专利名称：一种全固态乙醇气体生物传感器用的酶电极及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种全固态乙醇气体生物传感器用的酶电极及其制作方法。
背景技术：
工业生产、家庭安全、环境监测和医疗等领域对气体的检测要求越来越高，而目前的检测手段气相色谱或气相色谱-质谱联用仪等无法满足快速、便捷检测的要求，这就为便于快速、现场检测的气体传感器提供了广阔的发展空间。目前所报道的绝大多数单一气体传感器的特异选择性都比较差，只有很少数的气体传感器阵列，以神经网络作为后期数据处理系统的方法，可以在一定程度上实现对气体的选择性识别，如美国加州理工学院 (Anal. Chem. , (2002), 74 (6), 1307-1315 ；Anal. Chem. , (2000)，72 (14)，3181-3190)比萨大学(IEEE Sensors Journal, U007)，7 U)，237444)、Aromascan公司的气体扫描分析仪等， 即使如此其整体性能仍依赖于单一传感器元件的性能，传感器阵列的选择性受到了很大限制。因此，提高单一传感器对气体的特异性识别，对于气体传感器的推广应用具有重要意义。生物传感器是一种新的传感器技术，这种传感器最为突出的特点是特异选择性。 早期，利用电化学生物传感器检测气体，主要是将气体引入液相中来检测，在实际检测前， 必须经过底物累积或试样制备步骤，相应地存在需要额外的仪器设备以及试样制备周期长等缺点(Talanta, (2008)，75 (3)，786-791)，限制了其适用范围。上世纪90年代中期出现了采用渗透膜将气体和电解质分隔开的双反应池的流动检测器件，通过测定扩散进入液相的气体与酶电极发生反应而检测(Anal. Chem, (1994)，66，3297-3302 ；Sens. Actuators B, (2002) ,83, (1-3), 35-40 ；Sens. Actuators B, (2005)，108，(1-2)，639-645)。近年来先后出现了将电解质经过适当的方式处理后用于气体检测的电化学生物传感器(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，(1), 107-114 ；Biosens. Bioelectron. , (2002), 17, (9)，789-796)，即目前的检测方法都是通过气/液界面上的酶催化反应来进行，并未真正实现气相中气体试样的实时检测，这些方法不可避免地会发生电解质蒸发或泄露，导致传感器信号的衰减(Sens. ActuatorsB, (2005)，107,812-817)，而且器件制备复杂，不利于微型化、智能化与集成化。本发明就是利用丝网印刷三电极体系结合固态聚电解质，制作全固态乙醇气体生物传感器，实现乙醇气体在气/固界面上的检测。
发明内容
为了克服现有乙醇气体生物传感器在检测中存在的不足，本发明的目的是提供一种全固态乙醇气体生物传感器用的酶电极及其制作方法，用该方法制得的酶电极从整体上提高了生物传感器的各项性能和实用性。本发明所采用的技术方案如下
