CN105914379B - 一种酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极及制备与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电化学酶生物燃料电池领域，公开了一种酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极及制备与应用。所述制备方法为：对基底电极进行表面预处理，然后将中性Nafion溶液、麦尔多拉蓝水溶液、混合酶溶液(ADH:ADLH＝1:1)按体积比1:1:1混合均匀得复合酶溶液；将复合酶溶液滴加到经过预处理的电极上表面，晾干后得到酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极。本发明的产物具有成本低，催化剂及介体负载量大，催化性能好等优点，具有良好的应用前景。

Description

一种酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极及制备与应用
技术领域
本发明属于电化学酶生物燃料电池领域，具体涉及一种酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极及制备与应用。
背景技术
酶生物燃料电池是采用氧化还原酶作为催化剂催化燃料氧化的生物燃料电池，其在阳极产生氢离子及自由电子，阴极利用氢离子和自由电子将过氧化物或氧还原为水，从而完成电子的流动，将化学能转化为电能。酶生物燃料电池中，包括电极和填充有有机物燃料的电解池，酶可以溶解在含有燃料和氧化剂的溶液中，也可以固定在电极上。
近年来，酶生物燃料电池性能存在的主要问题是输出功率低和电池寿命短，导致这两方面问题的原因主要来自两个方面，一个是作为催化剂的酶的外层包裹着一层蛋白质层，不导电的蛋白质外层影响了燃料在酶的活性位置反应后产生的电子的向外传导速率，从而影响了电池的功率密度，另一个原因就是酶的固定方式影响了电池的性能和电池的寿命，酶的吸附量小，吸附不稳定，电子转移率低都是影响酶生物燃料电池性能的主要原因。
因此，采用各种固定化技术将酶催化剂固定在电极表面是提高使用寿命的重要途径。综合而言，提高性能的最有效途径就是选择适合酶催化剂的固定化方法和材料。
发明内容
为了解决以上现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极。
本发明的另一目的在于提供一种上述酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极的制备方法。
本发明的再一目的在于提供上述酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极在制备生物燃料电池或生物传感器中的应用。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极，所述阳极是以基底电极为中心，由内到外依次为介体层和酶层。
优选地，所述的基底电极是指玻碳电极。
所述介体层的材料优选为Nafion膜固定的麦尔多拉蓝(MB)。
优选地，所述的酶层由乙醇脱氢酶(ADH)和乙醛脱氢酶(ADLH)组成。
上述酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极的制备方法，包括以下制备步骤：
(1)对基底电极进行表面预处理；
(2)将中性Nafion溶液、麦尔多拉蓝水溶液、乙醇脱氢酶和乙醛脱氢酶的混合酶溶液混合均匀得复合酶溶液；
(3)将复合酶溶液滴加到步骤(1)的电极上表面，晾干后得到酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极。
优选地，步骤(1)中所述的表面预处理过程如下：将基底电极的表面依次用直径为0.3μm和0.05μm的Al2O3粉末抛光成镜面，再用水冲洗；然后依次在无水乙醇和水中超声清洗1min，取出用水洗净，晾干，然后置于铁氰化钾溶液中(5mMLK3Fe(CN)6+0.2M KCl)进行电极活化处理。
优选地，步骤(2)中所述的中性Nafion溶液是指用0.01MNaOH溶液滴定至pH稳定为7.0的Nafion溶液。
优选地，所述麦尔多拉蓝水溶液的浓度为1mM；所述混合酶溶液是通过浓度为10～30mg/mL的乙醇脱氢酶水溶液和浓度为10～30mg/mL的乙醛脱氢酶水溶液按体积比为1:1混合得到；所述中性Nafion溶液、麦尔多拉蓝水溶液和混合酶溶液的体积比为1:1:1。
上述酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极在制备生物燃料电池或生物传感器中的应用。
