【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于生物燃料电池领域，具体涉及一种柔性酶电极阵列及其在制备可穿戴酶生物燃料电池贴片中的应用。
技术介绍
1、可穿戴柔性电子设备因其无与伦比的柔软性、纤薄外形、佩戴舒适性和无缝多功能集成而备受关注。可穿戴电子设备在人机交互、医疗和健康管理以及运动监测方面取得了令人瞩目的成就。然而，为可穿戴设备选择合适的电源是一项艰巨的挑战。作为可穿戴电子设备的推动力的电源必须具备特定的柔性特性。迄今为止开发的许多电源装置都表现出刚性、笨重的结构，需要定期更换和充电。这种限制损害了可穿戴设备的舒适性和便利性，从而限制了其发展。柔性的w-ebfcs(酶生物燃料电池)，能够通过氧化还原酶进行人体生物燃料的生物电催化转化，正逐渐成为为下一代可穿戴电子设备提供能源的有前景的候选方案。人体生物流体(如汗液、泪液、血液等)持续产生并富含葡萄糖、乳酸，这些物质作为普遍存在且可供利用的生物燃料，对于可穿戴电子设备而言具有重要意义。
2、汗液中的乳酸成为最佳且可持续的生物能源库。w-ebfc利用乳酸作为基质，很容易由人体汗液提供燃料，并无缝集成到可穿戴电子设备中，在可穿戴技术的发展中得到了广泛的应用。然而，在柔性乳酸酶ebfcs中所使用的乳酸氧化酶的活性中心，复杂地嵌套在蛋白质内部壳层中。这种构造阻碍了酶与电极之间有效的界面电子转移，从而对柔性乳酸ebfcs的输出功率构成重大挑战。在蓬勃发展的纳米技术研究领域中，多种碳基纳米材料(cbnms)，包括碳纳米管(cnts)、巴基纸、石墨烯以及多孔碳等，已广泛应用于各类酶生物燃料电池(ebfcs)中，
3、对于生成的汗液，采用从皮肤收集并传输至发电装置的技术对提升电池性能至关重要。然而，在与后续步骤隔离的情况下，传统的汗液采集方法无法实现动态、原位、实时的电力生成，从而引发诸如样本蒸发、降解或污染等问题。微流控装置通过连续引导并提取汗液进入封装的微室中精心设计的微通道，解决了汗液收集问题。但是，微流控装置的复杂结构可能涉及繁琐的设计和制造步骤，这可能与所需样本量和延长的采样时间相关。因此，在不牺牲穿戴设备的安全性和舒适性的情况下实现高效的汗液收集，一直是基于汗液的可穿戴酶生物燃料电池面临的一项持续挑战。
技术实现思路
1、可穿戴酶生物燃料电池(w-ebfc)可以利用人体生物体液产生能量，有望解决可穿戴电子设备的能源问题。然而，w-ebfc也面临燃料收集困难和功率密度低的问题。针对上述缺陷，本专利技术提供了一种柔性酶电极阵列，以及基于该柔性酶电极阵列制备的具有亲水/疏水层的可穿戴酶生物燃料电池(p-ebfc)贴片。该电池贴片具有亲水/疏水汗液收集层，可实现高效汗液收集和高功率密度输出。
2、本专利技术所提供的柔性酶电极阵列，包括生物阳极阵列、生物阴极阵列；
3、所述生物阳极阵列，包括阳极载体阵列，以及在所述阳极载体阵列上依次叠加的三维多孔碳纳米片(3d pcns)层、介体层(如四硫富瓦烯(ttf))、乳酸氧化酶(lox)层、壳聚糖层；所述阳极载体阵列为柔性激光诱导石墨烯电极(lig-e)阵列；
4、所述生物阴极阵列，包括阴极载体阵列，以及在所述阴极载体阵列上依次叠加的三维多孔碳纳米片(3d pcns)层、2,2'-联氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸(abts)层、胆红素氧化酶(bod)层、nafion膜层；所述阴极载体阵列可为柔性激光诱导石墨烯电极(lig-e)阵列；
5、进一步的，阳极载体阵列和阴极载体阵列均为“岛—桥”形状排列的电极阵列，且阳极载体阵列和阴极载体阵列呈同心圆弧方式排列。
6、所述的生物阳极的燃料为乳酸，所述的生物阴极的燃料为氧气。
7、本专利技术所提供的具有亲水/疏水层的可穿戴酶生物燃料电池(p-ebfc)贴片，由ebfc模块和汗液收集模块组装而成；
8、所述ebfc模块由柔性基材pi层、所述柔性酶电极阵列(包括激光雕刻石墨烯电极、酶阵列)及单面pi胶带封装层组成。
9、所述汗液收集模块依次由液体储存室、乳酸水凝胶以及基于pet薄膜的亲水/疏水汗液收集层堆叠而成；其中，基于pet薄膜的亲水/疏水汗液收集层的一侧疏水层可紧贴人体皮肤，基于pet薄膜的亲水/疏水汗液收集层的另一侧亲水层上粘贴液体(汗液)储存室，乳酸水凝胶置于液体储存室内。
10、所述液体储存室是在双面胶的中心切割出一个圆形，除去圆形部分，剩余的部分即为液体储存室。该液体储存室既是粘着层，又是燃料储备室。乳酸水凝胶置于液体储存室内，即放置在上述除去圆形部分后空缺的部位。所述双面胶的形状可为正方形。
