電極及其制備方法、生物傳感器和酶生物燃料電池的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及材料領域，具體地，本發明涉及電極及其制備方法、生物傳感器和酶生物燃料電池。
【背景技術】
[0002]生物燃料電池是利用酶或者微生物組織作為催化劑，將燃料的化學能直接轉化為電能的一類電池。生物燃料電池處在理論上具有很高的能量轉化率、無污染等優點外，還具有原料廣泛、操作條件溫和及生物相容性好等優點。生物燃料電池按其工作方式可分為酶生物燃料電池和微生物燃料電池。與酶生物燃料電池相比，微生物燃料電池存在工作效率低、反應過程相對復雜，難以控制等問題，因此酶生物燃料電池是目前綠色環保能源領域研究的熱點之一。
[0003]然而，目前的酶生物燃料電池的結構以及電池性能仍有待改進。
【發明內容】
[0004]本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。
[0005]本發明是基于發明人的下列認識和發現而完成的:
[0006]將酶生物燃料電池作為電源用于實際生產與生活還存在許多問題需要解決。其中，制約其實用化發展的主要原因是酶生物燃料電池輸出功率密度目前還遠遠不能滿足實際需求。而制約酶生物燃料電池輸出功率的最大因素是電子傳遞過程。目前的酶生物燃料電池普遍存在電池輸出功率低、使用壽命短等問題。發明人經過深入研究發現，這一方面是由于作為催化劑的酶的活性中心被一層絕緣蛋白質包裹，從而影響了電子向集流體(即電極載體)的傳導速率，進而影響了電池的功率密度;另一方面是由于酶的固定方式影響了電池的穩定性能及其壽命。酶生物燃料電池使用的大多數酶活性中心深埋在酶分子內部，僅僅是酶分子蛋白質外殼的厚度就足以對電子活性中心到電極的直接傳遞過程產生屏蔽作用，很難實現與電極之間的電子轉移。雖然為了解決上述問題，技術人員發展了介體型酶生物燃料電池，通過在酶與電極之間加入氧化還原電對來提高電子的傳遞速率，然而，介體的加入也造成了酶生物燃料電池工作電壓的降低、酶中毒等問題。此外，上述問題雖然也可以通過在電極體系中加入納米級別的導電材料，或利用導電的基團、小分子化合物連通酶的活性中心與電極載體的方式得到緩解，然而這一類方法操作復雜，價格高昂，難以實現工業化。因此，發展一種制備方法簡單、成本低廉，且可實現酶活性中心與電極載體直接連通的電極以及酶生物燃料電池，成為解決上述問題的有效途徑。發明人經過深入研究以及大量實驗發現，通過調整溶液(通常為緩沖溶液)的PH值可使酶分子從天然折疊狀態向伸展狀態過渡，如對PH值進行適當調整，可以在保證酶活性的前提下，使生物酶的二、三級結構充分伸展，從而可以使生物酶的活性中心由絕緣蛋白質中暴露出來，進而達到縮短生物酶活性中心與電極之間的距離的目的，從而加快了酶活性中心與電極之間的電子傳遞。
[0007]有鑒于此，在本發明的第一方面，本發明提出了一種電極。根據本發明的實施例，該電極包括:電極載體；以及生物酶，所述生物酶通過靜電吸附固定在所述電極載體上。根據本發明實施例的電極能夠實現酶活性中心與電極載體直接電子迀移，電極電學性能較好，在將該電極應用于電池中時，能夠獲得較高的電池功率密度。
[0008]根據本發明的實施例，所述電極載體是通過對基材進行酸處理獲得的。由此，可以獲得表面形成有三維結構的電極載體，增大電極載體的比表面積，從而可以增加生物酶的負載量。
[0009]根據本發明的實施例，所述基材是由選自碳紙、巴克紙、石墨烯、碳納米管以及碳纖維的至少之一形成的。由此，可以簡便地通過酸處理在基材表面形成三維結構，從而有利于擴大電極載體的表面積，增加生物酶附著量，提高電極性能，并提高生物酶在電極載體表面固定的穩定程度，從而可以提高該電極的使用壽命。
