用于产生电子电流的悬浮体及其用途和制备方法

摘要

本发明涉及一种可用于产生电子电流的悬浮体，所述悬浮体包含多肽，其中多肽诱捕在中空粒子中。本发明进一步涉及上述悬浮体用于制造电池的用途。更具体而言，本发明涉及上述悬浮体用于制造与微型芯片联合使用的纳米电池的用途。本发明还涉及一种使用上述悬浮体的电池。在另一方面，本发明涉及一种燃料电池，其包含：具有阳极的阳极室；具有阴极的阴极室；和安置在所述阳极室内部、所述阴极室内部或所述两者之间的上述悬浮体。此外，本发明还涉及一种使用上述悬浮体检测溶质的装置，更具体而言，涉及一种检测葡萄糖的装置。在另一方面，本发明涉及一种制造电源的方法，其包含使用上述悬浮体。此外，本发明还涉及一种用于制备上述悬浮体的方法，其包含以下步骤：(a)制备双(吡唑基)双(2，2′－联吡啶)钌(II)的水溶液；(b)将聚苯乙烯－b－聚(L－异氰基丙氨酸(2－噻吩－3－基－乙基)酰胺)的THF溶液注入到在步骤(a)中所制备的溶液中；优选还包含(c)将步骤(b)中所制备的分散体在60℃下放置；(d)将所述分散体冷却到室温；和(e)使用具有100kDa的界限值(cutoff)的过滤器过滤步骤(d)中的分散体。

说明书

技术领域

本发明涉及可用于产生电子电流的悬浮体、所述悬浮体用于制造电池或者更具体地说是与微型芯片联合使用的纳米电池的用途。此外，本发明还涉及：使用所述悬浮体的电池；包含以下部分的燃料电池：具有阳极的阳极室，具有阴极的阴极室，和安置在阳极室内部、阴极室内部或两者之间的所述悬浮体。本发明也涉及一种使用所述悬浮体检测溶质的装置，更具体地说，用于检测葡萄糖的装置；一种制造电源的方法，其包含使用所述悬浮体；以及一种用于制备所述悬浮体的方法。

背景技术

已知的用于产生能量的体系是使用埋置在生物相容性膜中的酶，这些酶能够产生电子而用于产生电能(WO 03050896)。这种方法所要的膜必须是生物相容性的，以确保膜蛋白的活性。许多溶质不能渗透过所述膜，因为在这这种情况下所述酶不具活性。上述要求限制膜和囊泡的选择，并且在此体系中仅可以使用膜蛋白。

发明内容

本发明涉及可用于产生电子电流的悬浮体，所述悬浮体包含多肽，其特征在于，所述多肽诱捕在中空粒子中。因为多肽是被诱捕而非埋置在中空粒子的壳层中，所以中空粒子会有独特性质的壳层，例如选择性渗透性、坚固性和导电性。所述多肽可以是在水溶液中具有活性的任何多肽。所述悬浮体优选含有多个中空粒子，其中优选诱捕一种以上多肽。中空粒子在悬浮体中的密度致使大多数中空粒子相互紧密接触，从而更有效地产生电子电流。在悬浮体内中空粒子以一定分布容纳多肽，因此多肽的活性也良好分布并且会保持良好分布。优选地，中空粒子对多肽不具渗透性。在优选方面，本发明涉及为囊泡的中空粒子。囊泡是一种特殊的中空粒子，由形成外壳层的两性分子组成。诱捕多肽的囊泡可以通过将所述分子添加到多肽中而制备。在本发明的另一方面，中空粒子是聚合物囊泡(polymersome)。聚合物囊泡是由聚合的两性结构单元构建而成，它可以具有独特性质，如刚性和传导电子的能力。在本发明的另一方面，中空粒子的壳层是可导电的。因为具有导电性，中空球体内产生的电子就经由中空粒子的导电外壳层传输，并且可以传输到阳极。优选地，在中空粒子的里面没有电子堆积，而且电子沿外壳层继续传输。在本发明的另一方面，中空粒子由导电聚合物组成。某些类型的聚合物能够容易地传导电子并且易于合成。在本发明的另一方面，中空粒子由嵌段聚合物组成。这种聚合物容易形成囊泡和形成导电外壳层。在本发明的另一方面，中空粒子由刚性螺旋状聚异化物头部基团和柔性聚苯乙烯尾部基团组成，优选为聚苯乙烯-b-聚(L-异氰基丙氨酸(2-噻吩-3-基-乙基)酰胺)(PS-PIAT)。PS-PIAT能够在水中形成非常稳定的、轮廓分明的聚合物囊泡。在上述大分子分散在水溶液中之后形成的所述囊泡是非常坚固的，但对象葡萄糖一样的溶质仍然具有渗透性。这种两性大分子是一种刚柔(rod-coil)型嵌段共聚物。通过扫描电子显微镜(SEM)测定膜厚30±10nm。在本发明的另一方面，存在于PS-PIAT的侧链中的噻吩侧基经受聚合作用，进而提供具有更具可导性的聚合物外壳层和内壳层的囊泡。这可以通过电化学方法或化学氧化反应完成。此聚合作用导致聚合物囊泡膜的交联。研究发现，PS-PIAT聚合物囊泡在交联之后得到改善。已经证明，多种酶可以成功地并入由PS-PLAT组成的囊泡的含水内室中，并且在囊泡壳层聚合之后，酶就不再向外泄漏而且避免了蛋白酶降解。其它酶的催化实验证实，所涵盖种类的酶活性因受到囊泡膜保护避免了蛋白酶而得以保留。