本发明的全固态乙醇气体生物传感器用的酶电极具有绝缘材料基体，在基体表面丝网印刷有工作电极、参比电极和对电极，电极中间涂覆一层碳酸酯绝缘体，工作电极上涂覆有由生物活性材料、纳米材料、乙醇氧化酶组成的反应层，然后在工作电极、参比电极和对电极之间涂覆聚电解质薄膜。全固态乙醇气体生物传感器用的酶电极的制作方法，包括以下步骤1)清洗表面具有工作电极、参比电极和对电极的陶瓷或聚氯乙烯基体，烘干备用；2)将3 6mg/mL的乙醇氧化酶、0. 5 lmg/mL的纳米材料、5 10mg/mL的生物活性材料和体积比为2%的戊二醛震荡混合均勻，然后取3 10 μ L滴涂在工作电极表面， 自然晾干，形成反应层；3)将体积比为2 5%的聚电解溶液均勻涂覆在工作电极、参比电极和对电极之间，自然晾干后得到酶电极。上述方法中的纳米材料是纳米金颗粒、纳米钼颗粒、碳纳米管中的一种或几种，纳米粒子的颗粒大小范围在2 lOnm，碳纳米管的直径为10 30nm，长度约为1 10 μ m。 酶电极所用的绝缘材料基体为陶瓷或聚氯乙烯，电极采用丝网印刷技术印制，所述的工作电极为圆形，直径为2 4mm，参比电极为银或银/氯化银，对电极为金、钼或银。本发明的优点是1)选取工作电极、参比电极和对电极印刷在同一块基体上的三电极体系，便于传感器电极的微型化、智能化和集成化；2)碳纳米管及其复合材料的使用提高了传感器的响应灵敏度；3)乙醇氧化酶作为乙醇分子的识别元件，大大提高了传感器的响应选择性；4)利用固态聚电解质作为电化学反应过程中的电荷传输载体，避免使用液态电解质，提高传感器信号的稳定性；5)本发明的酶电极具有体积小，低成本，使用方便等优点。而且响应灵敏度高，稳定性较好，响应选择性高，可用于乙醇气体浓度的精确测量和控制。
图1是本发明酶电极的结构示意图。图2是本发明实施例1制作的酶电极对乙醇饱和蒸汽响应的时间-电流曲线。图3是本发明实施例3制作的酶电极对低浓度乙醇蒸汽响应的时间-电流曲线。图4是本发明实施例3制作的酶电极对乙醇蒸汽及其他常见气体的响应灵敏度比较(其中乙醇蒸汽浓度为2000ppm，其他蒸汽浓度为IOOOOppm)。
具体实施例方式以下结合附图和实施例进一步说明本发明参照附图1，全固态乙醇气体生物传感器用的酶电极具有绝缘基体(8)，在基体表面丝网印刷有工作电极(1)、参比电极( 和对电极(3)，它们的中间部分面上涂有一层覆盖电极表面的聚碳酸酯绝缘体G)。工作电极(1)、参比电极( 和对电极C3)分别对应于基体末端的引脚(5)、(6)和(7)。工作电极(1)上涂覆有由生物活性材料、纳米材料、乙醇氧化酶组成的反应层，然后在工作电极(1)、参比电极( 和对电极C3)之间涂覆聚电解质薄膜。所述的工作电极(1)为圆形，直径为2 4mm，材质为金或钼，材质为金或钼，参比电极为银或银/氯化银，对电极为钼或银。实施例1 1)清洗表面具有工作电极(钼，直径2mm)、参比电极(银)和对电极(钼)的陶瓷基体，烘干备用；2)将6 μ L 3mg/mL的乙醇氧化酶、6 μ L 0. 5mg/mL的碳纳米管、4 μ L 10mg/mL的牛血清蛋白和2% (V/V)的戊二醛震荡混合均勻，然后取4μ L滴涂在直径为3mm的钼工作电极表面，自然晾干，形成反应层；3)将体积比为4%的Naf ion-117溶液均勻涂覆在工作电极、参比电极和对电极之间，自然晾干后得到酶电极。实施例2 1)清洗表面具有工作电极(金，直径4mm)、参比电极(银/氯化银)和对电极 (银)的聚氯乙烯基体，烘干备用；2)将4yL 611^/1^的乙醇氧化酶、5口1^ 0. 5mg/mL的碳纳米管、5uL 5%的纳米金溶液、6yL8mg/mL的壳聚糖和2% (V/V)的戊二醛震荡混合均勻，然后取6 μ L滴涂在直径为3mm的钼工作电极表面，自然晾干，形成反应层；3)将体积比为2. 5%的Nafion-117溶液均勻涂覆在工作电极、参比电极和对电极之间，自然晾干后得到酶电极。