CN103828112A - 包括含有有机金属的自组装性高分子聚合物的电极及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含有可交联有机金属高分子聚合物的生物电极以及其制备方法，更具体地说，涉及一种控制了有机金属的纳米结构的电极以及其制备方法，从而使其可用于生物燃料电池以及生物传感器等。根据本发明的电极包括有机金属，还包括自组装性嵌段共聚物和酶，并提供生物燃料电池和生物传感器的用途。

Description

包括含有有机金属的自组装性高分子聚合物的电极及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种含有可发生交联的有机金属高分子聚合物的生物电极以及其制备方法，更具体地说，涉及一种控制了有机金属的纳米结构的电极以及其制备方法，从而使其可用于生物燃料电池以及生物传感器等。

背景技术

几十年来，对有效的酶生物燃料电池的研究一直被当做重要的研究课题而受瞩目，其目的是为了将其作为生物医学仪器、微型芯片系统以及可携带电子仪器的能源使用。

使用醇类（alcohols），糖（glucose）等生物质（biomass）产电的生物燃料电池，由于其环保以及可持续的性质而备受瞩目。然而此类生物燃料电池的缺点为与其它能源相比，具有较低的电力密度（powerdensity）。

引起上述缺点的最主要的原因是存在于酶结构内的氧化-还原活性部位（redox active site），以保持酶的稳定性为由，隐藏于结构内部，从而导致氧化还原反应和电子传递速率的降低。而较低的电子传递和较慢的氧化-还原反应是为了实现生物医学设备的小型化而构建能源系统的过程中最大的障碍。

因此，在为提高生物燃料电池的电力密度方面进行了各种研究。被称为直接电子传递（direct electron transfer）的方法是在提升上述电力密度的研究中，最为广泛的研究方法，其是通过将酶的催化活性部位调节至电极表面的电子隧穿距离（electron tunneling distance）之内而实现的。因此，电子介质材料在从酶的催化活性部位至电流收集器的运输中起到帮助电子传递的作用而备受瞩目。因此，近几年对于具有电子介质能力的多种物质的研究非常活跃，并提出了大量的研究报告。上述物质包括基于纳米碳的物质、氧化-还原活性高分子聚合物、辅助继电器（cofactor relay）及金属纳米粒子等。

并且，为了提升电极的稳定性，提升电子介质材料存在时的电流密度，就必须在电极上进行酶固定。因此，大部分对于电子介质材料的研究，是关于在电子介质材料所结合的电极表面上与酶的电结合方面的研究。

从实现上述制备的角度出发，碳纳米管（carbon nanotube）由于具有宽的比表面积，以及优异的电化学性质而受到关注。然而碳纳米管存在制备较大面积的电极时，不进行化学修饰则无法阻止碳纳米管聚集（aggregation）的缺点，上述化学修饰用于碳纳米管的排列。

并且，也有很多关于氧化-还原活性高分子聚合物方面的研究。已知多种有机金属高分子聚合物在通过氧化-还原反应传递电子方面作为有效的物质。其中，已知调节氧化-还原部分的浓度和氧化-还原电位，多个化学链接器（linker）和氧化-还原高分子聚合物的功能化（functionalization），对于调节电子传递速率具有重要的影响。

