[發明專利]電化學生物傳感器用修飾電極及其制備方法、電化學生物傳感器及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201710048369.3
• 申請日: 2017-01-20
• 公開（公告）號: CN108333241A
• 公開（公告）日: 2018-07-27
• 發明（設計）人: 王建方;呂亞杰;陶呈安;蔡鳳蓮;劉卓靚;郭晨星;康艷;高海峰
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G01N27/327
• 分類號: G01N27/327;G01N27/30
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務所(普通合伙) 43008
• 代理人: 趙洪;張鮮

本發明公開了一種電化學生物傳感器用修飾電極及其制備方法、電化學生物傳感器及其制備方法和應用，電化學生物傳感器用修飾電極包括基礎電極及其表面修飾的葫蘆脲[7]分子；制備方法包括：將基礎電極浸入葫蘆脲[7]的水溶液中，使基礎電極的表面吸附葫蘆脲[7]分子。電化學生物傳感器包括上述的電化學生物傳感器用修飾電極，其上依次吸附有電子媒介體和生物酶；制備方法包括：將電化學生物傳感器用修飾電極依次浸入含電子媒介體的溶液和生物酶溶液中。該電化學生物傳感器用修飾電極對電子媒介體具有很好的識別作用，能夠與電子媒介體有效結合從而促進酶與電極之間的電子傳遞；該電化學生物傳感器檢測靈敏度高，能直接在疾病診斷中進行應用。

技術領域

本發明屬于電化學傳感器領域，具體涉及一種電化學生物傳感器用修飾電極及其制備方法、電化學生物傳感器及其制備方法和應用。

背景技術

不同于常見的氣相色譜、液相色譜等檢測方法，電化學傳感器檢測目標分子是一種高效、綠色、簡單的檢測方法，在食品監測、環境保護、醫藥衛生等領域有著廣泛的應用。石墨烯由于具有優異的導電性能、巨大的比表面積、諸多的結果缺陷和官能團，能夠為目標分子提供豐富的反應場所并促進目標分子與電極之間的電子傳遞，因此在電化學傳感器領域有著廣泛的應用。同時，石墨烯有多種組成和結構豐富的衍生物，這些衍生物為進一步拓展其在電化學方面的應用提供了可能。目前關于石墨烯在電化學傳感器領域的研究已有大量的報道，但如何提高傳感器的選擇性、靈敏度等性能指標仍然有很大的發展空間。因此，如何設計制備具有性能優異的基于石墨烯的電化學傳感器已經成為了一個重要而快速的研究方向。

大量的邊界點、結構缺陷和功能性基團存在于石墨烯這種特殊的結構中，該結構能夠為目標分子在其修飾的電極上的吸附和發生電化學反應提供豐富的反應場所。通過充分利用石墨烯這些獨特的電子結構特征和物理化學性質制備出具有高的靈敏度、好的選擇性、極快的電流響應、寬的檢測范圍并能夠降低檢測下限的電化學生物傳感器，從而在電化學檢測和電分析領域廣泛應用。同時，石墨烯有多種組成和結構豐富的衍生物，這些衍生物為進一步拓展其在電化學方面的應用提供了可能。

電化學傳感器在檢測目標分子的實際應用中會面對復雜的環境和要求，單一組分的石墨烯無法滿足這一要求，這就極大的限制了其在電化學領域中的應用。通過借助金屬納米粒子和石墨烯的協同作用，拓展和增強石墨烯的電化學效應。

同時，深埋于酶生物分子內部的活性中心與電極之間的電子傳遞也很困難，在諸多的研究報道中，有利用體系中溶解的氧氣分子作為酶的活性中心與電極之間電子傳遞的媒介體，但溶液中氧氣的濃度隨周圍環境變化的影響很大，從而影響了所制備的傳感器的準確檢測；或者金屬納米粒子直接深入酶生物分子的活性中心搭建與電極之間的橋梁，但是這對金屬納米粒子的尺寸、性質和酶的種類都有一定的要求，從而限制了其在電化學生物傳感器領域的應用。一種常用而有效的方法則是人為地加入電子媒介體修飾于電極上，從而促進所修飾酶與電極之間的電子傳遞，拓展其應用范圍。常見的電子媒介體有很多種類，例如二茂鐵及其衍生物、K₃Fe(CN)₆、酚類和某些有機染料等。

例如，糖尿病是導致殘疾和死亡的一個重要病因，且在世界范圍內很普遍，空腹條件下血漿血糖的濃度在7mM以上即可診斷為糖尿病，葡萄糖傳感器是檢測血漿中血糖常用的儀器。葡萄糖氧化酶(GOD)在催化檢測葡萄糖的過程中，由于酶生物分子的活性中心深埋于分子內部，活性中心與電極之間的電子傳遞被阻隔，因此活性中心和電極之間的電子傳遞依靠的是溶液中濃度不穩定的溶解氧(O₂)電子媒介體，O₂通過參與電化學反應過程中的電子得失達到傳遞電子的目的，這也是第一代葡萄糖傳感器的檢測機理。

第一代傳感器

GOD(FAD)+Glu→葡萄糖內酯酶+GOD(FADH₂)

GOD(FADH₂)+O₂→GOD(FAD)+H₂O₂