CN112881491A - 一种生物传感器电极的制备方法和葡萄糖生物传感器 - Google Patents

一种生物传感器电极的制备方法和葡萄糖生物传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN112881491A
CN112881491A CN202110163221.0A CN202110163221A CN112881491A CN 112881491 A CN112881491 A CN 112881491A CN 202110163221 A CN202110163221 A CN 202110163221A CN 112881491 A CN112881491 A CN 112881491A
Authority
CN
China
Prior art keywords
electrode
phenylglycine
poly
biosensor
glucose
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202110163221.0A
Other languages
English (en)
Inventor
张学记
晋晓峰
许太林
苏磊
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenzhen University
Original Assignee
Shenzhen University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shenzhen University filed Critical Shenzhen University
Priority to CN202110163221.0A priority Critical patent/CN112881491A/zh
Publication of CN112881491A publication Critical patent/CN112881491A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/327—Biochemical electrodes, e.g. electrical or mechanical details for in vitro measurements
    • G01N27/3271—Amperometric enzyme electrodes for analytes in body fluids, e.g. glucose in blood
    • G01N27/3272—Test elements therefor, i.e. disposable laminated substrates with electrodes, reagent and channels
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/327—Biochemical electrodes, e.g. electrical or mechanical details for in vitro measurements
    • G01N27/3275—Sensing specific biomolecules, e.g. nucleic acid strands, based on an electrode surface reaction

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)

Abstract

本申请提供了一种生物传感器电极的制备方法，包括以下步骤：将N‑苯基甘氨酸溶于酸性水溶液中，加入引发剂，反应后得到聚(N‑苯基甘氨酸)；将聚(N‑苯基甘氨酸)与生物酶混合得到修饰层溶液；将修饰层溶液涂覆在导电电极基材表面，干燥后得到生物传感器电极。该制备方法工艺简单，成本较低，制备得到的生物传感器电极对葡萄糖具有良好的响应，将其作为工作电极应用在葡萄糖传感器时，传感器能够具有较高的灵敏度、低的检测限和宽的检测范围，从而实现对血糖的准确检测。本申请还提供了一种葡萄糖生物传感器。

Description

一种生物传感器电极的制备方法和葡萄糖生物传感器
技术领域
本申请涉及电化学传感器技术领域，具体涉及一种生物传感器电极的制备方法和葡萄糖生物传感器。
背景技术
糖尿病是一种由葡萄糖代谢紊乱引起的慢性疾病。对于糖尿病患者来说，血糖的检测对糖尿病的诊断、治疗和管理具有重要的意义。葡萄糖生物传感器是将酶固定在电极上形成生物传感器电极，利用酶的催化反应将体内血糖的浓度信息转变为电流信号，从而实现对血糖的检测。然而，目前现有的生物传感器电极仍存在着结构稳定性差、测量结果不准确、灵敏度低以及生物相容性差的问题。因此，有必要提供一种生物传感器电极的制备方法，以制备出具有高灵敏度、良好稳定性和生物相容性的葡萄糖生物传感器。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种生物传感器电极的制备方法，该制备方法工艺简单，成本较低，并且制备得到的生物传感器电极具有良好的稳定性和生物相容性，对葡萄糖具有良好的响应，可作为葡萄糖生物传感器的工作电极，提高葡萄糖生物传感器的灵敏度、降低检测限、增大浓度检测范围。
