一種基于乙醇氧化酶的電化學乙醇傳感器及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及酒精檢測領域，其使用了生物酶催化制劑的電化學乙醇傳感器，具體涉及一種基于乙醇氧化酶的電化學乙醇傳感器及其制備方法。
【背景技術】
[0002]血液中酒精濃度檢測現在不僅作為控制和懲罰酒駕的執法手段，在需要高度精神集中的崗位，如:吊車司機、哨所、火車司機、飛機駕駛員、煤礦工人、鋼廠爐前操作工、醫生等等，酒精檢測也得到廣泛的應用。目前最簡潔的血液中酒精濃度檢測是呼氣酒精濃度檢測。呼氣濃度檢測與血液酒精濃度關系密切。
[0003]目前市場上流行的酒精測試傳感器，共有三種方案:半導體式酒精傳感器方案、電化學酒精傳感器方案、紅外線酒精傳感器方案，除此之外還有比色法等。其中，電化學法相對精確作為執法手段被廣泛應用，半導體酒精檢測儀主要用于個人檢測。
[0004]目前市場上通用的電化學酒精傳感器基本上是以燃料電池型酒精傳感器為主，它是利用醇類化合物在貴金屬電極上發生電化學氧化反應，產生氧化電流，電流的強度與乙醇的濃度直接相關。由于使用燃料電池原理，傳感器的工作電極的催化劑活性非常高，這就使得這種傳感器的選擇性不是很好。
[0005]傳感器的設計者必須在傳感器的選擇性和靈敏度之間作適當的取舍。
[0006]酒精檢測的主要應用是酒駕檢測。被測者口腔氣體環境非常復雜，尤其對于飲酒者而言，除了可能的口腔內的殘留食物腐敗變質之外，被測者是否吸煙，是否有口腔疾病，是否有腸胃疾病等等，都對口腔氣體環境有很大的影響。
[0007]因此如何從口腔氣體中將酒精區別出來，就是酒精傳感器的核心任務。提高選擇性就成了這種傳感器的核心難題。
[0008]為了解決酒精檢測的各種問題，專利CN101634641提出在電化學傳感器的工作電極中引入酶的方法，這種方法利用了酶的高活性和高選擇性，但是，由于酶是直接加入到電極中，因此電極的工作特性中含有酶的氧化特性，酶的壽命無法保證。專利CN102944597也是面對了同樣的問題，盡管他們使用了高分子電解質、石墨烯等等，由于酶是直接加入到工作電極上的，因此酶有被破壞的風險。
[0009]專利JP2007225444，JPH0196552等將酶的技術用來制備燃料電池型測酒傳感器，這種傳感器所面對的問題比上述專利的問題要大，這主要是由于燃料電池型傳感器的兩個電極都使用相對活性較高的電化學催化劑，這首先使得使用酶的好處不明顯，酶本身也更容易被破壞。
[0010]盡管目前各種各樣的關于酒精傳感器的報道很多，使用酶制劑的形式也多種多樣，但是都不出上述兩種方法的范疇。
【發明內容】
[0011]本發明的目的是提供一種基于乙醇氧化酶的電化學乙醇傳感器及其制備方法。本發明的目的是通過以下技術方案來實現:
[0012]一種基于乙醇氧化酶的電化學乙醇傳感器，包括基片以及設置于基片上的支持電解質層、對電極、參比電極以及工作電極，所述工作電極與對電極和參比電極之間均隔離開來，所述工作電極上覆蓋有乙醇氧化酶層，所述乙醇氧化酶層為將乙醇氧化酶擔載在(由電絕緣性的生物活性材料構成的)電絕緣性的生物活性層上所得，所述工作電極和乙醇氧化酶層之間設有輔助擴散層，所述輔助擴散層分別與乙醇氧化酶層和工作電極之間均形成部分互穿網絡結構，并緊密結合；乙醇在乙醇氧化酶作用下生成乙醛，乙醛通過輔助擴散層快速擴散到所述工作電極表面，產生電化學電流，該電流與乙醇的濃度呈線性關系。
[0013]進一步地，所述電絕緣性的生物活性層包括水解明膠層、瓊脂層、纖維素衍生物層、聚丙烯酸酯層、聚丙烯酰胺層、聚丙烯酸鈉層、聚鄰苯二甲酸乙二醇酯層、聚對苯二甲酸丁二醇酯層、甲殼素衍生物層以及硅藻土層中的至少一種。
