專利名稱：一種基于潮解型聚電解質的全固態乙醇氣體傳感器酶電極及其制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于潮解型聚電解質的全固態乙醇氣體傳感器酶電極及其制作方法。
背景技術：
隨著人類對自身健康的重視程度和對生態環境的關注日益加深，對氣體的監測控制提出了更高的要求，這為氣體傳感器的研究、開發和生產提供了機遇和挑戰，也給氣體傳感器提出了新的研究課題。為了滿足這些要求，氣體傳感器必須具有較高的靈敏度和選擇性，重復性和穩定性好，能批量生產，性價比高等特點。但傳統的氣體傳感器由于其本身材
料的限制，單一氣體傳感器的特異選擇性都比較差，只有很少數的氣體傳感器陣列，以神經網絡作為后期數據處理系統的方法，可以在一定程度上實現對氣體的選擇性識別，即使如此其整體性能仍依賴于單一傳感器元件的性能，傳感器陣列的選擇性受到了很大限制。因此，提高氣體傳感器特異性，對于氣體傳感器的推廣應用具有重要意義。生物傳感器最突出的特點是特異性，將生物識別分子與氣體傳感器相結合，將可望獲得高特異性的氣體傳感器。在生物氣體傳感器研究中，目前還主要依賴于氣/液界面上的酶催化反應來進行(Anal. Chem，(1994), 66, 3297-3302 ；Sens. Actuators B, (2002)，83, (1-3),35-40 ；Sens. Actuators B, (2005), 108, (1-2),639-645 ；Sens.Actuators B,(2000),70, (1-3),182-187 ；Biosens. &Bioelectron. , (2002),17, (5),389-394 ；Biosens.Bioelectron. , (2002), 17, (5) ,427-432 ；Sens. Actuators B, (2001) ,81, (I), 107-114;Biosens. Bioelectron.，(2002)，17，(9)，789-796)，并未真正實現氣相中氣體樣品的檢測，這些方法不可避免地會發生電解質蒸發或泄露，導致傳感器信號的衰減(Sens.Actuators B, (2005)，107，812-817)，而且器件制備復雜，不利于微型化、智能化與集成化。我們利用絲網印刷三電極體系結合固態聚合物電解質，構建了全固態乙醇氣體傳感器(20111046159. 8)，實現了乙醇氣體在氣/固界面上的檢測，但是生物氣體傳感器的響應仍受到水分含量的制約，本發明利用具有潮解性質的聚電解質為酶的固定化載體和固態電解質，維持酶分子較高的催化活性，同時實現反應過程中的電荷傳遞，構建了新型生物氣體傳感器。
發明內容
為了克服現有乙醇氣體生物傳感器在檢測中存在的不足，本發明的目的是提供一種基于潮解型聚電解質的全固態乙醇氣體傳感器酶電極及其制作方法，用該方法制得的酶電極從整體上提高了生物傳感器的各項性能和實用性。本發明所采用的技術方案如下本發明的全固態乙醇氣體生物傳感器用的酶電極具有絕緣材料基體，在基體表面絲網印刷有工作電極、參比電極和對電極，電極中間涂覆一層碳酸酯絕緣體，工作電極上涂覆有由石墨烯、潮解型聚電解質和乙醇氧化酶組成的反應層，然后在工作電極、參比電極和對電極之間涂覆潮解型聚電解質薄膜。全固態乙醇氣體生物傳感器用的酶電極的制作方法，包括以下步驟I)潮解型聚電解質的制備a.