专利名称：一种基于潮解型聚电解质的全固态乙醇气体传感器酶电极及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于潮解型聚电解质的全固态乙醇气体传感器酶电极及其制作方法。
背景技术：
随着人类对自身健康的重视程度和对生态环境的关注日益加深，对气体的监测控制提出了更高的要求，这为气体传感器的研究、开发和生产提供了机遇和挑战，也给气体传感器提出了新的研究课题。为了满足这些要求，气体传感器必须具有较高的灵敏度和选择性，重复性和稳定性好，能批量生产，性价比高等特点。但传统的气体传感器由于其本身材
料的限制，单一气体传感器的特异选择性都比较差，只有很少数的气体传感器阵列，以神经网络作为后期数据处理系统的方法，可以在一定程度上实现对气体的选择性识别，即使如此其整体性能仍依赖于单一传感器元件的性能，传感器阵列的选择性受到了很大限制。因此，提高气体传感器特异性，对于气体传感器的推广应用具有重要意义。生物传感器最突出的特点是特异性，将生物识别分子与气体传感器相结合，将可望获得高特异性的气体传感器。在生物气体传感器研究中，目前还主要依赖于气/液界面上的酶催化反应来进行(Anal. Chem，(1994), 66, 3297-3302 ；Sens. Actuators B, (2002)，83, (1-3),35-40 ；Sens. Actuators B, (2005), 108, (1-2),639-645 ；Sens.Actuators B,(2000),70, (1-3),182-187 ；Biosens. &Bioelectron. , (2002),17, (5),389-394 ；Biosens.Bioelectron. , (2002), 17, (5) ,427-432 ；Sens. Actuators B, (2001) ,81, (I), 107-114;Biosens. Bioelectron.，(2002)，17，(9)，789-796)，并未真正实现气相中气体样品的检测，这些方法不可避免地会发生电解质蒸发或泄露，导致传感器信号的衰减(Sens.Actuators B, (2005)，107，812-817)，而且器件制备复杂，不利于微型化、智能化与集成化。我们利用丝网印刷三电极体系结合固态聚合物电解质，构建了全固态乙醇气体传感器(20111046159. 8)，实现了乙醇气体在气/固界面上的检测，但是生物气体传感器的响应仍受到水分含量的制约，本发明利用具有潮解性质的聚电解质为酶的固定化载体和固态电解质，维持酶分子较高的催化活性，同时实现反应过程中的电荷传递，构建了新型生物气体传感器。
发明内容
为了克服现有乙醇气体生物传感器在检测中存在的不足，本发明的目的是提供一种基于潮解型聚电解质的全固态乙醇气体传感器酶电极及其制作方法，用该方法制得的酶电极从整体上提高了生物传感器的各项性能和实用性。本发明所采用的技术方案如下本发明的全固态乙醇气体生物传感器用的酶电极具有绝缘材料基体，在基体表面丝网印刷有工作电极、参比电极和对电极，电极中间涂覆一层碳酸酯绝缘体，工作电极上涂覆有由石墨烯、潮解型聚电解质和乙醇氧化酶组成的反应层，然后在工作电极、参比电极和对电极之间涂覆潮解型聚电解质薄膜。全固态乙醇气体生物传感器用的酶电极的制作方法，包括以下步骤I)潮解型聚电解质的制备a.