CN105717177B - 电极及其制备方法、生物传感器和酶生物燃料电池 - Google Patents

电极及其制备方法、生物传感器和酶生物燃料电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了电极及其制备方法、生物传感器和酶生物燃料电池。该电极包括：电极载体；以及生物酶，所述生物酶通过静电吸附固定在所述电极载体上。该电极能够实现酶活性中心与电极载体直接电子迁移，电极电学性能较好，在将该电极应用于电池中时，能够获得较高的电池功率密度。

Description

电极及其制备方法、生物传感器和酶生物燃料电池
技术领域
本发明涉及材料领域，具体地，本发明涉及电极及其制备方法、生物传感器和酶生物燃料电池。
背景技术
生物燃料电池是利用酶或者微生物组织作为催化剂，将燃料的化学能直接转化为电能的一类电池。生物燃料电池处在理论上具有很高的能量转化率、无污染等优点外，还具有原料广泛、操作条件温和及生物相容性好等优点。生物燃料电池按其工作方式可分为酶生物燃料电池和微生物燃料电池。与酶生物燃料电池相比，微生物燃料电池存在工作效率低、反应过程相对复杂，难以控制等问题，因此酶生物燃料电池是目前绿色环保能源领域研究的热点之一。
然而，目前的酶生物燃料电池的结构以及电池性能仍有待改进。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
本发明是基于发明人的下列认识和发现而完成的：
将酶生物燃料电池作为电源用于实际生产与生活还存在许多问题需要解决。其中，制约其实用化发展的主要原因是酶生物燃料电池输出功率密度目前还远远不能满足实际需求。而制约酶生物燃料电池输出功率的最大因素是电子传递过程。目前的酶生物燃料电池普遍存在电池输出功率低、使用寿命短等问题。发明人经过深入研究发现，这一方面是由于作为催化剂的酶的活性中心被一层绝缘蛋白质包裹，从而影响了电子向集流体(即电极载体)的传导速率，进而影响了电池的功率密度；另一方面是由于酶的固定方式影响了电池的稳定性能及其寿命。酶生物燃料电池使用的大多数酶活性中心深埋在酶分子内部，仅仅是酶分子蛋白质外壳的厚度就足以对电子活性中心到电极的直接传递过程产生屏蔽作用，很难实现与电极之间的电子转移。虽然为了解决上述问题，技术人员发展了介体型酶生物燃料电池，通过在酶与电极之间加入氧化还原电对来提高电子的传递速率，然而，介体的加入也造成了酶生物燃料电池工作电压的降低、酶中毒等问题。此外，上述问题虽然也可以通过在电极体系中加入纳米级别的导电材料，或利用导电的基团、小分子化合物连通酶的活性中心与电极载体的方式得到缓解，然而这一类方法操作复杂，价格高昂，难以实现工业化。因此，发展一种制备方法简单、成本低廉，且可实现酶活性中心与电极载体直接连通的电极以及酶生物燃料电池，成为解决上述问题的有效途径。发明人经过深入研究以及大量实验发现，通过调整溶液(通常为缓冲溶液)的pH值可使酶分子从天然折叠状态向伸展状态过渡，如对pH值进行适当调整，可以在保证酶活性的前提下，使生物酶的二、三级结构充分伸展，从而可以使生物酶的活性中心由绝缘蛋白质中暴露出来，进而达到缩短生物酶活性中心与电极之间的距离的目的，从而加快了酶活性中心与电极之间的电子传递。
有鉴于此，在本发明的第一方面，本发明提出了一种电极。根据本发明的实施例，该电极包括：电极载体；以及生物酶，所述生物酶通过静电吸附固定在所述电极载体上。根据本发明实施例的电极能够实现酶活性中心与电极载体直接电子迁移，电极电学性能较好，在将该电极应用于电池中时，能够获得较高的电池功率密度。
根据本发明的实施例，所述电极载体是通过对基材进行酸处理获得的。由此，可以获得表面形成有三维结构的电极载体，增大电极载体的比表面积，从而可以增加生物酶的负载量。