在IOOmL三口燒瓶中，按照I : I (moI mol)的比例將二乙烯三胺和丙烯酸甲酯加入到一定量的甲醇中，反應12h ;然后在減壓狀態下，升溫至30°C反應lh，在60°C下反應lh，在100°C下反應2h，在120°C下反應3h，140°C下減壓反應2h，反應結束后，用無水乙醇稀釋，并在大量乙醚中洗滌、沉淀，真空干燥，得到超支化聚酰胺；b.在IOOmL三口燒瓶中，將超支化聚酰胺與去離子水、甲酸、甲醛按照I 10 7 7 (g/g)的比例混合，75°C回流反應一定時間，然后用乙醚多次洗滌、沉淀，真空干燥；·
C.將上述b中的產物溶于50mL甲醇中，然后加入一定量的鹵代烷烴，50°C反應一定時間，產物經甲醇溶解，乙醚沉淀多次提純，真空干燥，得到潮解型聚電解質。2)清洗表面具有工作電極、參比電極和對電極的陶瓷或聚氯乙烯基體，烘干備用；3)將3 6mg/mL的乙醇氧化酶、O. 5 3mg/mL的石墨烯、5 20mg/mL潮解型聚電解質和體積比為2%的戊二醛震蕩混合均勻，然后取3 10 μ L滴涂在工作電極表面，自然晾干，形成反應層；4)將體積比為2 5 %的潮解型聚電解溶液均勻涂覆在工作電極、參比電極和對電極之間，自然晾干后得到酶電極。本發明的優點是I)選取工作電極、參比電極和對電極印刷在同一塊基體上的三電極體系,便于傳感器電極的微型化、智能化和集成化；2)石墨烯的使用提高了傳感器的響應靈敏度；3)乙醇氧化酶作為乙醇分子的識別元件，大大提高了傳感器的響應選擇性；4)利用固態聚電解質作為電化學反應過程中的電荷傳輸載體,避免使用液態電解質，提高傳感器信號的穩定性；5)潮解型聚電解質作為酶的固定化載體，可為酶催化反應提供足夠高的水活度，顯著提高響應信號；6)本發明的酶電極具有體積小，低成本，使用方便等優點。而且響應靈敏度高，穩定性較好，響應選擇性高，可用于乙醇氣體濃度的精確測量和控制。
圖I是本發明酶電極的結構示意圖。圖2是本發明實施例I制作的潮解型聚電解質的潮解過程圖，A :干燥狀態，B 40%相對濕度潮解lh，C :40%相對濕度潮解2h，D :飽和狀態。圖3是本發明實施例2制作潮解型聚電解質的潮解過程圖，A :干燥狀態，B 40%相對濕度潮解lh，C :40%相對濕度潮解2h，D :飽和狀態。圖4是本發明實施例2制作的酶電極對乙醇蒸汽的響應曲線。
具體實施例方式以下結合附圖和實施例進一步說明本發明參照附圖1，全固態乙醇氣體生物傳感器用的酶電極具有絕緣基體(8)，在基體表面絲網印刷有工作電極(I)、參比電極(2)和對電極(3)，它們的中間部分面上涂有一層覆蓋電極表而的聚碳酸酯絕緣體(4)。工作電極(I)、參比電極(2)和對電極(3)分別對應于基體末端的引腳(5)、(6)和(7)。工作電極(I)上涂覆有由生物活性材料、納米材料、乙醇氧化酶組成的反應層，然后在工作電極(I)、參比電極(2)和對電極(3)之間涂覆聚電解質薄膜。所述的工作電極⑴為圓形，直徑為2 4mm，材質為鉬，參比電極為銀/氯化銀，對電極為鉬。實施例I : I)潮解型聚電解質的制備a.在IOOmL三口燒瓶中，將O. 2mol的二乙烯三胺和O. 2mol的丙烯酸甲酯加入到25mL甲醇中，反應12h ;然后在減壓狀態下，升溫至30°C反應lh，在60°C下反應lh，在100°C下反應2h，在120°C下反應3h，140°C下減壓反應2h，反應結束后，用無水乙醇稀釋，并在大量乙醚中洗滌、沉淀，真空干燥，得到超支化聚酰胺；b.