并且，SONY公司申请的PCT/JP2003/009480中，公开了利用多种酶或者复合酶制备最适燃料电池的方法。

然而，目前缺乏通过调节上述氧化-还原高分子聚合物的形态，改善电子传递性能的研究，因此，需要更为有效、稳定的具有新型结构的氧化-还原高分子聚合物。

发明内容

本发明要解决的技术问题

本发明的目的在于，提供一种具有高的电流密度和稳定性的新型结构的氧化-还原高分子聚合物。

本发明的另一目的在于，提供一种由酶和氧化-还原高分子聚合物构成的，具有高的电流密度和稳定性的新型结构的电极。

本发明的又一目的在于，提供调节氧化-还原高分子聚合物形态的方法。

本发明的再一目的在于，提供一种新型形态的生物燃料电池。

技术方案

本发明电极的特征为，包括含有有机金属的自组装性嵌段共聚物和酶。

本发明的燃料电池包括下述电极，该电极包括含有有机金属的自组装性嵌段共聚物和酶。

本发明中，所述酶利用生物质产生电子，而生成的电子通过有机金属传递。所述酶可根据产生电子的机制，使用公知的多种酶，且优选根据燃料选择最适合的酶。例如可为葡萄糖脱氢酶、电子传递领域的一系列酶、三磷酸腺苷合成酶、与糖代谢有关的酶（例如，己糖激酶、葡萄糖磷酸异构酶、磷酸果糖激酶、果糖二磷酸醛缩酶、丙糖磷酸异构酶、磷酸甘油醛脱氢酶、磷酸甘油酸变位酶、磷酸丙酮酸水合酶、丙酮酸激酶、L-乳酸脱氢酶、D-乳酸脱氢酶、丙酮酸脱氢酶、柠檬酸合成酶、顺乌头酸酶、异柠檬酸脱氢酶、2-酮戊二酸脱氢酶、琥珀酰辅酶A合成酶、琥珀酸脱氢酶、苹果酸酶（fumaraze）、丙二酸脱氢酶等）等公知的酶，如果是葡萄糖，则可组合葡萄糖氧化酶。

在本发明的燃料电池中，除了葡萄糖等糖类之外，还可利用乙醇等醇类、脂肪类、蛋白质、糖代谢的中间产物等有机酸（葡萄糖-6-磷酸、果糖-6-磷酸、果糖-1,6-双磷酸、丙糖磷酸异构酶、1,3-双磷酸甘油酸、3-磷酸甘油酸、2-磷酸甘油酸、磷酸烯醇式丙酮酸、丙酮酸、乙酰辅酶A、柠檬酸、顺乌头酸、异柠檬酸、草酰琥珀酸、2-氧化戊二酸、琥珀酰辅酶A、琥珀酸、苹果酸、L-苹果酸、草酰乙酸等）、以及它们混合物等作为燃料。其中，优选使用葡萄糖、乙醇、糖代谢中间产物等。特别地，由于葡萄糖为极其容易获得的材料，因此为优选的燃料。

本发明中，所述有机金属只要是能够通过所述酶，传递生成的电子的导电性金属即可，无特别的限制。

本发明中，所述嵌段共聚物为至少一部分发生交联的嵌段共聚物、优选包括交联性嵌段。所述交联性嵌段可为包含至少一种以上的双键等不饱和基团的嵌段，可通过锇（Os）等金属相互交联。

本发明中，所述嵌段共聚物通过自组装过程，金属原子可形成无定形的双重连续结构、结晶形态的纳米线、纳米粒子形态。优选具有无定形的双重连续结构，从而提高交联的嵌段共聚物与混合的酶的接触。所述无定形双重连续结构是指如图1所示的形态，可以以几个金属区域通过带

相互连接的形态表示。

本发明中，所述嵌段共聚物可根据分子量、溶剂的种类、与溶剂的亲和力等因素的不同，而改变组装形态。

在本发明的优选实施方式中，所述嵌段共聚物可由下述通式表示，优选为聚(二茂铁二甲基硅烷-b-异戊二烯）。

其中，x和y是聚合度；R₁和R₂独立地为氢或碳数为1至30的烷基、酰基或烷氧基；而各嵌段的分子量为0.1-500kg/mol，优选为1-100kg/mol。

本发明中，所述酶与自组装性嵌段共聚物一同被制备为溶液形态，后进行涂覆，从而形成涂覆膜。所述涂覆膜优选具有1-50μm的厚度范围；而所述酶在整个涂覆膜中所占的比例为1-50重量%，优选约为5-45重量%，最优选为30重量%。

一方面，在本发明中，提供以无定形的双重连续结构或者纳米粒子形态自组装的，包含导电性有机金属嵌段的嵌段共聚物。

一方面，在本发明中，提供一种生物燃料电池，其特征为，其利用包括含有有机金属的自组装性嵌段共聚物和酶的电极产生电流。所述生物燃料电池是将糖（例如，葡萄糖）或者醇类利用酶进行反应从而产生电流的燃料电池。

