高选择性全固态电化学气体生物传感器研究

气体传感器是世界范围内的热门研究领域，气体生物传感器是其重要分支之一。本项目以气/固界面酶催化和固态聚合物电解质理论为基础，构建全固态气体生物传感器。研究内容包括：以乙醇蒸汽为模式检测对象，乙醇氧化酶为特异性识别分子，研究气/固界面酶催化反应的基本特征，研究酶催化过程中水活度、温度、添加剂等因素的影响，探索气/固界面酶催化反应的基本规律；制备在空气气氛中具有优异传质、导电性能的新型固态聚合物电解质，并与微型丝网印刷电极组建全固态气体生物传感器，研究环境因素和测试条件对响应的影响，优化传感器结构及性能评价平台；研究酶固定方法和负载量以及纳米粒子对传感器响应性能的影响；评价传感器响应的稳定性、重复性和可靠性，校正传感器的响应，评价传感器在实际检测中的有效性，并进一步推广到其它气体。本项目研究为促进生物传感领域的技术理论创新和新型医用气体生物传感器的开发奠定基础，具有重要的理论意义和应用价值。

本项目利用生物酶的特异性催化机理，提高气体生物传感器的选择性，旨在解决由去除传感器中液态介质所引起的生物酶活性、气/固界面上酶催化反应、酶催化反应的传质、导电等关键问题，实现全固态电化学气体生物传感器的构建。研究了气/固界面酶催化反应的基本特征，明确了影响酶催化活性的关键因素，在此基础上，设计制备了系列具有优异传质、导电性能的新型固态聚合物电解质，特别是合成了潮解型固态聚合物电解质，不仅能保证低湿条件下优异的传质导电能力，而且可维持生物酶分子较高的催化活性，显著提高了气体传感器的响应灵敏度和稳定性。设计制备了包括纳米粒子/碳纳米管、疏水蛋白/碳纳米管、石墨烯以及银纳米材料在内的多种纳米复合材料，探讨了纳米材料的形貌控制方法及其机制，研究了纳米复合物的电催化活性及其在生物传感器中的纳米增效作用，提高了传感器的响应灵敏度和电化学抗干扰能力。在优化微型丝网印刷电极结构的基础上，将其与固态聚合物电解质、纳米复合物有机结合，设计制备了全固态电化学气体生物传感器，实现了气体分子的特异性检测。在今后的研究中，我们将继续对本项目发现的潮解型聚合物电解质进行深入研究，并结合相关学科的研究成果，切实推动生物气体传感器的发展，为相关学科研究提供技术范本和理论依据。