一种检测甲醛气体酶生物传感器的制备方法

文档序号:6017411阅读:680来源:国知局
专利名称:一种检测甲醛气体酶生物传感器的制备方法
技术领域
本发明涉及一种传感器,具体是专用于探测甲醛气体的酶生物传感器。
背景技术
甲醛是一种重要的有机原料,但甲醛对健康的危害主要表现为刺激作用、致敏作用、基因毒性和生殖毒性。目前,研究者提出了多种针对甲醛气体检测的传感器,其中一些已经进入了市场。此类传感器可分为五大类型金属氧化物型、声表面波型、化学发光型、电化学型和生物型。利用SnA纳米晶体(张建荣,高濂.无机材料学报2005,20,465-469)、 SnCl2-hCl3氧化物薄膜(季振国等.传感技术学报,2004,2,277-279)、La2O3掺杂纳米M2O3 材料(刘如征等.电子元件与材料2006,25,15-17) ,Ag2O掺杂纳米CuO气敏材料(侯振雨等.郑州轻工业学院学报2006,20,42-4 已分别制成金属氧化物型甲醛气体传感器。利用碳纳米管薄膜作为气敏材料可制成双端声表面波气体传感器(孙蕾.大连理工大学硕士学位论文2005)。利用甲醛与4-氨基-3-联氮-5-硫基-1,2,4-三氮杂茂发生反应时颜色的变化 (Kawamura K,et al. Sensor Actuators B 2005,105,495-501),甲醛与纳米V2Ti4O13在作用的发光(Zhou Kff, et al. Sensor Actuators B 2006,119,392-397),以及甲酸与 TiO2-Y2O3 的发光(饶志明等.分析化学2006,34,832-834)可检测甲醛的浓度。较为常见的是电化学型甲醛气体传感器。包括工作电极为金涂层纳米薄膜 (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) 的传感器。市场上销售的甲醛快速测定仪原理大多是基于电化学原理。上述甲醛气体传感器存在着选择性差,容易受到其他气体的干扰的不足。此外,灵敏度低和稳定性差也是此类传感器需要解决的问题。将生物传感器和流动注射系统相连已制成能够检测水溶液中甲醛的传感器 (Herschkovitz H, et al. J. Electroanalytical Chem. 2000,491,182-187)。酶方法的选择性和灵敏度都很高,如果能进一步构建出甲醛气体酶传感器将有可能在低浓度的水平上无干扰地对去气态甲醛进行嗅探,可广泛用于环境监测和医学检测。

发明内容
本发明的目的是提供一种能够灵敏嗅探甲醛气体的新型酶传感器,并设计出构建这种传感器的工艺方法。为了达到上述目的,本发明提出了一种传感器。这种传感器能够利用酶分子的高活性和高特异性的特点专门针对气态甲醛进行识别。通过一系列的氧化还原反应甲醛在甲醛脱氢酶(FDH)的催化下将NAD+还原为NADH,NADH进而将苯醌还原为对苯二酚,对苯二酚再夺取电极上的电子产生电流。通过对电流的测量即可检测出微量气态甲醛的浓度。
具体工艺如下将厚度200 300 μ m,孔隙率> 30%,孔尺寸1 5 μ m的聚四氟乙烯膜附着在厚度为1 3mm的圆形开孔泡沫炭电极上,形成透气而阻水的工作电极。如图1所示,传感器的反应室用透析膜隔为两个空间下面的空间充满含FDH、 NAD+和苯醌的缓冲液,底部用附着在工作电极上的聚四氟乙烯膜密封;上面的空间盛有含 NAD+和苯醌的缓冲液,溶液中浸入钼丝对电极和由Ag/AgCl构成的参比电极。三电极系统由电化学工作站控制。与其他传感器不同,并不需要将酶蛋白(FDH)和电媒介体(苯醌) 固定在工作电极表面上。反应室的气体入口是圆筒底部的具有微孔的聚四氟乙烯膜和泡沫炭。气体能够从孔道进入含酶电解液中,而电解液却不能从孔道渗出。为了测试传感器的性能,在实验中, 将一个盛有不同浓度甲醛水溶液(内含10%的甲醇作为稳定剂)的玻璃瓶连接在传感器的入口处。甲醛液面距离与传感器工作电极大约lcm。两膜之间所充满的含酶电解液是由来自恶臭假单胞菌的FDH、NAD+和苯醌的 KCl-KH2PO4缓冲液所构成。如图2所示,甲醛蒸汽透过微孔聚四氟乙烯膜和泡沫炭电极层进入到含酶电解液中。在FDH酶的催化下甲醛被氧化成甲酸,而NAD+被还原成NADH。NADH进而将苯醌还原为对苯二酚,而NADH自身氧化为原初的NAD+,从而完成了一次循环。最终,对苯二酚在工作电极上重新被氧化,回复成苯醌。工作电极失去电子,与对电极形成微电流。所产生的微电流与甲醛气体的浓度有关,这样就构成了一种能够通过测量电流而检测甲醛气体浓度的酶传感器。在室温下甲醛气相浓度由Sander编程的Henry定律常数(kH)来计算(ymi henrys-law. org),kH = 5. IX 103M/atm。传感器典型的响应如图3所示。实验显示,该传感器测量甲醛气体的浓度下限可达到8. 3XlOVml (IOppb级),这说明这些传感器具有优良的检测极限。本发明的优点在于1.本发明所提出的气体传感器是一种酶传感器。与其他类型的甲醛气体传感器酶相比,具有酶传感器高灵敏性的特点,灵敏度达到PPb级。2.本发明所提出的传感器具有酶传感器高特异性的特点,不易受到其他气体的干扰。3.酶传感器多用于探测液体中痕量物质(如葡萄糖溶液、乙醇溶液和H2O2溶液), 本发明所提出酶传感器专用于气体的探测,尤其适用于室内甲醛污染的检测和医学化验。4.本发明所提出的传感器采用了泡沫炭工作电极,既有利于气体的透过,又增大了电极反应的表面积。5.本发明所提出的传感器构造简单,具有气体采集效率高,响应速率快的特点。6.本发明所提出的传感器可进一步进行微型化设计,以便制造专用于甲醛气体的生物嗅探器。7.本发明所提出的传感器可用于电催化和酶活性的研究。


