一款牛血清白蛋白增强抗坏血酸/葡萄糖燃料电池及其应用的制作方法

本发明属于光催化燃料电池领域，具体涉及一款牛血清白蛋白增强抗坏血酸/葡萄糖燃料电池及其应用。

背景技术：

血液中的葡萄糖、抗坏血酸和血清白蛋白在生命活动中发挥着非常重要的生理功能。葡萄糖作为人体的供能物质，抗坏血酸作为必要的维生素参与体内物质的代谢，而血清白蛋白作为运输和运转内源性和外源性物质的载体蛋白，这些物质在生理条件下相互作用，并维持着正常的生命活动。另外，牛血清白蛋白(BSA)由于具有与人血清白蛋白(HSA)结构高度相似、来源丰富、便于纯化、成本低等特点，因此常常作为血清白蛋白的代表。为此，我们希望使用血清白蛋白作为光诱导氧化还原媒介体，血液中抗坏血酸和葡萄糖作燃料，构筑一款光电化学燃料电池。

目前酶、辅酶、微生物、金属配合物、金属和金属氧化物等催化剂已用于促进抗坏血酸和葡萄糖的氧化，并应用于它们的分析检测和各款燃料电池的构建。然而，血清白蛋白是一种非氧化还原性蛋白，通常容易吸附在电极表面而导致电极活性下降，所以难以进行电子和物质的传输，因此目前尚未有使用血清白蛋白作为光诱导氧化还原媒介体的报道。考虑到牛血清白蛋白不仅能够与抗坏血酸结合，而且其在134和212位上含有两个色氨酸(Trp)发色基团能被紫外光激发，导致在纳米半导体电极上牛血清白蛋白构型的变化，同时被光诱导产生氧化还原媒介体来促进抗坏血酸的光催化氧化。另外，抗坏血酸与葡萄糖都具有多羟基的环状结构，其氧化产物可能作为氧化剂介导葡萄糖的催化氧化。

技术实现要素：

为了克服现有技术中的缺点和不足之处，研究血液中的血清白蛋白，抗坏血酸和葡萄糖之间的相互作用，实现血液中的血清白蛋白作为光诱导氧化还原媒介体，增强对抗坏血酸/葡萄糖的光催化氧化，本发明的首要目的在于提供一款牛血清白蛋白增强抗坏血酸/葡萄糖燃料电池。该电池以牛血清白蛋白敏化CdS/TiO₂电极作为光阳极，碳毡作为阴极，血液中抗坏血酸和葡萄糖作燃料，氧气作为氧化剂，在紫外光辐射下构建光电化学燃料电池。

本发明的再一目的在于提供上述牛血清白蛋白增强抗坏血酸/葡萄糖燃料电池的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现:

一款牛血清白蛋白增强抗坏血酸/葡萄糖燃料电池，该燃料电池是以牛血清白蛋白敏化CdS/TiO₂电极作光阳极，阳极池中为含抗坏血酸和葡萄糖的电解质溶液；以碳毡作阴极，阴极池中为缓冲溶液，并保持在饱和氧气氛围下；在紫外光辐射下构建形成光电化学燃料电池。

所述牛血清白蛋白敏化CdS/TiO₂电极是按照以下方法进行制备的：取含0.1mmol/L的牛血清白蛋白的缓冲液10μL，滴加到CdS/TiO₂电极的镀膜区域，放入烘箱中40℃干燥12h，得到牛血清白蛋白敏化CdS/TiO₂电极，放入暗箱保存备用。