本申请第一方面提供了一种生物传感器电极的制备方法，包括以下步骤：
将N-苯基甘氨酸溶于酸性水溶液中，加入引发剂，反应后得到聚(N-苯基甘氨酸)；
将所述聚(N-苯基甘氨酸)与生物酶混合得到修饰层溶液；
将所述修饰层溶液涂覆在导电电极基材表面，干燥后得到生物传感器电极。
本申请的生物传感器电极的制备方法中，首先合成了水溶性的聚(N-苯基甘氨酸)，然后将聚(N-苯基甘氨酸)与生物酶混合，生物酶能够通过酰胺反应与聚(N-苯基甘氨酸)连接，将修饰层溶液涂覆在导电电极基材表面再进行干燥时，聚(N-苯基甘氨酸)和生物酶能够在电极表面形成纤维状三维网络结构的修饰层，该结构不仅有利于固定生物酶，提高生物传感器电极对生物酶的负载量，还有利于增大修饰层的表面积，提高电极的灵敏度；该修饰层中的生物酶能够催化葡萄糖产生酶促反应，酶促反应过程会产生电活性物质，从而将葡萄糖的浓度信息转变为电信号；聚(N-苯基甘氨酸)能够作为分子导线使电子在生物酶与导电电极基材之间传递，从而提高生物传感器电极的导电性。该生物传感器电极的制备方法简单，易于操作，制备得到的生物传感器电极酶负载量高、具有良好的结构稳定性和生物相容性，将该生物传感器电极应用在葡萄糖生物传感器可实现葡萄糖生物传感器对葡萄糖灵敏而准确的检测。
可选地，所述聚(N-苯基甘氨酸)的聚合度为10-100。
可选地，将所述N-苯基甘氨酸溶于所述酸性水溶液中后，所述N-苯基甘氨酸的浓度为0.1mg/mL-50mg/mL。
可选地，所述引发剂包括过氧化氢、过氧化苯甲酰和过硫酸铵中的一种或多种。
可选地，所述N-苯基甘氨酸与所述引发剂的摩尔比为1∶(0.7-2)。
可选地，所述酸性水溶液中还包括乳化剂；所述乳化剂包括四丁基溴化铵、四丁基氢氧化铵、聚乙二醇400、聚乙二醇1000和聚(4-苯乙烯磺酸钠)中的一种或多种。
可选地，所述N-苯基甘氨酸与所述乳化剂的质量比为1∶(1-50)。
可选地，所述反应的反应温度为0℃-100℃。进一步地，所述反应的反应温度为50℃-60℃
可选地，所述反应的反应时间为1h-48h。进一步地，所述反应的反应时间为20h-30h。
可选地，所述生物酶包括葡萄糖氧化酶和葡萄糖脱氢酶。
可选地，所述聚(N-苯基甘氨酸)与所述生物酶的质量比为1∶(0.05-20)。
可选地，所述修饰层溶液中所述聚(N-苯基甘氨酸)的浓度为1mg/mL-100mg/mL。
可选地，所述修饰层溶液中所述生物酶的浓度为1mg/mL-100mg/mL。
可选地，所述混合的混合时间为1-15h。
可选地，所述混合的混合温度为0℃-30℃。
可选地，将所述修饰层溶液涂覆在所述导电电极基材表面时，所述修饰层溶液在所述导电电极基材表面的涂覆量为0.3μL/mm2-0.7μL/mm2。
可选地，所述修饰层溶液在所述导电电极基材表面干燥后，形成修饰层，所述修饰层的厚度为5μm-100μm。
可选地，在所述导电电极基材表面形成修饰层后，制备方法还包括在修饰层表面涂覆保护层溶液，所述保护层溶液包括Nafion(聚四氟乙烯和全氟-3,6-二环氧-4-甲基-7-癸烯-硫酸的共聚物)、聚乙烯基吡啶(PVP)、聚氨基甲酸酯(PU)和聚氨基甲酸酯改性材料中的一种或多种。
可选地，所述保护层溶液的质量百分含量为0.5wt％-2wt％。
可选地，所述导电电极基材包括玻碳电极、金电极、银电极、铂电极、石墨电极或碳糊电极中的任意一种。
本申请第二方面提供了一种葡萄糖生物传感器，包括由工作电极、对电极和参比电极组成的三电极体系，所述工作电极包括如本申请第一方面所述制备方法得到的生物传感器电极。
本申请第二方面提供的葡萄糖生物传感器具有较高的灵敏度、较宽的线性范围以及良好稳定性和生物相容性；该葡萄糖生物传感器能够很好地应用在葡萄糖检测领域中。
附图说明
图1为本申请一实施例提供的生物传感器电极的制备方法流程图；
图2为本申请实施例1提供的聚(N-苯基甘氨酸)的红外谱图；
图3为本申请实施例2提供的生物传感器电极的扫描电镜图；
图4为本申请实施例1提供的生物传感器电极在不同浓度葡萄糖溶液中的时间-电流密度响应曲线。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请提供了一种生物传感器电极的制备方法，请参阅图1，图1为本申请一实施例提供的生物传感器电极的制备方法流程图，该制备方法包括以下步骤：
步骤100：制备聚(N-苯基甘氨酸)
将N-苯基甘氨酸溶于酸性水溶液中，加入引发剂，反应后得到聚(N-苯基甘氨酸)；
步骤200：制备生物传感器电极修饰层溶液
将聚(N-苯基甘氨酸)与生物酶混合得到修饰层溶液；
步骤300：制备生物传感器电极
将修饰层溶液涂覆在导电电极基材表面，干燥后得到生物传感器电极。
本申请中，聚(N-苯基甘氨酸)(Poly(N-phenylglycine),PPG)的分子式为(C8H9NO2)n，聚(N-苯基甘氨酸)的结构式为：
Figure BDA0002937306620000041
其中，n表示聚合度，本申请实施方式中，n的值为10-100。聚(N-苯基甘氨酸)为π-π共轭型导电聚合物，具有稳定的长链结构和良好的导电性，将聚(N-苯基甘氨酸)添加到生物传感器电极时，聚(N-苯基甘氨酸)能够作为电子传递中介促进电子在生物酶与导电电极基材之间传递，从而提高生物传感器电极的导电性；并且聚(N-苯基甘氨酸)具有丰富的羧基官能团，能够与生物酶充分交联，从而将生物酶固定在导电电极基材上，提高生物传感器电极的稳定性；除此之外，聚(N-苯基甘氨酸)具有良好的水溶性，有利于将其制备为生物传感器电极，提高电极的生物相容性。
