一种中空碳球富氧酶电极、基于其的电化学酶传感器与应用制造技术

本发明专利技术提供了一种中空碳球富氧酶电极、基于其的电化学酶传感器与应用。以导电纳米中空碳球作为氧载体，以负载在中空碳球上的催化剂用于催化酶促反应产物过氧化氢，生物酶层用于催化待测底物生成过氧化氢。将氧化酶溶液与负载了催化剂的中空碳球充分混合，滴加在电极基材上制备了电化学酶传感器。中空碳球空腔存储的氧气解决了传统生物酶传感检测中利于水中溶解氧所带来的“氧不足”的问题，大幅提高了酶促反应速度，进而提高了检测的线性范围、灵敏度以及准确性。度以及准确性。度以及准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种中空碳球富氧酶电极、基于其的电化学酶传感器与应用


[0001]本专利技术涉及生物传感器
，尤其是指一种中空碳球富氧酶电极、基于其的电化学酶传感器与应用。

技术介绍

[0002]近些年来，基于氧化酶的催化反应在生物检测中的应用越来越广泛，以葡萄糖为例，其是维持人体生理活动不可或缺的物质之一，但其在人体内浓度过高时会带来一系列健康问题，因此需要对葡萄糖进行精确的检测以保证人体的生理水平维持在一个健康状态。在传统的以葡萄糖氧化酶为基础的电化学生物检测系统中，在氧气的存在下，氧化酶可以氧化其底物，产生同比例的过氧化氢，而过氧化氢可以进一步的在电极表面被电氧化，产生相应的电流信号，将酶催化反应和电催化反应相结合，可以快速准确的测定待测底物的浓度。但是现有技术中的，葡萄糖生物传感器存在以下的缺点：(1)葡萄糖传感器响应信号受待测溶液中氧气溶解度的影响较大，氧气浓度不足，严重限制了酶催化反应动力学，使得葡萄糖检测线性范围小；(2)待测溶液中氧气含量波动较大，导致传感器检测准确性低。
[0003]为了解决上述问题，CN108872344 B提出了一种富氧纳米生物酶电极、传感器装置及其制备方法和应用，通过在工作电极基体上修饰疏水处理的不导电空心结构纳米材料来实现氧气的富集，但是在该专利技术中，由于空心结构纳米材料不具备导电性，用于催化过氧化氢的催化剂材料必须修饰在工作电极的表面，这样导致酶促反应产物过氧化氢需要沿着这些空心球间的空隙缓慢扩散到电极基底表面上才能被催化并产生电流信号，这使得测试响应速度慢，检测的灵敏度低，影响了检测性能，另外该空心纳米材料表面必须进行疏水处理，其过程繁琐，不仅对环境造成很大污染，也不利于成本的降低。因此，迫切需要开发一种简单易制备，不受溶液中溶解氧干扰且具有较快响应速度、更高灵敏度的电化学酶传感器。

