[发明专利]一种柔性三维纳米生物电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料与生物技术交叉领域，尤其涉及一种柔性三维纳米生物电极及其制备方法。

背景技术

生物燃料电池是一种绿色可持续的能源转换装置，具有转换效率高、燃料来源广泛、清洁无污染等优点，在电池、医学等领域受到广泛应用。其中，以天然糖类为燃料驱动的酶生物燃料电池又可以称为“糖”电池，在生物器件、医疗设备等方面具有更大的实际意义。然而，目前的“糖”电池寿命短、输出功率低、稳定性差，限制了“糖”电池的实际应用。同时，随着智能电子、生物医疗的发展，未需来对柔性器件的求越来越多。因此，在保证电子传递效率高、性能稳定、寿命长的同时，开发具有可折叠性以及对外力或不平整表面良好适应性的柔性“糖”电池成为科学研究的一个前沿领域。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种电子传递效率高的柔性三维纳米生物电极及其制备方法，适用于柔性电子产品或植入式医疗设备等领域。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：

一种柔性三维纳米生物电极，它包括柔性电极基底材料、粘结于所述柔性电极基底材料表面的载体材料以及固载于所述载体材料上的酶，所述载体材料由三维大孔结构的石墨烯与结合在石墨烯表面的介孔碳复合而成，所述介孔碳分布于所述石墨烯的孔道结构表面，所述酶为葡萄糖氧化酶，来源于黑曲霉。

上述方案中，所述柔性电极基底材料为镀有氧化铟锡薄膜的聚对苯二甲酸乙二醇酯聚合物材料(ITO-PET)。

一种柔性三维纳米生物电极的制备方法，它包括以下步骤：

1)采用化学法将纳米石墨粉氧化成氧化石墨，超声处理后将氧化石墨剥离成单层片状的氧化石墨烯溶液；

2)将步骤1)得到的氧化石墨烯通过水热法制备得到三维石墨烯水凝胶，干燥后，得到三维石墨烯粉末；

3)利用季铵盐类表面活性剂作为模板剂，在碱性条件下将硅源水解沉积在步骤2)得到的三维石墨烯表面，制备得到三维大孔-介孔SiO₂/石墨烯复合材料；

4)向步骤3)得到的产物中填充足够的碳源，进一步碳化并除去SiO₂后，制备得到三维大孔-介孔碳/石墨烯复合材料；

5)将步骤4)得到的复合材料作为载体材料，吸附葡萄糖氧化酶，加入粘结剂后与柔性电极基底材料结合，制成柔性三维纳米生物电极。

上述方案中，所述步骤1)中的氧化石墨烯溶液的浓度为2.0 mg/mL。

上述方案中，所述步骤2)中的水热温度为180℃，水热时间为12小时。

上述方案中，步骤3)制备三维大孔-介孔SiO₂/石墨烯复合材料的具体步骤为：取480～960mg模板剂、10～50mg步骤2)制得的三维石墨烯、4～8mL乙醇和16～32mL水混合，在碱性条件下45～55℃水浴搅拌，6小时后，向溶液中加入0.5～1mL的硅源，继续反应6～12小时，随后将混合溶液真空抽滤并洗涤，再冷冻干燥处理，将冷冻干燥过的样品在氩气保护下以10℃/分钟的升温速率升温到800℃，保温3～5小时，即可制得大孔-介孔SiO₂/石墨烯复合材料。

上述方案中，步骤4)制备三维大孔-介孔碳/石墨烯复合材料的具体步骤为：将步骤3)制得的大孔-介孔SiO₂/石墨烯复合材料反复浸泡在预定浓度的蔗糖溶液中(溶剂为按超纯水：乙醇体积比为1:6配成)得到混合溶液，随后将混合溶液真空抽滤并洗涤，再冷冻干燥处理，将冷冻干燥过的样品在氩气保护下以10℃/分钟的升温速率升温到700℃，保温3～5小时，取出样品后经过2M的NaOH溶液处理，即可制得大孔-介孔碳/石墨烯复合材料。

上述方案中，步骤5)制成柔性三维纳米生物电极的具体步骤为：将步骤4)得到的复合材料作为载体材料，用水配制成10mg/mL的悬浮液，再配制10mg/mL的葡萄糖氧化酶溶液，以及质量分数为0.5％的模板剂溶液，按载体材料悬浮液：葡萄糖氧化酶溶液：模板剂溶液体积比1:1:8配成混合溶液；混合搅拌2～6小时后，向混合溶液中滴加定量粘结剂溶液(粘结剂体积为混合溶液总体积的5-10％)，并搅拌10分钟；将预定量的混合溶液滴在柔性电极基底材料上，室温下晾干后即可制得柔性三维纳米生物电极。

上述方案中，所述季铵盐类表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，所述硅源为硅酸四乙酯(TEOS)，所述碳源为蔗糖，所述粘结剂为杜邦公司的Nafion溶液。

本发明的有益效果为：