本申请中，步骤100为聚(N-苯基甘氨酸)的制备方法。本申请中的聚(N-苯基甘氨酸)是以N-苯基甘氨酸为原料，在酸性条件添加引发剂催化N-苯基甘氨酸发生聚合反应，该方法操作简单，反应条件易于控制，能够大批量地制备聚(N-苯基甘氨酸)，所得的聚(N-苯基甘氨酸)比表面积大，可很好地实现与生物酶的结合，提高生物传感器电极的酶负载量，并保证生物传感器电极具有良好的导电性。
本申请实施方式中，酸性水溶液的pH值为0.1-5。酸性水溶液的pH值具体可以但不限于为0.1、0.5、1、2、3、4或5。酸性条件不仅能提供反应所需要的pH，溶液中的氢离子也能够以掺杂剂的形式进入聚(N-苯基甘氨酸)的交联结构中，从而进一步提高聚(N-苯基甘氨酸)的导电性。
本申请实施方式中，引发剂包括过氧化氢、过氧化苯甲酰和过硫酸铵中的一种或多种。上述过氧化物能够作为自由基引发剂催化N-苯基甘氨酸发生聚合反应形成聚(N-苯基甘氨酸)。本申请实施方式中，N-苯基甘氨酸与引发剂的摩尔比为1∶(0.7-2)。N-苯基甘氨酸与引发剂的摩尔比具体可以但不限于为1∶0.7、1∶0.9、1∶1、1∶1.2、1∶1.5或1∶2。在上述摩尔比下，聚合反应的反应速度适中，有利于控制反应产物聚(N-苯基甘氨酸)的聚合度。
本申请一些实施方式中，酸性水溶液中还包括乳化剂。本申请实施方式中，乳化剂包括四丁基溴化铵、四丁基氢氧化铵、聚乙二醇400、聚乙二醇1000和聚(4-苯乙烯磺酸钠)中的一种或多种。采用上述乳化剂可以有利于提高N-苯基甘氨酸在水中的溶解度，从而提高反应体系的稳定性。本申请实施方式中，N-苯基甘氨酸与乳化剂的质量比为1∶(1-50)。N-苯基甘氨酸与乳化剂的质量比具体可以但不限于为1∶1、1∶5、1∶10、1∶20、1∶30、1∶40或1∶50。当N-苯基甘氨酸与乳化剂的质量比在上述范围时，聚合反应得到的聚(N-苯基甘氨酸)能够形成具有大比表面积的交联结构，从而提高生物传感器电极的酶负载量。
本申请实施方式中，N-苯基甘氨酸聚合反应的温度为0℃-100℃。本申请一些实施方式中，N-苯基甘氨酸聚合反应的温度为50℃-60℃。N-苯基甘氨酸聚合反应的温度具体可以但不限于为0℃、10℃、20℃、40℃、50℃、55℃、60℃、80℃或90℃。控制反应的反应温度能够调节聚合反应的反应速率，使聚合反应的速率适中，有利于控制聚(N-苯基甘氨酸)的聚合度。
本申请实施方式中，N-苯基甘氨酸聚合反应的时间为1h-48h。本申请一些实施方式中，聚合反应的时间为20h-48h。聚合反应的时间具体可以但不限于为1h、5h、10h、15h、20h、22h、25h、27h、30h或48h。控制反应时间能够保证聚(N-苯基甘氨酸)的聚合度在适当范围。本申请中，控制聚(N-苯基甘氨酸)的聚合度可以保证聚(N-苯基甘氨酸)同时具有良好的水溶性和丰富的羧基官能团，其中羧基官能团可以与生物酶反应形成酰胺键，有利于将酶固定在聚(N-苯基甘氨酸)中，从而提高生物传感器电极的酶负载量，增强传感器电极的灵敏度，并使得传感器电极具有良好的结构稳定性。本申请实施方式中，聚(N-苯基甘氨酸)的聚合度为10-100。聚(N-苯基甘氨酸)的聚合度具体可以但不限于为10、15、20、30、40、50、60、70、80、90或100。聚(N-苯基甘氨酸)的聚合度过低时不利于在电极表面形成纤维状三维网络结构，不利于固定生物酶以及在电极表面形成修饰层，当聚合度过高时，聚(N-苯基甘氨酸)的水溶性差，导致生物传感器电极制备步骤繁琐，不利于电极的大规模制备。本申请一些实施方式中，聚(N-苯基甘氨酸)的聚合度为40-80。
本申请中，聚合反应结束后需要除去反应的副产物，反应的副产物包括无机盐、N-苯基甘氨酸的低聚物和高聚物。本申请实施方式中，采用透析法和滤膜过滤法除去反应的副产物。本申请实施方式中，采用透析法除去N-苯基甘氨酸的低聚物和无机盐，透析时间为15h-30h。进一步地，透析袋的截留分子量为1500D-15000D。本申请实施方式中，采用滤膜过滤法除去N-苯基甘氨酸的高聚物。进一步地，滤膜为水膜，滤膜的孔径具体可以但不限于为0.45μm、0.65μm或0.8μm。本申请一些实施方式中，透析袋的截留分子量为3500D，滤膜的孔径为0.45μm。采用上述型号的透析袋和滤膜可以有效除去聚合反应的副产物，得到较高纯度的目标产物。
本申请中，除去聚合反应的副产物后得到聚(N-苯基甘氨酸)的水溶液，因此需要除去溶液中的水来得到聚(N-苯基甘氨酸)。本申请实施方式中，除去水的方法包括旋转蒸发法、冷冻干燥法、薄膜蒸发法和过滤法中的任意一种。本申请一些实施方式中，采用冷冻干燥法除去水。采用冷冻干燥法可以避免聚(N-苯基甘氨酸)发生高温氧化，保证产品具有较高的纯度。
本申请实施方式中，聚(N-苯基甘氨酸)的电导率为5S/cm-5×103S/cm。良好的导电性有利于电子在生物酶与导电电极基材之间传递，从而提高生物传感器电极的灵敏度。本申请实施方式中，聚(N-苯基甘氨酸)具有良好的水溶性，从而有利于生物酶与聚(N-苯基甘氨酸)的结合，增强了电极的生物相容性。
