[发明专利]一种酶电极、酶生物传感器及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及生物传感器技术领域，尤其涉及一种酶电极、酶生物传感器及其制备方法和应用。

背景技术

在生物传感器领域，酶电极占有重要的地位。目前广泛研究的第三代传感器则是利用酶本身与电极间的直接电子转移来完成信号的转换，无需引入媒介体，大大提高了传感器的性能。要实现酶和电极之间比较有效的直接电子转移，就要构造一个合适的薄膜电极界面，而在这个薄膜电极界面的构造中，只有那些生物相容性比较好又能在酶和电极之间的直接电子转移方面起促进作用的材料才是首选。

多种利用酶或酶-媒介体修饰的电化学传感器已用于底物测定。在生物传感器的研制中，酶的固定化是影响其分析性能的关键步骤。纳米微粒由于其特殊类型的结构，可增强酶的吸附量并保持其生物活性。其具有比表面积大、吸附能力强、良好的生物相容性等优点，可将生物分子强有力地固定在其表面制得的生物传感器上。利用纳米颗粒固定生物分子于电极表面构建传感界面，有利于保持生物分子的活性，为生物传感器的发展开辟了新途径。如中国专利申请CN103207224A公开了一种基于螺旋碳纳米纤维和金胶纳米粒子的复合材料作为血红蛋白的载体的酶生物传感器，促进了血红蛋白与电极间的电子传递，但其制作程序复杂，材料成本较高。

随着不可再生资源的消耗和环境污染的加剧，人们对低成本和环境友好型高功率能量源的需求越来越迫切。蛋壳膜由于自身具有三维网状结构和电化学稳定性高等特点，可作为一种可持续资源，用于清洁能源存储。如中国专利申请CN103258654A公开了一种基于蛋壳内膜的非对称超级电容器的制作方法，将蛋壳内膜碳化及空气中活化处理后作为高能量、高功率密度的超级电容器材料，其循环稳定性也达到使用水平。

目前，全球每年消耗1万亿颗蛋类，一颗蛋可以提炼30-40毫克成品碳，而蛋壳膜由于生物兼容性好，将蛋壳膜用于研制生物传感器尚无报道。蛋壳膜作为日常废弃物，能够与蛋白质或酶结合，其为酶在传感器的固定提供良好的微环境，用于高灵敏度酶催化及底物检测值得研究。迄今为止，国内外尚未有利用蛋壳膜材料及纳米颗粒制备的生物传感器。所以发明一种成本低、检测限低、响应时间短、灵敏度高、稳定性好的生物传感器是一个迫切需要解决的重要技术问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种酶电极、酶生物传感器及其制备方法和应用。所述酶电极以蛋壳膜和纳米粒子复合材料作载体，来实现酶分子的有效固定和酶与电极之间的直接电子转移，从而达到提高酶分子催化活性、提高传感器灵敏度的目的。

为实现本发明的目的，本发明提供如下技术方案：

在第一方面，本发明提供一种酶电极，包括基底电极，所述基底电极表面附有碳化蛋壳膜，所述碳化蛋壳膜上固定化有纳米金属颗粒和酶。

作为本发明的优选方案，所述基底电极为玻碳电极(GCE)、铟锡氧化物电极(ITO)、热解石墨电极(PG)、碳糊电极(CPE)或金属电极。

优选地，所述基底电极为Al₂O₃抛光过的玻碳电极、铟锡氧化物电极、热解石墨电极、碳糊电极或金属电极。

优选地，所述金属电极为金电极或银电极，优选为金电极(Au)。

作为本发明的优选方案，所述蛋壳膜来源于鸡蛋壳、鸭蛋壳、鹅蛋壳或鹌鹑蛋壳。所述蛋壳膜并不局限于上述来源，任何禽类包括鸵鸟的蛋壳都可以用于提供本发明的蛋壳膜。

作为本发明的优选方案，所述纳米金属颗粒为纳米金颗粒、纳米银颗粒、纳米铜颗粒、纳米钯颗粒和纳米铂颗粒中的1种或至少2种的组合。可以单独使用1种纳米金属颗粒，也可以组合使用至少2种纳米金属颗粒。

作为本发明的优选方案，所述酶为辣根过氧化物酶(HRP)、葡萄糖氧化酶(GOX)、血红蛋白(Hb)、漆酶、脱氢酶或氧化还原酶中的1种或至少2种的组合。

在第二方面，本发明提供一种制备第一方面所述的酶电极的方法，包括如下步骤：将剥离出的蛋壳膜贴至基底电极表面，在保护性气氛中加热碳化处理形成附在所述基底电极表面的碳化蛋壳膜；将纳米金属颗粒和酶固定化至所述碳化蛋壳膜上形成所述酶电极。

作为本发明的优选方案，所述基底电极在使用前用Al₂O₃抛光。虽然Al₂O₃抛光并非本发明的必须步骤，但是Al₂O₃抛光能够增加蛋壳膜的附着性，使得基底电极上附着的蛋壳膜更多、更稳定，利于纳米金属颗粒和酶的固化，从而得到的酶电极具有更好、更稳定的性能。