在IOOmL三口烧瓶中，按照I : I (moI mol)的比例将二乙烯三胺和丙烯酸甲酯加入到一定量的甲醇中，反应12h ;然后在减压状态下，升温至30°C反应lh，在60°C下反应lh，在100°C下反应2h，在120°C下反应3h，140°C下减压反应2h，反应结束后，用无水乙醇稀释，并在大量乙醚中洗涤、沉淀，真空干燥，得到超支化聚酰胺；b.在IOOmL三口烧瓶中，将超支化聚酰胺与去离子水、甲酸、甲醛按照I 10 7 7 (g/g)的比例混合，75°C回流反应一定时间，然后用乙醚多次洗涤、沉淀，真空干燥；·
C.将上述b中的产物溶于50mL甲醇中，然后加入一定量的卤代烷烃，50°C反应一定时间，产物经甲醇溶解，乙醚沉淀多次提纯，真空干燥，得到潮解型聚电解质。2)清洗表面具有工作电极、参比电极和对电极的陶瓷或聚氯乙烯基体，烘干备用；3)将3 6mg/mL的乙醇氧化酶、O. 5 3mg/mL的石墨烯、5 20mg/mL潮解型聚电解质和体积比为2%的戊二醛震荡混合均匀，然后取3 10 μ L滴涂在工作电极表面，自然晾干，形成反应层；4)将体积比为2 5 %的潮解型聚电解溶液均匀涂覆在工作电极、参比电极和对电极之间，自然晾干后得到酶电极。本发明的优点是I)选取工作电极、参比电极和对电极印刷在同一块基体上的三电极体系,便于传感器电极的微型化、智能化和集成化；2)石墨烯的使用提高了传感器的响应灵敏度；3)乙醇氧化酶作为乙醇分子的识别元件，大大提高了传感器的响应选择性；4)利用固态聚电解质作为电化学反应过程中的电荷传输载体,避免使用液态电解质，提高传感器信号的稳定性；5)潮解型聚电解质作为酶的固定化载体，可为酶催化反应提供足够高的水活度，显著提高响应信号；6)本发明的酶电极具有体积小，低成本，使用方便等优点。而且响应灵敏度高，稳定性较好，响应选择性高，可用于乙醇气体浓度的精确测量和控制。
图I是本发明酶电极的结构示意图。图2是本发明实施例I制作的潮解型聚电解质的潮解过程图，A :干燥状态，B 40%相对湿度潮解lh，C :40%相对湿度潮解2h，D :饱和状态。图3是本发明实施例2制作潮解型聚电解质的潮解过程图，A :干燥状态，B 40%相对湿度潮解lh，C :40%相对湿度潮解2h，D :饱和状态。图4是本发明实施例2制作的酶电极对乙醇蒸汽的响应曲线。
具体实施例方式以下结合附图和实施例进一步说明本发明参照附图1，全固态乙醇气体生物传感器用的酶电极具有绝缘基体(8)，在基体表面丝网印刷有工作电极(I)、参比电极(2)和对电极(3)，它们的中间部分面上涂有一层覆盖电极表而的聚碳酸酯绝缘体(4)。工作电极(I)、参比电极(2)和对电极(3)分别对应于基体末端的引脚(5)、(6)和(7)。工作电极(I)上涂覆有由生物活性材料、纳米材料、乙醇氧化酶组成的反应层，然后在工作电极(I)、参比电极(2)和对电极(3)之间涂覆聚电解质薄膜。所述的工作电极⑴为圆形，直径为2 4mm，材质为钼，参比电极为银/氯化银，对电极为钼。实施例I : I)潮解型聚电解质的制备a.在IOOmL三口烧瓶中，将O. 2mol的二乙烯三胺和O. 2mol的丙烯酸甲酯加入到25mL甲醇中，反应12h ;然后在减压状态下，升温至30°C反应lh，在60°C下反应lh，在100°C下反应2h，在120°C下反应3h，140°C下减压反应2h，反应结束后，用无水乙醇稀释，并在大量乙醚中洗涤、沉淀，真空干燥，得到超支化聚酰胺；b.