專利名稱：一種檢測甲醛氣體酶生物傳感器的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種傳感器，具體是專用于探測甲醛氣體的酶生物傳感器。
背景技術：
甲醛是一種重要的有機原料，但甲醛對健康的危害主要表現為刺激作用、致敏作用、基因毒性和生殖毒性。目前，研究者提出了多種針對甲醛氣體檢測的傳感器，其中一些已經進入了市場。此類傳感器可分為五大類型金屬氧化物型、聲表面波型、化學發光型、電化學型和生物型。利用SnA納米晶體(張建榮，高濂.無機材料學報2005，20，465-469)、 SnCl2-hCl3氧化物薄膜(季振國等.傳感技術學報，2004，2，277-279)、La2O3摻雜納米M2O3 材料(劉如征等.電子元件與材料2006，25，15-17) ,Ag2O摻雜納米CuO氣敏材料(侯振雨等.鄭州輕工業學院學報2006，20，42-4 已分別制成金屬氧化物型甲醛氣體傳感器。利用碳納米管薄膜作為氣敏材料可制成雙端聲表面波氣體傳感器(孫蕾.大連理工大學碩士學位論文2005)。利用甲醛與4-氨基-3-聯氮-5-硫基-1，2，4-三氮雜茂發生反應時顏色的變化 (Kawamura K，et al. Sensor Actuators B 2005，105，495-501)，甲醛與納米V2Ti4O13在作用的發光(Zhou Kff, et al. Sensor Actuators B 2006，119，392-397)，以及甲酸與 TiO2-Y2O3 的發光(饒志明等.分析化學2006，34，832-834)可檢測甲醛的濃度。較為常見的是電化學型甲醛氣體傳感器。包括工作電極為金涂層納米薄膜 (Knake R, et al. Electroanalysis, 2001,13,631-634)、NiO 薄膜(James A, et al. Sensor Actuators B 2001,80,106-115 ；Lee CY, et al. Sensor Actuators B 2007，122，503—510) 的傳感器。市場上銷售的甲醛快速測定儀原理大多是基于電化學原理。上述甲醛氣體傳感器存在著選擇性差，容易受到其他氣體的干擾的不足。此外，靈敏度低和穩定性差也是此類傳感器需要解決的問題。將生物傳感器和流動注射系統相連已制成能夠檢測水溶液中甲醛的傳感器 (Herschkovitz H, et al. J. Electroanalytical Chem. 2000，491，182-187)。酶方法的選擇性和靈敏度都很高，如果能進一步構建出甲醛氣體酶傳感器將有可能在低濃度的水平上無干擾地對去氣態甲醛進行嗅探，可廣泛用于環境監測和醫學檢測。
發明內容
本發明的目的是提供一種能夠靈敏嗅探甲醛氣體的新型酶傳感器，并設計出構建這種傳感器的工藝方法。為了達到上述目的，本發明提出了一種傳感器。這種傳感器能夠利用酶分子的高活性和高特異性的特點專門針對氣態甲醛進行識別。通過一系列的氧化還原反應甲醛在甲醛脫氫酶(FDH)的催化下將NAD+還原為NADH，NADH進而將苯醌還原為對苯二酚，對苯二酚再奪取電極上的電子產生電流。通過對電流的測量即可檢測出微量氣態甲醛的濃度。