11、如，利用紫外激光切割机切割出30mm×30mm×2mm的正方形双面胶，然后在该双面胶的中心切割出一个直径为22mm的圆形。除去圆心形部分，剩余的部分即为液体储存室。
12、所述乳酸水凝胶可参照现有文献(如li x,wu d,feng q,et al.flexiblebioelectrode via in-situ growth of mof/enzyme on electrospun nanofibers forstretchable enzymatic biofuel cell[j].chemical engineering journal,2022,440:135719.)方法制备。
13、具体制备方法包括下述步骤：将丙烯酰胺单体(am，1.422g)与n,n-亚甲基双(丙烯酰胺)交联剂(mba，0.001g)加入乳酸浓度为20mm的5ml磷酸盐缓冲溶液(0.5m，ph 6.4)中，连续搅拌；将过硫酸铵引发剂(aps，0.217g)加入上述溶液中，在混合液中加入0.5μl n,n,n',n'-四甲基乙二胺(n,n,n',n'-tetramethylethylenediamine，temed)催化剂，搅拌10min；倒入模具中，置于烘箱中，50℃聚合30min，然后封装于自封袋中备用。
14、所述基于pet薄膜的亲水/疏水汗液收集层的制备方法如下：pet薄膜一侧经氧等离子体蚀刻处理形成亲水界面，所述pet薄膜相对一侧经疏水二氧化硅粒子和氟烷基硅烷的表面改性处理，形本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种柔性酶电极阵列，包括生物阳极阵列、生物阴极阵列；
2.根据权利要求1所述的柔性酶电极阵列，其特征在于：所述生物阳极阵列中，所述阳极载体阵列由若干个圆形阳极载体组成，每个圆形的直径为3mm；
3.根据权利要求1或2所述的柔性酶电极阵列，其特征在于：所述生物阴极阵列中，所述阴极载体阵列由若干个圆形阴极载体组成，每个圆形的直径为3mm；
4.根据权利要求1-3中任一项所述的柔性酶电极阵列，其特征在于：所述3D PCNs载体碳材料是采用柠檬酸作为碳源，六水氯化铁作为蚀刻剂，依次通过溶解、冷冻干燥、一次碳化处理，将碳化处理后的产物酸洗去除Fe单质，再将酸洗后的产物水洗、干燥、二次碳化处理，所得碳化产物记为3D PCNs。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的柔性酶电极阵列，其特征在于：所述柔性激光诱导石墨烯电极(LIG-E)是按照下述方法制备得到的：使用最大功率30W的60％-70％、速度为550-600mm/s、聚焦高度为168mm的CO2激光切割机在PI薄膜片上直接激光雕刻了柔性石墨烯电极。
6.权利要求1-5中任一项
7.根据权利要求6所述的柔性酶电极阵列，其特征在于：
8.根据权利要求1-7中任一项所述的柔性酶电极阵列，其特征在于：
9.权利要求1-8中任一项所述的柔性酶电极阵列在制备具有亲水/疏水层的可穿戴酶生物燃料电池(p-EBFC)贴片中的应用；
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：所述具有亲水/疏水层的可穿戴酶生物燃料电池(p-EBFC)贴片在制备可穿戴电子设备中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种柔性酶电极阵列，包括生物阳极阵列、生物阴极阵列；
2.根据权利要求1所述的柔性酶电极阵列，其特征在于：所述生物阳极阵列中，所述阳极载体阵列由若干个圆形阳极载体组成，每个圆形的直径为3mm；
3.根据权利要求1或2所述的柔性酶电极阵列，其特征在于：所述生物阴极阵列中，所述阴极载体阵列由若干个圆形阴极载体组成，每个圆形的直径为3mm；
4.根据权利要求1-3中任一项所述的柔性酶电极阵列，其特征在于：所述3d pcns载体碳材料是采用柠檬酸作为碳源，六水氯化铁作为蚀刻剂，依次通过溶解、冷冻干燥、一次碳化处理，将碳化处理后的产物酸洗去除fe单质，再将酸洗后的产物水洗、干燥、二次碳化处理，所得碳化产物记为3d pcns。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的柔性酶电极阵列，其特征在于：所述柔性激...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡宗倩，高云先，冯小宇，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院军事医学研究院，
类型：发明
国别省市：
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