在IOOmL三口烧瓶中，将5g超支化聚酰胺与50mL去离子水、35g甲酸和35g甲醛混合，750C回流反应一定时间，然后用乙醚多次洗涤、沉淀真空干燥；c.将上述b中的产物溶于50mL甲醇中，然后加入10. 32g溴代正丁烷，50°C反应48h，产物经甲醇溶解，乙醚沉淀多次提纯，真空干燥，得到潮解型聚电解质。2)清洗表面具有工作电极(直径4mm)、银/氯化银参比电极和钼对电极的陶瓷基体，烘干备用；3)将6mg/mL的乙醇氧化酶、lmg/mL的石墨烯、10mg/mL潮解型聚电解质和体积比为2%的戊二醛震荡混合均匀，然后取6μ L滴涂在工作电极表面，自然晾干，形成反应层；4)将体积比为3%的潮解型聚电解溶液均匀涂覆在工作电极、参比电极和对电极之间，自然晾干后得到酶电极。实施例2 I)潮解型聚电解质的制备a.在三口烧瓶中，将O. 4mol的二乙烯三胺和O. 4mol的丙烯酸甲酯加入到50mL甲醇中，反应12h ;然后在减压状态下，升温至30°C反应lh，在60°C下反应lh，在100°C下反应2h，在120°C下反应3h，140°C下减压反应2h，反应结束后，用无水乙醇稀释，并在大量乙醚中洗涤、沉淀，真空干燥，得到超支化聚酰胺；b.在三口烧瓶中，将IOg超支化聚酰胺与IOOmL去离子水、70g甲酸和70g甲醛混合，75°C回流反应一定时间，然后用乙醚多次洗涤、沉淀，真空干燥；c.将上述b中的产物溶于IOOmL甲醇中，然后加入24. 86g溴代正己烷，50°C反应24h，产物经甲醇溶解，乙醚沉淀多次提纯，真空干燥，得到潮解型聚电解质。2)清洗表面具有工作电极(直径4_)、银/氯化银参比电极和钼对电极的陶瓷基体，烘干备用；
3)将3mg/mL的乙醇氧化酶、O. 5mg/mL的石墨烯、5mg/mL潮解型聚电解质和体积比为2%的戊二醛震荡混合均匀，然后取10 μ L滴涂在工作电极表面，自然晾干，形成反应层；4)将体积比为2%的潮解型聚电解溶液均匀涂覆在工作电极、参比电极和对电极之间，自然晾干后得到酶电极。实施例3 I)潮解型聚电解质的制备a.在三口烧瓶中，将O. 2mol的二乙烯三胺和O. 2mol的丙烯酸甲酯加入到25mL甲醇中，在搅拌下缓慢滴加O. 2mol的丙烯酸甲醋，反应12h ;然后在减压状态下，升温至30°C反应lh，在60°C下反应lh，在100°C下反应2h，在120°C下反应3h，140°C下减压反应2h，反应结束后，用无水乙醇稀释，并在大量乙醚中洗涤、沉淀，真空干燥，得到超支化聚酰胺；b.在三口烧瓶中，将5g超支化聚酰胺与50mL去离子水、35g甲酸和35g甲醒混合， 75 0C回流反应一定时间，然后用乙醚多次洗涤、沉淀，真空干燥；c.将上述b中的产物溶于50mL甲醇中，然后加入10. 32g溴代正丁烷，50°C反应72h，产物经甲醇溶解，乙醚沉淀多次提纯，真空干燥，得到潮解型聚电解质。2)清洗表面具有工作电极(直径2_)、银/氯化银参比电极和钼对电极的陶瓷基体，烘干备用； 3)将5mg/mL的乙醇氧化酶、lmg/mL的石墨烯、5mg/mL潮解型聚电解质和体积比为2%的戊二醛震荡混合均匀，然后取SyL滴涂在工作电极表面，自然晾干，形成反应层；4)将体积比为3%的潮解型聚电解溶液均匀涂覆在工作电极、参比电极和对电极之间，自然晾干后得到酶电极。
权利要求