根据本发明的实施例，所述基材是由选自碳纸、巴克纸、石墨烯、碳纳米管以及碳纤维的至少之一形成的。由此，可以简便地通过酸处理在基材表面形成三维结构，从而有利于扩大电极载体的表面积，增加生物酶附着量，提高电极性能，并提高生物酶在电极载体表面固定的稳定程度，从而可以提高该电极的使用寿命。
根据本发明的实施例，所述生物酶为葡萄糖氧化酶或者葡萄糖脱氢酶。由此，可以利用葡萄糖作为底物，实现该电极的使用功能。
根据本发明的实施例，在将所述生物酶固定在所述电极载体上之前，预先采用缓冲溶液对所述生物酶进行孵育，所述缓冲溶液的pH值是基于所述生物酶的等电点确定的。通过利用不同pH值的缓冲溶液对生物酶进行孵育处理，使生物酶从天然折叠状态向伸展状态过渡，从而在保持生物酶活性的同时，暴露生物酶的活性中心，同时使生物酶带电，并利用静电吸附作用将生物酶固定在电极载体上，从而可以实现活性中心与电极载体之间的直接电子传输。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种制备前面所述的电极的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：(1)提供电极载体；(2)利用静电吸附，将生物酶固定在所述电极载体上，以便获得所述电极。由此，该电极可以实现活性中心与电极载体之间的直接电子传输。
根据本发明的实施例，步骤(1)中，所述电极载体是通过对基材进行酸处理获得的，所述基材是由选自碳纸、巴克纸、石墨烯以及碳纤维的至少之一形成的。由此，可以通过酸处理在电极载体表面形成三维结构，同时引入的含氧官能团使电极载体带有负电荷，从而有利于扩大电极载体的表面积，并且有利于增加利用静电吸附的生物酶附着量，提高电极性能。
根据本发明的实施例，在步骤(2)中之前，进一步包括：利用缓冲溶液对所述生物酶进行孵育。由此，可以利用不同pH值的缓冲溶液对生物酶进行孵育处理，使生物酶从天然折叠状态向伸展状态过渡，从而在保持生物酶活性的同时，暴露生物酶的活性中心，同时使生物酶带电，并利用静电吸附作用将生物酶固定在电极载体上，从而可以实现活性中心与电极载体之间的直接电子传输。根据本发明的实施例，所述生物酶为葡萄糖氧化酶时，所述缓冲溶液的pH为2～5，优选地，所述缓冲溶液的pH值小于4.2。由此，可以根据生物酶的等电点，在上述范围内选取适当的pH值，从而达到在保留生物酶活性的同时，最大程度暴露生物酶的活性中心，并使生物酶具有适量且相应性质的电荷，从而可以提高生物酶与电极载体之间的附着能力。
根据本发明的实施例，所述生物酶为葡萄糖脱氢酶时，所述缓冲溶液的pH为8～7.2。由此，可以根据生物酶的等电点，在上述范围内选取适当的pH值，从而达到在保留生物酶活性的同时，最大程度暴露生物酶的活性中心，并使生物酶具有适量的电荷，从而可以提高生物酶与电极载体之间的附着能力。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种生物传感器，根据本发明的实施例，该生物传感器包括前面所述的电极。由此，可以利用前面描述的能够在生物酶活性中心与电极载体之间实现直接电子转移的电极，提高生物传感器的灵敏程度以及响应速度。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种酶生物燃料电池。根据本发明的实施例，所述酶生物燃料电池的阳极为前面所述的电极。由此，可以利用前面描述电极能够在生物酶活性中心与电极载体之间实现直接电子转移，从而可以提高酶生物燃料电池的电池输出功率以及电池寿命，并为生物酶提供稳定的固定方式。
附图说明
图1显示了根据本发明一个实施例的电极的结构示意图；
图2显示了根据本发明实施例1的基材以及电极载体的扫描电镜图；
图3显示了根据本发明实施例1的激光共聚焦荧光显微镜(图3A)图以及电极扫描电镜(图3B)；
