[发明专利]以声波辐射控制电化学生物传感器传质的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种以声波改善生物传感器传质的方法。具体涉及采用声波辐射对传感器电解液传质的作用，使液体产生平稳的振动。由此可将传感器中的传质电流进行分析测试，并将传质电流和动力学电流区分开来，从而得到电化学反应的动力学参数。该方法可在一定程度上代替价格昂贵的旋转圆盘电极和旋转圆环电极来进行电化学研究。

背景技术

电化学实验和应用中，电极与电解液之间的界面存在着扩散层。致使某一物质在电极表面的浓度要低于本体溶液中的浓度。这样，扩散层阻碍了电极上的反应。当该物质向透过扩散层向电极表面扩散的速率低于在电极表面反应的速率时，反应实际上是处于扩散控制的。为了消减和控制电极扩散层的厚度，以及从理论分析上获得动力学控制下的反应动力学，需要采用干扰本体溶液的方法来调节和改善体系的传质过程。

传统上改变传质过程有如下几种方法：搅拌、超声振荡、旋转圆盘(或圆环)电极等。

搅拌是改善体系传质最为常用的方法，包括各种搅拌器、磁力搅拌器，甚至是摇床和滚筒。它们均具有设备简单、对传质影响明显的特点。但搅拌所引起的液体湍流等非线性流动严重干扰对反应系统的分析测量，故此不适于在分析仪器和传感器上使用。

与搅拌的方法类似，虽然超声振荡的方法可有效地改善传质，但所引起的空化作用是液体产生非线性运动，并形成瞬间的高温和高压，故此也不适于在分析仪器和传感器上使用。

旋转圆盘(或圆环)电极可在溶液中高速而平稳的旋转，在电极表面所产生离心作用使液体不断流向电极的轴心，形成稳定的循环对流。这使得此种电极适用于分析仪器和传感器上改善和调控传质[Bartlett PN&Pratt，KFE.J Electroanal.Chem.1995，397：53-60；Lennox RB.Anal.Biochem.1991，195，358-363；201010219692.0；201020650710.6]。旋转圆盘(或圆环)电极要求在大于10⁴转/分钟的高速旋转下保持平稳和电流的连续性，使得制造此类电极的工艺非常精密。旋转圆盘(或圆环)电极的高成本和价格是限制其使用的主要瓶颈之

因此，电化学生物传感器的传质过程需要更加简单的方法加以调控。

发明内容

本发明的目的之一是以声波的辐射为调控电化学生物传感器的传质建立一种有价值的方法。

本发明的目的之二是为研究酶动力学和机理的探索提供一种技术手段。

为了达到上述目的，本发明将葡萄糖氧化酶(GOD)酶溶解于电解液中；并将HRP酶固定在电极表面上，形成两相酶体系。在该反应体系中，葡萄糖分子在GOD酶的催化下被氧气分子氧化生成葡萄糖酸和H₂O₂。HRP被H₂O₂氧化为HRP氧化态(I)。这种氧化态先被一个氢醌还原成HRP氧化态(II)，再被氢醌分子进一步还原成HRP。而上述两个氢醌分子在电极表面得到电子又重新还原为氢醌，同时产生还原电流。当反应处于稳态时，还原电流处于一个稳定的数值上。电流值的变化表示H₂O₂浓度的变化，其变化的截距反映了HRP固定酶的催化效率，而变化的斜率反映了GOD自由酶的效率。

在电极表面存在着一个扩散层，致使H₂O₂在电极表面的浓度总是低于本体溶液中的浓度。将电解液体系置于声波辐射下，声辐射可迫使液体介质产生密度疏密的纵波。这种疏密纵波会影响扩散层的厚度，在大多数情况下使其变薄。虽然理论上介质粒子在纵波下只能产生振动，不会产生平动(对流)，但实际上介质的振动会推动溶质粒子平移，从而作用于扩散层。由于声波不会产生漩涡、湍流、空化等效应，故反应体系平稳，并不会使测量信号产生明显的紊乱，传感器电流信号值的涨落不超过±1％。

具体工艺如下：

电化学生物传感器采用三电极系统：玻碳电极为工作电极，铂丝为对电极，甘汞电极为参比电极。

将HRP酶和牛血清白蛋白(BSA)混合后覆盖在玻碳电极上，加入戊二醛使BSA交联成膜。将该修饰过的工作电极与对电极和参比电极浸入含氢醌的KH₂PO₄-Na₂HPO₄磷酸盐缓冲液中，电极导线连接到电化学工作站上，由此构建出电化学生物传感器。