在IOOmL三口燒瓶中，將5g超支化聚酰胺與50mL去離子水、35g甲酸和35g甲醛混合，750C回流反應一定時間，然后用乙醚多次洗滌、沉淀真空干燥；c.將上述b中的產物溶于50mL甲醇中，然后加入10. 32g溴代正丁烷，50°C反應48h，產物經甲醇溶解，乙醚沉淀多次提純，真空干燥，得到潮解型聚電解質。2)清洗表面具有工作電極(直徑4mm)、銀/氯化銀參比電極和鉬對電極的陶瓷基體，烘干備用；3)將6mg/mL的乙醇氧化酶、lmg/mL的石墨烯、10mg/mL潮解型聚電解質和體積比為2%的戊二醛震蕩混合均勻，然后取6μ L滴涂在工作電極表面，自然晾干，形成反應層；4)將體積比為3%的潮解型聚電解溶液均勻涂覆在工作電極、參比電極和對電極之間，自然晾干后得到酶電極。實施例2 I)潮解型聚電解質的制備a.在三口燒瓶中，將O. 4mol的二乙烯三胺和O. 4mol的丙烯酸甲酯加入到50mL甲醇中，反應12h ;然后在減壓狀態下，升溫至30°C反應lh，在60°C下反應lh，在100°C下反應2h，在120°C下反應3h，140°C下減壓反應2h，反應結束后，用無水乙醇稀釋，并在大量乙醚中洗滌、沉淀，真空干燥，得到超支化聚酰胺；b.在三口燒瓶中，將IOg超支化聚酰胺與IOOmL去離子水、70g甲酸和70g甲醛混合，75°C回流反應一定時間，然后用乙醚多次洗滌、沉淀，真空干燥；c.將上述b中的產物溶于IOOmL甲醇中，然后加入24. 86g溴代正己烷，50°C反應24h，產物經甲醇溶解，乙醚沉淀多次提純，真空干燥，得到潮解型聚電解質。2)清洗表面具有工作電極(直徑4_)、銀/氯化銀參比電極和鉬對電極的陶瓷基體，烘干備用；
3)將3mg/mL的乙醇氧化酶、O. 5mg/mL的石墨烯、5mg/mL潮解型聚電解質和體積比為2%的戊二醛震蕩混合均勻，然后取10 μ L滴涂在工作電極表面，自然晾干，形成反應層；4)將體積比為2%的潮解型聚電解溶液均勻涂覆在工作電極、參比電極和對電極之間，自然晾干后得到酶電極。實施例3 I)潮解型聚電解質的制備a.在三口燒瓶中，將O. 2mol的二乙烯三胺和O. 2mol的丙烯酸甲酯加入到25mL甲醇中，在攪拌下緩慢滴加O. 2mol的丙烯酸甲醋，反應12h ;然后在減壓狀態下，升溫至30°C反應lh，在60°C下反應lh，在100°C下反應2h，在120°C下反應3h，140°C下減壓反應2h，反應結束后，用無水乙醇稀釋，并在大量乙醚中洗滌、沉淀，真空干燥，得到超支化聚酰胺；b.在三口燒瓶中，將5g超支化聚酰胺與50mL去離子水、35g甲酸和35g甲醒混合， 75 0C回流反應一定時間，然后用乙醚多次洗滌、沉淀，真空干燥；c.將上述b中的產物溶于50mL甲醇中，然后加入10. 32g溴代正丁烷，50°C反應72h，產物經甲醇溶解，乙醚沉淀多次提純，真空干燥，得到潮解型聚電解質。2)清洗表面具有工作電極(直徑2_)、銀/氯化銀參比電極和鉬對電極的陶瓷基體，烘干備用； 3)將5mg/mL的乙醇氧化酶、lmg/mL的石墨烯、5mg/mL潮解型聚電解質和體積比為2%的戊二醛震蕩混合均勻，然后取SyL滴涂在工作電極表面，自然晾干，形成反應層；4)將體積比為3%的潮解型聚電解溶液均勻涂覆在工作電極、參比電極和對電極之間，自然晾干后得到酶電極。
權利要求