1.一种基于潮解型聚电解质的全固态乙醇气体传感器酶电极，其特征在于它具有绝缘材料基体，在基体表面丝网印刷有工作电极、参比电极和对电极，电极中间涂覆一层碳酸酯绝缘体，工作电极上涂覆有由石墨烯、潮解型聚电解质和乙醇氧化酶组成的反应层，然后在工作电极、参比电极和对电极之间涂覆潮解型聚电解质薄膜。
2.根据权利要求I所述的一种基于潮解型聚电解质的全固态乙醇气体传感器酶电极，其特征在于绝缘材料基体为聚氯乙烯或陶瓷，电极采用丝网印刷技术印制，所述的工作电极为圆形，直径为2 4mm，材质为钼，参比电极为银/氯化银，对电极为钼。
3.根据权利要求I所述的一种基于潮解型聚电解质的全固态乙醇气体传感器酶电极的制作方法，其特征在于包括以下几步 1)潮解型聚电解质的制备 a.在三口烧瓶中，按照I: I的比例将二乙烯三胺和丙烯酸甲酯加入到一定量的甲醇中，搅拌下反应12h ;然后在减压状态下，升温至30°C反应lh，在60°C下反应lh，在100°C下反应2h，在120°C下反应3h，140°C下减压反应2h，反应结束后，用无水乙醇稀释，并在大量乙醚中洗涤、沉淀，真空干燥，得到超支化聚酰胺； b.在三口烧瓶中，将超支化聚酰胺与去离子水、甲酸、甲醛按照I: 10 : 7 : 7(g/g)的比例混合，750C回流反应一定时间，然后用乙醚多次洗涤、沉淀，真空干燥； c.将上述b中的产物溶于50mL甲醇中，然后加入一定量的卤代烷烃，50°C反应一定时间，产物经甲醇溶解，乙醚沉淀多次提纯，真空干燥，得到潮解型聚电解质。
2)清洗表面具有工作电极、参比电极和对电极的陶瓷或聚氯乙烯基体，烘干备用； 3)将3 6mg/mL的乙醇氧化酶、O.5 3mg/mL的石墨烯、5 20mg/mL的潮解型聚电解质和体积比为2%的戊二醛震荡混合均匀，然后取3 10 μ L滴涂在工作电极表面，自然晾干，形成反应层； 4)将体积比为2 5%的潮解型聚电解溶液均匀涂覆在工作电极、参比电极和对电极之间，自然晾干后得到酶电极。
4.根据权利要求3所述的一种基于石墨烯的全固态乙醇气体传感器酶电极的制作方法，其特征在于所用的卤代烷烃为溴代正丁烷、溴代正己烷中的一种。
5.根据权利要求3所述的一种基于石墨烯的全固态乙醇气体传感器酶电极的制作方法，其特征在于潮解型聚电解质的制备中，b步的反应时间为6 12h。
6.根据权利要求3所述的一种基于石墨烯的全固态乙醇气体传感器酶电极的制作方法，其特征在于潮解型聚电解质的制备中，c步的反应时间为6 72h。
7.根据权利要求3所述的一种基于石墨烯的全固态乙醇气体传感器酶电极的制作方法，其特征在于所述的工作电极为圆形，直径为2 4mm，参比电极为银/氯化银，对电极为钼。
全文摘要
本发明涉及一种基于潮解型聚电解质的全固态乙醇气体传感器酶电极及其制作方法，在由绝缘材料做成的基体上，利用丝网印刷技术制成由工作电极、参比电极和对电极组成的印刷电极，它们的中间部分表面上涂覆一层聚碳酸酯绝缘体，在工作电极上涂覆一层由石墨烯、潮解型聚电解质和乙醇氧化酶组成的反应层，然后再在工作电极、对电极和参比电极之间涂覆一层潮解型固态聚合物薄膜，即制成生物酶电极。本发明提供了一种气态乙醇检测用的酶电极，该酶电极在使用过程中无需使用液态电解质，可实现乙醇气体的高选择性检测，从整体上提高了乙醇气体生物传感器的各项性能和实用性。
文档编号G01N27/30GK102944597SQ20121053288
公开日2013年2月27日 申请日期2012年12月11日 优先权日2012年12月11日
发明者王会才, 于璐洋, 王楠 申请人:天津工业大学