本申请中，制备得到的聚(N-苯基甘氨酸)为纤维状三维网络结构，纤维状三维网络结构具有较大的比表面积，能够提高生物传感器电极对生物酶的负载量；并且三维网络结构有利于葡萄糖分子的扩散和传输，大大提高了葡萄糖生物传感器的灵敏度和响应时间。
本申请实施方式中，聚(N-苯基甘氨酸)的产率为60％-90％。聚(N-苯基甘氨酸)的产率具体可以但不限于为60％、70％、80％、85％或90％。本申请提供的聚(N-苯基甘氨酸)的制备方法操作步骤简单，能够大批量地制备出聚(N-苯基甘氨酸)，所得的聚(N-苯基甘氨酸)具有丰富的羧基官能团，能够与生物酶发生酰胺反应从而保证生物酶能够与聚(N-苯基甘氨酸)有效结合，促进电子的传输，提高生物传感器电极的导电性；并且本申请制备出的聚(N-苯基甘氨酸)具有较大的比表面积，有利于提高酶的负载量，增强生物传感器电极的灵敏度。
本申请中，步骤200为生物传感器电极修饰层溶液的制备。该制备方法具体为：将聚(N-苯基甘氨酸)和生物酶分别溶解在水或磷酸盐缓冲液(PBS)中，将两种溶液混合后静置得到修饰层溶液。采用混合和静置的方法能够使生物酶与聚(N-苯基甘氨酸)充分反应，从而更好地固定生物酶。本申请实施方式中，修饰层溶液中聚(N-苯基甘氨酸)的浓度为1mg/mL-100mg/mL，聚(N-苯基甘氨酸)的浓度具体可以但不限于为1mg/mL、5mg/mL、10mg/mL、20mg/mL、30mg/mL、40mg/mL、50mg/mL、60mg/mL、70mg/mL、80mg/mL或100mg/mL。
本申请中，生物酶能够催化葡萄糖产生酶促反应，酶促反应的过程中会产生电活性物质，从而将葡萄糖的含量信息转变为电信号。本申请实施方式中，生物酶包括葡萄糖氧化酶(GOX)和葡萄糖脱氢酶(GDH)中的任意一种。本申请实施方式中，修饰层溶液中生物酶的浓度为1mg/mL-100mg/mL。生物酶的浓度具体可以但不限于为1mg/mL、5mg/mL、10mg/mL、20mg/mL、30mg/mL、40mg/mL、50mg/mL、60mg/mL、70mg/mL、80mg/mL或100mg/mL。控制生物酶的浓度能够保证制备得到的生物传感器电极具有较高的灵敏度并且生物酶能够与聚(N-苯基甘氨酸)充分结合，不影响电极的导电性，从而保证葡萄糖生物传感器能够快速、准确地检测葡萄糖浓度。
本申请实施方式中，聚(N-苯基甘氨酸)与生物酶的质量比为1∶(0.05-20)。聚(N-苯基甘氨酸)与生物酶的质量比具体可以但不限于为1∶0.05、1∶0.1、1∶0.3、1∶0.7、1∶1、1∶3、1∶5、1∶7、1∶10、1∶15或1∶20。控制聚(N-苯基甘氨酸)与生物酶的质量比能够保证聚(N-苯基甘氨酸)与生物酶充分反应，从而有效地固定生物酶，并且不影响生物酶与葡萄糖的结合，保证葡萄糖生物传感器能够快速、准确地检测葡萄糖浓度。
本申请实施方式中，将聚(N-苯基甘氨酸)与生物酶混合后得到混合溶液，将混合溶液在0℃-30℃下静置1-15h后得到修饰层溶液。本申请一些实施方式中，混合溶液在15℃下静置2h。将聚(N-苯基甘氨酸)与生物酶的混合溶液进行静置可以使聚(N-苯基甘氨酸)与生物酶充分反应，使生物酶与聚(N-苯基甘氨酸)牢固结合，有利于形成结构稳定性良好的传感器电极。
本申请中，步骤300为生物传感器电极的制备。本申请实施方式中，导电电极基材包括玻碳电极(GCE)、金电极、银电极、铂电极、石墨电极或碳糊电极中的任意一种。本申请一些实施方式中，导电电极基材为玻碳电极，玻碳电极具有良好的机械稳定性和高导电性。
本申请实施方式中，将修饰层溶液涂覆在导电电极基材表面时，修饰层溶液在导电电极基材表面的涂覆量为0.3μL/mm2-0.7μL/mm2。本申请一些实施方式中，导电电极基材的表面积为5mm2，修饰层溶液在导电电极基材表面的涂覆量为7μL。
本申请中，采用物理涂覆的方式对电极进行修饰不会改变酶的构象，能够保证生物酶具有良好的活性。本申请实施方式中，涂覆的方式包括滴涂或喷涂。本申请实施方式中，修饰层溶液干燥后所形成的修饰层厚度为5μm-100μm。修饰层的厚度具体可以但不限于为5μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm或100μm。控制修饰层的厚度能够保证生物传感器电极具有良好的导电性和较高的生物酶负载量。本申请实施方式中，修饰层溶液干燥的温度为15℃-30℃，干燥的时间为12h-24h。
本申请一些实施方式中，在导电电极基材表面形成修饰层后还可以在修饰层表面制备保护层。在修饰层表面设置保护层能够进一步提高电极结构的稳定性并且增强葡萄糖生物传感器的抗干扰性。本申请实施方式中，保护层的材质包括Nafion(聚四氟乙烯和全氟-3,6-二环氧-4-甲基-7-癸烯-硫酸的共聚物)、聚乙烯基吡啶(PVP)、聚氨基甲酸酯(PU)和聚氨基甲酸酯改性材料中的一种或多种。采用上述材质制得的保护层能够将组织液或血液中的干扰物阻挡在保护层外，而葡萄糖则可以透过保护层，从而减少非葡萄糖物质对传感器的干扰，提高葡萄糖生物传感器的准确度，并延长葡萄糖生物传感器的使用寿命。进一步地，常见的干扰物包括尿酸、抗坏血酸、醋氨酚等。本申请一些实施方式中，保护层的材质为Nafion。采用Nafion制得的保护膜具有良好的化学稳定性和机械强度，可以有效提高葡萄糖生物传感器的结构稳定性。