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图1是甲醛气体传感器结构示意图。1是聚四氟乙烯膜,2是泡沫炭工作电极,3是大套筒内的含酶电解液,4是透析膜,5是小圆筒内的电解液,6是大套筒,7是小套筒,8是钼丝对电极,9是Ag/AgCl参比电极。图2是甲醛气体酶传感器化学反应原理图3是酶传感器对甲醛挥发气体浓度与响应电流之间的关系
具体实施例方式将聚四氟乙烯膜(厚度200 300 μ m,孔隙率> 30%,孔尺寸1 5 μ m)附着在泡沫炭电极(厚度为1 3mm的圆盘)上,边缘捆扎在圆柱形有机玻璃套筒中制成工作电极。传感器的反应室由两个直径不同的圆柱形有机玻璃套筒组成,小套筒能够恰好插入大套筒中,两个筒壁的接触面之间不漏液。反应室内含三电极系统。与泡沫炭片相接触的聚四氟乙烯膜捆扎在大套筒的底端构成工作电极,然后在大套筒内加入含酶电解液液。将透析膜(MWC0 12 14kDa)捆扎在小套筒的底端,再将小套筒插入到大套筒的内部,直至小套筒底部的透析膜接触到大套筒中的酶液,用密封胶粘接两个筒壁之间的缝隙。随后,在小套筒内加入含苯醌电媒介体的KCl-KH2PO4缓冲液(0. IM KCl, 0. 1ΚΗ2Ρ04ρΗ8. 0),再将由钼丝构成对电极和Ag/AgCl构成的参比电极浸入到缓冲液中。并不需要将电媒介体固定在电极表面上。这样,就制成了一个圆筒形传感器,圆筒的底部由泡沫炭(工作电极)的聚四氟乙烯膜封盖;圆筒中部由透析膜将圆筒分隔为两个区域,两膜之间充满含酶电解液,透析隔膜之上盛有电解液和浸在电解液中的对电极和参比电极。三电极系统由电化学工作站控制。反应室的气体入口是捆扎在大套筒上的聚四氟乙烯膜。为了测试传感器的性能, 在实验中,将一个盛有不同浓度甲醛水溶液(内含10%的甲醇作为稳定剂)的玻璃瓶连接在传感器的入口处。甲醛液面距离与传感器工作电极大约1cm。在大小套筒之间的酶液由来自恶臭假单胞菌的甲醛脱氢酶(FDH) (EC1.2. 1.46, 冻干酶活性3 4U/mg蛋白)、NAD+和含苯醌电媒介体的KCl-KH2PO4缓冲液(0. IM KCl, 0. 1ΚΗ2Ρ04ρΗ8. 0)所构成。在检测期间,甲醛蒸汽透过聚四氟乙烯膜和泡沫炭电极层进入到含酶电解液中。 通过FDH酶的催化下甲醛、NAD+和苯醌的氧化还原反应将电子进行传递,使工作电极与对电极之间形成微电流。所产生的微电流与甲醛气体的浓度有关。这样就能够通过测量电流值来估算甲醛气体的浓度,并通过连续记录电流的变化来监测甲醛气体浓度的变化。
权利要求
1.一种检测甲醛气体的酶生物传感器,它包括气体扩散膜,电极系统和含酶电解液,其特征是在圆筒形容器上,底部由气体扩散膜所封,圆筒内部的膜面上附着工作电极;中部由透析膜将圆筒分隔为两个区域,气体扩散膜与透析膜之间充满了含酶电解液,透析膜之上的空间盛有电解液,以及浸泡在电解液中的对电极和参比电极。
2.根据权利要求1所述的甲醛气体酶生物传感器,其特征是气体扩散膜由厚度 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构成。
3.根据权利要求1所述的甲醛气体酶传感器,其特征是电极系统为三电极系统;工作电极由泡沫炭构成;对电极由钼丝构成;参比电极由Ag/AgCl电极构成。
4.根据权利要求1所述的甲醛气体酶生物传感器,其特征是含酶电解液由NAD型甲醛脱氢酶、NAD和苯醌的水溶液所构成;电解液由NAD和苯醌的水溶液所构成。
全文摘要
本发明所述的一种检测甲醛气体的酶生物传感器,它利用酶的高催化活性和高度特异性,通过微孔聚四氟乙烯膜采集,用于对痕量气态甲醛浓度的检测和监测。甲醛气体透过微孔膜和泡沫炭进入传感器反应室,在甲醛脱氢酶的催化下,经NAD+和苯醌传递泡沫炭电极中的电子,通过电流检测可对甲醛气体的浓度进行测量。该传感器具有结构简单、灵敏度高和不易受其他气体影响的特点,适用于医学检验和室内甲醛污染的连续监测。
文档编号G01N27/413GK102435652SQ20111026429
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月8日 优先权日2011年9月8日
发明者邢达杰, 黄积涛, 黄薇 申请人:南开大学
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