一種基于乙醇氧化酶的電化學(xué)乙醇傳感器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及酒精檢測(cè)領(lǐng)域,其使用了生物酶催化制劑的電化學(xué)乙醇傳感器,具體涉及一種基于乙醇氧化酶的電化學(xué)乙醇傳感器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]血液中酒精濃度檢測(cè)現(xiàn)在不僅作為控制和懲罰酒駕的執(zhí)法手段,在需要高度精神集中的崗位,如:吊車司機(jī)、哨所、火車司機(jī)、飛機(jī)駕駛員、煤礦工人、鋼廠爐前操作工、醫(yī)生等等,酒精檢測(cè)也得到廣泛的應(yīng)用。目前最簡(jiǎn)潔的血液中酒精濃度檢測(cè)是呼氣酒精濃度檢測(cè)。呼氣濃度檢測(cè)與血液酒精濃度關(guān)系密切。
[0003]目前市場(chǎng)上流行的酒精測(cè)試傳感器,共有三種方案:半導(dǎo)體式酒精傳感器方案、電化學(xué)酒精傳感器方案、紅外線酒精傳感器方案,除此之外還有比色法等。其中,電化學(xué)法相對(duì)精確作為執(zhí)法手段被廣泛應(yīng)用,半導(dǎo)體酒精檢測(cè)儀主要用于個(gè)人檢測(cè)。
[0004]目前市場(chǎng)上通用的電化學(xué)酒精傳感器基本上是以燃料電池型酒精傳感器為主,它是利用醇類化合物在貴金屬電極上發(fā)生電化學(xué)氧化反應(yīng),產(chǎn)生氧化電流,電流的強(qiáng)度與乙醇的濃度直接相關(guān)。由于使用燃料電池原理,傳感器的工作電極的催化劑活性非常高,這就使得這種傳感器的選擇性不是很好。
[0005]傳感器的設(shè)計(jì)者必須在傳感器的選擇性和靈敏度之間作適當(dāng)?shù)娜∩帷?br>[0006]酒精檢測(cè)的主要應(yīng)用是酒駕檢測(cè)。被測(cè)者口腔氣體環(huán)境非常復(fù)雜,尤其對(duì)于飲酒者而言,除了可能的口腔內(nèi)的殘留食物腐敗變質(zhì)之外,被測(cè)者是否吸煙,是否有口腔疾病,是否有腸胃疾病等等,都對(duì)口腔氣體環(huán)境有很大的影響。
[0007]因此如何從口腔氣體中將酒精區(qū)別出來(lái),就是酒精傳感器的核心任務(wù)。提高選擇性就成了這種傳感器的核心難題。
[0008]為了解決酒精檢測(cè)的各種問(wèn)題,專利CN101634641提出在電化學(xué)傳感器的工作電極中引入酶的方法,這種方法利用了酶的高活性和高選擇性,但是,由于酶是直接加入到電極中,因此電極的工作特性中含有酶的氧化特性,酶的壽命無(wú)法保證。專利CN102944597也是面對(duì)了同樣的問(wèn)題,盡管他們使用了高分子電解質(zhì)、石墨烯等等,由于酶是直接加入到工作電極上的,因此酶有被破壞的風(fēng)險(xiǎn)。
[0009]專利JP2007225444,JPH0196552等將酶的技術(shù)用來(lái)制備燃料電池型測(cè)酒傳感器,這種傳感器所面對(duì)的問(wèn)題比上述專利的問(wèn)題要大,這主要是由于燃料電池型傳感器的兩個(gè)電極都使用相對(duì)活性較高的電化學(xué)催化劑,這首先使得使用酶的好處不明顯,酶本身也更容易被破壞。
[0010]盡管目前各種各樣的關(guān)于酒精傳感器的報(bào)道很多,使用酶制劑的形式也多種多樣,但是都不出上述兩種方法的范疇。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0011]本發(fā)明的目的是提供一種基于乙醇氧化酶的電化學(xué)乙醇傳感器及其制備方法。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0012]一種基于乙醇氧化酶的電化學(xué)乙醇傳感器,包括基片以及設(shè)置于基片上的支持電解質(zhì)層、對(duì)電極、參比電極以及工作電極,所述工作電極與對(duì)電極和參比電極之間均隔離開來(lái),所述工作電極上覆蓋有乙醇氧化酶層,所述乙醇氧化酶層為將乙醇氧化酶擔(dān)載在(由電絕緣性的生物活性材料構(gòu)成的)電絕緣性的生物活性層上所得,所述工作電極和乙醇氧化酶層之間設(shè)有輔助擴(kuò)散層,所述輔助擴(kuò)散層分別與乙醇氧化酶層和工作電極之間均形成部分互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),并緊密結(jié)合;乙醇在乙醇氧化酶作用下生成乙醛,乙醛通過(guò)輔助擴(kuò)散層快速擴(kuò)散到所述工作電極表面,產(chǎn)生電化學(xué)電流,該電流與乙醇的濃度呈線性關(guān)系。