本申请实施方式中，保护层的制备方法具体为：配制质量分数为0.5wt％-2wt％的保护层溶液，将保护层溶液涂覆在修饰层表面，干燥后得到生物传感器电极。本申请实施方式中，干燥的温度为15℃-35℃，干燥的时间为10h-24h。
本申请以N-苯基甘氨酸为原料制备出具有良好导电性和水溶性的聚(N-苯基甘氨酸)，聚(N-苯基甘氨酸)可以与生物酶发生反应形成酰胺键从而实现酶的固化，减少了传统电极制备方法中添加交联剂的步骤，因此节约了工艺时间，降低了制备成本。本申请提供的生物传感器电极的制备方法操作简单，所制备出的生物传感器电极酶负载量高，具有良好的结构稳定性，将其作为工作电极应用在葡萄糖传感器时，能够实现对葡萄糖浓度快速、准确的检测，有利于实现对糖尿病患者的诊断、治疗和管理。
本申请还提供了一种葡萄糖生物传感器，该葡萄糖生物传感器采用三电极电化学体系，包括工作电极、参比电极和对电极。其中，工作电极包括本申请上述制备方法得到的生物传感器电极，参比电极包括银/氯化银电极和饱和甘汞电极，对电极为铂电极。
本申请实施方式中，生物传感器电极包括导电电极基材和设置在导电电极基材上的修饰层。导电电极基材包括玻碳电极(GCE)、金电极、银电极、铂电极、石墨电极或碳糊电极中的任意一种。
本申请实施方式中，修饰层为纤维状三维网络结构，修饰层包括聚(N-苯基甘氨酸)和生物酶，聚(N-苯基甘氨酸)和生物酶通过酰胺键连接。生物酶能够催化葡萄糖产生酶促反应，酶促反应的过程中会产生电活性物质，从而将葡萄糖的含量信息转变为电信号。本申请实施方式中，生物酶包括葡萄糖氧化酶(GOX)和葡萄糖脱氢酶(GDH)。本申请实施方式中，聚(N-苯基甘氨酸)与生物酶的质量比为1：(0.05-20)。
本申请一些实施方式中，生物传感器电极还包括保护层。本申请实施方式中，保护层的材质包括Nafion(聚四氟乙烯和全氟-3,6-二环氧-4-甲基-7-癸烯-硫酸的共聚物)、聚乙烯基吡啶(PVP)、聚氨基甲酸酯(PU)和聚氨基甲酸酯改性材料中的一种或多种。
本申请实施方式中，葡萄糖生物传感器检测葡萄糖的线性范围是1×10-5mol/L-1×10-2mol/L。本申请实施方式中，葡萄糖生物传感器对葡萄糖的检测限为1×10-6mol/L-5×10-6mol/L。葡萄糖生物传感器对葡萄糖的检测限具体可以但不限于为1×10-6mol/L、2×10-6mol/L、3×10-6mol/L、4×10-6mol/L或5×10-6mol/L。
本申请实施方式中，葡萄糖生物传感器对葡萄糖的检测灵敏度为1μA·mM-1·cm-2-100μA·mM-1·cm-2。葡萄糖生物传感器对葡萄糖的检测灵敏度具体可以但不限于为1μA·mM-1·cm-2、5μA·mM-1·cm-2、10μA·mM-1·cm-2、20μA·mM-1·cm-2、30μA·mM-1·cm-2、40μA·mM-1·cm-2、50μA·mM-1·cm-2、70μA·mM-1·cm-2、90μA·mM-1·cm-2或100μA·mM-1·cm-2。本申请实施方式中，葡萄糖生物传感器检测葡萄糖的响应时间为0.5s-9s。葡萄糖生物传感器检测葡萄糖的响应时间具体可以但不限于为0.5s、1s、1.5s、2s、4s、6s或9s。
本申请基于聚(N-苯基甘氨酸)优异的导电性、酶固定特性和生物相容性等特点，以聚(N-苯基甘氨酸)和生物酶作为修饰层设计得到一种生物传感器电极，并将该生物传感器电极制备为葡萄糖生物传感器，该葡萄糖生物传感器的灵敏度高、检测范围广、响应时间短、抗干扰性强，能够实现对葡萄糖浓度快速、准确的检测，有利于实现对糖尿病患者的诊断、治疗和管理。
下面分多个实施例对本申请技术方案进行进一步的说明。
实施例1
一种生物传感器电极的制备方法，包括如下步骤：
1)制备聚(N-苯基甘氨酸)
配制200mL浓度为0.5mol/L的硫酸水溶液，分别将1.15gN-苯基甘氨酸、0.65g聚乙二醇400和1.02g过氧化苯甲酰加入硫酸溶液中，在30℃下搅拌反应24h。将反应液加入透析袋，在纯化水中透析24h除去无机盐的低聚物，然后过滤除去高聚物，采用薄膜蒸发法除去滤液中的水，得到聚(N-苯基甘氨酸)，聚(N-苯基甘氨酸)的产率为85％。
制备生物传感器电极
将20mg葡萄糖氧化酶溶解于1mL磷酸盐缓冲液中，加入1mL浓度为5mg/mL的聚(N-苯基甘氨酸)水溶液，充分混合后获得聚(N-苯基甘氨酸)-葡萄糖氧化酶混合溶液，在4℃下放置12h得到修饰层溶液；
取5μL修饰层溶液涂覆在石墨烯电极表面(电极表面积为3.14mm2)，在20℃下自然干燥12h，形成修饰层，然后将1wt％的Nafion溶液滴覆于修饰层表面，在20℃下干燥12h，形成保护层，用蒸馏水冲洗电极除去未结合的酶和杂质，得到生物传感器电极。不使用时，将生物传感器电极在4℃条件下保存。
实施例2
一种生物传感器电极的制备方法，包括如下步骤：
1)制备聚(N-苯基甘氨酸)
配制200mL浓度为0.1mol/L的硫酸水溶液，分别将1.34gN-苯基甘氨酸和0.78g聚(4-苯乙烯磺酸钠)加入硫酸溶液中，调节温度为0℃，向反应液滴加10mL含有1.76g过氧化氢的0.1mol/L硫酸溶液，在0℃下搅拌反应24h。将反应液加入透析袋，在纯化水中透析24h除去无机盐的低聚物，然后过滤除去高聚物，采用冷冻干燥法除去滤液中的水，得到聚(N-苯基甘氨酸)，聚(N-苯基甘氨酸)的产率为81％。
2)制备生物传感器电极
将5mg葡萄糖氧化酶溶解于1mL水中，加入1mL浓度为15mg/mL的聚(N-苯基甘氨酸)水溶液，充分混合后获得聚(N-苯基甘氨酸)-葡萄糖氧化酶混合溶液，在10℃下放置10h得到修饰层溶液；
