基于多孔锡氧化物的富氧电化学生物传感器与应用

本发明涉及电化学生物传感器，尤其是指一种基于多孔锡氧化物的富氧电化学生物传感器与应用。

背景技术：

1、近年来，基于氧化酶催化反应的电化学传感器在生物检测、精准医疗等方面得到了广泛的应用。当氧气存在时，氧化酶催化特定待测物产生副产物过氧化氢，因此可以通过检测过氧化氢产生量间接检测待测物的浓度，继而各式各样基于过氧化氢检测的电化学生物传感器应运而生。然而，基于氧化法测定过氧化氢浓度的传感器需要施加较高的电位，此时待测液中内源、外生易氧化物质(如尿酸、尿素、多巴胺、对乙酰氨基酚、乳酸等)会同时发生氧化反应产生干扰电流，影响传感器检测的准确性。

2、制备基于还原法测定过氧化氢浓度的传感器是解决这一干扰问题的理想方法，能有效避免易氧化物质对检测准确性的影响。但是以贵金属(pt、au、rh等)作为电催化剂时，氧气的还原电位与过氧化氢的还原电位相近，使得输出电流受到溶液中氧气浓度波动的干扰，严重影响传感器检测的性能。

3、为了解决上述问题，金属氧化物因其具有可调控性、良好的稳定性等特点而逐渐成为了贵金属催化剂的替代品。有文献报道可通过调节氧缺陷制备具有特定选择性的金属氧化物颗粒，氧缺陷的减少有利于抑制氧气在催化位点的吸附，从而限制了氧气还原反应的发生，为彻底解决电化学酶生物传感器存在的氧气同步还原产生的干扰问题提供了新的解决思路。但基于金属氧化物颗粒的电化学酶生物传感器反应界面处所需氧气仍需从液相中获得，由于氧气在溶液中的溶解度较低、传输速率慢等因素，传统两相电化学酶生物传感器的检测范围受到了一定程度的限制。为了解决这个问题，研究者们将超疏水基底引入到了传感器的设计当中，制备了具有三相界面的电化学生物传感器，反应界面处所需氧气直接从气相中获得，维持了氧气浓度的恒定和充足，提高了传感器的检测上限，扩大了传感器的检测范围。但目前所制备的三相传感器大多数采取在具有疏水结构的导电基材上固定催化材料，并将氧化酶附着于催化材料表面的方法制得。但该方法制备过程较为复杂，且催化材料稳定固定于疏水导电基底上较为困难。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于多孔锡氧化物的富氧电化学生物传感器及其应用。通过调节氧缺陷制备了还原过氧化氢而不还原氧气的高选择性催化剂，解决了在检测过程中氧气同步还原产生的干扰问题。多孔结构可以直接用于构建疏水基底，实现了疏水基底和催化剂一体化，在解决了传统两相生物传感器由于“氧不足”因素引起的酶动力学受限问题的同时简化了制备过程。具有多孔结构的选择性催化剂与三相界面的结合提高了电化学酶生物传感器的检测范围和检测准确性，满足了高浓度待测物和低浓度待测物的准确检测。本发明中多孔锡氧化物是一种由可变价态金属元素构成的氧化物，其中锡的价态并非为单一价态，而是二价和四价混合态，综合价态变化可调。通过调节二价锡与四价锡的比例调控氧化物中氧缺陷的浓度，从而制备出具有不同还原性能的催化剂。

2、本发明的第一个目的在于提供所述电化学酶传感器包括工作电极、参比电极与对电极，所述工作电极为三相富氧电极，所述三相富氧电极由导电基底、多孔锡氧化物层、疏水层以及氧化酶组成，其中，所述多孔锡氧化物层包覆在导电基底表面，所述多孔锡氧化物层表面设置疏水层，所述氧化酶负载在经等离子清洗机短时间处理后顶部亲水的多孔氧化锡表面。

