CN108183240B - 温度、pH值双重刺激响应柔性漆酶电极及构筑方法 - Google Patents

温度、pH值双重刺激响应柔性漆酶电极及构筑方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种温度、pH值双重刺激响应柔性漆酶电极及构筑方法，在柔性泡沫镍导电基底上利用电致自由基共聚合制备双重刺激响应酶电极的方法，采用共价键固定酶的方法能够较好地满足其电极稳定性；选择一种温度刺激响应单体和两种pH刺激响应单体，在酶电极表面通过电致自由基共聚，制备的刺激响应酶电极具有良好的“开/关”性能，该电极在20mM葡萄糖溶液中催化峰电流为0.000771A，催化性能良好。在10次“开/关”循环中，催化峰电流仅下降6.49％，稳定性良好。本发明的电极能满足作为酶生物燃料电池中的阴极使用要求。

Description

温度、pH值双重刺激响应柔性漆酶电极及构筑方法
技术领域
本发明属于柔性刺激响应酶电极的制备技术领域，涉及一种温度、pH值双重刺激响应柔性漆酶电极及构筑方法，涉及一种电致自由基共聚合制备温度、pH值双重刺激响应聚合物膜修饰酶电极的方法。
背景技术
酶生物电极是以生物活性酶代替贵金属催化剂构筑的电极。该电极可在生理体液环境下催化底物进行氧化-还原反应，并将其得失电子转换成电信号输出。以该电极构筑的电池即为酶生物燃料电池(EBFC)，这类电池是目前最具潜力的可用于植入体内小型医疗器械的绿色、可再生微型燃料电池。从理论上讲，以葡萄糖与氧气组成的酶生物燃料电池可以为心脏起搏器、神经刺激器、植入体内的生物传感器、医疗诊断装置等提供持续不断的电能，所以成为这一领域研究者关注的焦点。
作为植入体内的医疗器械，如果能对活体生理体液物理、化学变化做出刺激响应，则可以使其装配的医疗装置具有自动依靠外界刺激可“开/关”的功能电极工作物理、化学环境的改变(如温度、pH值等)作为刺激信号输入，具有响应性的电极在输入信号的刺激下表现出“开/关”行为，从而控制传感系统“智能”感知、给药系统给药等，达到对病情的诊断、治疗等。而具有对外界多重刺激(如温度与pH值)同时响应的酶电极可以对复杂的刺激信号进行逻辑响应，所以更适合在复杂生理环境状态下使用，是构建具有可“开/关”功能酶生物燃料电池、生物传感器及具有超级运算能力的生物计算机，实现医疗器械智能化的关键，并已逐渐成为功能纳米材料、生物电分析化学、电子器件等众多领域的研究热点。
但是，目前研究的可“开/关”功能酶生物燃料电池还仅仅是一种概念性电池。一方面，是因为目前的酶电极本身载酶量低、电子传递效率低、酶易脱落，以此构建的酶燃料电池不可避免地存在开路电压低、功率密度低、稳定性差等应用瓶颈问题。另一方面，响应性酶电极的电化学响应性一般依靠电极表面具有刺激响应性聚合物实现，电性能越差，电子转移到电极的效率也因此降低；除此之外，刺激响应聚合物刷在电极上的修饰方法多为滴涂，由此制备的响应层与电极的相互作用较小，在使用过程中易脱落，导致电极的“开/关”功能性衰减严重、“开/关”效果较差。要解决这些问题，就要选择一种比表面积大、可载酶量大、生物相容性好的柔性电极基底。同时，要选择合适的聚合方法。电聚合是指用电化学方法在电极上进行的聚合反应，目前通常被用于修饰电极表面。相较于传统的聚合方法，电聚合为反应提供了新的可控制因素(电流或电位)，具有操作简单、重现性好等特点。而在水相体系中进行的电聚合能够在有效保护酶分子活性的同时在电极表面修饰刺激响应聚合物，从而制备出电化学性能良好的刺激响应酶电极。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种温度、pH值双重刺激响应柔性漆酶电极及构筑方法，在柔性泡沫镍导电基底上电沉积金纳米粒子，以共价键结合的方式固定漆酶，利用电致自由基共聚合温度、pH响应性单体，获得温度、pH双重刺激响应聚合物薄膜修饰的柔性酶电极，为构建可“开/关”酶电池奠定基础。
技术方案