[0014]進一步地，所述工作電極的材料為釕、鎳、鉭、石墨、錫及銦中的一種或幾種或全部的混合物。該工作電極的材料中不含有貴金屬材料，該貴金屬材料包括鉑、鈀。
[0015]進一步地，所述輔助擴散層由疏水的多孔的高分子材料構成。所述多孔的高分子材料包括聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯以及硅橡膠中的至少一種。
[0016]進一步地，所述支持電解質層為高分子固體電解質層，以避免電解液污染乙醇氧化酶層，造成酶層失活。所述高分子固體電解質層包括全氟磺酸離子交換樹脂、聚苯乙烯磺酸/鹽固體電解質、磺化聚丙烯、磺化聚醚砜、聚乙烯磺酸鉀以及聚丙烯酸鈉中的至少一種。
[0017]進一步地，所述工作電極的厚度不小于0.3mm。所述輔助擴散層的厚度不大于乙醇氧化酶膜的厚度。所述乙醇氧化酶層與工作電極之間沒有交集。所述對電極與工作電極之間的距離為1.0?3.0mm，保持相對較近的距離。
[0018]進一步地，所述參比電極能夠通過參比電極鹽橋或魯金毛細管將(該參比電極)連接到靠近工作電極的地方。
[0019]—種所述的基于乙醇氧化酶的電化學乙醇傳感器的制備方法，所述方法包括以下步驟:①電極的制備:在基片的一端設置工作電極、對電極和參比電極，并在該基片上設置支持電解質層；②輔助擴散層的制備:在工作電極上印制或噴涂輔助擴散層的漿料得到設置于工作電極上的輔助擴散層，所述輔助擴散層的漿料為用輔助材料將多孔的高分子材料調制而成的漿料；所述多孔的高分子材料包括聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯以及硅橡膠中的至少一種乙醇氧化酶層的制備:將乙醇脫氫酶用輔助試劑調和后，與電絕緣性的生物活性材料混合，加入氧化型輔酶I，在25°C下短時間混合后得到混合液，將該混合液溫度調整到4°C附近待用；所述電絕緣性的生物活性材料包括水解明膠、瓊脂、纖維素衍生物、聚丙烯酸酯、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸鈉、聚鄰苯二甲酸乙二醇酯、聚對苯二甲酸丁二醇酯、甲殼素衍生物以及硅藻土中的至少一種。所述步驟②干燥后，將所述混合液設置于輔助擴散層上，陰干后待用；具體設置方法包括兩種，分別為:A.單獨制膜:將所述混合液在玻璃板上鋪展成膜，然后裁剪成需要的形狀和大小，覆蓋在設有輔助擴散層的工作電極上將所述混合液植被到已經制備了輔助擴散層的工作電極上，所述植被包括噴涂、涂覆、覆蓋、移印或絲網印刷；④引出導線:將上述制備好的傳感器印制引出導線，即為所述的乙醇傳感器；⑤校正:將傳感器進行校驗；⑥儲存:將校驗后的傳感器用真空包裝后保持。
[0020]進一步地，步驟②中所述所述的輔助材料包括聚丙烯酸丁酯、松油醇、司班80、鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二辛酯、聚乙烯醇縮丁醛、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、異丙醇以及水中的幾種。步驟③中所述輔助試劑包括焦磷酸緩沖溶液、聚乙烯醇、乙醇水溶液中的至少一種。
[0021]進一步地，所述基片包括多孔的硝化纖維素基片、多孔聚氯乙烯基片、紙基片或玻璃基片。
[0022]本發明提供了一種基于乙醇氧化酶的電化學乙醇傳感器及其制備方法，其主要具有的有益效果:通過本發明中傳感器的結構以及其制備方法使得該電化學乙醇傳感器的響應時間短，測試結果準確，對