1.一種基于潮解型聚電解質的全固態乙醇氣體傳感器酶電極，其特征在于它具有絕緣材料基體，在基體表面絲網印刷有工作電極、參比電極和對電極，電極中間涂覆一層碳酸酯絕緣體，工作電極上涂覆有由石墨烯、潮解型聚電解質和乙醇氧化酶組成的反應層，然后在工作電極、參比電極和對電極之間涂覆潮解型聚電解質薄膜。
2.根據權利要求I所述的一種基于潮解型聚電解質的全固態乙醇氣體傳感器酶電極，其特征在于絕緣材料基體為聚氯乙烯或陶瓷，電極采用絲網印刷技術印制，所述的工作電極為圓形，直徑為2 4mm，材質為鉬，參比電極為銀/氯化銀，對電極為鉬。
3.根據權利要求I所述的一種基于潮解型聚電解質的全固態乙醇氣體傳感器酶電極的制作方法，其特征在于包括以下幾步 1)潮解型聚電解質的制備 a.在三口燒瓶中，按照I: I的比例將二乙烯三胺和丙烯酸甲酯加入到一定量的甲醇中，攪拌下反應12h ;然后在減壓狀態下，升溫至30°C反應lh，在60°C下反應lh，在100°C下反應2h，在120°C下反應3h，140°C下減壓反應2h，反應結束后，用無水乙醇稀釋，并在大量乙醚中洗滌、沉淀，真空干燥，得到超支化聚酰胺； b.在三口燒瓶中，將超支化聚酰胺與去離子水、甲酸、甲醛按照I: 10 : 7 : 7(g/g)的比例混合，750C回流反應一定時間，然后用乙醚多次洗滌、沉淀，真空干燥； c.將上述b中的產物溶于50mL甲醇中，然后加入一定量的鹵代烷烴，50°C反應一定時間，產物經甲醇溶解，乙醚沉淀多次提純，真空干燥，得到潮解型聚電解質。
2)清洗表面具有工作電極、參比電極和對電極的陶瓷或聚氯乙烯基體，烘干備用； 3)將3 6mg/mL的乙醇氧化酶、O.5 3mg/mL的石墨烯、5 20mg/mL的潮解型聚電解質和體積比為2%的戊二醛震蕩混合均勻，然后取3 10 μ L滴涂在工作電極表面，自然晾干，形成反應層； 4)將體積比為2 5%的潮解型聚電解溶液均勻涂覆在工作電極、參比電極和對電極之間，自然晾干后得到酶電極。
4.根據權利要求3所述的一種基于石墨烯的全固態乙醇氣體傳感器酶電極的制作方法，其特征在于所用的鹵代烷烴為溴代正丁烷、溴代正己烷中的一種。
5.根據權利要求3所述的一種基于石墨烯的全固態乙醇氣體傳感器酶電極的制作方法，其特征在于潮解型聚電解質的制備中，b步的反應時間為6 12h。
6.根據權利要求3所述的一種基于石墨烯的全固態乙醇氣體傳感器酶電極的制作方法，其特征在于潮解型聚電解質的制備中，c步的反應時間為6 72h。
7.根據權利要求3所述的一種基于石墨烯的全固態乙醇氣體傳感器酶電極的制作方法，其特征在于所述的工作電極為圓形，直徑為2 4mm，參比電極為銀/氯化銀，對電極為鉬。
全文摘要
本發明涉及一種基于潮解型聚電解質的全固態乙醇氣體傳感器酶電極及其制作方法，在由絕緣材料做成的基體上，利用絲網印刷技術制成由工作電極、參比電極和對電極組成的印刷電極，它們的中間部分表面上涂覆一層聚碳酸酯絕緣體，在工作電極上涂覆一層由石墨烯、潮解型聚電解質和乙醇氧化酶組成的反應層，然后再在工作電極、對電極和參比電極之間涂覆一層潮解型固態聚合物薄膜，即制成生物酶電極。本發明提供了一種氣態乙醇檢測用的酶電極，該酶電極在使用過程中無需使用液態電解質，可實現乙醇氣體的高選擇性檢測，從整體上提高了乙醇氣體生物傳感器的各項性能和實用性。
文檔編號G01N27/30GK102944597SQ20121053288
公開日2013年2月27日 申請日期2012年12月11日 優先權日2012年12月11日
發明者王會才, 于璐洋, 王楠 申請人:天津工業大學