取3μL修饰层溶液涂覆在石墨烯电极表面(电极表面积为3.14mm2)，在25℃下自然干燥12h，形成修饰层，用蒸馏水冲洗电极除去未结合的酶和杂质，得到生物传感器电极。
实施例3
一种生物传感器电极的制备方法，包括如下步骤：
1)制备聚(N-苯基甘氨酸)
配制200mL浓度为0.1mol/L的盐酸水溶液，分别将1.34gN-苯基甘氨酸和0.78g聚(4-苯乙烯磺酸钠)加入盐酸溶液中，调节温度为0℃，向反应液滴加10mL含有1.76g过氧化氢的0.1mol/L盐酸溶液，在0℃下搅拌反应48h。将反应液加入透析袋，在纯化水中透析24h除去无机盐的低聚物，然后过滤除去高聚物，采用冷冻干燥法除去滤液中的水，得到聚(N-苯基甘氨酸)，聚(N-苯基甘氨酸)的产率为72％。
2)制备生物传感器电极
将5mg葡萄糖氧化酶溶解于1mL水中，加入1mL浓度为15mg/mL的聚(N-苯基甘氨酸)水溶液，充分混合后获得聚(N-苯基甘氨酸)-葡萄糖氧化酶混合溶液，在10℃下放置10h得到修饰层溶液；
取3μL修饰层溶液涂覆在石墨烯电极表面(电极表面积为3.14mm2)，在25℃下自然干燥12h，形成修饰层，然后将1wt％的聚氨基甲酸酯溶液滴覆于修饰层表面，在20℃下干燥12h，形成保护层，用蒸馏水冲洗电极除去未结合的酶和杂质，得到生物传感器电极。
实施例4
1)制备聚(N-苯基甘氨酸)
配制200mL浓度为0.2mol/L的硫酸水溶液，分别将1.22gN-苯基甘氨酸和0.99g聚乙二醇1000加入硫酸溶液中，调节温度为80℃，向反应液滴加10mL含有0.98g过硫酸铵的0.2mol/L硫酸水溶液，在80℃下搅拌反应3h。将反应液加入透析袋，在纯化水中透析24h除去无机盐的低聚物，然后过滤除去高聚物，采用冷冻干燥法除去滤液中的水，得到聚(N-苯基甘氨酸)，聚(N-苯基甘氨酸)的产率为68％。
2)制备生物传感器电极
将10mg葡萄糖氧化酶溶解于1mL水中，加入1mL浓度为15mg/mL的聚(N-苯基甘氨酸)水溶液，充分混合后获得聚(N-苯基甘氨酸)-葡萄糖氧化酶混合溶液，在10℃下放置10h得到修饰层溶液；
取4μL修饰层溶液涂覆在玻碳电极表面(电极表面积为3.14mm2)，在25℃下自然干燥12h，形成修饰层，然后将1wt％的聚氨基甲酸酯溶液滴覆于修饰层表面，在20℃下干燥12h，形成保护层，用蒸馏水冲洗电极除去未结合的酶和杂质，得到生物传感器电极。
效果实施例
为验证本申请制得的生物传感器电极的形貌和性能，本申请还提供了效果实施例。
1)将实施例1制得的聚(N-苯基甘氨酸)进行红外光谱表征，请参阅图2，图2为本申请实施例1制得的聚(N-苯基甘氨酸)的红外谱图。由图2可以看出，红外谱图中2500cm-1-3500cm-1为聚(N-苯基甘氨酸)中羧酸上羟基的吸收带；1660cm-1为羰基的伸缩振动；1506cm-1和1481cm-1处的特征峰对应醌型和苯环的伸缩振动；1305cm-1处的吸收峰对应亚胺带。红外谱图表明成功制备出了聚(N-苯基甘氨酸)。
2)采用扫描电镜对实施例2的生物传感器电极进行形貌表征，请参阅图3，图3为本申请实施例2提供的生物传感器电极的扫描电镜图，由图3可以看出生物传感器电极的修饰层为纤维状聚(N-苯基甘氨酸)交织形成的三维网络结构。
3)通过计时电流法测定实施例1-4的生物传感器电极的检测限。具体测定方法如下：将实施例1-4的生物传感器电极作为工作电极与铂电极、银/氯化银参比电极组成三电极体系，以pH7.0的PBS缓冲液为电解液，在相同的通电条件下当电流趋于平稳时，向电解液体系加入低浓度的葡萄糖溶液，当电流出现变化，且电流变化值大于电流基线的波动值3倍，即信噪比大于3时，认为生物传感器电极对该浓度的葡萄糖有响应，依次对不同浓度的葡萄糖进行检测，将有响应的最低葡萄糖浓度设为最低检测限，结果请参阅表1。
4)通过时间电流法测定实施例1-4的生物传感器电极的响应时间，具体测定方法如下：将实施例1-4的生物传感器电极作为工作电极与铂电极、银/氯化银参比电极组成三电极体系，以pH7.0的PBS缓冲液为电解液，在-0.35V的工作电位下通电，记录从葡萄糖溶液加入到电流变化达到峰值又落回稳态的时间间隔，该间隔即为响应时间，结果请参阅表1。
5)通过时间电流法测定实施例1-4的生物传感器电极的回归曲线，具体测定方法如下：将实施例1-4的生物传感器电极作为工作电极与铂电极、银/氯化银参比电极组成三电极体系，以pH7.0的PBS缓冲液为电解液，在0.2V的工作电位下通电，观察电极对不同浓度葡萄糖溶液响应的电流变化，根据图像拟合回归曲线并计算线性相关系数，结果请参阅表1和图4。图4为本申请实施例1提供的生物传感器电极在不同浓度葡萄糖溶液中的时间-电流密度响应曲线，由图像拟合得到的回归方程为y＝2.325x+0.740(R2＝0.996)。
表1葡萄糖生物传感器的性能参数表
Figure BDA0002937306620000151
由表1可以看出，本申请的葡萄糖生物传感器测定的重复性好(标准差均小于等于11％)，并且葡萄糖生物传感器的灵敏度高、检测范围广、响应时间短，能够实现对葡萄糖浓度快速、准确的检测。