另一方面，在本发明中，提供，可测定葡萄糖等糖的浓度的一种生物传感器，其包括电极，所述生物传感器可利用包括含有有机金属的自组装性嵌段共聚物和酶的电极产生电流。

并且，本发明还涉及与以纳米大小自组装的氧化-还原高分子整合（integrated）的酶的电化学特征。

在本发明的优选实施例中使用的酶是葡萄糖氧化酶（glucoseoxidase（GOx）），而使用含有聚(二茂铁二甲基硅烷）（poly（ferrocenyldimethylsilane））的有机金属嵌段共聚物作为电子介质材料。在本发明中，含有二茂铁（Fc）的嵌段共聚物的合成与此高分子聚合物的自然自组装部分为了提升酶的黄素腺嘌呤二核苷酸（flavinadenine dinucleotide（FAD））辅因子和电极表面之间的电子传递速率而使用，并且调节聚(二茂铁二甲基硅烷-b-异戊二烯）（PFDMS-b-PI）嵌段共聚物与PFDMS-b-PI嵌段共聚物的分子量和溶剂的百分浓度（frction）而合成双重连续结构、纳米线、纳米粒子等其它形态的结构，并通过PFDMS-b-PI纳米结构的变化使得催化电流的特性发生大的改变。使用双重连续结构的PFDMS-b-PI作为电子介质材料时，与使用其它形态的材料相比，可获得提升了2-50倍的电流密度。并且，使利用锇（Os）键的PI链发生交联键合时，在生理学条件下制备的电极的稳定性将增加。

本发明的一实施例，可作为利用电极的葡萄糖生物传感器使用，并可应用于体内植入型生物微型设备（bio-micro devices）中。

有益效果

本发明中制备了可与酶发生交联键合的纳米结构的由有机金属嵌段共聚物构成的功能性电极，可提升酶的电子传递速率，并可通过交联键合提高电极的稳定性。并且，本发明还公开了通过调节以氧化-还原高分子聚合物为基础的电子介质材料的形态，从而决定酶生物燃料电池的电化学性质的方法。

附图说明

图1通过透射电子显微镜（TEM）的图像，显示了在不同混合溶剂中PFDMS-b-PI嵌段共聚物的结构的图片。

图2为利用聚焦电子束-透射电子显微镜（FIB-TEM），测定了由具有纳米线结构的PFDMS-b-PIos和GOx构成的电极的图片。

图3为通过扫描电子显微镜实验所观测的包括双重连续结构的PFDMS-b-PIos的电极结构的图片。

图4是为确认在电极中电子介质的效果随着高分子聚合物结构的变化如何改变，而利用葡萄糖浓度对循环电压电流进行测定的图片。

图5是在生理学条件下，边添加葡萄糖，边测定电流的图片。

图6是表示以高分子聚合物的纳米线结构为基础，以GOx与PFDMS-b-PI作为介质材料而构成的功能性电极的制备过程的图片。

具体实施方式

实施例

1,1’-二甲基硅烷基二茂铁环蕃单体（1,1’-dimethylsilylferrocenophane monomer）的合成

含有二茂铁的单体，即1,1’-二甲基硅烷基二茂铁环蕃单体是通过硅烷（silane）和被锂化的二茂铁（lithiated ferrocene）的偶联合成的。上述方法由Manner研究团队提出，在本发明中作为本发明参考文献而被引用。合成的单体在真空条件下，经过升华和重结晶过程进行精制。

PFDMS-b-PI的合成

具有不同分子量的PFDMS-b-PI嵌段共聚物是通过依次的阴离子聚合反应合成的。PI的前体物质的合成是使用精制的苯作为溶剂，使用仲丁基锂（s-butyllithium）作为引发剂而实施的。合成好具有所需的分子量的PI链后，将事先测定好质量，并经过精制的1,1’-二甲基硅烷基二茂铁环蕃单体添加到手套箱中的反应器内。之后使反应器成为真空管路，完全去除气体。将少量精制的四氢呋喃（THF）溶剂，在反应器内进行蒸馏，从而提升1,1’-二甲基硅烷基二茂铁环蕃单体的聚合速率。聚合结束后，反应溶液的颜色从红色变为棕色。聚合反应至少进行6个小时以上，之后通过异丙醇（isopropanol）终止反应。在终止反应中，溶液的颜色重新从棕色变为红色。利用己烷对PFDMS-b-PI嵌段共聚物进行沉淀，对合成出的嵌段共聚物的多分散指数（polydispersity indices）进行测定，测定结果为1.08。

电极的制备

利用黑曲霉（Aspergillus niger）获得的葡萄糖氧化酶（～200U/mg）购自西格玛奥德里奇（Sigma-Aldrich）。为制备由GOx和嵌段共聚物构成的功能性电极，准备了将60μM的GOx水溶液和多种溶剂混合的1重量%的PFDMS-b-PI溶液。之后将各个溶液均匀地进行混合，后立即通过滴涂法（drop coating）将其喷射到多孔性碳电极上。利用真空烘箱去除所有溶剂后，将电极暴露于四氧化锇（OsO4）蒸气中，暴露约3小时。之后利用蒸馏水（Milli-Q Water）进行洗涤之后，在PBS缓冲溶液中保存待用。