本发明的原理：Nafion溶液具有很强的阳离子交换能力，其在裸电极上吸附能力也很强，一般的水洗或冲洗都不影响其与电极表面的结合，起到很好的固定作用；麦尔多拉蓝(MB)可作为电子介体，能够在较低的工作电位下氧化NADH，减少了其它电活性物质的干扰，但是却是水溶性染料。因此，将中性Nafion溶液、麦尔多拉蓝水溶液、混合酶溶液(ADH:ADLH＝1:1)按体积比1:1:1混合均匀得复合酶溶液，可让麦尔多拉蓝和两种酶吸附于Nafion膜上，这样，既解决了电子介体麦尔多拉蓝溶于水的问题，也使酶较好的固定在了电极表面，进而得到修饰后的工作电极即低成本高性能酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极。本发明的电极催化甘油氧化的原理图如图1所示。
本发明的制备方法及所得到的产物具有如下优点及有益效果：
(1)本发明的生物燃料电池阳极通过加入Nafion溶液、电子介体麦尔多拉蓝而制得，Nafion膜的富集作用，可提高麦尔多拉蓝和酶的负载量，有利于酶对底物的催化作用，实现酶与电极之间的电子传递，减少了介体和酶的脱落对电池的功率性、稳定性和重现性的影响；
(2)本发明的制备方法成本较低、容易制备(反应在室温中性环境)、催化性能好(在实施例中可看到明显的氧化还原峰变化)等优点；
(3)本发明的生物燃料电池阳极对底物的氧化在中性pH条件下进行，所用的底物为自然界中广泛存在的物质，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的电极催化甘油氧化的原理图；
图2为本发明实施例1的酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极在没有甘油和添加不同浓度甘油条件下的循环伏安图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
(1)将直径为3mm的玻碳电极依次用直径为0.3μm和0.05μm的Al2O3粉末抛光成镜面，用蒸馏水冲洗，然后依次在无水乙醇和蒸馏水中超声清洗3min，再将玻碳电极置于10mL铁氰化钾溶液中(5mM K3Fe(CN)6+0.2M KCl)进行电极活化，取出用蒸馏水冲洗，室温晾干得到预处理的玻碳电极。
(2)将中性Nafion溶液、麦尔多拉蓝水溶液、混合酶溶液(ADH:ADLH＝1:1)按体积比1:1:1混合均匀得复合酶溶液，且每次复合酶溶液均现配现用，取复合酶溶液5μL滴加到电极表面，室温晾干，得到酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极。
本实施例所使用的中性Nafion溶液：取2mL用0.01MNaOH溶液滴定至pH稳定为7.0而得到；麦尔多拉蓝水溶液浓度为1mM：将19mg麦尔多拉蓝加入到50mL蒸馏水中配制得到；混合酶溶液：30mg/mLADH水溶液与30mg/mLADLH水溶液按体积比1:1配制得到。
本实施例酶催化甘油的生物燃料电池阳极性能测试采用标准三电极体系：得到的生物燃料电池阳极(GCE，直径为3mm)为工作电极，铂电极为对电极，甘汞电极为参比电极，室温下进行电化学试验。修饰电极的测试均在加入20mg辅酶(NADH)的10mL磷酸缓冲溶液(0.02mM、pH7.0)中进行，测试之前通N2，测试过程中采用循环伏安法，其中空白对照未滴加甘油，之后每次测试稳定后依次滴加50μL甘油。
本实施例在甘油浓度为1.5mM时，测试的氧化峰电流值为1.39μA。
实施例2
(1)将直径为3mm的玻碳电极依次用直径为0.3μm和0.05μm的Al2O3粉末抛光成镜面，用蒸馏水冲洗，然后依次在无水乙醇和蒸馏水中超声清洗3min，再将玻碳电极置于10mL铁氰化钾溶液中(5mM K3Fe(CN)6+0.2M KCl)进行电极活化，取出用蒸馏水冲洗，室温晾干得到预处理的玻碳电极。
(2)将中性Nafion溶液、麦尔多拉蓝水溶液、混合酶溶液(ADH:ADLH＝1:1)按体积比1:1:1混合均匀得复合酶溶液，且每次复合酶溶液均现配现用，取复合酶溶液5μL滴加到电极表面，室温晾干，得到酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极。
本实施例所使用的中性Nafion溶液：取2mL用0.01MNaOH溶液滴定至pH稳定为7.0而得到；麦尔多拉蓝水溶液浓度为1mM：将19mg麦尔多拉蓝加入到50mL蒸馏水中配制得到；混合酶溶液：20mg/mLADH水溶液与20mg/mLADLH水溶液按体积比1:1配制得到。
本实施例酶催化甘油的生物燃料电池阳极性能测试采用标准三电极体系：得到的生物燃料电池阳极(GCE，直径为3mm)为工作电极，铂电极为对电极，甘汞电极为参比电极，室温下进行电化学试验。修饰电极的测试均在加入20mg辅酶(NADH)的10mL磷酸缓冲溶液(0.02mM、pH7.0)中进行，测试之前通N2，测试过程中采用循环伏安法，其中空白对照未滴加甘油，之后每次测试稳定后依次滴加50μL甘油。