以上所述是本申请的优选实施方式，但并不能因此而理解为对本申请范围的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种生物传感器电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将N-苯基甘氨酸溶于酸性水溶液中，加入引发剂，反应后得到聚(N-苯基甘氨酸)；
将所述聚(N-苯基甘氨酸)与生物酶混合得到修饰层溶液；
将所述修饰层溶液涂覆在导电电极基材表面，干燥后得到生物传感器电极。
2.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述聚(N-苯基甘氨酸)的聚合度为10-100。
3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述引发剂包括过氧化氢、过氧化苯甲酰和过硫酸铵中的一种或多种；所述N-苯基甘氨酸与所述引发剂的摩尔比为1∶(0.7-2)。
4.如权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述反应的反应温度为0℃-100℃；所述反应的反应时间为1h-48h。
5.如权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述生物酶包括葡萄糖氧化酶和葡萄糖脱氢酶中的任意一种；所述聚(N-苯基甘氨酸)与所述生物酶的质量比为1∶(0.05-20)。
6.如权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述修饰层溶液中，所述聚(N-苯基甘氨酸)的浓度为1mg/mL-100mg/mL；所述修饰层溶液中，所述生物酶的浓度为1mg/mL-100mg/mL。
7.如权利要求1-6任一项所述的制备方法，其特征在于，将所述修饰层溶液涂覆在所述导电电极基材表面时，所述修饰层溶液在所述导电电极基材表面的涂覆量为0.3μL/mm2-0.7μL/mm2。
8.如权利要求1-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述酸性水溶液中还包括乳化剂；所述乳化剂包括四丁基溴化铵、四丁基氢氧化铵、聚乙二醇400、聚乙二醇1000和聚(4-苯乙烯磺酸钠)中的一种或多种；所述N-苯基甘氨酸与所述乳化剂的质量比为1∶(1-50)。
9.如权利要求1-8任一项所述的制备方法，其特征在于，所述导电电极基材包括玻碳电极、金电极、银电极、铂电极、石墨电极或碳糊电极中的任意一种。
10.一种葡萄糖生物传感器，包括由工作电极、对电极和参比电极组成的三电极体系，其特征在于，所述工作电极包括如权利要求1-9任一项所述制备方法得到的生物传感器电极。
CN202110163221.0A 2021-02-05 2021-02-05 一种生物传感器电极的制备方法和葡萄糖生物传感器 Pending CN112881491A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110163221.0A CN112881491A (zh) 2021-02-05 2021-02-05 一种生物传感器电极的制备方法和葡萄糖生物传感器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110163221.0A CN112881491A (zh) 2021-02-05 2021-02-05 一种生物传感器电极的制备方法和葡萄糖生物传感器

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112881491A true CN112881491A (zh) 2021-06-01

Family

ID=76055917

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110163221.0A Pending CN112881491A (zh) 2021-02-05 2021-02-05 一种生物传感器电极的制备方法和葡萄糖生物传感器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112881491A (zh)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1515541A (zh) * 1996-01-23 2004-07-28 ռ�˹ 利用非荧光标记检测配体对结合的方法和组合物
CN104833713A (zh) * 2015-04-23 2015-08-12 南京工业大学 一种简易的酶生物传感器的制备方法
KR20170127758A (ko) * 2016-05-12 2017-11-22 단국대학교 산학협력단 효소 고정화된 글루코스 바이오센서 및 이의 제조방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1515541A (zh) * 1996-01-23 2004-07-28 ռ�˹ 利用非荧光标记检测配体对结合的方法和组合物
CN104833713A (zh) * 2015-04-23 2015-08-12 南京工业大学 一种简易的酶生物传感器的制备方法
KR20170127758A (ko) * 2016-05-12 2017-11-22 단국대학교 산학협력단 효소 고정화된 글루코스 바이오센서 및 이의 제조방법

