专利名称：以声波辐射控制电化学生物传感器传质的方法
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
坐寸ο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IO4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福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± I %。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，钼丝为对电极，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。对电流-时间曲线进行观察。加入H2O2，待电流平稳后施加声辐射。在较低的声压下电流随声压(扬声器的输出功率)的增大而升高。当声压提高到一定高度后电流的上升趋于平缓。在溶液中加入GOD酶，再加入微量的β -D-卩比喃葡萄糖，电流则呈现出线性上升的趋势。由于GOD酶催化葡萄糖氧化的过程中不断生成H2O2，使得输出电流不断升高。电流的斜率反映了葡萄糖氧化酶的活力。在附图I中，声波辐射下电流显示出一个阶跃式的上升。而后，酶提高一次声压，电流就显示出一个阶跃。而电流持续上升的斜率并没有显著的变化。这一现象可解释为由于电流变化的斜率反映⑶D自由酶的效率，而电流变化的截距反映了 HRP固定酶的效率，那么声波辐射改变电流变化的截距而不改变斜率就意味着声波只对HRP固定酶产生作用。这一解释符合非均相催化的理论，即搅拌只能对非均相催化产生作用，而对均相催化体系的影响很小。声波辐射可视为一种平稳的搅拌。它作用于电极表面上的扩散层，是扩散层变薄。这样，就致使更高浓度的H2O2扩散到电极表面上固定着的HRP附近，是HRP的催化效率得以提高。声压(或说声波输出功率的分贝数)越高，声波的振幅就越大，传质效果和传感器电流的截距则随之提高。如果将声波辐射代替旋转圆盘电极应用到电化学生物传感器上，就可使用普通电极进行传质调控实验。以不同的声波输出功率来代替旋转电极不同转数来进行Levich实验。然后，将传质调控电流的倒数外推至零，这样根据Koutecky-Levich方程求得动力学控制电流，从而对电极反应和酶反应动力学进行分析研究，进而设计出不同用途的电化学生物传感器。由此，声波辐射的方法可为传感器提供了一种可替代旋转圆盘(或圆环)电极的新方法，特别适用于对电化学生物传感器的分析研究，并可对微量物质和酶的活性进行检测。
本发明的优点在于I.本发明所述的方法可用于调控传感器的传质。该方法有望代替旋转圆盘(或圆环)电极来消减电化学生物传感器中电极扩散层。2.本发明所述的方法可对电化学生物传感器的构建。用于对微量物质的检测和酶动力学和酶催化机理的研究。本发明所述的方法可用于电化学分析，为发展新型的传感器和反应动力学分析方法提供一种可应用的途径。
图I是不同声波辐射功率下还原电流-时间图。将含有I. OmmoI/L的氢醌、20mg/mL的GOD和O. Imo I/mL的葡萄糖的PBS溶液的HRP传感器置于超声辐射体系中，用IkHz频
率的声波对体系进行震荡，依次施加声波的声压级为(a)80dB、(b)85dB、(c)90dB、(d)95dB和(e)lOOdB，得到呈逐渐上升并伴有阶跃式上升的曲线。
具体实施例方式实施例I :在修饰前，用砂布上覆盖O. 05mm的氧化铝糊浆对玻碳电极的表面进行打磨抛光，随后分别用丙酮、50% NaOH溶液、50%硝酸、双蒸水对玻碳电极进行超声清洗，室温干燥。将2mg300U/mL HRP 和 3mg BSA溶于 O. 2mL 的磷酸盐缓冲液(O. 05mol/L，pH值 7. O)中形成混合液。然后将15 μ L的混合液滴加到玻碳电极表面。再将电极置于一个含有20%戊二醛蒸汽的封闭的容器内进行交联4h，室温干燥lh，在4°C下储藏待用。实施例2 用电化学工作站和一套三电极系统进行循环伏安实验。其中，以修饰过的玻碳电极作为工作电极；钼丝作为对电极；饱和甘汞电极作为参比电极；PBS(0. 05mol/L, pH值7. O)作为支持电解液。循环伏安实验的电势扫描范围(相对于SCE)为-O. 4 O. 2V，扫描速率100mV/s。实验在室温下进行。实施例3 考察底物影响的实验在盛有IOmL支持电解液的反应池中进行。在搅拌下，加入20mg/mL的GOD (ECL I. 3. 4，35U/mg，来自黑曲霉)和lmmol/L氢醌，在-O. 25V电压下记录初始电流的基线。待基线平稳后，加入0. Imol/mL的β-D-吡喃葡萄糖溶液，得到呈逐渐上升趋势的电流-时间曲线。实施例4 将反应体系置于扬声器的鼓盆内。由信号发生器(鼎阳SDG1050型)输出稳定的信号驱动恒电位仪(中环TG3691型)，恒电位仪所放大的信号带动扬声器，并由示波器(DS1152E-EDU型)。扬声器的声压级由在线式噪声计(智标GM1356型)进行监测和校准。在实验中，依此施加声压级为80、85、90、95和IOOdB,频率为IkHz的声波到溶液中。用电化学生物传感器实时监测电流的变化。
权利要求
1.一种以声波辐射控制电化学生物传感器传质的工艺方法，其特征在于通过声波辐射来改善电化学生物传感器的传质过程，从而减少了电极扩散层的厚度。
2.根据权利要求I所述的一种以声波福射控制电化学生物传感器传质的工艺方法，其特征在于声波辐射能对反应体系的传质产生影响，传感器电流随着声压的增大而提高。
3.根据权利要求I所述的一种以声波福射控制电化学生物传感器传质的工艺方法，其特征在于声波辐射对反应体系产生平稳的作用，使电流测量值的随机涨落不大于±1%。
4.根据权利要求I所述的一种以声波福射控制电化学生物传感器传质的工艺方法，其特征在于可通过控制电极扩散层的厚度来测量传质控制和动力学控制电流。
全文摘要
本发明公开了一种以声波辐射控制电化学电极反应体系传质的工艺方法，所述的工艺方法是将声波施加在电化学生物传感器的电解液中，使电极表面上的扩散层变薄。由此在不同的传质条件下对电极的性质进行分析。此方法可在不使液体产生漩涡、湍流、空化等随机干扰的条件下平稳改善体系的传质。电化学分析中可代替旋转圆盘(或圆环)电极，具有成本低、性能稳定的特点，为传感器用于微量物质检测和酶动力学的研究提供一种辅助的手段。
文档编号G01N27/26GK102879444SQ201210407540
公开日2013年1月16日 申请日期2012年10月24日 优先权日2012年10月24日
发明者黄积涛, 李敏, 黄薇, 宫泽 申请人:南开大学
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