图4显示了根据本发明实施例1的电极的循环伏安曲线图；
图5显示了根据本发明实施例1的碳纸电极载体的Zeta电位图；
图6显示了根据本发明实施例2的电极的循环伏安曲线图；
图7显示了根据本发明实施例3的电池结构示意图；以及
图8显示了根据本发明实施例3的电池性能测试图。
附图标记：
100：电极载体；
200：生物酶。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的第一方面，本发明提出了一种电极。根据本发明的实施例，参考图1，该电极包括：电极载体100以及生物酶200。该电极能够实现酶活性中心与电极载体之间的直接连通，从而具有较高的电池功率密度。
根据本发明的实施例，电极载体100是通过对基材进行酸处理获得的。其中，基材可以是由选自碳纸、巴克纸、石墨烯以及碳纤维的至少之一形成的。为了提高生物酶在电极载体表面固定的稳定程度，提高生物酶的负载量，可以通过酸处理，在基材的表面形成三维结构构成电极载体100，从而可以扩大电极载体的表面积，增加生物酶附着量，提高电极性能。具体地，根据本发明的实施例，由于电极载体100中含有碳纸、巴克纸、石墨烯以及碳纤维等碳电极材料，因此可以简便地通过酸处理，在电极载体100的表面形成三维结构。参考图2，电极载体100具有三维结构(参考图2b)，与平面结构的基材相比(参考图2a)，电极载体100具有更大的表面积。由此，可以增加生物酶200的附着量，提高电极性能，并可以提高生物酶200在电极载体100表面固定的稳定程度，从而可以提高该电极的使用寿命。利用上述基材获得的电极载体100，基材来源广泛，成本低廉，且具有稳定的电学以及化学性能，可以降低根据本发明实施例的电极的生产成本，且有利于该电极的推广以及工业生产。具体地，根据本发明的一个具体实施例，通过滴加或旋涂等方式，用酸浸润根据本发明实施例的基材表面，静置几分钟后，洗去基材表面的残余酸，干燥后即可得到具有三维结构的电极载体100。本领域技术人员可以理解的是，酸处理中的具体条件，酸的种类、浓度以及处理时间等参数，可以根据基材的具体组成进行调节，只要能够满足形成具有更大比表面积、生物酶能够有更好附着的三维结构即可。例如，根据本发明的具体实施例，可以采用碳纸作为基材，采用浓硫酸和浓硝酸的混酸(硫酸浓度为98.8％，硝酸浓度为95％，体积比为1:3)处理5分钟，获得电极载体100。
根据本发明的实施例，生物酶200可以为葡萄糖氧化酶或者葡萄糖脱氢酶。葡萄糖作为生物燃料电池的重要底物以及人体健康监测的重要监测物质，在生物燃料电池以及生物传感器中被广泛研究。葡萄糖氧化酶以及葡萄糖脱氢酶对葡萄糖具有高度的专一性，采用葡萄糖氧化酶或者葡萄糖脱氢酶作为生物酶200，能够为根据本发明实施例的电极提供较好的对葡萄糖氧化的催化性能，进而可以在实际使用中，提高该电极的性能。
根据本发明的实施例，生物酶200是通过静电吸附固定在电极载体100上的。具体地，“静电吸附”是通过利用不同pH值的溶液，在本发明中，可以为缓冲溶液，对生物酶进行孵育处理，利用酶的等电点，当缓冲溶液的pH接近或者低于酶的等电点时，生物酶分子带正电，反之则生物酶分子带负电。通过利用不同pH值的缓冲溶液对生物酶进行孵育处理，使生物酶带电，生物酶分子从天然折叠状态向伸展状态过渡，使生物酶蛋白质的二、三级结构充分伸展，使酶的活性中心暴露出来，从而在保持生物酶活性的同时，利用静电吸附作用将生物酶固定在电极载体上，从而可以实现活性中心与电极载体之间的直接电子传输。也即是说，通过调整缓冲溶液的pH值，可使生物酶分子从天然折叠状态向伸展状态过渡，在保证生物酶活性不失的前提下使生物酶的二、三级结构充分伸展，使酶的活性中心暴露出来，这样可以缩短酶活性中心与电极之间的距离，从而加快了酶活性中心与电极之间的电子传递。