一种生物传感材料、电极及其制备方法和电化学生物传感器与流程

本发明涉及传感材料领域，特别涉及一种生物传感材料、电极及其制备方法和电化学生物传感器。

背景技术：

1、糖尿病作为患病率最高的代谢性疾病已成为世界范围内的重大医疗健康问题。糖尿病并发症，例如心血管疾病、慢性肾病、失明、中风、糖尿病足、细菌感染、低血糖事件等，严重影响着患者的生活质量。糖尿病及其并发症的病程发展与患者体内异常波动的血糖值关系密切。因此，实现糖尿病患者的日常血糖检测意义重大。

2、目前，主要的血糖监测手段包括传统指血血糖仪(bgm)和持续血糖监测系统(cgm)。糖尿病患者的日常居家血糖检测主要通过传统的即时检测实现，即通过一次性试纸条搭配血糖仪bgm完成。该检测方式需要频繁从指尖采血，给患者带来明显的疼痛感和较大的心理负担，使得患者依从性较低，进而影响了血糖管理效果。持续血糖监测系统(cgm)即基于皮下组织间液的连续葡萄糖监测装置通过微针刺入皮下，监测患者组织间液的葡萄糖水平变化，通过无线传输的方式将信号发送到接收器上。cgm可以实现连续14天的葡萄糖浓度监测，极大程度上减少了患者扎破手指取血的痛苦，但这一系列产品系统复杂、成本较高、使用率低，且皮下植入或透皮微针的创口感染问题尚无有效解决办法。

3、近年来，非侵入式血糖检测技术逐渐兴起，因其便捷、无痛、无感染等优势在葡萄糖检测领域表现出巨大优势。目前用于非侵入式血糖检测的技术有热学、光学和酶学三种。其中，基于葡萄糖氧化酶的酶学检测方法利用血液替代物(汗液、唾液等可无创获取的体液)中葡萄糖浓度与血糖水平的相关性，反映患者体内的葡萄糖水平变化。由于生物酶促反应的特异性，这种方法能实现对葡萄糖分子的特异性识别和检测，如果与电化学技术相结合，有望实现准确、灵敏、稳定、低成本且便携的非侵入式葡萄糖检测，极大造福于糖尿病患者。

4、在基于酶学方法的葡萄糖电化学检测领域，可无创获取的体液包括汗液、泪液和唾液。其中，唾液持续分泌，非进食条件下成分稳定、样本量充足，且口腔敏感程度较低。此外，研究表明腮腺唾液的葡萄糖水平与血液葡萄糖水平相关性高，是作为血液替代物用于非侵入式葡萄糖检测的有效生物样本。

5、受唾液葡萄糖浓度和口腔复杂环境影响，用于唾液葡萄糖检测的酶电化学传感器面临稳定性和灵敏度这两大挑战。一方面，健康人唾液葡萄糖浓度为10～110μm，约为血糖水平的1/50～1/100，为保证唾液传感器检测结果的准确性，用于唾液葡萄糖检测的传感电极需要具有更高的灵敏度。另一方面，口腔在进食情况下，传感器可能暴露于过酸过碱或温度过高的环境中。为保证唾液传感器检测结果的稳定性，用于唾液葡萄糖检测的传感电极需要具有对葡萄糖氧化酶的保护作用，维持其在非生理条件下的生物活性。如何同时保证传感电极的灵敏度和稳定性，是唾液葡萄糖电化学生物传感器亟需解决的重要问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种生物传感材料、电极及其制备方法和电化学生物传感器。本发明提供的生物传感材料能够用于唾液葡萄糖检测，而且具有高灵敏度和稳定性。

2、本发明提供了一种生物传感材料，包括：生物酶、三维有机框架材料和导电纳米链；其中，所述三维有机框架材料贯穿在所述导电纳米链上，且所述三维有机框架材料与所述导电纳米链之间具有化学作用力，所述生物酶附着在所述三维有机框架材料的多孔结构内部。