电化学实验

循环伏安法（Cyclic Voltammetry，CV）实验通过EG&G PAR273装置进行记录，并且利用将铂纱布作为相对电极，使用银/氯化银电极作为基准电极的3电极系统进行测定。其中，在此出现的所有电位是以银/氯化银作为基准电极而获得的。工作电极是根据本发明制备的多孔性碳电极。所有的实验，均是利用PBS缓冲溶液（pH7.4），在常温、常压、空气条件下进行的。通过仅利用PBS缓冲溶液测定的对照实验，可获得没有特征的平滑的CV结果。所有的电化学实验均使用20个以上的电极反复进行，且显示的结果是对于最具代表性的20mV/s扫描速度的结果。为了结果的稳定性，删除第一个循环中测定的结果，从下一个循环的结果开始记录。

形态特征分析

制备出的电极表面结构，通过轻敲模式（tapping mode）的原子力显微镜（AFM）进行观察，而所有的测定均是在10度的相位差内进行的。通过滴涂法准备在混合溶液中占1重量%的PFDMS-b-PI嵌段共聚物，作为透射电子显微镜（TEM）的测定样品。并且，在测定之前利用OsO₄蒸气对嵌段共聚物进行染色（stainning），从而提升Fc部分和PI链部分的电子衬比（electron contrast）。使用的显微镜为ZeissLIBRA200FE显微镜，在-160℃条件下，以200kV的能量，利用欧米茄能量滤器（Omega energy filter）进行测定。铁元素分布图，以709eV（铁的L能级），利用三窗法（three-window）进行测定。聚焦离子束蚀刻的TEM样品（横截面（cross-sectional）的FIB-TEM）是利用FEI层235双光束FIB（FEI Strata235Dual beam FIB）制备，使用了30kV的能量，并且为了保护表面在四氧化钌（RuO₄）蒸气下暴露10小时。蚀刻的样品的图像通过JEOL3010显微镜，以200kV的能量进行测定。

电导率的测定

PFDMS-b-PI嵌段共聚物的电导率是在手套箱内，通过交流阻抗谱法（AC impedance spectroscopy）进行测定。水平方向（through-plane）的电导率使用直接制备的1.15cm×2cm大小的铂电极作为工作电极和相对电极。获取结果是利用1260Solatron阻抗分析仪，在10-100,000Hz范围内进行收集的。

PFDMS-b-PI嵌段共聚物的特性分析

通过依次的阴离子聚合反应合成含有与锇具有反应性的二烯链和二茂铁（Fc）的嵌段共聚物PFDMS-b-PI。获得了两种不同的PFDMS-b-PI，其分子量分别为10.4-8.0kg/mol以及69.0-92.0kg/mol。前述化学式表示PFDMS-b-PI嵌段共聚物的化学结构，x与y分别表示各链的聚合度。嵌段共聚物中含有Fc的PFDMS链具有进行氧化-还原反应的能力，而高分子聚合物内的Fc显示的电化学性质与小Fc分子具有相同的性质。

图1b至e是通过TEM图像，显示在不同混合溶液中PFDMS-b-PI嵌段共聚物的结构的图片。可确认PFDMS-b-PI嵌段共聚物根据不同的分子量和混合溶剂的百分浓度，具有不同的纳米结构。例如为小分子量的PFDMS-b-PI（10.4-8.0kg/mol）时，在甲苯和己烷的混合溶液（20/80体积%）中，具有200nm大小的双重连续结构（图1b至c），并且图1c利用铁元素分布图，可确认图1b中显示较为暗的部分是含有丰富的铁的部分。与此相反，在THF和己烷的混合溶液（20/80体积%）中，显示出了几微米长度的纳米线形态的其它结构，观测到的上述纳米线的直径为20nm。其可用溶解度参数（solubility parameter）进行说明，但并不仅限于此，具体地说，PFDMS的溶解度参数（18.6MPa^1/2）具有与甲苯（18.3MPa^1/2）和THF（18.5MPa^1/2）的溶解度参数相似的值，而PI（16.2MPa^1/2）的溶解度参数具有与己烷（14.9MPa^1/2）相似的值。并且，还可确认根据选择不同的溶剂（甲苯和THF），PFDMS的类晶体性质的作用也不同。