具体地，根据本发明的实施例，生物酶200可以是通过采用缓冲溶液进行孵育，再将含有经过孵育的生物酶200的缓冲溶液涂覆在电极载体100的表面，经恒温恒湿去除溶剂以及水分后，即可获得根据本发明实施例的电极；或者，将电极载体100 浸泡在含有经过孵育的生物酶200的缓冲溶液中进行固定，利用静电吸附将生物酶200固定在电极载体100上。其中，缓冲溶液的pH值是基于生物酶200的等电点确定的。由此，可以根据不同的生物酶200的等电点，对缓冲溶液的具体pH值进行控制，从而可以控制孵育后的生物酶200所带的电荷种类(即带正电或者带负电)以及电荷量，进而可以在暴露生物酶200的活性中心的同时，控制生物酶200与电极载体100之间依靠静电吸附进行结合的结合程度。例如，根据本发明的具体实施例，可以采用磷酸盐缓冲溶液作为根据本发明的缓冲溶液。发明人惊奇的发现，当采用磷酸盐缓冲溶液对电极载体100进行浸泡时，电极载体100表面的电荷量也会发生变化。参考图5，当采用pH值小于7的磷酸盐缓冲溶液对电极载体100进行浸泡，随着磷酸盐缓冲溶液的pH值的降低，浸泡后的电极载体100 表面的Zeta电位也随之降低，即电极载体100表面所带有的负电荷增多。由此，有利于加强电极载体100以及生物酶200之间的静电吸附作用，增加生物酶200的负载量。
本领域技术人员能够理解的是，在根据本发明实施例的电极中，如何利用生物酶200 的等电点，选取具有适当pH值的缓冲溶液完成生物酶200的孵育，对该电极的最终使用效果具有重要影响。在利用缓冲溶液对生物酶200进行孵育时，既要保证生物酶200能够充分伸展，以便暴露生物酶200的活性中心，又需要保证生物酶200的生物活性；同时，由于缓冲溶液的pH值能够影响孵育后生物酶200所带电荷的种类以及带电量，因此需要根据电极载体100表面所带电荷的具体情况，选择具有适当pH值的缓冲溶液对生物酶200 进行孵育，以便提高生物酶200与电极载体100之间的静电吸附力。缓冲溶液的pH接近或者低于酶的等电点时，生物酶分子带正电，反之则生物酶分子带负电。例如，根据本发明的一些实施例，生物酶200为葡萄糖氧化酶，采用经过酸处理的基体作为电极载体100 时(此时电极载体100带负电)，可以选用磷酸盐缓冲溶液对生物酶200进行孵育，磷酸盐缓冲溶液的pH值可以为2～5，根据本发明的另一些实施例，磷酸盐缓冲溶液的pH值还可以小于4.2；生物酶200为葡萄糖脱氢酶时，磷酸盐缓冲溶液的pH值可以为8～7.2。具体地，当电极载体100为经过酸处理的碳纸、生物酶200为葡萄糖氧化酶时，由于酸处理后电极载体100表面存在羧基、羟基等含氧基团，因此电极载体100带负电荷；此时，可以选择pH值低于或接近葡萄糖氧化酶等电点(等电点为4.2)的磷酸盐缓冲溶液对生物酶200 进行孵育，使孵育后的生物酶200带正电荷，从而可以提高生物酶200与电极载体100之间的吸附能力。
综上所述，采用本发明方法制备出的酶修饰电极具有直接电子迁移性能、电生物催化性能好，适用性广，操作简便，对环境友好，且成本低。由于氧化还原酶分子与电极载体之间形成了直接电子迁移通道，因此本发明提供的酶修饰电极能大大提高酶生物燃料电池的功率密度。该酶修饰电极应用广泛，既可用于酶生物燃料电池的生物电极制备，也可用于生物传感器中的电极制备。总的来说，根据本发明实施例的电极具有以下特征以及优点：
(1)电极载体上具有三维结构，酶催化剂负载量大，生物酶附着稳定，电极使用寿命长；
(2)不添加任何氧化介体的条件下，实现生物酶与电极之间电子的直接传递；
(3)利用静电吸附实现生物酶在电极载体上的固定，可有效地保存酶的催化活性，有利于酶对底物的催化，产生更多的电子；
(4)该电极成本较低、制备容易、催化性能好。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种制备前面所述的电极的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：