所述燃料电池在紫外光辐射下最大功率达6.33μW·cm^-2，短路电流为0.126mA·cm^-2，光电转化效率为10.7％。

所述牛血清白蛋白在电解质溶液中浓度为0.0001～0.01mol/L；所述抗坏血酸以及葡萄糖在电解质溶液中浓度均为0.001～0.4mol/L。

所述电解质溶液是浓度为含有0.1mol/L氯化钠、0.02mol/L三羟甲基氨基甲烷的缓冲溶液，其pH值为7.2。

所述阳极池和阴极池之间用饱和氯化钾盐桥相连。

所述的紫外光辐射的强度为35μW·cm^-2。

上述牛血清白蛋白增强抗坏血酸/葡萄糖燃料电池在光电分析，血液中的血清白蛋白与抗坏血酸和葡萄糖之间的相互作用关系的评价以及抗坏血酸和葡萄糖的检测中的应用。

本发明的原理：

本发明人针对血液中葡萄糖、抗坏血酸和血清白蛋白的结构和功能的特点，为了合理发挥它们的功能优势，构建了一款新型的光电化学燃料电池。本发明选择了具有良好光电性能的纳米硫化镉(CdS)和纳米二氧化钛(TiO₂)，并将其附着于导电玻璃基底上作为光阳极。另外，由于碳毡(CF)具有比表面积高、孔隙率大、三维立体网状结构等特点，所以能够加快催化反应的进程，是作为还原氧气的良好阴极材料。最后，在紫外光辐射下，由上述光阳极和阴极构建一款牛血清白蛋白增强抗坏血酸/葡萄糖光电化学燃料电池，实现了牛血清白蛋白作为光诱导氧化还原媒介体催化氧化血液中抗坏血酸和葡萄糖。

与现有的方法相比，本发明具有以下优点及有益效果：

(1)本发明以血液中的血清白蛋白来敏化光阳极，制作简单，具有高的光催化活性，生物相容性好；

(2)本发明以血液中富含的物质作燃料，氧气作氧化剂，环保无污染；

(3)本发明实现了牛血清白蛋白增强抗坏血酸/葡萄糖的光催化氧化；

(4)本发明所构建的光催化燃料电池在常温常压下正常工作；

(5)本发明构建的光催化燃料电池在紫外光激发下的最大功率达6.33μW·cm^-2，短路电流为0.126mA·cm^-2，光电转化效率为10.7％。

附图说明

图1为本发明实施例1中所制作的牛血清白蛋白敏化CdS/TiO₂光阳极在含不同物质的电解质中的线性伏安扫描曲线，其中曲线1、2、3、4分别对应于在缓冲液、葡萄糖、抗坏血酸和抗坏血酸/葡萄糖中的测量结果；

图2为本发明实施例1中所构建的光电化学燃料电池在含不同物质的电解质中的光电流随时间变化曲线，其中曲线1、2、3、4分别对应于在缓冲液、葡萄糖、抗坏血酸和抗坏血酸/葡萄糖中的测量结果；

图3、图4分别为本发明实施例1中所构建的光电化学燃料电池的功率密度以及电流密度随电池电压的变化曲线。其中曲线1、2分别对应于黑暗条件下CdS/TiO₂电极在抗坏血酸和抗坏血酸/葡萄糖中的测量结果，曲线3则对应于光照条件下CdS/TiO₂电极在抗坏血酸/葡萄糖中的测量结果。另外，曲线4、5、6、7分别对应于光照条件下牛血清白蛋白敏化CdS/TiO₂电极在抗坏血酸、抗坏血酸/葡萄糖、缓冲液和葡萄糖中的测量结果。

具体实施方法

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。根据本发明设计目的，使用同类物质代换以及对使用的材料的尺寸和形状进行改变，例如改变本发明的光催化燃料电池的电极尺寸大小，或者改变电极外观，简单改变牛血清白蛋白、抗坏血酸或葡萄糖用量等均应属于本发明的范围；下述实施例中所采用的实验方法如无补充说明，均为本技术领域现有的常规方法；所采用的材料、试剂等，如无补充说明，均为可从商业途径得到的试剂和材料。

实施例1构建紫外光激发牛血清白蛋白增强抗坏血酸/葡萄糖燃料电池

本实施例的牛血清白蛋白敏化CdS/TiO₂电极，通过以下方法制备得到：

(1)将氧化铟锡导电玻璃(ITO)浸入所制备乙醇分散的TiO₂(450℃煅烧处理后)的溶液后，进行三次提拉，使溶液附着在基底上，取出后将该电极放入烘箱中40℃干燥12h后得到TiO₂电极，放入暗箱保存。