相反，在THF和己烷的混合溶液（20/80体积%）中，利用大分子量的PFDMS-b-PI（69.0-92.0kg/mol）制备溶液时，获得了60nm大小的均一的纳米粒子。并且，还确认了当溶液中的THF与己烷的比例变为25/75体积%时，可获得不均一的，且直径大小为40nm的较短的纳米线结构。这说明纳米粒子结构仅在非常窄的THF/己烷百分浓度范围内，才能稳定存在。

如上所述的具有纳米结构的PFDMS-b-PI有机金属嵌段共聚物可有效用于从GOx/葡萄糖的氧化-还原反应传递电子至电极。图6表示由GOx与PFDMS-b-PI介质材料构成的功能性电极的制备过程。为了便于说明，图6是以高分子聚合物的纳米线结构作为基础表示的。制备均一的GOx溶液和PFDMS-b-PI嵌段共聚物溶液，在多孔性碳电极上进行滴涂。涂覆的薄膜的厚度从1至50μm不等，发明人通过测定最大电流密度，探索出了最适的厚度。最大催化电流时，在30重量%的GOx浓度下可被测定，而酶的浓度超过50重量%时会发生沉淀现象。

本发明中，作为辅助高分子聚合物使用的PI链中乙烯基提供交联键合的位置，而为了进行化学交联，将其暴露于OsO₄蒸气中3小时以上时，OsO₄的Os与烃形成共价键，从而形成交联键。以下，将制备的介质材料高分子聚合物称为PFDMS-b-PIos。结束Os着色后，利用蒸馏水进行洗涤，去除未固定的GOx。未用Os进行涂覆的电极在生理学环境下非常不稳定。最后，为了Fc部分的活性，连接氧化电位。活化后Fc部分具有正电荷，因此可与GOx的负电荷发生更强的结合。

制备的功能性电池的结构分析

制备的电极的结构利用FIB、TEM以及SEM进行观测。图2是通过FIB-TEM测定由具有纳米线结构的PFDMS-b-PIos和GOx构成的电极的图片。FIB-TEM实验中，为了使实验过程中电子束的妨碍作用降至最小化，故用钌（Ru）在电极表面处理后再进行观察。如图2所示，可确认在电极上，PFDMS-b-PIos介质材料和GOx酶具有混合（intrmixing）结构和内部贯通（interpenetraion）结构。此类层的厚度为100-200nm，其相当于基板下面的部分。通过放大的内部插图附图，可确认附图中可观察到具有20nm直径的纳米线结构，且还可确认附图中可观察到在内部混合结构中，以40-80nm大小聚集的GOx酶。说明即使是在极低温（-160℃），以及较低的剂量率（dose rate）

的实验条件下，但其对于电子束也非常不稳定。代表例作为其它对比，表示于白色内部的插图中。

利用扫描电子显微镜实验对包括双重连续结构的PFDMS-b-PIos的电极的结构进行观察。如图3a所示，在制备的电极的上面部分可确认如图1b中所显示的双重连续结构的形态。观察电极的横截面，可确认，即使存在固定GOx的保护膜，仍以多孔性形态构成，使得葡萄糖和酶仍可充分的接触。并且，为了确认电极下面部分的形态，在液氮中截断电流集电器和GOx/PFDMS-b-PIos之间的接触面。如图3b所示，可确认仍可观察到双重连续结构，这说明PFDMS-b-PIos高分子聚合物在电极表面和电极内部均存在。然而具有双重连续结构的高分子聚合物的大小为（200nm），其相比于一般电极物质的厚度（80-120nm）更大，因此在横截面的FIB-TEM中，清楚地确认其结构具有一定的困难。

