电极及其制备方法、生物传感器和酶生物燃料电池的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及材料领域，具体地，本发明涉及电极及其制备方法、生物传感器和酶生物燃料电池。
【背景技术】
[0002]生物燃料电池是利用酶或者微生物组织作为催化剂，将燃料的化学能直接转化为电能的一类电池。生物燃料电池处在理论上具有很高的能量转化率、无污染等优点外，还具有原料广泛、操作条件温和及生物相容性好等优点。生物燃料电池按其工作方式可分为酶生物燃料电池和微生物燃料电池。与酶生物燃料电池相比，微生物燃料电池存在工作效率低、反应过程相对复杂，难以控制等问题，因此酶生物燃料电池是目前绿色环保能源领域研究的热点之一。
[0003]然而，目前的酶生物燃料电池的结构以及电池性能仍有待改进。
【发明内容】
[0004]本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
[0005]本发明是基于发明人的下列认识和发现而完成的:
[0006]将酶生物燃料电池作为电源用于实际生产与生活还存在许多问题需要解决。其中，制约其实用化发展的主要原因是酶生物燃料电池输出功率密度目前还远远不能满足实际需求。而制约酶生物燃料电池输出功率的最大因素是电子传递过程。目前的酶生物燃料电池普遍存在电池输出功率低、使用寿命短等问题。发明人经过深入研究发现，这一方面是由于作为催化剂的酶的活性中心被一层绝缘蛋白质包裹，从而影响了电子向集流体(即电极载体)的传导速率，进而影响了电池的功率密度;另一方面是由于酶的固定方式影响了电池的稳定性能及其寿命。酶生物燃料电池使用的大多数酶活性中心深埋在酶分子内部，仅仅是酶分子蛋白质外壳的厚度就足以对电子活性中心到电极的直接传递过程产生屏蔽作用，很难实现与电极之间的电子转移。虽然为了解决上述问题，技术人员发展了介体型酶生物燃料电池，通过在酶与电极之间加入氧化还原电对来提高电子的传递速率，然而，介体的加入也造成了酶生物燃料电池工作电压的降低、酶中毒等问题。此外，上述问题虽然也可以通过在电极体系中加入纳米级别的导电材料，或利用导电的基团、小分子化合物连通酶的活性中心与电极载体的方式得到缓解，然而这一类方法操作复杂，价格高昂，难以实现工业化。因此，发展一种制备方法简单、成本低廉，且可实现酶活性中心与电极载体直接连通的电极以及酶生物燃料电池，成为解决上述问题的有效途径。发明人经过深入研究以及大量实验发现，通过调整溶液(通常为缓冲溶液)的PH值可使酶分子从天然折叠状态向伸展状态过渡，如对PH值进行适当调整，可以在保证酶活性的前提下，使生物酶的二、三级结构充分伸展，从而可以使生物酶的活性中心由绝缘蛋白质中暴露出来，进而达到缩短生物酶活性中心与电极之间的距离的目的，从而加快了酶活性中心与电极之间的电子传递。
[0007]有鉴于此，在本发明的第一方面，本发明提出了一种电极。根据本发明的实施例，该电极包括:电极载体；以及生物酶，所述生物酶通过静电吸附固定在所述电极载体上。根据本发明实施例的电极能够实现酶活性中心与电极载体直接电子迀移，电极电学性能较好，在将该电极应用于电池中时，能够获得较高的电池功率密度。
[0008]根据本发明的实施例，所述电极载体是通过对基材进行酸处理获得的。由此，可以获得表面形成有三维结构的电极载体，增大电极载体的比表面积，从而可以增加生物酶的负载量。
[0009]根据本发明的实施例，所述基材是由选自碳纸、巴克纸、石墨烯、碳纳米管以及碳纤维的至少之一形成的。由此，可以简便地通过酸处理在基材表面形成三维结构，从而有利于扩大电极载体的表面积，增加生物酶附着量，提高电极性能，并提高生物酶在电极载体表面固定的稳定程度，从而可以提高该电极的使用寿命。