(2)使用循环伏安法电沉积的方法，工作电极为TiO₂电极，对电极为钛板电极，参比电极为饱和甘汞电极，组成三电极体系，电解液为含0.01mol/L氯化镉、0.01mol/L硫代硫酸钠的pH 2.0溶液，沉积的电位范围为-0.3V～-0.9V，扫速为0.05V s^-1，扫描圈数为100圈，取出沉积好的电极并放入烘箱中40℃干燥12h处理后，得到CdS/TiO₂电极，放入暗箱保存备用。

(3)取含0.1mmol/L的牛血清白蛋白缓冲液10μL，滴加到CdS/TiO₂电极的镀膜区域，放入烘箱中40℃干燥12h，得到牛血清白蛋白敏化CdS/TiO₂电极，放入暗箱保存备用。

本实施例的光电化学燃料电池的构建，具体操作步骤如下：

以制得的牛血清白蛋白敏化CdS/TiO₂电极作为光阳极，阳极池中加入0.1mol/L氯化钠、0.02mol/L三羟甲基氨基甲烷(pH 7.2)、0.1mol/L葡萄糖和0.1mol/L抗坏血酸，并通入氮气除去阳极池中的氧气；把碳毡作为阴极，阴极池中加入0.1mol/L氯化钠和0.02mol/L三羟甲基氨基甲烷(pH 7.2)，并持续通氧以保持在饱和氧气氛围下，两电极池之间用饱和氯化钾盐桥相连；在紫外光辐射下构建形成光电化学燃料电池，即为本发明所提出的一款牛血清白蛋白增强抗坏血酸/葡萄糖燃料电池。

实施例2抗坏血酸和抗坏血酸促进葡萄糖的电催化氧化

对实施例1中制备得到的牛血清白蛋白敏化CdS/TiO₂电极在抗坏血酸及抗坏血酸/葡萄糖中进行线性伏安扫描，具体操作步骤如下：

以实施例1制作的牛血清白蛋白敏化CdS/TiO₂电极作为工作电极，钛电极作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，构建三电极体系并连接上电化学工作站，使用线性伏安扫描方法分别测量在缓冲液(1)、葡萄糖(2)、抗坏血酸(3)和葡萄糖/抗坏血酸(4)中的电流随电位的变化曲线(图1)，用以阐明牛血清白蛋白敏化CdS/TiO₂电极对抗坏血酸及抗坏血酸促进葡萄糖的电催化作用，结果如图1所示。

曲线1显示的是在缓冲液中，电流随电位变化十分平缓，未出现氧化电流信号；然后加入葡萄糖后，曲线2显示的电流随电位变化趋势与曲线1相比几乎不变，说明单独存在的葡萄糖难以在牛血清白蛋白敏化CdS/TiO₂电极上发生电催化氧化；若单独加入抗坏血酸时，曲线3中出现了一个十分明显的氧化峰，其峰电位为0.31V，电流强度为40.7μA，说明了抗坏血酸能在牛血清白蛋白敏化CdS/TiO₂电极上发生电催化氧化，而且能够作为一种燃料；当同时加入抗坏血酸和葡萄糖时，曲线4也出现了一个氧化峰，其峰电位为0.33V，电流强度为50.8μA，相比于曲线3，电位相差不大，电流增加了10.2μA·cm^-2，提高了24.9％，说明抗坏血酸不仅能作为燃料，而且能显著促进葡萄糖电催化氧化。

