一种乳酸氧化酶复合碳布电极的制备方法

1.本发明涉及自供能传感器技术领域，具体的说是一种乳酸氧化酶复合碳布电极的制备方法。


背景技术：

2.自二十世纪40年代以来，乳酸在临床诊断上的地位越来越重要，可以被认为是继葡萄糖之后的第二低分子量代谢产物。乳酸是糖酵解，无氧葡萄糖代谢的产物，被认为是缺氧的标志物，它也是压力缺血，恐慌症和囊性纤维化的潜在指标。传统上，血液乳酸水平被用作训练指标，以监测运动员的最佳表现。正常(基本)血液乳酸浓度范围为0.5
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2.2mmol/l，但在剧烈运动中浓度可升高至15mmol/l以上。目前，大多数临床医学诊断都依赖于血液分析，血液分析又要依靠大型实验室中的复杂且耗时的大型仪器。血液测试是通过侵入性的方法进行样本采集，然后通过离心分离血浆并进行化学分析。传统的医疗模式要求患者到医院就诊，这可能会因延迟诊断和治疗而造成不利影响，尤其是在紧急情况下。大多数医疗保健监测都是通过侵入性诊断工具进行的，这妨碍了对个体精确生理健康状况的实时跟踪。为了能够连续监测患者的健康状况以便跟进预后和治疗，至关重要的是要依靠可穿戴的，与皮肤连接的健康跟踪监测设备。最近，物联网的出现促进了智能可穿戴设备的发展，可穿戴式生物传感器可对生物流体中的生理相关生物标志物进行无创监测，并实时跟踪健康状况。这种体液生物标志物分析有助于精确的采样，并避免了复杂的预处理程序。这些可穿戴式监测设备避免了皮肤穿刺带来的疼痛，毕竟有创性血液采样对于婴幼儿和老年人来说是痛苦的。
3.现有的可穿戴式传感器的电源通常是纽扣电池等小型电池，这些电池要么需要定期更换，要么需要充电。尽管电池技术的进步使得高容量电池拥有了更小的尺寸，但是上述设备的功能寿命仍然受到限制。且人体运动产生汗液时，同时伴随着热能的产生，这些低品位热能没有得到有效的利用，造成了能源的浪费。现有技术中授权公告号为：cn111518862b，公开了一种乳酸氧化酶生物电极的制备方法，该方法是通过对pb电极的电化学氧化处理以及对特定酶液的固定制备生物电极的方法解决了乳酸氧化酶固定化率低以及固定化材料生物相容性差的问题。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提供了一种乳酸氧化酶复合碳布电极的制备方法。
5.为了达到上述目的，本发明是通过一下技术方案来实现的：
6.本发明是一种乳酸氧化酶复合碳布电极的制备方法，包括如下步骤：
7.步骤1，清洗导电碳布纤维，将导电碳布纤维依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗后烘干；
8.步骤2，制备电解液，将k2ptcl4和sds混合好后放入到超纯水中，在常温下，磁力搅拌至完全溶解；
9.步骤3，将两根碳布纤维作为电解池的阴阳极，阴极与电容负极相连，阳极与电容正极相连，用直流电源设置电压5v给电容充电，利用电容5v充放电数次，在阴极上生长铂纳米颗粒，取出具有铂纳米颗粒的导电碳布纤维，并自然干燥；
10.步骤4，干燥好后，在碳布纤维上均匀滴涂乳酸氧化酶溶液，静置使其自然干燥；步骤5，配置1-3％的壳聚糖溶液，并在干燥好的导电碳布纤维上均匀均匀滴涂 9-10μl壳聚糖溶液，常温静置干燥，得到乳酸氧化酶复合导电碳布电极。
11.本发明的进一步改进在于：导电碳布纤维的大小为0.8x40mm。
12.本发明的进一步改进在于：步骤2中k2ptcl4和sds浓度分别为0.5-2mm和 5-20mm。
13.本发明的进一步改进在于：在玻璃瓶中加入适量的壳聚糖粉末，均匀缓慢加入醋酸，缓慢加入去离子水，磁力搅拌均匀。
14.本发明的进一步改进在于：步骤4中的乳酸氧化酶溶液的浓度为25un/ml，滴涂量为9-10μl。
15.一种含有上述乳酸氧化酶复合碳布电极的制备方法制备得到的乳酸氧化酶复合碳布电极的乳酸传感器。
16.本发明的有益效果是：1、本发明利用电容5v充放电数次，在阴极的碳布纤维上生长铂纳米颗粒，得到的纳米粒子的粒径小，且均匀不易聚集，有利于电化学反应的进行。
17.2、通过本发明的制备方法得到的乳酸氧化酶复合碳布电极具有高灵敏性和抗干扰性。
附图说明
18.图1是本发明中导电碳布纤维上生长的铂纳米颗粒sem表征图。
19.图2是本发明生长铂纳米颗粒充放电电路图。
20.图3是本发明生长铂纳米颗粒电解池的示意图。
21.图4是本发明的电极制备过程中的电容充放电曲线图。
22.图5是直接使用直流电源充放电在碳布纤维上生长的铂的sem扫描电镜图。
23.图6是本发明使用电容充放电在碳布纤维上生长的铂纳米粒子的eds图谱图。
24.图7是使用电容充放电在碳布纤维上生长的铂纳米粒子的xps光谱图。
25.图8是本发明设的乳酸氧化酶复合碳布电极的部分制作步骤示意图。
26.图9是使用电容充放电在碳布纤维上生长的铂纳米粒子的拉曼谱图。
27.图10是块状铂金属矿石的拉曼谱图。
28.图11是多种不同电容生长纳米颗粒的结果示意图。
具体实施方式
29.以下将以图式揭露本发明的实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。