向由GOx/PFDMS-b-PIos介质材料构成的功能性电极进行葡萄糖氧化

为了得知通过PFDMS-b-PIos网状结构固定并排列的GOx的效率，首先利用循环伏安法（CV）测定电极的特征。在电极内，将Fc部分的浓度固定为2mM，并以20mV/s的较低的扫描速率进行测定。如图4a所示，不存在GOx时，以银/氯化银（Ag/AgCl）电极作为基准，可确认在Fc的电化学电化学电位（420mV-550mV）的范围内可观察到明显的电流变化。从已知的Fc的标准还原电位（E⁰=400mV）进行推导，可知这种变化是非常合理的。而在混有GOx的电极中可确认其它氧化-还原反应。氧化与还原峰的位置为390mV、-80mV，并可清楚地确认之前存在的420mV的还原峰消失。发明人认为氧化峰的变化（从550mV变为390mV）是由于GOx提供的极性环境使得Fc溶剂化发生了改变。发明人还认为420mV的还原峰的消失是由于Fc+状态的电子以下述形态移动至GO（FAD）物质所引起的。Fc反复进行从重新发生氧化，至转变成Fc+状态的过程。

GO（FADH₂）+2Fc⁺-＞GO（FAD）+2Fc⁰+2H⁺

已非常清楚的知道FAD的标准还原电位为-180mV，而发明人认为上述电极的电化学改变是由于GOx成功地结合于PFDMS-b-PIos高分子聚合物网状结构内，与Fc部分发生有效的相互作用，从而获得酶活性而引起的。并且，发明人未发现锇的氧化-还原反应（Os（III）/OS（II）），其被认为是由于锇部分仅对局部的浓度发生敏感的作用。

为确认电极中电子介质的效果是怎样随着高分子聚合物结构的变化而改变，利用葡萄糖的浓度进行循环伏安的测定。使用纳米线结构的PFDMS-b-PIos高分子聚合物作为电子介质材料时，如图4b所示，其是通过在PBS缓冲溶液中添加葡萄糖而进行测定的。从附图中可确定，仅添加1.3mM的葡萄糖，氧化-还原电流峰的大小也增加40%。随着葡萄糖浓度的增加，氧化、还原电流的峰的大小也不断增加，持续至葡萄糖的浓度为60mM。内部插图是表示根据不同的葡萄糖浓度的-80mV的还原电流值的曲线图，而AFM图像则显示制备的电极的表面结构。

根据PFDMS-b-PIos介质材料结构的不同，电极的氧化-还原过程显示出很大的变化。如果PFDMS-b-PIos高分子聚合物的结构，变成如图4c所示的双重连续结构时，可获得与纳米线类似形态的氧化-还原曲线。然而，将流过约相当于两倍的峰电流，其可在60mM葡萄糖浓度下，在-150mV的位置显示出550μA/cm²。此类现象可解释为具有双重连续结构的PFDMS与被封闭的GOx，通过较大的表面积进行接触，从而导致电子传递速率增加所致。并且，进行75次以上的氧化-还原循环时，峰电流显示出了与高分子聚合物的结构无关的低于2%的减小，从而可知其以非常稳定的状态存在。

图4d是以高分子聚合物的形态，对混合有GOx和PFDMS-b-PIos高分子聚合物的电极的电流密度进行整理的图片。用具有8mM葡萄糖浓度的特定CV结果表示，其是与人血液中的葡萄糖浓度相似的浓度。对纳米线、纳米粒子以及双重连续结构进行比较，其中构成双重连续结构的PFDMS显示出与GOx的最优异的氧化-还原反应，其为双重连续结构的还原峰相比于纳米线结构的还原峰向左移提供了充分的根据。但有趣的是，如图4d所示，如果是具有纳米粒子结构的高分子聚合物的情况下，氧化-还原反应仅显示出几乎可以忽视的低值，其可解释为PFDMS高分子聚合物以孤立的圆形状态存在，使得与GOx或者葡萄糖的接触非常困难。因此，通过上述实验可确认决定系统电子密度的功能性电极的能力很大程度上取决于氧化-还原嵌段共聚物的结构。

使用仅利用具有双重连续结构的PFDMS-b-PIos嵌段共聚物制备的电极，通过循环伏安法测定电极的电流。测定结果显示，与利用相同分子量，制备成相同厚度的纳米线结构的PFDMS-b-PIos嵌段共聚物相比，其结构为双重连续结构时，可获得两倍大小的电流（图4d）。由此可知，由于较宽的接触面积，具有双重连续结构的PFDMS-b-PIos嵌段共聚物的氧化效果，是具有纳米线结构的PFDMS-b-PIos嵌段共聚物的两倍。由于铁的这种氧化效率，可获得完全不同的电导率值。为了更加清楚地了解上述结构的效果，在常温条件下测定水平面的电导率，从而确认其在基质和GOx中，以何种方式实现电子传递。有趣的是，具有双重连续结构的PFDMS-b-PIos嵌段共聚物可获得的电导率为1.34×10^-5S/cm，而纳米线结构的PFDMS-b-PIos嵌段共聚物中可获得的电导率为4.03×10^-6S/cm。

