[发明专利]基于丙烯腈共聚物基纳米碳纤维复合材料的生物传感器的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于生物传感器的制备技术领域，特别涉及丙烯腈共聚物基纳米碳纤维吸附、固定酶并制备具有生物活性复合膜电极的方法。

背景技术

生物传感器是一类固载有酶、蛋白质等生物活性材料并将其对某类物质的响应转变为电信号的并加以分析的系统，利用生物材料对底物的特异性响应，其具有精确、快速、专一、简便等优势。但是一般情况下，生物材料受环境的影响较大，容易失活或者脱附，因此，通过合适的工艺固载这些生物分子并保证其活性成为了研究的重点，如凝胶、交联聚合物、碳-聚合物复合体系、导电盐等多种用以固载酶的材料的到了研究。

纳米碳纤维以其高电导率，高比表面积成为近年来固定酶的热点材料，通过纳米碳纤维制备的复合酶电极可以极大地提高电极的响应性能。但通常情况下，纳米碳纤维表面光滑，无特殊基团，导致其亲水性和与酶的相容性并不理想。因此，通过合适的工艺制备具有含氮、含氧官能团的改性纳米碳纤维，改善其与酶蛋白的相容性能，是目前碳纤维在酶电极的制备中急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是制备一种能改善纳米碳纤维与酶蛋白的相容性的基于丙烯腈共聚物基纳米碳纤维复合材料的生物传感器的制备方法。

本发明包括以下步骤：

1）将丙烯腈共聚物通过静电纺丝制备取得前驱体纤维；

2）对前驱体纤维进行预氧化和碳化处理，取得P（AN-co-AA）基碳纤维；

3）在超声条件下，将粉碎后的P（AN-co-AA）基碳纤维分散于去离子水中，配置成一定浓度的P(AN-co-AA)碳纤维悬浮液；

4）将P(AN-co-AA)碳纤维悬浮液、酶和粘合剂混合形成含酶的P（AN- co-AA）基碳纤维混合溶剂；

5）将含酶的P（AN- co-AA）基碳纤维混合溶剂滴涂至电极表面，干燥后即得生物传感器。

本发明通过丙烯腈共聚物电纺纤维碳化处理后制备多孔含氮纳米碳纤维，通过预氧化和碳化处理对纳米碳纤维进行改性，共聚组分在碳化时热解生成气体，在纳米碳纤维表面留下孔隙，增加了碳纤维的比表面积和孔积率，同时此种碳纤维表面由于高含量的共聚组分影响了环化反应的进行，其表面具有较高的含氮基团，使碳纤维与酶的相容性能与亲水性能增加，同时碳纤维的引入相较于传统酶固载材料具有更高的电导率，促进底物与电极表面的电子传递，致使此种生物膜电极具有更高的底物响应性能。

本发明制备工艺简单，材料易得，原料用量少。此种制成的电极对底物具有较宽的线性响应范围，灵敏度高，稳定好，具有良好的重现性。

另外，含量为10%～50%的共聚单体能够有效提升碳纤维前驱体在预氧化过程中的环化反应进行，但同时会阻碍石墨化反应，使此种碳纤维具有较高的氮含量，增加其对水和酶的亲和性。同时，高含量的共聚组分会起到一定的致孔效果，更加增大了其对酶的吸附量。因此，本发明所述步骤1）中所述丙烯腈共聚物中与丙烯腈共聚的共聚单体为丙烯酸、衣康酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯中的任意一种，共聚单体的摩尔含量占总物质的量的10～50%

在较低温度下不利于丙烯腈段的稳定，而丙烯酸或衣康酸等共聚组分在较高温度下会熔融，碳纤维收缩率增加，珠串状结构增多，不利于控制纳米碳纤维的质量。因此，本发明在预氧化处理时，以1～3℃/min的升温速率，将环境温度升至200～300℃后保温2～3h。此种工艺参数能够保持碳纤维内部形成不熔不燃的梯形结构，制备形貌稳定，分部均一的纳米碳纤维。

碳化温度决定着碳纤维中石墨化的程度，石墨化温度越高，碳纤维中氮含量越低，碳纤维电导率就越高。控制石墨化温度可以调节生物传感器中碳纤维作为酶固定材料，其对酶的亲和性能以及其于玻碳电极表面电子传输的速率。碳化温度升高时，碳纤维中氮元素含量降低，对酶的吸附效果降低，但其电导率上升，生物传感器的灵敏度下降，但响应时间降低，反之同理。因此，本发明在碳化处理时，以5～10℃/min的升温速率，将环境温度升至600～900℃后保温2～3h，可使生物传感器具有不同的响应效果。

较低的共聚物基碳纤维含量其制备而得的生物传感器响应性能较差，对酶的吸附量低。但碳纤维含量过高时，底物以及反应物难以进入膜电极内部，同样使传感器性能下降。基于此，本发明步骤3）制成的P(AN-co-AA)碳纤维悬浮液中P(AN-co-AA)碳纤维的含量为1～20mg/mL。