实施例3紫外光增强抗坏血酸/葡萄糖的光催化氧化

对实施例1构建的光电化学燃料电池进行测试，具体操作步骤如下：

用电阻箱连接光电化学燃料电池阳极和阴极，固定电阻箱的阻值为1万欧姆，等时间间距控制开关灯，测量计算光电化学燃料电池的电流密度(图2)随时间的变化曲线。

在曲线1中显示的是在缓冲液中，黑暗时无电流信号出现，而在紫外光辐射下，出现了一个明显的光电流，值为6.72μA·cm^-2；然后加入葡萄糖后，曲线2显示在黑暗时也无电流信号出现，而在紫外光辐射下的光电流为6.73μA·cm^-2，相比于曲线1几乎不变，说明单独存在的葡萄糖难以在牛血清白蛋白敏化CdS/TiO₂电极上发生光催化氧化；若仅加入抗坏血酸时，在曲线3中出现了值为5.2μA·cm^-2的暗电流，光照下的总电流为9.56μA·cm^-2，与曲线1相比，提高了42.3％，说明抗坏血酸可以在牛血清白蛋白敏化CdS/TiO₂电极上发生光催化氧化；当同时加入抗坏血酸和葡萄糖时，曲线4显示的暗电流为6.44μA·cm^-2，光照下的总电流为10.3μA·cm^-2，相比于曲线3，暗电流、总电流都明显增大，与曲线1相比，提高了53.1％，说明抗坏血酸可以促进葡萄糖在牛血清白蛋白敏化CdS/TiO₂电极上发生光催化氧化。

实施例4紫外光辐下牛血清白蛋白增强抗坏血酸/葡萄糖燃料电池性能

对实施例1构建的光电化学燃料电池性能的测试，具体操作步骤如下：

使用电阻箱连接光电化学燃料电池的光阳极和阴极，改变电阻箱的电阻值，并测量计算光催化燃料电池的功率密度(图3)和电流密度(图4)随电池电压的变化曲线。

首先在黑暗中测试使用CdS/TiO₂电极构建的燃料电池，曲线1显示的是在仅有抗坏血酸时，燃料电池的开路电压为0.247V，短路电流为73.9μA·cm^-2，并在0.077V处达到最大功率2.71μW·cm^-2；然后同时加入抗坏血酸和葡萄糖时，曲线2显示燃料电池的开路电压为0.283V，短路电流为83.11μA·cm^-2，并在0.09V处达到最大功率3.1μW·cm^-2，相比于曲线1，燃料电池的开路电压、短路电流、最大功率等都增加了，说明葡萄糖在抗坏血酸存在时可以在CdS/TiO₂电极上发生电催化氧化；接着在紫外光辐下测试使用CdS/TiO₂电极构建的光电化学燃料电池，曲线3显示抗坏血酸/葡萄糖燃料电池的开路电压为0.6V，短路电流为0.1mA·cm^-2，在0.1V处达到最大功率4.57μW·cm^-2，相比于曲线2，燃料电池的开路电位、短路电流、最大功率等都增加了，紫外光的加入使燃料电池的最大功率提高了47.4％。然后，在紫外光辐下，测试使用牛血清白蛋白敏化CdS/TiO₂光阳极构建的光电化学燃料电池，曲线6显示在缓冲液中，光电化学燃料电池的开路电压为0.61V，短路电流为5.4μA·cm^-2，在0.4V处达到最大功率1.7μW·cm^-2，而加入葡萄糖后，曲线7显示燃料电池的开路电压为0.61V，短路电流为5.6μA·cm^-2，在0.4V处达到最大功率1.72μW·cm^-2，相比于曲线6，燃料电池的开路电压、短路电流、最大功率等都几乎不变，说明在仅有葡萄糖存在时，葡萄糖难以在牛血清白蛋白敏化CdS/TiO₂电极上发生光催化氧化；若单独加入抗坏血酸时，曲线4显示光电化学燃料电池的开路电压为0.62V，短路电流为0.105mA·cm^-2，在0.1V处达到最大功率5.36μW·cm^-2；当葡萄糖和抗坏血酸同时存在时，曲线5显示光催化燃料电池的开路电压为0.64V，短路电流为0.126mA·cm^-2，在0.1V处达到最大功率6.33μW·cm^-2，光电转化效率为10.7％，相比于曲线3，燃料电池的开路电位、短路电流、最大功率等都增加了，其中最大功率增强了38.5％，说明本发明实现了在紫外光辐射下，牛血清白蛋白增强抗坏血酸/葡萄糖的光催化氧化，提高了光电化学燃料电池的性能。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。