活化后的纳米多孔金电极采用循环伏安法扫描，以步骤(2)电聚合溶液为电解质，以银氯化银电极为参比电极，电压窗口控制在0V到1.8V之间，扫描速度为10-200mV s-1，聚合圈数1-10圈；
所述的生物酶为葡萄糖氧化酶；
所述的表面活性剂为十二烷基硫酸钠或者聚乙二醇。
2.根据权利要求1所述的一种基于纳米多孔金-导电聚合物的生物电极的制备方法，其特征是，步骤(3)所述的硫酸溶液浓度范围0.1-1M，电压窗口控制在-0.24V到1.5V，扫描速度为100mV s-1。
3.根据权利要求1所述的一种基于纳米多孔金-导电聚合物的生物电极的制备方法，其特征是，步骤(4)电压窗口控制在0V到1.5V，扫描速度为100m V s-1。
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