(1)提供电极载体
根据本发明的实施例，在该步骤中，利用酸处理基材，获得电极载体。
具体地，酸处理可以为采用浓硫酸与浓硝酸的混酸处理基材，浓硫酸与浓硝酸的体积比可以为1:3。由此，可以通过酸处理在基材表面形成三维结构，从而有利于扩大电极载体的表面积，增加生物酶附着量，提高电极性能。需要说明的是，基材的具体组成不受特别限制，只要可以通过上述酸处理获得不规则三维结构，并具有可以使根据本发明实施例的电极正常工作的导电性以及化学稳定性即可。根据本发明的具体实施例，基材可以是由选自碳纸、巴克纸、石墨烯、碳纳米管以及碳纤维的至少之一形成的。例如，根据本发明的具体实施例，可以采用碳纸作为基材。参考图2，酸处理前的碳纸表面较平整，表面积较小(参考图2a)；酸处理后，碳纸表面形成了不规则的三维结构，表面积明显增大(参考图2b)，有利于增加后续步骤中生物酶的负载量。
(2)固定生物酶
根据本发明的实施例，在该步骤中，利用静电吸附，将生物酶固定在电极载体上，以便获得根据本发明实施例的电极。
根据本发明的实施例，在该步骤之前，可以利用缓冲溶液对生物酶进行孵育处理，使生物酶带电，从而在保持生物酶活性的同时，暴露生物酶的活性中心。
随后，将电极载体浸泡在含有孵育后的生物酶的缓冲溶液中，利用静电吸附作用将生物酶固定在电极载体上。由此，可以实现活性中心与电极载体之间的直接电子传输。例如，可以利用磷酸盐缓冲溶液对生物酶进行孵育，再将含有经过孵育的生物酶200的缓冲溶液涂覆在电极载体100的表面，经恒温恒湿去除溶剂以及水分后，即可获得根据本发明实施例的电极；或者，将电极载体浸入含有带电生物酶的磷酸盐缓冲溶液中，以便利用静电吸附将生物酶固定在电极载体上。发明人经过大量实验发现，利用酶的等电点，当缓冲溶液的pH低于或接近酶的等电点时，生物酶分子带正电，反之则生物酶分子带负电。通过利用不同pH值的缓冲溶液对生物酶进行孵育处理，使生物酶带电，生物酶分子从天然折叠状态向伸展状态过渡，使生物酶蛋白质的二、三级结构充分伸展，使酶的活性中心暴露出来，同时使生物酶带电，从而在保持生物酶活性的同时，利用静电吸附作用将生物酶固定在电极载体上，从而可以实现活性中心与电极载体之间的直接电子传输。也即是说，通过调整缓冲溶液的pH值，可在保证酶活性不失的前提下使酶的活性中心暴露出来，这样可以缩短酶活性中心与电极之间的距离，从而加快了酶活性中心与电极之间的电子传递。发明人惊奇的发现，当采用磷酸盐缓冲溶液对电极载体100进行浸泡时，电极载体100表面的电荷也会发生变化。参考图5，当采用pH值小于7的磷酸盐缓冲溶液对电极载体100进行浸泡，随着磷酸盐缓冲溶液的pH值的降低，浸泡后的电极载体100表面的Zeta电位也随之降低，即电极载体100表面所带有的负电荷增多。由此，有利于加强电极载体100以及生物酶200之间的静电吸附作用，增加生物酶200的负载量。
根据本发明的实施例，当生物酶为葡萄糖氧化酶时，磷酸盐缓冲溶液的pH值可以为 2～5，根据本发明的另一些实施例，磷酸盐缓冲溶液的pH值也可以小于4.2；当生物酶为葡萄糖脱氢酶时，磷酸盐缓冲溶液的pH值可以为8～7.2。由此，可以根据生物酶的等电点，在上述范围内选取适当的pH值，在保留生物酶活性的同时，最大程度暴露生物酶的活性中心。
综上所述，在本发明提出的方法中，采用本发明方法制备出的酶修饰电极具有直接电子迁移性能、电生物催化性能好，适用性广，操作简便，对环境友好，且成本低。由于氧化还原酶分子与电极载体之间形成了直接电子迁移通道，因此本发明提供的酶修饰电极能大大提高酶生物燃料电池的功率密度。该酶修饰电极应用广泛，即可用于酶生物燃料电池的生物电极制备，也可用于生物传感器中的电极制备。总的来说，根据本发明实施例的制备电极的方法具有以下特征以及优点：