具體工藝如下將厚度200 300 μ m,孔隙率> 30%，孔尺寸1 5 μ m的聚四氟乙烯膜附著在厚度為1 3mm的圓形開孔泡沫炭電極上，形成透氣而阻水的工作電極。如圖1所示，傳感器的反應室用透析膜隔為兩個空間下面的空間充滿含FDH、 NAD+和苯醌的緩沖液，底部用附著在工作電極上的聚四氟乙烯膜密封；上面的空間盛有含 NAD+和苯醌的緩沖液，溶液中浸入鉬絲對電極和由Ag/AgCl構成的參比電極。三電極系統由電化學工作站控制。與其他傳感器不同，并不需要將酶蛋白(FDH)和電媒介體(苯醌) 固定在工作電極表面上。反應室的氣體入口是圓筒底部的具有微孔的聚四氟乙烯膜和泡沫炭。氣體能夠從孔道進入含酶電解液中，而電解液卻不能從孔道滲出。為了測試傳感器的性能，在實驗中， 將一個盛有不同濃度甲醛水溶液(內含10%的甲醇作為穩定劑)的玻璃瓶連接在傳感器的入口處。甲醛液面距離與傳感器工作電極大約lcm。兩膜之間所充滿的含酶電解液是由來自惡臭假單胞菌的FDH、NAD+和苯醌的 KCl-KH2PO4緩沖液所構成。如圖2所示，甲醛蒸汽透過微孔聚四氟乙烯膜和泡沫炭電極層進入到含酶電解液中。在FDH酶的催化下甲醛被氧化成甲酸，而NAD+被還原成NADH。NADH進而將苯醌還原為對苯二酚，而NADH自身氧化為原初的NAD+，從而完成了一次循環。最終，對苯二酚在工作電極上重新被氧化，回復成苯醌。工作電極失去電子，與對電極形成微電流。所產生的微電流與甲醛氣體的濃度有關，這樣就構成了一種能夠通過測量電流而檢測甲醛氣體濃度的酶傳感器。在室溫下甲醛氣相濃度由Sander編程的Henry定律常數(kH)來計算(ymi henrys-law. org)，kH = 5. IX 103M/atm。傳感器典型的響應如圖3所示。實驗顯示，該傳感器測量甲醛氣體的濃度下限可達到8. 3XlOVml (IOppb級)，這說明這些傳感器具有優良的檢測極限。本發明的優點在于1.本發明所提出的氣體傳感器是一種酶傳感器。與其他類型的甲醛氣體傳感器酶相比，具有酶傳感器高靈敏性的特點，靈敏度達到PPb級。2.本發明所提出的傳感器具有酶傳感器高特異性的特點，不易受到其他氣體的干擾。3.酶傳感器多用于探測液體中痕量物質(如葡萄糖溶液、乙醇溶液和H2O2溶液)， 本發明所提出酶傳感器專用于氣體的探測，尤其適用于室內甲醛污染的檢測和醫學化驗。4.本發明所提出的傳感器采用了泡沫炭工作電極，既有利于氣體的透過，又增大了電極反應的表面積。5.本發明所提出的傳感器構造簡單，具有氣體采集效率高，響應速率快的特點。6.本發明所提出的傳感器可進一步進行微型化設計，以便制造專用于甲醛氣體的生物嗅探器。7.本發明所提出的傳感器可用于電催化和酶活性的研究。
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圖1是甲醛氣體傳感器結構示意圖。1是聚四氟乙烯膜，2是泡沫炭工作電極，3是大套筒內的含酶電解液，4是透析膜，5是小圓筒內的電解液，6是大套筒，7是小套筒，8是鉬絲對電極，9是Ag/AgCl參比電極。圖2是甲醛氣體酶傳感器化學反應原理圖3是酶傳感器對甲醛揮發氣體濃度與響應電流之間的關系