30.下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
31.本发明是一种乳酸氧化酶复合碳布电极的制备方法，包括如下步骤：
32.步骤1，清洗导电碳布纤维，将导电碳布纤维依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声清
洗10分钟后烘干；导电碳布纤维的大小可以根据需要进行选择，优选的为0.8x40mm；
33.步骤2，配备1mm k2ptcl4 10mm十二烷基硫酸钠(sds)电解液；称取0.04153g四氯铂酸钾作为金属盐，将其溶于100ml的超纯水中。超纯水的制备工艺使得超纯水中除了水分子外几乎没有任何杂质，从而避免了溶剂中其他离子对本实验的影响。然后在充分溶解的金属盐溶液中加入0.28838g的sds 作为稳定剂，防止金属离子溶液中的纳米粒子发生聚集现象，以增强电化学反应。
34.步骤3，将大小为0.8x40mm的两根碳布纤维作为电解池的阴阳极，电解池如图2所示，用直流电源设置电压5v给电容充电，通过电化学工作站的c-v 模式观察电容的充放电情况。当电容充满达到5v电压值时，将阴极与电容负极相连，阳极与电容正极相连。放电时，当电压值达到二价铂离子(pt
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)的氧化还原电位0.755v时，即完成一次充放电，充放电曲线图如图4所示，电容充放电电路图如图3所示。利用电容5v充放电5次，在阴极上生长铂纳米颗粒，得到附着铂纳米颗粒的导电碳布纤维(pt nps/ccf)，取出具有铂纳米颗粒的导电碳布纤维，并自然干燥；本发明采用的是25v/1000μf的电容，图11是多种不同电容生长纳米颗粒的结果示意图，由图11可见，利用25v/1000μf的电容沉积得的铂纳米粒子粒径最小，分布最均匀同时也最致密，效果最好。
35.步骤4，待pt nps/ccf自然干燥后，使用移液枪吸取9-10μl乳酸氧化酶(25 units/mg)滴加到pt nps/ccf上，完全浸润后使其自然干燥获得附着了铂纳米颗粒和乳酸氧化酶的导电碳布纤维(lox/pt nps/ccf)；
36.步骤5，配置1-3％的壳聚糖溶液，优选的壳聚糖溶液的质量比为2％，并在干燥好的导电碳布纤维上均匀均匀滴涂9-10μl壳聚糖溶液，常温静置干燥，得到乳酸氧化酶复合导电碳布电极。
37.2％的壳聚糖溶液的具体制备过程为：首先称取0.8g chitosan粉末放入玻璃瓶中，再向其中均匀缓慢加入0.4ml醋酸，然后缓慢加入39.6ml超纯水，开启磁力搅拌并调整合适的转速混合均匀上述物质同时防止chitosan粉末结块。待粉末分散均匀后，加入8ml甘油，以适宜的转速搅拌24h。
38.图1显示的是本发明使用电容充放电在碳布纤维上生长的铂纳米粒子的sem 扫描电镜图，图6是本发明使用电容充放电在碳布纤维上生长的铂纳米粒子的 eds图谱，图5显示的是直接使用直流电源充放电在碳布纤维上生长的铂的sem 扫描电镜图。从图1可以观察到粒径约为70nm的铂纳米粒子较为致密的均匀分布在碳布表面并且几乎没有出现聚集现象。在研究中，考虑到直流电源已被广泛用于电沉积中，使用了与1000μf电容输出相同的直流电源进行pt纳米粒子的电沉积以进行比较。结果如图5所示，由5v直流电源产生的纳米颗粒发生了明显的聚集现象，呈现出块状结构且远大于图1所示的纳米颗粒。原因在于直流电源的电流密度过大，虽然较高的电流密度有利于生长出粒径更小的纳米颗粒，但如果电流超出限制，电流密度过大则会导致浓度极化现象的发生，即电解液中浓度平衡状态被破坏，扩散过程小于电解过程，这使得铂离子向电子后面移动，导致阴极附近的pt
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离子受到限制。因此，还原后铂纳米颗粒没有足够的时间以有序的方式沉积到碳布纤维表面。
39.为了进一步验证生长在碳布上的纳米粒子为预期的铂纳米颗粒，本发明使用了x-射线光电子能谱仪(xps)进行碳布纤维表面元素成分分析。如图7所示，根据铂原子的束缚能为71ev，可以得知成长在碳布纤维上的粒子确实为铂纳米粒子。
40.最后还使用拉曼显微镜获得pt/ccf的拉曼光谱。如图9所示，可以看到c 原子晶体的拉曼特征峰，在波数为1583cm-1
处出现了g-band，是由碳环或长链中的所有sp2原子对的拉伸运动产生的；在波数为1332cm-1
处出现了d-band，是由缺陷和无序诱导产生的。在波数为763cm-1
和1075cm-1
处分别出现了铂原子的特征峰，与块状铂金属矿石的拉曼光谱进行了对比，如图10所示,可以发现电沉积所得的铂纳米粒子的吸收带移向短波长方向，即出现了蓝移现象。原因在于随着颗粒尺寸的减小，已被占据的分子轨道能级(homo能级)与未被电子占据的分子轨道能级(lomo能级)之间的宽度随之增大，即能隙变宽，从而导致光吸收带向短波长方向移动。
41.通过本发明制备得到的乳酸氧化酶复合碳布电极可以运用于乳酸传感器中。以上，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。