(1)电极载体上具有三维结构，酶催化剂负载量大，生物酶附着稳定，电极使用寿命长；
(2)不添加任何氧化还原介体的条件下，实现生物酶与电极之间电子的直接传递；
(3)利用静电吸附实现生物酶在电极载体上的固定，可有效的保存酶的催化活性，有利于酶对底物的催化，产生更多的电子；
(4)该方法成本较低、制备容易、催化性能好。
在本发明的又一方面，本发明提出了一种生物传感器，根据本发明的实施例，该生物传感器包括前面描述的电极。由于该生物传感器中具有前面描述的电极，因此该生物传感器具有前面描述的电极所具有的特征以及优点，在此不再赘述。总的来说，利用前面描述的能够在生物酶活性中心与电极载体之间实现直接电子转移的电极制备生物传感器，能够在生物酶活性中心与电极载体之间实现直接电子转移，并为生物酶提供稳定的固定方式，从而可以提高生物传感器的灵敏程度以及响应速度。
在本发明的又一方面，本发明提出了一种酶生物燃料电池。根据本发明的实施例，酶生物燃料电池的阳极为前面描述的电极。由于该酶生物燃料电池中具有前面描述的电极，因此该酶生物燃料电池具有前面电极所具有的特征以及优点，在此不再赘述。总的来说，该电极能够在生物酶活性中心与电极载体之间实现直接电子转移，并为生物酶提供稳定的固定方式，从而可以提高具有该电极的酶生物燃料电池的电池输出功率以及电池寿命。
下面通过具体实施例对本发明进行说明，需要说明的是，下面的具体实施例仅仅是用于说明的目的，而不以任何方式限制本发明的范围，另外，如无特殊说明，则未具体记载条件或者步骤的方法均为常规方法，所采用的试剂和材料均可从商业途径获得。
实施例1：葡萄糖氧化酶/碳纸电极(GOxpH＝x/CP)的制备
(1)电极表面处理：用滴涂的方式将酸滴到碳纸(CP)表面使碳纸表面湿润，并在室温静置5分钟，然后用大量去离子水清洗碳纸表面直至中性，最后在室温下晾干。处理后的电极表面如图2所示。
(2)利用0.2mol/L的磷酸氢二钠以及0.2mol/L的磷酸二氢钠配置浓度为0.1mol/L， pH为7.2的磷酸盐(PBS)缓冲液，用浓磷酸调节pH值为2、3、4、5、7的PBS缓冲液。
(3)用不同pH的PBS缓冲液孵育葡萄糖氧化酶(GOx)，将葡萄糖氧化酶加入具有不同pH值的PBS缓冲溶液中，恒温在4℃，缓冲溶液中酶的浓度为20mg/mL，葡萄糖氧化酶的活性为200U/mg。
(4)将酸处理的碳纸裁剪成面积为0.5cm2的方形，分别浸泡于不同pH的含有酶的缓冲溶液中，并在4℃的环境内静置12小时，然后取出碳纸用pH为7.2的PBS缓冲液冲洗碳纸表面，以清洗掉没有固定的酶，最后将其放置在4℃的环境下6小时，得到葡萄糖氧化酶/碳纸电极(GOxpH＝x/CP，其中GOx为葡萄糖氧化酶，x为缓冲溶液pH值)，电极表面形貌如图 3所示。由图3中的扫描电镜以及激光共聚焦显微镜照片可知，在pH值为2时获得的电极表面负载的葡萄糖氧化酶最多。
该电极性能测试采用标准三电极体系：GOxpH＝x/CP为工作电极，铂片为对电极，Ag/AgCl 电极为参比电极，使用电化学工作站CHI 660E(中国上海辰华)室温下进行循环伏安曲线测试，电解液为0.1M pH为7.2的PBS缓冲液，测试之前用高纯氩气鼓泡30分钟。测试结果如图4所示。图4中，自上而下的5条曲线分别为pH＝2孵育，pH＝3孵育，pH＝4孵育，pH＝5孵育，pH＝7孵育。除GOxpH＝7/CP电极外(曲线基本无FAD/FADH2电对的氧化还原峰)，其余电极均表现出GOx电化学性能，即出现FAD/FADH2电对的氧化还原峰，说明葡萄糖氧化酶在pH值小于7时，均可附着到碳纸电极表面。
实施例2：葡萄糖氧化酶/碳纸电极(GOxpH＝3/CP)性能测试
电极制备方法同实施例1，其中，步骤(2)中，缓冲溶液的pH值为3。