[0013]進(jìn)一步地,所述電絕緣性的生物活性層包括水解明膠層、瓊脂層、纖維素衍生物層、聚丙烯酸酯層、聚丙烯酰胺層、聚丙烯酸鈉層、聚鄰苯二甲酸乙二醇酯層、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯層、甲殼素衍生物層以及硅藻土層中的至少一種。
[0014]進(jìn)一步地,所述工作電極的材料為釕、鎳、鉭、石墨、錫及銦中的一種或幾種或全部的混合物。該工作電極的材料中不含有貴金屬材料,該貴金屬材料包括鉑、鈀。
[0015]進(jìn)一步地,所述輔助擴(kuò)散層由疏水的多孔的高分子材料構(gòu)成。所述多孔的高分子材料包括聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯以及硅橡膠中的至少一種。
[0016]進(jìn)一步地,所述支持電解質(zhì)層為高分子固體電解質(zhì)層,以避免電解液污染乙醇氧化酶層,造成酶層失活。所述高分子固體電解質(zhì)層包括全氟磺酸離子交換樹脂、聚苯乙烯磺酸/鹽固體電解質(zhì)、磺化聚丙烯、磺化聚醚砜、聚乙烯磺酸鉀以及聚丙烯酸鈉中的至少一種。
[0017]進(jìn)一步地,所述工作電極的厚度不小于0.3mm。所述輔助擴(kuò)散層的厚度不大于乙醇氧化酶膜的厚度。所述乙醇氧化酶層與工作電極之間沒(méi)有交集。所述對(duì)電極與工作電極之間的距離為1.0?3.0mm,保持相對(duì)較近的距離。
[0018]進(jìn)一步地,所述參比電極能夠通過(guò)參比電極鹽橋或魯金毛細(xì)管將(該參比電極)連接到靠近工作電極的地方。
[0019]—種所述的基于乙醇氧化酶的電化學(xué)乙醇傳感器的制備方法,所述方法包括以下步驟:①電極的制備:在基片的一端設(shè)置工作電極、對(duì)電極和參比電極,并在該基片上設(shè)置支持電解質(zhì)層;②輔助擴(kuò)散層的制備:在工作電極上印制或噴涂輔助擴(kuò)散層的漿料得到設(shè)置于工作電極上的輔助擴(kuò)散層,所述輔助擴(kuò)散層的漿料為用輔助材料將多孔的高分子材料調(diào)制而成的漿料;所述多孔的高分子材料包括聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯以及硅橡膠中的至少一種乙醇氧化酶層的制備:將乙醇脫氫酶用輔助試劑調(diào)和后,與電絕緣性的生物活性材料混合,加入氧化型輔酶I,在25°C下短時(shí)間混合后得到混合液,將該混合液溫度調(diào)整到4°C附近待用;所述電絕緣性的生物活性材料包括水解明膠、瓊脂、纖維素衍生物、聚丙烯酸酯、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸鈉、聚鄰苯二甲酸乙二醇酯、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯、甲殼素衍生物以及硅藻土中的至少一種。所述步驟②干燥后,將所述混合液設(shè)置于輔助擴(kuò)散層上,陰干后待用;具體設(shè)置方法包括兩種,分別為:A.單獨(dú)制膜:將所述混合液在玻璃板上鋪展成膜,然后裁剪成需要的形狀和大小,覆蓋在設(shè)有輔助擴(kuò)散層的工作電極上將所述混合液植被到已經(jīng)制備了輔助擴(kuò)散層的工作電極上,所述植被包括噴涂、涂覆、覆蓋、移印或絲網(wǎng)印刷;④引出導(dǎo)線:將上述制備好的傳感器印制引出導(dǎo)線,即為所述的乙醇傳感器;⑤校正:將傳感器進(jìn)行校驗(yàn);⑥儲(chǔ)存:將校驗(yàn)后的傳感器用真空包裝后保持。
[0020]進(jìn)一步地,步驟②中所述所述的輔助材料包括聚丙烯酸丁酯、松油醇、司班80、鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二辛酯、聚乙烯醇縮丁醛、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、異丙醇以及水中的幾種。步驟③中所述輔助試劑包括焦磷酸緩沖溶液、聚乙烯醇、乙醇水溶液中的至少一種。
[0021]進(jìn)一步地,所述基片包括多孔的硝化纖維素基片、多孔聚氯乙烯基片、紙基片或玻璃基片。
[0022]本發(fā)明提供了一種基于乙醇氧化酶的電化學(xué)乙醇傳感器及其制備方法,其主要具有的有益效果:通過(guò)本發(fā)明中傳感器的結(jié)構(gòu)以及其制備方法使得該電化學(xué)乙醇傳感器的響應(yīng)時(shí)間短,測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確,對(duì)