具體實施例方式將聚四氟乙烯膜(厚度200 300 μ m,孔隙率> 30%，孔尺寸1 5 μ m)附著在泡沫炭電極(厚度為1 3mm的圓盤)上，邊緣捆扎在圓柱形有機玻璃套筒中制成工作電極。傳感器的反應室由兩個直徑不同的圓柱形有機玻璃套筒組成，小套筒能夠恰好插入大套筒中，兩個筒壁的接觸面之間不漏液。反應室內含三電極系統。與泡沫炭片相接觸的聚四氟乙烯膜捆扎在大套筒的底端構成工作電極，然后在大套筒內加入含酶電解液液。將透析膜(MWC0 12 14kDa)捆扎在小套筒的底端，再將小套筒插入到大套筒的內部，直至小套筒底部的透析膜接觸到大套筒中的酶液，用密封膠粘接兩個筒壁之間的縫隙。隨后，在小套筒內加入含苯醌電媒介體的KCl-KH2PO4緩沖液(0. IM KCl, 0. 1ΚΗ2Ρ04ρΗ8. 0)，再將由鉬絲構成對電極和Ag/AgCl構成的參比電極浸入到緩沖液中。并不需要將電媒介體固定在電極表面上。這樣，就制成了一個圓筒形傳感器，圓筒的底部由泡沫炭(工作電極)的聚四氟乙烯膜封蓋；圓筒中部由透析膜將圓筒分隔為兩個區域，兩膜之間充滿含酶電解液，透析隔膜之上盛有電解液和浸在電解液中的對電極和參比電極。三電極系統由電化學工作站控制。反應室的氣體入口是捆扎在大套筒上的聚四氟乙烯膜。為了測試傳感器的性能， 在實驗中，將一個盛有不同濃度甲醛水溶液(內含10%的甲醇作為穩定劑)的玻璃瓶連接在傳感器的入口處。甲醛液面距離與傳感器工作電極大約1cm。在大小套筒之間的酶液由來自惡臭假單胞菌的甲醛脫氫酶(FDH) (EC1.2. 1.46， 凍干酶活性3 4U/mg蛋白)、NAD+和含苯醌電媒介體的KCl-KH2PO4緩沖液(0. IM KCl， 0. 1ΚΗ2Ρ04ρΗ8. 0)所構成。在檢測期間，甲醛蒸汽透過聚四氟乙烯膜和泡沫炭電極層進入到含酶電解液中。 通過FDH酶的催化下甲醛、NAD+和苯醌的氧化還原反應將電子進行傳遞，使工作電極與對電極之間形成微電流。所產生的微電流與甲醛氣體的濃度有關。這樣就能夠通過測量電流值來估算甲醛氣體的濃度，并通過連續記錄電流的變化來監測甲醛氣體濃度的變化。
權利要求
1.一種檢測甲醛氣體的酶生物傳感器，它包括氣體擴散膜，電極系統和含酶電解液，其特征是在圓筒形容器上，底部由氣體擴散膜所封，圓筒內部的膜面上附著工作電極；中部由透析膜將圓筒分隔為兩個區域，氣體擴散膜與透析膜之間充滿了含酶電解液，透析膜之上的空間盛有電解液，以及浸泡在電解液中的對電極和參比電極。
2.根據權利要求1所述的甲醛氣體酶生物傳感器，其特征是氣體擴散膜由厚度 200 300 μ m，孔隙率> 30%，孔尺寸1 5 μ m的微孔聚四氟乙烯膜所構成。
3.根據權利要求1所述的甲醛氣體酶傳感器，其特征是電極系統為三電極系統；工作電極由泡沫炭構成；對電極由鉬絲構成；參比電極由Ag/AgCl電極構成。
4.根據權利要求1所述的甲醛氣體酶生物傳感器，其特征是含酶電解液由NAD型甲醛脫氫酶、NAD和苯醌的水溶液所構成；電解液由NAD和苯醌的水溶液所構成。
全文摘要
本發明所述的一種檢測甲醛氣體的酶生物傳感器，它利用酶的高催化活性和高度特異性，通過微孔聚四氟乙烯膜采集，用于對痕量氣態甲醛濃度的檢測和監測。甲醛氣體透過微孔膜和泡沫炭進入傳感器反應室，在甲醛脫氫酶的催化下，經NAD+和苯醌傳遞泡沫炭電極中的電子，通過電流檢測可對甲醛氣體的濃度進行測量。該傳感器具有結構簡單、靈敏度高和不易受其他氣體影響的特點，適用于醫學檢驗和室內甲醛污染的連續監測。
文檔編號G01N27/413GK102435652SQ20111026429
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月8日 優先權日2011年9月8日
發明者邢達杰, 黃積濤, 黃薇 申請人:南開大學