一种基于乙醇氧化酶的电化学乙醇传感器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及酒精检测领域，其使用了生物酶催化制剂的电化学乙醇传感器，具体涉及一种基于乙醇氧化酶的电化学乙醇传感器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]血液中酒精浓度检测现在不仅作为控制和惩罚酒驾的执法手段，在需要高度精神集中的岗位，如:吊车司机、哨所、火车司机、飞机驾驶员、煤矿工人、钢厂炉前操作工、医生等等，酒精检测也得到广泛的应用。目前最简洁的血液中酒精浓度检测是呼气酒精浓度检测。呼气浓度检测与血液酒精浓度关系密切。
[0003]目前市场上流行的酒精测试传感器，共有三种方案:半导体式酒精传感器方案、电化学酒精传感器方案、红外线酒精传感器方案，除此之外还有比色法等。其中，电化学法相对精确作为执法手段被广泛应用，半导体酒精检测仪主要用于个人检测。
[0004]目前市场上通用的电化学酒精传感器基本上是以燃料电池型酒精传感器为主，它是利用醇类化合物在贵金属电极上发生电化学氧化反应，产生氧化电流，电流的强度与乙醇的浓度直接相关。由于使用燃料电池原理，传感器的工作电极的催化剂活性非常高，这就使得这种传感器的选择性不是很好。
[0005]传感器的设计者必须在传感器的选择性和灵敏度之间作适当的取舍。
[0006]酒精检测的主要应用是酒驾检测。被测者口腔气体环境非常复杂，尤其对于饮酒者而言，除了可能的口腔内的残留食物腐败变质之外，被测者是否吸烟，是否有口腔疾病，是否有肠胃疾病等等，都对口腔气体环境有很大的影响。
[0007]因此如何从口腔气体中将酒精区别出来，就是酒精传感器的核心任务。提高选择性就成了这种传感器的核心难题。
[0008]为了解决酒精检测的各种问题，专利CN101634641提出在电化学传感器的工作电极中引入酶的方法，这种方法利用了酶的高活性和高选择性，但是，由于酶是直接加入到电极中，因此电极的工作特性中含有酶的氧化特性，酶的寿命无法保证。专利CN102944597也是面对了同样的问题，尽管他们使用了高分子电解质、石墨烯等等，由于酶是直接加入到工作电极上的，因此酶有被破坏的风险。
[0009]专利JP2007225444，JPH0196552等将酶的技术用来制备燃料电池型测酒传感器，这种传感器所面对的问题比上述专利的问题要大，这主要是由于燃料电池型传感器的两个电极都使用相对活性较高的电化学催化剂，这首先使得使用酶的好处不明显，酶本身也更容易被破坏。
[0010]尽管目前各种各样的关于酒精传感器的报道很多，使用酶制剂的形式也多种多样，但是都不出上述两种方法的范畴。
【发明内容】
[0011]本发明的目的是提供一种基于乙醇氧化酶的电化学乙醇传感器及其制备方法。本发明的目的是通过以下技术方案来实现:
[0012]一种基于乙醇氧化酶的电化学乙醇传感器，包括基片以及设置于基片上的支持电解质层、对电极、参比电极以及工作电极，所述工作电极与对电极和参比电极之间均隔离开来，所述工作电极上覆盖有乙醇氧化酶层，所述乙醇氧化酶层为将乙醇氧化酶担载在(由电绝缘性的生物活性材料构成的)电绝缘性的生物活性层上所得，所述工作电极和乙醇氧化酶层之间设有辅助扩散层，所述辅助扩散层分别与乙醇氧化酶层和工作电极之间均形成部分互穿网络结构，并紧密结合；乙醇在乙醇氧化酶作用下生成乙醛，乙醛通过辅助扩散层快速扩散到所述工作电极表面，产生电化学电流，该电流与乙醇的浓度呈线性关系。
[0013]进一步地，所述电绝缘性的生物活性层包括水解明胶层、琼脂层、纤维素衍生物层、聚丙烯酸酯层、聚丙烯酰胺层、聚丙烯酸钠层、聚邻苯二甲酸乙二醇酯层、聚对苯二甲酸丁二醇酯层、甲壳素衍生物层以及硅藻土层中的至少一种。
[0014]进一步地，所述工作电极的材料为钌、镍、钽、石墨、锡及铟中的一种或几种或全部的混合物。该工作电极的材料中不含有贵金属材料，该贵金属材料包括铂、钯。
[0015]进一步地，所述辅助扩散层由疏水的多孔的高分子材料构成。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、聚丙烯以及硅橡胶中的至少一种。
[0016]进一步地，所述支持电解质层为高分子固体电解质层，以避免电解液污染乙醇氧化酶层，造成酶层失活。所述高分子固体电解质层包括全氟磺酸离子交换树脂、聚苯乙烯磺酸/盐固体电解质、磺化聚丙烯、磺化聚醚砜、聚乙烯磺酸钾以及聚丙烯酸钠中的至少一种。
[0017]进一步地，所述工作电极的厚度不小于0.3mm。所述辅助扩散层的厚度不大于乙醇氧化酶膜的厚度。所述乙醇氧化酶层与工作电极之间没有交集。所述对电极与工作电极之间的距离为1.0?3.0mm，保持相对较近的距离。
[0018]进一步地，所述参比电极能够通过参比电极盐桥或鲁金毛细管将(该参比电极)连接到靠近工作电极的地方。
[0019]—种所述的基于乙醇氧化酶的电化学乙醇传感器的制备方法，所述方法包括以下步骤:①电极的制备:在基片的一端设置工作电极、对电极和参比电极，并在该基片上设置支持电解质层；②辅助扩散层的制备:在工作电极上印制或喷涂辅助扩散层的浆料得到设置于工作电极上的辅助扩散层，所述辅助扩散层的浆料为用辅助材料将多孔的高分子材料调制而成的浆料；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、聚丙烯以及硅橡胶中的至少一种乙醇氧化酶层的制备:将乙醇脱氢酶用辅助试剂调和后，与电绝缘性的生物活性材料混合，加入氧化型辅酶I，在25°C下短时间混合后得到混合液，将该混合液温度调整到4°C附近待用；所述电绝缘性的生物活性材料包括水解明胶、琼脂、纤维素衍生物、聚丙烯酸酯、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、聚邻苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、甲壳素衍生物以及硅藻土中的至少一种。所述步骤②干燥后，将所述混合液设置于辅助扩散层上，阴干后待用；具体设置方法包括两种，分别为:A.单独制膜:将所述混合液在玻璃板上铺展成膜，然后裁剪成需要的形状和大小，覆盖在设有辅助扩散层的工作电极上将所述混合液植被到已经制备了辅助扩散层的工作电极上，所述植被包括喷涂、涂覆、覆盖、移印或丝网印刷；④引出导线:将上述制备好的传感器印制引出导线，即为所述的乙醇传感器；⑤校正:将传感器进行校验；⑥储存:将校验后的传感器用真空包装后保持。
[0020]进一步地，步骤②中所述所述的辅助材料包括聚丙烯酸丁酯、松油醇、司班80、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、异丙醇以及水中的几种。步骤③中所述辅助试剂包括焦磷酸缓冲溶液、聚乙烯醇、乙醇水溶液中的至少一种。
[0021]进一步地，所述基片包括多孔的硝化纤维素基片、多孔聚氯乙烯基片、纸基片或玻璃基片。
[0022]本发明提供了一种基于乙醇氧化酶的电化学乙醇传感器及其制备方法，其主要具有的有益效果:通过本发明中传感器的结构以及其制备方法使得该电化学乙醇传感器的响应时间短，测试结果准确，对