该电极性能测试采用标准三电极体系：GOxpH＝3/CP为工作电极，铂片为对电极，Ag/AgCl 电极为参比电极，使用电化学工作站CHI 660E(中国上海辰华)室温下进行循环伏安曲线测试，测试之前用高纯氩气鼓泡30分钟。测试结果如图6所示。其中，图6a为电解液为0.1M pH为7.2的PBS缓冲液包含0.1Mβ-D-葡萄糖时，工作电极为GOxpH＝3/CP的循环伏安图；图6b为电解液为0.1MpH为7.2的PBS缓冲液时，工作电极为GOxpH＝3/CP的循环伏安图；图6c为电解液为0.1M pH为7.2的PBS缓冲液时，工作电极为没有吸附GOx的碳纸电极的循环伏安图。对比可知，没有吸附GOx时，三维碳纸电极的循环伏安曲线无特征氧化还原峰(图 4)；负载GOx后，GOxpH＝3/CP电极在没有葡萄糖的电解液中显示出GOx的特征氧化还原峰 (FAD/FADH2)，说明在葡萄糖氧化酶以及碳纸电极之间存在直接电子转移，酶的活性中心没有被绝缘蛋白质包裹(图6a)；在电解液中添加葡萄糖后，电极GOxpH＝3/CP的还原峰 (-0.6V左右)电流下降(图6b)，对葡萄糖表现出优异电生物催化学性能，说明电极 GOxpH＝3/CP对葡萄糖具有催化性能。可见本实施例所制备的电极可以催化葡萄糖氧化，进而可说明此电极可应用于直接电子转移酶生物燃料电池的阳极或直接电子转移酶传感器。
实施例3直接电子转移酶生物燃料电池(阳极为GOxpH＝3/CP)电池性能：
(1)电极GOxpH＝3/CP的制备方法与实施例2步骤相同。
(2)酶生物燃料电池的构建：电池结构示意图如图7所示。电池由双隔室组成，两隔室用盐桥连接，盐桥由琼脂和饱和氯化钾溶液组成。
(3)阳极室的电解液为0.1M PBS缓冲液包含0.1Mβ-D-葡萄糖，电池工作前用高纯氩气鼓泡30分钟以出去电解液中氧气。
(4)阴极室的阴极为2cm2的铂片，电解液为B-R缓冲液，pH为3，电池工作前用高纯氧气鼓泡30分钟，工作中持续鼓泡以使电解液中的氧气处于饱和状态，工作温度为80～100℃。
该电池性能测试方法用线性伏安法，功率密度和电流密度如图8所示。最大功率密度为64μW/cm2。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种电极，其特征在于，包括：
电极载体，所述电极载体是通过对基材进行酸处理获得的，所述基材是由选自碳纸、巴克纸、石墨烯以及碳纤维的至少之一形成的；以及
生物酶，所述生物酶通过静电吸附固定在所述电极载体上，所述生物酶为葡萄糖氧化酶或者葡萄糖脱氢酶，其中，在将所述生物酶固定在所述电极载体上之前，预先采用缓冲溶液对所述生物酶进行孵育，以便使所述生物酶的活性中心由绝缘蛋白质中暴露出来。
2.根据权利要求1所述的电极，其特征在于，所述缓冲溶液的pH值是基于所述生物酶的等电点确定的。
3.一种制备权利要求1-2任一项所述的电极的方法，其特征在于，包括：
(1)提供电极载体；
(2)采用缓冲溶液对生物酶进行孵育，以便使所述生物酶的活性中心由绝缘蛋白质中暴露出来；
(3)利用静电吸附，将所述生物酶固定在所述电极载体上，以便获得所述电极。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述生物酶为葡萄糖氧化酶时，所述缓冲溶液的pH为2～5。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述缓冲溶液的pH值小于4.2。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述生物酶为葡萄糖脱氢酶时，所述缓冲溶液的pH为8～7.2。
7.一种生物传感器，其特征在于，包括权利要求1或2所述的电极。
8.一种酶生物燃料电池，其特征在于，所述酶生物燃料电池的阳极为权利要求1或2所述的电极。
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