[0010]根據本發明的實施例，所述生物酶為葡萄糖氧化酶或者葡萄糖脫氫酶。由此，可以利用葡萄糖作為底物，實現該電極的使用功能。
[0011]根據本發明的實施例，在將所述生物酶固定在所述電極載體上之前，預先采用緩沖溶液對所述生物酶進行孵育，所述緩沖溶液的PH值是基于所述生物酶的等電點確定的。通過利用不同PH值的緩沖溶液對生物酶進行孵育處理，使生物酶從天然折疊狀態向伸展狀態過渡，從而在保持生物酶活性的同時，暴露生物酶的活性中心，同時使生物酶帶電，并利用靜電吸附作用將生物酶固定在電極載體上，從而可以實現活性中心與電極載體之間的直接電子傳輸。
[0012]在本發明的另一方面，本發明提出了一種制備前面所述的電極的方法。根據本發明的實施例，該方法包括:(I)提供電極載體；(2)利用靜電吸附，將生物酶固定在所述電極載體上，以便獲得所述電極。由此，該電極可以實現活性中心與電極載體之間的直接電子傳輸。
[0013]根據本發明的實施例，步驟(I)中，所述電極載體是通過對基材進行酸處理獲得的，所述基材是由選自碳紙、巴克紙、石墨烯以及碳纖維的至少之一形成的。由此，可以通過酸處理在電極載體表面形成三維結構，同時引入的含氧官能團使電極載體帶有負電荷，從而有利于擴大電極載體的表面積，并且有利于增加利用靜電吸附的生物酶附著量，提高電極性能。
[0014]根據本發明的實施例，在步驟(2)中之前，進一步包括:利用緩沖溶液對所述生物酶進行孵育。由此，可以利用不同PH值的緩沖溶液對生物酶進行孵育處理，使生物酶從天然折疊狀態向伸展狀態過渡，從而在保持生物酶活性的同時，暴露生物酶的活性中心，同時使生物酶帶電，并利用靜電吸附作用將生物酶固定在電極載體上，從而可以實現活性中心與電極載體之間的直接電子傳輸。根據本發明的實施例，所述生物酶為葡萄糖氧化酶時，所述緩沖溶液的PH為2?5，優選地，所述緩沖溶液的pH值小于4.2。由此，可以根據生物酶的等電點，在上述范圍內選取適當的PH值，從而達到在保留生物酶活性的同時，最大程度暴露生物酶的活性中心，并使生物酶具有適量且相應性質的電荷，從而可以提高生物酶與電極載體之間的附著能力。
[0015]根據本發明的實施例，所述生物酶為葡萄糖脫氫酶時，所述緩沖溶液的pH為8?
7.2。由此，可以根據生物酶的等電點，在上述范圍內選取適當的pH值，從而達到在保留生物酶活性的同時，最大程度暴露生物酶的活性中心，并使生物酶具有適量的電荷，從而可以提高生物酶與電極載體之間的附著能力。
[0016]在本發明的另一方面，本發明提出了一種生物傳感器，根據本發明的實施例，該生物傳感器包括前面所述的電極。由此，可以利用前面描述的能夠在生物酶活性中心與電極載體之間實現直接電子轉移的電極，提高生物傳感器的靈敏程度以及響應速度。
[0017]在本發明的另一方面，本發明提出了一種酶生物燃料電池。根據本發明的實施例，所述酶生物燃料電池的陽極為前面所述的電極。由此，可以利用前面描述電極能夠在生物酶活性中心與電極載體之間實現直接電子轉移，從而可以提高酶生物燃料電池的電池輸出功率以及電池壽命，并為生物酶提供穩定的固定方式。
【附圖說明】
[0018]圖1顯示了根據本發明一個實施例的電極的結構示意圖；
[0019]圖2顯示了根據本發明實施例1的基材以及電極載體的掃描電鏡圖；
[0020]圖3顯示了根據本發明實施例1的激光共聚焦熒光顯微鏡(圖3A)圖以及電極掃描電鏡(圖3B);
[0021]圖4顯示了根據本發明實施例1的電極的循環