对根据本发明的功能性电极的生物传感器的效果进行了试验。为了了解电极的生物催化活性，向3电极系统注入多种不同浓度的葡萄糖，从而进行试验。由于血液中生理学葡萄糖浓度为5至10mM之间，因此在10mM附近的较低的葡萄糖浓度产生较大的电信号非常重要。利用双重连续结构的PFDMS-b-PIos嵌段共聚物制备的电极，对于非常低量的GOx（10μl）也可非常敏感的工作。电流的测定是以银/氯化银基准电极为基准，对-0.2V的还原电流的峰值进行测定。如图5所示，在生理学环境下添加葡萄糖，结果显示出阶梯状的曲线变化，可获得与葡萄糖浓度呈稳定比例的结果，由此可确认从酶至Fc部分的电子传递可连续进行。尤其是在非常低的浓度，即1.3mM时为7μA至12μA，显示出了快且准确的电流变化。之后使葡萄糖的浓度发生规则的变化，并不断进行测定，共进行了35分钟，从而确认了以PFDMS-b-PIos嵌段共聚物为基础的本发明的功能性电极以非常稳定的状态存在。

以上，对本发明的优选实施例进行了详细说明，但本发明并不仅限于此。在权利要求书、发明内容以及所附的附图的范围内，可进行多种变形并实施，而其显然也属于本发明的范围。

Claims (20)

1.一种电极，其特征在于，包括含有有机金属的自组装性嵌段共聚物和酶。

2.根据权利要求1所述的电极，其特征在于，所述嵌段共聚物为至少一部分发生交联的嵌段共聚物。

3.根据权利要求1或者2所述的电极，其特征在于，所述嵌段共聚物由包含双键的交联性嵌段交联而成。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的电极，其特征在于，所述嵌段共聚物的有机金属以无定形双重连续结构、纳米线结构或者纳米粒子结构自组装。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的电极，其特征在于，所述嵌段共聚物为聚(二茂铁二甲基硅烷-b-异戊二烯）。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的电极，其特征在于，所述嵌段共聚物与所述酶形成1-50μm的涂覆层。

7.根据权利要求6所述的电极，其特征在于，所述涂覆层的下部进一步包括多孔性碳层。

8.根据权利要求6或7所述的电极，其特征在于，在所述涂覆层中酶的含量为1-50重量%。

9.根据权利要求6至8中任意一项所述的电极，其特征在于，所述涂覆层中酶的含量为30重量%。

10.一种嵌段共聚物，其特征在于，其包含含有导电性有机金属的嵌段，并以无定形形式自组装。

11.根据权利要求10所述的嵌段共聚物，其特征在于，在所述自组装的嵌段共聚物的至少一部分嵌段与所述有机金属发生交联。

12.根据权利要求10或者11所述的嵌段共聚物，其特征在于，所述嵌段共聚物以下述通式表示：

其中，x和y是聚合度；R₁和R₂独立地为氢或碳数为1至30的烷基、酰基或烷氧基；而各嵌段的分子量为0.1-500kg/mol。

13.根据权利要求10至12中任意一项所述的嵌段共聚物，其特征在于，所述嵌段共聚物进一步包括能产生由所述有机金属传递的电子的酶。

14.一种生物燃料电池，其特征在于，其利用权利要求1至9中任意一项所述的电极产生电流。

15.一种生物传感器，其特征在于，其利用权利要求1至9中任意一项所述的电极。

16.根据权利要求15的生物传感器，其特征在于，所述传感器为葡萄糖传感器。

17.一种生物电极的制备方法，其特征在于，所述方法包括将含有有机金属的自组装性嵌段共聚物和酶进行混合，并涂覆于电极表面的步骤。

18.根据权利要求18所述的生物电极的制备方法，其特征在于，所述自组装性嵌段共聚物以无定形的双重连续结构进行自组装。

19.根据权利要求17或者18所述的生物电极的制备方法，其特征在于，使所述嵌段共聚物发生交联。

20.根据权利要求17至19中任意一项中所述的生物电极的制备方法，其特征在于，所述嵌段共聚物为聚(二茂铁二甲基硅烷-b-异戊二烯）。

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