[0010]根据本发明的实施例，所述生物酶为葡萄糖氧化酶或者葡萄糖脱氢酶。由此，可以利用葡萄糖作为底物，实现该电极的使用功能。
[0011]根据本发明的实施例，在将所述生物酶固定在所述电极载体上之前，预先采用缓冲溶液对所述生物酶进行孵育，所述缓冲溶液的PH值是基于所述生物酶的等电点确定的。通过利用不同PH值的缓冲溶液对生物酶进行孵育处理，使生物酶从天然折叠状态向伸展状态过渡，从而在保持生物酶活性的同时，暴露生物酶的活性中心，同时使生物酶带电，并利用静电吸附作用将生物酶固定在电极载体上，从而可以实现活性中心与电极载体之间的直接电子传输。
[0012]在本发明的另一方面，本发明提出了一种制备前面所述的电极的方法。根据本发明的实施例，该方法包括:(I)提供电极载体；(2)利用静电吸附，将生物酶固定在所述电极载体上，以便获得所述电极。由此，该电极可以实现活性中心与电极载体之间的直接电子传输。
[0013]根据本发明的实施例，步骤(I)中，所述电极载体是通过对基材进行酸处理获得的，所述基材是由选自碳纸、巴克纸、石墨烯以及碳纤维的至少之一形成的。由此，可以通过酸处理在电极载体表面形成三维结构，同时引入的含氧官能团使电极载体带有负电荷，从而有利于扩大电极载体的表面积，并且有利于增加利用静电吸附的生物酶附着量，提高电极性能。
[0014]根据本发明的实施例，在步骤(2)中之前，进一步包括:利用缓冲溶液对所述生物酶进行孵育。由此，可以利用不同PH值的缓冲溶液对生物酶进行孵育处理，使生物酶从天然折叠状态向伸展状态过渡，从而在保持生物酶活性的同时，暴露生物酶的活性中心，同时使生物酶带电，并利用静电吸附作用将生物酶固定在电极载体上，从而可以实现活性中心与电极载体之间的直接电子传输。根据本发明的实施例，所述生物酶为葡萄糖氧化酶时，所述缓冲溶液的PH为2?5，优选地，所述缓冲溶液的pH值小于4.2。由此，可以根据生物酶的等电点，在上述范围内选取适当的PH值，从而达到在保留生物酶活性的同时，最大程度暴露生物酶的活性中心，并使生物酶具有适量且相应性质的电荷，从而可以提高生物酶与电极载体之间的附着能力。
[0015]根据本发明的实施例，所述生物酶为葡萄糖脱氢酶时，所述缓冲溶液的pH为8?
7.2。由此，可以根据生物酶的等电点，在上述范围内选取适当的pH值，从而达到在保留生物酶活性的同时，最大程度暴露生物酶的活性中心，并使生物酶具有适量的电荷，从而可以提高生物酶与电极载体之间的附着能力。
[0016]在本发明的另一方面，本发明提出了一种生物传感器，根据本发明的实施例，该生物传感器包括前面所述的电极。由此，可以利用前面描述的能够在生物酶活性中心与电极载体之间实现直接电子转移的电极，提高生物传感器的灵敏程度以及响应速度。
[0017]在本发明的另一方面，本发明提出了一种酶生物燃料电池。根据本发明的实施例，所述酶生物燃料电池的阳极为前面所述的电极。由此，可以利用前面描述电极能够在生物酶活性中心与电极载体之间实现直接电子转移，从而可以提高酶生物燃料电池的电池输出功率以及电池寿命，并为生物酶提供稳定的固定方式。
【附图说明】
[0018]图1显示了根据本发明一个实施例的电极的结构示意图；
[0019]图2显示了根据本发明实施例1的基材以及电极载体的扫描电镜图；
[0020]图3显示了根据本发明实施例1的激光共聚焦荧光显微镜(图3A)图以及电极扫描电镜(图3B);
[0021]图4显示了根据本发明实施例1的电极的循环