一种温度、pH值双重刺激响应柔性漆酶电极，其特征在于：泡沫镍电极表面设有沉积纳米金颗粒和共价固定的漆酶，通过电致自由基共聚的方法修饰在电极上的温度与pH敏感的单体。
一种所述温度、pH值双重刺激响应柔性漆酶电极的构筑方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将电极级泡沫镍裁剪成设计的尺寸，分别在丙酮、0.5～1.0mM硫酸、超纯水中超声，并在0.1～0.5mM NiCl4水溶液中浸泡3～6小时；
步骤2：以步骤1处理过的电极作为工作电极，铂柱电极为对电极，银/氯化银电极为参比电极构筑三电极系统，采用循环伏安法在纳米金沉积液中进行扫描，扫描范围-1.4～0.6V，扫描速率0.05～0.2V/s，扫描10～20圈，得到沉积了纳米金的电极；所述纳米金沉积液是：10～15mg/mL的氯金酸溶液30～50μL加入到10ml的pH值为8的Na2HPO4-NaH2PO4缓冲溶液中，搅拌至完全溶解，并通入氮气至饱和，得到纳米金沉积液；
步骤3：将步骤2处理的电极放在含10～20mM对巯基苯甲酸和10～20mM对巯基苯胺的乙醇溶液中浸泡24小时，自然干燥后浸于含20mM 1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)碳二亚胺盐酸盐EDC和10mM N-羟基琥珀酰亚胺NHS的10mg/mL漆酶水溶液中，25-30℃下放置15小时，自然干燥后得到漆酶泡沫镍电极；
步骤4：将步骤3处理的电极为工作电极，铂柱电极为对电极，银/氯化银电极为参比电极构筑三电极系统，用循环伏安法在电聚合液中进行扫描，扫描范围-1.4～-0.1V，扫描速率0.1～0.5V/s，扫描90～170圈，扫描结束后，用电阻18.2MΩ的超纯水冲洗电极，即得到修饰了刺激响应共聚物膜的漆酶电极；所述电聚合液是：将温度刺激响应单体与引发剂过硫酸钠按照物质的量比40:40:1～50:50:1的比例加入到10～15mL的0.1M硝酸钠水溶液中，通入氮气至饱和得到电聚合液。
所述温度刺激响应单体有：N-异丙基丙烯酰胺NIPAm；pH刺激响应单体有:甲基丙烯酸二乙氨基乙酯DEAEMA或甲基丙烯酸二甲氨基乙酯DMAEMA。
有益效果
本发明提出的一种温度、pH值双重刺激响应柔性漆酶电极及构筑方法，在柔性泡沫镍导电基底上利用电致自由基共聚合制备双重刺激响应酶电极的方法。柔性泡沫镍基底相较于玻碳电极等非柔性基底，能够较好地实现电极的弯曲和折叠，保证其组装的柔性储能器件的性能。相较于滴涂等物理方法，采用共价键固定方法能够较好地满足酶在电极上的负载稳定性；选择一种温度刺激响应单体N-异丙基丙烯酰胺(NIPAm)，一种pH刺激响应单体甲基丙烯酸二乙氨基乙酯(DEAEMA)或甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)，在酶电极表面电致自由基共聚，制备的刺激响应酶电极具有良好的“开/关”性能，完全“关闭”(37℃，pH＝8)时峰电流密度仅为“打开”(25℃，pH＝5)时的9.3％，三次重复“开-关”后，“打开”时的峰电流密度仍达到第一次“打开”时的98.9％。该电极在20mM葡萄糖溶液中催化峰电流为0.000771A，催化性能良好。在10次“开/关”循环中，催化峰电流仅下降6.49％，稳定性良好。
本发明的电极能满足作为酶生物燃料电池中的阴极使用要求。
附图说明
图1：为本发明的电极制备示意图，1为泡沫镍电极；
图2：为本发明涉及的电极在不同条件下的峰电流密度变化对比图；
图3：为本发明涉及的电极在不同条件下的循环伏安曲线(CV)图，1为25℃，pH＝5条件下的CV曲线，2为37℃，pH＝5条件下的CV曲线，3位25℃，pH＝8条件下的CV曲线，4为37℃，pH＝8条件下的CV曲线。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
实施实例1：反应流程图如图1所示。
