[发明专利]一种氮掺杂二氧化钛纳米管阵列酶电极及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于电化学材料领域，涉及一种葡萄糖氧化酶-氮掺杂二氧化钛纳米管阵列酶电极，还涉及该电极的制备方法和电化学生物传感器与生物酶燃料电池应用。

背景技术

二氧化钛材料具有良好的生物相容性、卓越的亲水性，且其价格低廉，在光学、催化以及生物传感等领域具有重要的应用。目前，各种各样的纳米结构的二氧化钛被用于酶电极的制备领域。虽然二氧化钛是一种具有良好发展前景的酶电极基底材料，但作为一种半导体材料，其导电性能较差，因此也限制了其在生物电催化领域的应用。所以，探索一种既能提升二氧化钛材料的导电性，又不影响其生物相容性和亲水性的有效手段是非常有意义的。

过渡金属氮化物因其具有优越的导电性，而备受广大科研工作的关注。其中，氮化钛具有良好的热力学稳定性、良好的生物相容性以及优越的导电性，在电化学领域得到了广泛的应用。

二氧化钛和氮化钛均可作为酶固定化载体材料，然而，二氧化钛材料其导电性能差，氮化钛亲水性较差，而二氧化钛和氮化钛的中间状态——氮掺杂二氧化钛纳米材料同时具备这两种材料的优点，既具有良好的生物相容性，良好的亲水性，又具有较好的导电性，可以作为一种理想的酶固定化的载体材料。因此，基于氮掺杂二氧化钛纳米材料制备的酶电极将具有良好的生物电催化活性。

传统交联法酶固定化工艺通常直接将牛血清白蛋白、戊二醛与葡萄糖氧化酶混合在一起得到交联反应混合液，然后再将交联反应混合液涂抹于载体材料表面实现酶的固定化，这样往往导致酶在固定化时包埋酶的活性位，从而降低了所制备酶电极的酶活性。

发明内容

发明目的：为了克服上述现有技术的不足，本发明的第一目的在于提供一种葡萄糖氧化酶-氮掺杂二氧化钛纳米管阵列酶电极。本发明的第二目的在于提供上述电极的制备方法。本发明的第三目的在于提供上述电极在生物传感器以及生物酶燃料电池中应用。

技术方案：本发明提供的一种葡萄糖氧化酶-氮掺杂二氧化钛纳米管阵列酶电极，包括葡萄糖氧化酶(1)、氮掺杂二氧化钛纳米管阵列(2)和钛基片(3)；所述葡萄糖氧化酶(1)固定化于氮掺杂二氧化钛纳米管阵列(2)的管口表面；所述氮掺杂二氧化钛纳米管阵列(2)垂直排列在钛基片(3)上面，氮掺杂二氧化钛纳米管管底与钛基片(3)表面连接并形成一整体结构。

优选地，所述氮掺杂二氧化钛纳米管阵列(2)的管内直径为60-100nm，管壁厚度为20-40nm；所述钛基片(3)的厚度为50-200μm。

本发明还提供了上述葡萄糖氧化酶-氮掺杂二氧化钛纳米管阵列酶电极的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用恒电压阳极氧化法合成二氧化钛纳米管阵列：在二电极电化学反应体系中，以钛片作为阳极、铂片作为阴极，以乙二醇、水、氟化铵的混合液为反应电解液，进行阳极氧化反应，制得无定形态的有序结构二氧化钛纳米管阵列；

(2)高温煅烧处理：将无定形态的有序结构二氧化钛纳米管阵列置于马弗炉中进行高温煅烧处理，制得晶体相的二氧化钛纳米管阵列；

(3)高温氮掺杂处理：将晶体相的二氧化钛纳米管阵列置于管式气氛炉中，在氨气气氛下进行高温氮掺杂处理，制得氮掺杂二氧化钛纳米管阵列；

(4)改进交联法酶固定化工艺制备葡萄糖氧化酶-氮掺杂二氧化钛纳米管阵列酶电极：以牛血清白蛋白-戊二醛为交联剂，采用改进交联法酶固定化工艺将葡萄糖氧化酶固定化于吸附了牛血清白蛋白-戊二醛交联剂的氮掺杂二氧化钛纳米管阵列管口表面，制得葡萄糖氧化酶-氮掺杂二氧化钛纳米管阵列酶电极；具体步骤如下：

(4.1)将20-30mg牛血清白蛋白与0.05-0.15mL质量百分数25％的戊二醛水溶液一起溶解于1mL磷酸盐缓冲溶液中，制得交联剂混合溶液；将20-30mg葡萄糖氧化酶溶解于1mL磷酸盐缓冲溶液中，制得酶溶液；将氮掺杂二氧化钛纳米管阵列材料浸泡在磷酸盐缓冲溶液中，使氮掺杂二氧化钛纳米管阵列材料形成一个湿润的亲水性表面；

(4.2)取交联剂混合溶液涂抹于氮掺杂二氧化钛纳米管阵列表面，然后在空气气氛中静置5-15min进行表面吸附，制得吸附了牛血清白蛋白-戊二醛交联剂的氮掺杂二氧化钛纳米管阵列；

(4.3)取酶溶液涂抹于吸附了牛血清白蛋白-戊二醛交联剂的氮掺杂二氧化钛纳米管阵列表面，于4℃下静置8-24h通过交联反应固定化葡萄糖氧化酶；再浸泡于磷酸盐缓冲溶液中以去除未固定化的葡萄糖氧化酶，最后在室温下干燥，即得葡萄糖氧化酶-氮掺杂二氧化钛纳米管阵列酶电极。