3、进一步的，所述三相富氧酶电极中，氧化酶是负载在修饰过疏水层的多孔氧化锡顶部，其具体过程：将修饰过疏水层的锡氧化物层进行短时间等离子清洗机的处理，引入羟基使其顶部亲水，底部仍保持疏水状态，然后滴加氧化酶，实现电极的氧化酶修饰。

4、在本发明的一个实施例中，所述多孔锡氧化物制备方法包括以下步骤：

5、(1)将锡盐溶解于醇溶剂中，静置，得到锡盐溶液。

6、(2)将步骤(1)中所述锡盐溶液与聚苯乙烯微球混合，滴加在导电基底上，静置干燥。

7、(3)在不同气氛条件下进行煅烧，得到所述氧缺陷可调的多孔锡氧化物。

8、在本发明的一个实施例中，步骤(1)所述锡盐选自sncl2·2h2o、sncl4·5h2o等锡盐，其醇溶液浓度为0.1mol/l-0.5mol/l。

9、在本发明的一个实施例中，步骤(1)中，所述醇溶液中醇选自乙醇、甲醇或丙醇。

10、在本发明的一个实施例中，步骤(2)中，所述导电基底选自金属基底、硅片、石墨片、导电玻璃或导电陶瓷等。

11、在本发明的一个实施例中，步骤(2)中，所述聚苯乙烯微球的粒径为315±5nm。

12、在本发明的一个实施例中，步骤(2)中，所述静置时间为8-12h，干燥温度为25-40℃。

13、在本发明的一个实施例中，步骤(3)中，所述煅烧气氛为氩气或者氧气气氛，所述煅烧温度为450-550℃。

14、在本发明的一个实施例中，步骤(3)中，煅烧后形成的多孔锡氧化物层的厚度为3-12μm。所述多孔的孔径与所用聚苯乙烯微球的直径相近，所形成的多孔结构具有多个气道。

15、在本发明的一个实施例中，进行疏水化处理所用疏水物质选自氟硅烷、氯硅烷、硅烷偶联剂、聚二甲基硅氧烷、全氟辛烷磺酸、聚四氟乙烯和长链烷基化合物中的一种或多种。

16、在本发明的一个实施例中，所述工作电极负载有氧化酶以及酶交联剂。

17、在本发明的一个实施例中，所述氧化酶选自葡萄糖氧化酶、胆碱氧化酶、乳酸氧化酶、尿酸酶、抗坏血酸氧化酶、乙醇氧化酶、胆固醇氧化酶、肌氨酸氧化酶、蔗糖转化酶等中的一种或多种。

18、本发明的第二个目的在于提供所述一种电化学酶传感器的制备方法，该传感器由工作电极、对电极以及参比电极组装而成，该工作电极表面还负载有氧化酶及交联剂。

19、在本发明的一个实施例中，所述氧化酶的浓度为2.5mg/ml-40mg/ml。

20、在本发明的一个实施例中，所述交联剂为戊二醛、乙酸酐、二缩水甘油基乙醚、辛二亚氨酸甲酯等。

21、本发明的第三个目的在于提供所述的电化学传感器在定性或定量检测葡萄糖、蔗糖、乳糖、肌酐、尿素、乳酸、乙酰胆碱、乙醇、肌氨酸、抗坏血酸、甘油三酯或胆固醇中的应用。

22、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

23、(1)本发明提供了一种基于多孔锡氧化物的富氧电化学传感器，其特殊的多孔结构可以与疏水物质相结合构建了固-液-气三相反应界面，实现了催化剂与疏水基底的一体化构建，酶促反应所需氧气可以从气相中直接获得，维持了氧浓度的充足和恒定，解决了传统两相传感器中存在的由“氧不足”引起的酶动力学受限问题，提高了检测上限，扩大了线性检测范围。

24、(2)与以往的三相电化学酶生物传感器相比，该传感器的催化剂用可进行性能调控的锡氧化物替代了贵金属，不仅降低了制备成本，更重要的是该催化剂经氧缺陷调控后可以完全避免氧气同步还原引起的问题，使得该传感器具有较高检测上限的同时也能进行低浓度待测物的准确检测。