a.泡沫镍电极的预处理：将电极级泡沫镍裁剪成适当大小，并分别在丙酮、0.5mM硫酸、超纯水中超声，并在0.1mM NiCl4水溶液中浸泡4小时，之后取出自然晾干；
b.纳米金沉积液的制备：将40μL10mg/mL的氯金酸溶液加入到10ml的pH值为8的K2HPO4-KH2PO4缓冲溶液中，搅拌至完全溶解并通入氮气至饱和，得到纳米金沉积液；
c.纳米金杂化泡沫镍电极的制备：取步骤a处理的电极作为工作电极，铂柱电极为对电极，银/氯化银电极为参比电极构筑三电极系统，用循环伏安法在纳米金沉积液中进行扫描，扫描范围-1.4～0.6V，扫描速率0.1V/s，扫描10圈，取出晾干备用；
d.漆酶泡沫镍电极的制备：将步骤c得到电极放在含10mM对巯基苯甲酸和10mM对巯基苯胺的乙醇溶液中24小时，取出自然晾干；随后浸于含20mM 1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)碳二亚胺盐酸盐EDC和10mM N-羟基琥珀酰亚胺NHS的10mg/mL的漆酶水溶液中15小时，取出自然晾干，即得到泡沫镍漆酶电极；
e.电聚合液的制备：取刺激响应单体N-异丙基丙烯酰胺NIPAm 0.5M、甲基丙烯酸二乙氨基乙酯DEAEMA 0.5M和引发剂过硫酸钠0.01M，加入到10mL的0.1M硝酸钠水溶液中，即得到电聚合液，并且通入氮气至饱和，备用；
f.共聚物膜修饰电极的制备：取一片制备好的漆酶泡沫镍电极为工作电极，铂柱电极为对电极，银/氯化银电极为参比电极构筑三电极系统，用循环伏安法在步骤e得到的溶液中进行扫描，扫描范围-1.4～-0.1V，扫描速率0.1V/s，预扫描10圈，观察引发剂过硫酸钠的还原峰，然后继续扫描90圈，扫描结束后，用超纯水(电阻18.2MΩ)冲洗电极，即得到修饰了刺激响应共聚物膜的漆酶电极。
实施实例2：反应流程图如图1所示。
a.泡沫镍电极的预处理：将电极级泡沫镍裁剪成适当大小，并分别在丙酮、0.5mM硫酸、超纯水中超声，并在0.1mM NiCl4水溶液中浸泡4小时，之后取出自然晾干；
b.纳米金沉积液的制备：将40μL 10mg/mL的氯金酸溶液加入至10ml的pH值为8的K2HPO4-KH2PO4缓冲溶液中，搅拌至完全溶解并通入氮气至饱和，得到纳米金沉积液；
c.纳米金杂化泡沫镍电极的制备：取步骤a处理的电极作为工作电极，铂柱电极为对电极，银/氯化银电极为参比电极构筑三电极系统，用循环伏安法在纳米金沉积液中进行扫描，扫描范围-1.4～0.6V，扫描速率0.1V/s，扫描10圈，取出晾干备用；
d.漆酶泡沫镍电极的制备：将步骤c制备的电极放在含10mM对巯基苯甲酸和10mM对巯基苯胺的乙醇溶液中处理24小时，取出自然晾干；随后浸于含20mM 1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)碳二亚胺盐酸盐EDC和10mM N-羟基琥珀酰亚胺NHS的10mg/mL的漆酶水溶液中15小时，取出自然晾干，即得到漆酶电极；
e.电聚合液的制备：取刺激响应单体N-异丙基丙烯酰胺NIPAm 0.2M、甲基丙烯酸二乙氨基乙酯DEAEMA 0.2M和引发剂过硫酸钠0.005M，加入到10mL的0.1M硝酸钠水溶液中，即得到电聚合液，并且通入氮气至饱和，备用；
f.共聚物膜修饰电极的制备：取一片制备好的漆酶泡沫镍电极为工作电极，铂柱电极为对电极，银/氯化银电极为参比电极构筑三电极系统，用循环伏安法在步骤e得到的溶液中进行扫描，扫描范围-1.4～-0.1V，扫描速率0.1V/s，预扫描10圈，观察引发剂过硫酸钠的还原峰，然后继续扫描90圈，扫描结束后，用超纯水(电阻18.2MΩ)冲洗电极，即得到修饰了刺激响应共聚物膜的漆酶电极。
实施实例3：反应流程图如图1所示。
a.泡沫镍电极的预处理：将电极级泡沫镍裁剪成适当大小，并分别在丙酮、0.5mM硫酸、超纯水中超声，并在0.1mM NiCl4水溶液中浸泡4小时，之后取出自然晾干；
b.纳米金沉积液的制备：将40μL 10mg/mL的氯金酸溶液加入至10ml的pH值为8的K2HPO4-KH2PO4缓冲溶液中，搅拌至完全溶解并通入氮气至饱和，得到纳米金沉积液；