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
TOSHIMASA HOMMA等: "Covalent immobilization of glucose oxidase on the film prepared by electrochemical polymerization of N-phenylglycine for amperometric glucose sensing", 《EUROPEAN POLYMER JOURNAL》 *
侯少武 等著: "《聚乙烯醇市场 生产技术 应用》", 31 March 2017 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AU2004284368B2 (en) Biosensor
CA3220494A1 (en) Method and apparatus for analyte detection using an electrochemical biosensor
US20110129593A1 (en) Composition for glucose sensing comprising of nanofibrous membrane and method for manufacturing non-enzymatic glucose biosensor using the same
US8005188B2 (en) Test-sensor production monitoring using XRF spectrometry
JPH0419503B2 (zh)
CN104280431A (zh) 用于生物传感器的试剂组合物及包含所述试剂组合物的生物传感器
CN112957039B (zh) 一种柔性传感器电极和柔性传感器的制备方法
KR102360124B1 (ko) 탄소나노튜브를 포함하는 생체신호 측정용 전기화학적 바이오 센서 및 이의 제조방법
KR102085709B1 (ko) 신규 루테늄계 전자전달 매개체를 포함하는 산화환원반응용 시약조성물 및 바이오센서
US20210347926A1 (en) Oxidation-reduction polymer including transition metal complex, and electrochemical biosensor using same
Hansen et al. A facile and simple polyaniline-poly (ethylene oxide) based glucose biosensor
Xu et al. Glucose biosensors prepared by electropolymerization of p-chlorophenylamine with and without Nafion
JP6456681B2 (ja) 修飾電極、当該修飾電極を備えるバイオ電池並びにバイオセンサー
CN112858436B (zh) 一种生物传感器电极及其制备方法和葡萄糖生物传感器
CN114606210A (zh) 葡萄糖传感器、葡萄糖脱氢酶及其制备方法
CN112903785B (zh) 一种基于MOFs的生物传感器电极及其制备方法和葡萄糖生物传感器
WO2001020316A1 (fr) Procede de production d'une enzyme modifiee par lipides, et biodetecteur
CN112881491A (zh) 一种生物传感器电极的制备方法和葡萄糖生物传感器
CN111007127A (zh) 有序直立状多孔石墨烯在制备血糖试纸中的应用
CN104271758A (zh) 具有nad聚合物辅酶的酶电化学型传感器
Bulut et al. Benzodithiophene bearing conjugated polymer-based surface anchoring for sensitive electrochemical glucose detection
CN102507691A (zh) 一种抗坏血酸氧化酶电化学生物传感复合修饰电极的制备方法
Doaga et al. Electrochemical Sensing of NADH and Glutamate Based on Meldola Blue in 1, 2‐Diaminobenzene and 3, 4‐Ethylenedioxythiophene Polymer Films
KR102596519B1 (ko) 산화 환원 반응용 시약 조성물 및 이를 포함하는 바이오센서
KR20210011538A (ko) 글루코스 탈수소화효소 감응형 신규 루테늄계 전자전달 매개체, 이의 제조방법, 이를 포함하는 산화환원반응용 시약조성물 및 바이오센서

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20210601

RJ01 Rejection of invention patent application after publication