实施例3 1)清洗表面具有工作电极(金，直径4mm)、参比电极(银)和对电极(钼)的陶瓷基体，烘干备用；2)将6 μ L 6mg/mL的乙醇氧化酶、3 μ L lmg/mL的碳纳米管、5uL 3%的纳米钼溶液、5yL6mg/mL的葡聚糖和2% (V/V)的戊二醛震荡混合均勻，然后取6 μ L滴涂在直径为 3mm的钼工作电极表面，自然晾干，形成反应层；3)将体积比为5%的Nafion-117溶液均勻涂覆在工作电极、参比电极和对电极之间，自然晾干后得到酶电极。实施例4 1)清洗表面具有工作电极(钼，直径2mm)、参比电极(银)和对电极(钼)的陶瓷或聚氯乙烯基体，烘干备用；2)将4 μ L 3mg/mL的乙醇氧化酶、5uL 3%的纳米金溶液、4 μ L 4mg/mL的牛血清蛋白和2% (V/V)的戊二醛震荡混合均勻，然后取4μ L滴涂在直径为3mm的钼工作电极表面，自然晾干，形成反应层；3)将体积比为3%的Nafion-117溶液均勻涂覆在工作电极、参比电极和对电极之间，自然晾干后得到酶电极。
权利要求
1.一种全固态乙醇气体生物传感器用的酶电极，其特征在于它具有绝缘材料基体， 在基体表面丝网印刷有工作电极、参比电极和对电极，电极中间涂覆一层碳酸酯绝缘体，工作电极上涂覆有由生物活性材料、纳米材料、乙醇氧化酶组成的反应层，然后在工作电极、 参比电极和对电极之间涂覆聚电解质薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种全固态乙醇气体生物传感器用的酶电极，其特征在于 绝缘材料基体为聚氯乙烯、聚碳酸酯或陶瓷，电极采用丝网印刷技术印制，所述的工作电极为圆形，直径为2 4mm，材质为金或钼，参比电极为银或银/氯化银，对电极为钼或银。
3.根据权利要求1所述的一种全固态乙醇气体生物传感器用的酶电极的制作方法，其特征在于包括以下几步1)清洗表面具有工作电极、参比电极和对电极的陶瓷或聚氯乙烯基体，烘干备用；2)将3 6mg/mL的乙醇氧化酶、0.5 lmg/mL的纳米材料、5 10mg/mL的生物活性材料和体积比为2%的戊二醛震荡混合均勻，然后取3 IOyL滴涂在工作电极表面，自然晾干，形成反应层；3)将体积比为2 5%的聚电解溶液均勻涂覆在工作电极、参比电极和对电极之间，自然晾干后得到酶电极。上述方法中的纳米材料是纳米金颗粒、纳米钼颗粒、碳纳米管中的一种或几种，纳米粒子的颗粒大小范围在2 lOnm，碳纳米管的直径为10 30歷，长度约为1 10 μ m，生物活性材料是牛血清蛋白、壳聚糖、葡聚糖种的一种。
4.根据权利要求3所述的一种全固态乙醇气体生物传感器用的酶电极的制作方法，其特征在于所述的工作电极为圆形，直径为2 4mm，参比电极为银或银/氯化银，对电极为金、钼或银。
全文摘要
本发明涉及一种全固态乙醇气体生物传感器用的酶电极及其制作方法，在由绝缘材料做成的基体上，利用丝网印刷技术制成由工作电极、参比电极和对电极组成的印刷电极，它们的中间部分表面上涂覆一层聚碳酸酯绝缘体，在工作电极上涂覆一层由生物活性材料、纳米材料、乙醇氧化酶组成的反应层，然后再在工作电极、对电极和参比电极之间涂覆一层固态聚合物薄膜，即制成生物酶电极。本发明提供了一种气态乙醇检测用的酶电极，该酶电极在使用过程中无需使用液态电解质，可实现乙醇气体的高选择性检测，从整体上提高了乙醇气体生物传感器的各项性能和实用性。
文档编号G01N27/327GK102495118SQ201110416159
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月14日 优先权日2011年12月14日
发明者张晓清, 王会才 申请人:天津工业大学