c.纳米金杂化泡沫镍电极的制备：取步骤a处理的电极作为工作电极，铂柱电极为对电极，银/氯化银电极为参比电极构筑三电极系统，用循环伏安法在纳米金沉积液中进行扫描，扫描范围-1.4～0.6V，扫描速率0.1V/s，扫描10圈，取出晾干备用；
d.漆酶泡沫镍电极的制备：将步骤c制备的电极放在含10mM对巯基苯甲酸和10mM对巯基苯胺的乙醇溶液中处理24小时，取出自然晾干；随后浸于含20mM 1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)碳二亚胺盐酸盐EDC和10mM N-羟基琥珀酰亚胺NHS的10mg/mL的漆酶水溶液中15小时，取出自然晾干，即得到漆酶电极；
e.电聚合液的制备：取刺激响应单体N-异丙基丙烯酰胺NIPAm 0.4M、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯DMAEMA 0.4M和引发剂过硫酸钠0.01M，加入到10mL的0.1M硝酸钠水溶液中，即得到电聚合液，并且通入氮气至饱和，备用；
d共聚物膜修饰电极的制备：取一片制备好的漆酶泡沫镍电极为工作电极，铂柱电极为对电极，银/氯化银电极为参比电极构筑三电极系统，用循环伏安法在步骤e得到的溶液中进行扫描，扫描范围-1.4～-0.1V，扫描速率0.1V/s，预扫描10圈，观察引发剂过硫酸钠的还原峰，然后继续扫描100圈，扫描结束后，用超纯水(电阻18.2MΩ)冲洗电极，即得到修饰了刺激响应共聚物膜的漆酶电极。

Claims (2)

1.一种温度、pH值双重刺激响应柔性漆酶电极的构筑方法，其特征在于：泡沫镍电极表面设有沉积纳米金颗粒和共价键固定的漆酶，通过电致自由基共聚的方法修饰在电极上的温度与pH敏感的聚合物；
所述构筑方法具体步骤如下：
步骤1：将电极级泡沫镍裁剪成设计的尺寸，分别在丙酮、0.5～1.0mM硫酸、超纯水中超声，并在0.1～0.5mM NiCl4水溶液中浸泡3～6小时；
步骤2：以步骤1处理过的电极作为工作电极，铂柱电极为对电极，银/氯化银电极为参比电极构筑三电极系统，采用循环伏安法在纳米金沉积液中进行扫描，扫描范围-1.4～0.6V，扫描速率0.05～0.2V/s，扫描10～20圈，得到沉积了纳米金的电极；所述纳米金沉积液是：10～15mg/mL的氯金酸溶液30～50μL加入到10ml的pH值为8的Na2HPO4-NaH2PO4缓冲溶液中，搅拌至完全溶解，并通入氮气至饱和，得到纳米金沉积液；
步骤3：将步骤2处理的电极放在含10～20mM对巯基苯甲酸和10～20mM对巯基苯胺的乙醇溶液中浸泡24小时，自然干燥后浸于含20mM 1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)碳二亚胺盐酸盐EDC和10mM N-羟基琥珀酰亚胺NHS的10mg/mL漆酶水溶液中，25-30℃下放置15小时，自然干燥后得到漆酶泡沫镍电极；
步骤4：将步骤3处理的电极为工作电极，铂柱电极为对电极，银/氯化银电极为参比电极构筑三电极系统，用循环伏安法在电聚合液中进行扫描，扫描范围-1.4～-0.1V，扫描速率0.1～0.5V/s，扫描90～170圈，扫描结束后，用电阻18.2MΩ的超纯水冲洗电极，即得到修饰了刺激响应共聚物膜的漆酶电极；所述电聚合液是：将温度刺激响应单体、pH值刺激响应单体与引发剂过硫酸钠按照物质的量比40:40:1～50:50:1的比例加入到10～15mL的0.1M硝酸钠水溶液中，通入氮气至饱和得到电聚合液。
2.根据权利要求1所述温度、pH值双重刺激响应柔性漆酶电极的构筑方法，其特征在于：所述温度刺激响应单体有：N-异丙基丙烯酰胺NIPAm；pH刺激响应单体有:
甲基丙烯酸二乙氨基乙酯DEAEMA或甲基丙烯酸二甲氨基乙酯DMAEMA。
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