本实施例在甘油浓度为1.5mM时，测试的氧化峰电流值为0.90μA。
实施例3
(1)将直径为3mm的玻碳电极依次用直径为0.3μm和0.05μm的Al2O3粉末抛光成镜面，用蒸馏水冲洗，然后依次在无水乙醇和蒸馏水中超声清洗3min，再将玻碳电极置于10mL铁氰化钾溶液中(5mM K3Fe(CN)6+0.2M KCl)进行电极活化，取出用蒸馏水冲洗，室温晾干得到预处理的玻碳电极。
(2)将中性Nafion溶液、麦尔多拉蓝水溶液、混合酶溶液(ADH:ADLH＝1:1)按体积比1:1:1混合均匀得复合酶溶液，且每次复合酶溶液均现配现用，取复合酶溶液5μL滴加到电极表面，室温晾干，得到酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极。
本实施例所使用的中性Nafion溶液：取2mL用0.01MNaOH溶液滴定至pH稳定为7.0而得到；麦尔多拉蓝水溶液浓度为1mM：将19mg麦尔多拉蓝加入到50mL蒸馏水中配制得到；混合酶溶液：10mg/mLADH水溶液与10mg/mLADLH水溶液按体积比1:1配制得到。
本实施例酶催化甘油的生物燃料电池阳极性能测试采用标准三电极体系：得到的生物燃料电池阳极(GCE，直径为3mm)为工作电极，铂电极为对电极，甘汞电极为参比电极，室温下进行电化学试验。修饰电极的测试均在加入20mg辅酶(NADH)的10mL磷酸缓冲溶液(0.02mM、pH7.0)中进行，测试之前通N2，测试过程中采用循环伏安法，其中空白对照未滴加甘油，之后每次测试稳定后依次滴加50μL甘油。
本实施例在甘油浓度为1.5mM时，测试的氧化峰电流值为0.64μA。
实施例1所得酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极测试所得循环伏安图如图2所示。其中氧化曲线右端从低到高依次对应的甘油浓度为0mM、0.5mM、1.0mM、1.5mM，可以看出：本发明的酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极可较好的催化甘油氧化，随着甘油浓度的增加，氧化峰出现增高的趋势，催化电流很小，表明本发明酶修饰阳极中的酶可对溶液中的甘油产生灵敏的电流响应。
在甘油浓度均为1.5mM时，实施例1、2、3测试的氧化峰电流值依次为1.39μA、0.90μA、0.64μA，此结果表明：各实施例制备所得电极不仅对缓冲液中甘油氧化的电流产生灵敏响应，而且制备过程中酶浓度对甘油氧化的催化有相当的影响，浓度相对高的会产生相对高的峰电流。
上述实施例均为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极，其特征在于：所述阳极是以基底电极为中心，由内到外依次为介体层和酶层；
所述的基底电极是指玻碳电极，所述介体层的材料为Nafion膜固定的麦尔多拉蓝，所述的酶层由乙醇脱氢酶和乙醛脱氢酶组成；
所述酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极通过如下方法制备得到：
(1)对基底电极进行表面预处理；
(2)将中性Nafion溶液、麦尔多拉蓝水溶液、乙醇脱氢酶和乙醛脱氢酶的混合酶溶液混合均匀得复合酶溶液；
(3)将复合酶溶液滴加到步骤(1)的电极上表面，晾干后得到酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极。
2.根据权利要求1所述的一种酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极，其特征在于步骤(1)中所述的表面预处理过程如下：将基底电极的表面依次用直径为0.3μm和0.05μm的Al2O3粉末抛光成镜面，再用水冲洗；然后依次在无水乙醇和水中超声清洗1min，取出用水洗净，晾干，然后置于铁氰化钾溶液中进行电极活化处理。
3.根据权利要求1所述的一种酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极，其特征在于：步骤(2)中所述的中性Nafion溶液是指用0.01MNaOH溶液滴定至pH稳定为7.0的Nafion溶液。
4.根据权利要求1所述的一种酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极，其特征在于：所述麦尔多拉蓝水溶液的浓度为1mM；所述混合酶溶液是通过浓度为10～30mg/mL的乙醇脱氢酶水溶液和浓度为10～30mg/mL的乙醛脱氢酶水溶液按体积比为1:1混合得到；所述中性Nafion溶液、麦尔多拉蓝水溶液和混合酶溶液的体积比为1:1:1。
5.权利要求1～4任一项所述的酶催化甘油氧化的生物燃料电池阳极在制备生物燃料电池或生物传感器中的应用。
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