3、在其中一些实施例中，所述导电纳米链为具有π电子云的导电材料。

4、在其中一些实施例中，所述导电纳米链包括碳材料、金属材料和导电聚合物材料中至少一种。

5、在其中一些实施例中，所述导电纳米链为金属纳米线、石墨烯纳米带、导电聚合物构成的纳米链和碳纳米管中的至少一种。

6、在其中一些实施例中，所述三维有机框架材料包括zif、cpl、mil、pcn、uio、cof和环糊精中的至少一种。

7、在其中一些实施例中，所述生物酶包括葡萄糖氧化酶、葡萄糖-nad-脱氢酶、葡萄糖-pqq-脱氢酶、葡萄糖-fad-脱氢酶、乳酸酶和尿素酶中的至少一种。

8、在其中一些实施例中，各组分在所述生物传感材料中的质量百分比如下：

9、三维有机框架材料       40％～60％；

10、导电纳米链             5％～20％；

11、生物酶                 20％～40％。

12、本发明还提供了一种电极，包括：基体电极和设置在所述基体电极表面的生物传感材料；其中，所述生物传感材料为上述技术方案中所述的生物传感材料。

13、本发明还提供了一种上述技术方案中所述的电极的制备方法，包括：

14、将生物传感材料与成膜剂溶液混合，得到混合液；

15、将所述混合液施加于基体电极表面上成膜，得到电极。

16、本发明还提供了一种电化学生物传感器，包括上述技术方案中所述的电极。

17、本发明提供的生物传感材料，生物酶被包裹在三维有机框架材料的多孔结构内部，三维有机框架材料对生物酶起到保护作用，可以避免生物酶被外界环境影响而降低酶活性，同时也避免了酶的流失，寿命延长，因此具有高的稳定性。同时，三维有机框架材料贯穿在导电纳米链上，生物酶还原氧化后的电子可快速在三维有机框架材料上传导并被检测到，因此具有高的灵敏度。本申请提供的生物传感材料，生物酶、三维有机框架材料和导电纳米链三者相互协同配合，集对生物酶的保护作用和电子的高效传导作用于一体，使得生物传感材料具有高的灵敏度和稳定性，可满足唾液葡萄糖的检测需求，适用于非侵入式代谢物检测设备的应用。

技术特征：

1.一种生物传感材料，其特征在于，包括：生物酶、三维有机框架材料和导电纳米链；其中，所述三维有机框架材料贯穿在所述导电纳米链上，且所述三维有机框架材料与所述导电纳米链之间具有化学作用力，所述生物酶附着在所述三维有机框架材料的多孔结构内部。

2.根据权利要求1所述的生物传感材料，其特征在于，所述导电纳米链为具有π电子云的导电材料。

3.根据权利要求2所述的生物传感材料，其特征在于，所述导电纳米链包括碳材料、金属材料和导电聚合物材料中至少一种。

4.根据权利要求3所述的生物传感材料，其特征在于，所述导电纳米链为金属纳米线、石墨烯纳米带、导电聚合物构成的纳米链和碳纳米管中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的生物传感材料，其特征在于，所述三维有机框架材料包括zif、cpl、mil、pcn、uio、cof和环糊精中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的生物传感材料，其特征在于，所述生物酶包括葡萄糖氧化酶、葡萄糖-nad-脱氢酶、葡萄糖-pqq-脱氢酶、葡萄糖-fad-脱氢酶、乳酸酶和尿素酶中的至少一种。

7.根据权利要求1～5中任一项所述的生物传感材料，其特征在于，各组分在所述生物传感材料中的质量百分比如下：

8.一种电极，其特征在于，包括：基体电极和设置在所述基体电极表面的生物传感材料；其中，所述生物传感材料为权利要求1～7中任一项所述的生物传感材料。

9.一种权利要求8所述的电极的制备方法，其特征在于，包括：

10.一种电化学生物传感器，其特征在于，包括权利要求9所述的电极。

技术总结
本发明提供了一种生物传感材料、电极及其制备方法和电化学生物传感器。本发明提供的生物传感材料，包括：生物酶、三维有机框架材料和导电纳米链；其中，所述三维有机框架材料贯穿在所述导电纳米链上，且所述三维有机框架材料与所述导电纳米链之间具有化学作用力，所述生物酶附着在所述三维有机框架材料的多孔结构内部。所述生物传感材料具有极高的灵敏度和稳定性，可满足唾液葡萄糖的检测需求，适用于非侵入式代谢物检测设备的应用。

技术研发人员：王暮雪,王晗,程京
受保护的技术使用者：博奥生物集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/12