技术实现思路

[0004]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种中空碳球富氧酶电极、基于其的电化学酶传感器与应用，利用导电纳米中空碳球的内部空腔结构储存的氧气解决传统酶传感器仅依赖于水中溶解氧所带来的“氧短缺”问题，提高了酶促反应的效率。同时，电催化剂直接负载在导电中空碳球的表面，可以原位高效完成对酶促反应产物过氧化氢的催化，而无需酶促促产物过氧化氢扩散到电极基底表面，显著提高了电极检测的灵敏度、降低了响应时间，综合改善电化学酶传感器的性能。值得指出的是：本专利技术所述中空碳材料不需要额外进行表面疏水处理，解决了现有技术中需要对电极表面材料进行疏水处理来提高供氧量的难题，极大减少了对环境的阴性，也大大节约了成本。
[0005]本专利技术的第一个目的在于提供一种电化学酶传感器，包括工作电极，参比电极以及对电极；其中，所述工作电极负载有用于过氧化氢还原催化剂的导电中空碳球、氧化酶以及酶保护剂；所述导电中空碳球与氧化酶以及酶保护剂混合后滴涂于工作电极基体上；
[0006]在本专利技术的一个实施例中，中空碳球的空腔大小为10
‑
1000nm。
[0007]在本专利技术的一个实施例中，所述氧化酶选自葡萄糖氧化酶、α
‑
磷酸甘油氧化酶、胆固醇酯酶、胆固醇脱氢酶、胆固醇氧化酶、葡萄糖脱氢酶、乳酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶、胆红素氧化酶、抗坏血酸氧化酶、过氧化物酶、尿酸酶、胶原酶、质酸酶、蛋白酶和蛋白水解酶中的一种或多种。
[0008]在本专利技术的一个实施例中，所述过氧化氢还原催化剂选自金属、金属氧化物、金属盐和有机材料还原催化剂中的一种或多种。
[0009]在本专利技术的一个实施例中，所述金属选自铂、铑、金、镍、铜、钛和铝中的一种或多种。
[0010]在本专利技术的一个实施例中，所述对电极的基体材料选自金属材料、无机材料和高分子材料中的一种或几种。
[0011]在本专利技术的一个实施例中，所述金属材料选自镍、铜、钛和铝中的一种或多种。
[0012]在本专利技术的一个实施例中，所述无机材料选自金属氧化物或/和碳材料。
[0013]在本专利技术的一个实施例中，所述碳材料选自碳纤维材料、碳纳米管和石墨烯中的一种或多种。
[0014]在本专利技术的一个实施例中，所述金属氧化物选自氧化镍、氧化锆、氧化铝、氧化铜和氧化钛中的一种或多种。
[0015]在本专利技术的一个实施例中，所述对电极选自碳棒电极、Pt电极、钛电极和铂黑电极中的一种或多种。
[0016]在本专利技术的一个实施例中，所述高分子材料选自聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、酚醛树脂、聚苯胺、聚吡啶、聚吡咯和聚苯乙烯中的一种或多种。
[0017]在本专利技术的一个实施例中，所述工作电极通过以下方法制备得到：将负载有用于过氧化氢还原催化剂的中空碳球分散在溶剂中，之后加入生物酶、酶保护剂，混合均匀后，滴加在工作电极的基体上，即得所述工作电极。
[0018]在本专利技术的一个实施例中，所述中空碳球在溶剂中的浓度为1
‑
50mg/mL。
[0019]本专利技术的第二个目的在于提供所述的电化学酶传感器在检测葡萄糖、蔗糖、乳糖、尿酸、肌酐、尿素、乳酸、乙酰胆碱、甘油三酯或胆固醇中的应用。
[0020]在本专利技术的一个实施例中，使用所述的电化学酶传感器对待测物进行检测，通过测得的还原电流信号得到待测物样品浓度。
[0021]在本专利技术的一个实施例中，所述还原电流信号的测试方法选自循环伏安法、线性扫描伏安法或电流
‑
时间测试。
[0022]在本专利技术的一个实施例中，所述检测中的标准曲线的制备方法：利用电化学酶传感器测试不同已知浓度的待测物的标准样本，记录电流信号和待测物浓度的关系，得到所述标准曲线。
[0023]在本专利技术的一个实施例中，检测步骤为：将制备的工作电极与电化学工作站连接，采用三电极体系，参比电极和对电极连一边，工作电极连另一半，选定0.6V为恒电位进行安倍(电流
‑
时间)检测，扫描时间为15s，选第10s的电流值为输出值，记录检测葡萄糖、蔗糖或乳糖时对应的电流信号。
[0024]本专利技术的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
[0025]本专利技术以中空碳球作为富氧纳米球构建了电化学酶传感器当酶电极浸入含有氧化酶底物的溶液中，中空碳球内部的氧气会参与酶促反应，解决传统酶传感体系中利于水中溶解氧所带来的“氧不足”的问题；同时负载在中空碳球表面的催化剂可完成对中间产物H2O2的原位催化，无需H2O2扩散到电极基地表面，在大幅度提高酶催化反应速度、线性检测范围的同时，大幅提升了酶传感器的响应性能，例如灵敏度，如本专利技术相较于现有专利CN108872344B，电极检测灵敏度提升了5倍。
附图说明
[0026]为了使本专利技术的内容更容易被清楚的理解，下面根据本专利技术的具体实施例并结合附图，对本专利技术作进一步详细的说明，其中
[0027]图1为本专利技术实施例1制备的中空碳球的透射电镜图；
[0028]图2为本专利技术对比例1制备的实心纳米碳球的透射电镜图；
[0029]图3为本专利技术实施例2制备的电极对0mM本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电化学酶传感器，其特征在于，包括工作电极，参比电极以及对电极；其中，所述工作电极负载有用于过氧化氢还原催化剂的导电中空碳球、氧化酶以及酶保护剂；所述导电中空碳球与氧化酶以及酶保护剂混合后滴涂于工作电极基体上。2.根据权利要求1所述的电化学酶传感器，其特征在于，所述导电中空碳球的空腔大小为10
‑
1000nm。3.根据权利要求1所述的电化学酶传感器，其特征在于，所述氧化酶选自葡萄糖氧化酶、α
‑
磷酸甘油氧化酶、胆固醇酯酶、胆固醇脱氢酶、胆固醇氧化酶、葡萄糖脱氢酶、乳酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶、胆红素氧化酶、抗坏血酸氧化酶、过氧化物酶、尿酸酶、胶原酶、质酸酶、蛋白酶和蛋白水解酶中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的电化学酶传感器，其特征在于，所述过氧化氢还原催化剂选自金属、金属氧化物、金属盐和有机材料还原催化剂中的一种或多种。5.根据权利要求4所述的电化学酶传感器，其特征在于，所述金属选自铂、铑...

【专利技术属性】
技术研发人员：封心建，李小惠，陈礼平，
申请(专利权)人：苏州仿生材料科学与工程中心，
类型：发明
国别省市：