在本发明的另一方面，所述多肽能够参与化学反应或者参与有助于此化学反应的分子结构的形成。化学反应会导致释放出电子进而通过中空粒子的壳层传输，优选是通过囊泡的导电外壳层传输。此种多肽有可能是基因修饰多肽，而在长时间内非常稳定。多肽可通过，例如，附着到酶上的亲油性尾部基团连接到囊泡的内侧。多肽优选是酶，在本发明的优选实施例中，中空粒子对酶的底物具渗透性。有许多已知的酶催化释放电子的化学反应。这些酶可以用在本发明的悬浮体中。化学反应预选是氧化还原反应。伴随氧化还原反应，释放出电子，这些电子可以扩散到中空粒子的壳层并且可以在壳层内沿一定方向传输。更优选地，化学反应是氧化反应。许多天然的酶催化氧化反应，并且这些酶的底物是容易得到的相对廉价的分子。在一优选实施例中，所述多肽是葡萄糖氧化酶。在此实施例中，化学反应是β-D-葡萄糖转化为D-葡糖酸-1，5-内酯。在此反应中释放出两个电子，如下所示。

释放出的电子可以容易地被中空粒子的导电壳层接受，中空粒子同时充当有机电极。葡萄糖氧化酶相对稳定并且是一种众所周知的酶。在另一优选方面，本发明涉及一种其中中空粒子埋置在类凝胶结构中的悬浮体。在类凝胶结构中，中空粒子扩散缓慢，而且底物扩散缓慢。优选地，中空粒子埋置在葡萄糖溶液中。葡萄糖是葡萄糖氧化酶的良好底物而且不昂贵。在本发明的此方面，葡萄糖是由其将产生电子的燃料，而且容易获得、相对便宜。葡萄糖/葡萄糖氧化酶组合是一种较佳的、经常使用的酶/底物组合。此外，葡萄糖是稳定的并且可以获得非常纯的形式。电子可以经由中空粒子的导电外壳层传输，但条件是大多数中空粒子相互接触(图2)。如果此电子通讯不十分有效，那么本发明的优选实施例包含一种基质，以联系至少一个中空粒子用于执行电子传输，例如联系囊泡的可导聚合物(例如，聚噻吩)(图2)。在本发明的另一方面，所述基质可以使至少一个中空粒子与另一中空粒子交联。例如，基质可以部分地埋置在一些中空粒子的壳层中。在优选实施例中悬浮体含有已知的电子载体，例如二茂铁衍生物和紫精(viologen)衍生物，以便促进电子传输。

本发明还是涉及上述悬浮体用于制造电池的用途。优选地，上述悬浮体用于制造与与微型芯片联合使用的纳米电池。

此外，本发明还涉及使用上述悬浮体的电池。此电池可以使用相对便宜的燃料，象葡萄糖，还可以释放恒定电流。由于可以选择此电池的组分是无毒性的，因此它在例如人的心脏起搏器中的使用是安全的。不包括任何已知的毒性化合物(紫精衍生物除外)，因此不会涉及毒性危险。另外，这种电池对环境无害。

此外，本发明还涉及一种燃料，其包含：具有阳极的阳极室；具有阴极的阴极室；和安置在所述阳极室内部、所述阴极室内部或所述两者之间的上述悬浮体。电子可以经由中空粒子的导电外壳层以阳极方向传输。参看图1。

本发明还涉及一种使用上述悬浮体检测溶质的装置。悬浮体优选包含可以化学转化溶质的酶。优选释放这些转化电子。本发明在此方面的具体实施例涉及使用上述悬浮体的葡萄糖传感器。优选地，在此实施例中的多肽是葡萄糖氧化酶。当检测到葡萄糖时，葡萄糖氧化酶将葡萄糖作为底物并释放出电子。电子经由中空粒子的外壳层移动到阳极，并且可以检测到电子电流。在另一方面，本发明涉及一种制造电源的方法，其包含使用上述悬浮体。因为能量的天然来源，所以这种电源对环境无害。所述电源可以用于，例如，汽车。本发明进一步涉及用于制备上述悬浮体的方法，其包含以下步骤：(a)制备双(吡唑基)双(2，2′-联吡啶)钌(II)的水溶液；(b)将聚苯乙烯-b-聚(L-异氰基丙氨酸(2-噻吩-3-基-乙基)酰胺)的THF溶液注入到在步骤(a)中所制备的溶液中。更详细的描述见实例1。所述方法优选还包含：(c)将步骤(b)中所制备的分散体在60℃下放置；(d)将所述分散体冷却到室温；和(e)使用具有100kDa的界限值的过滤器过滤步骤(d)中的分散体。更详细的描述见实例1。

附图说明

图1是所设计电池的示意图。板代表电极，上板是阴极，下板是阳极。中空粒子表示为圆环，对其中的一个进行了放大，在图的右侧。大箭头指示葡萄糖(左箭头)和葡糖酸内酯(右箭头)流动，两者分别是葡萄糖氧化酶的底物和产物，葡萄糖氧化酶表示为诱捕在中空粒子中的圆环。粒子的壳层显示为由两性分子组成的壳层。小箭头指示电子的流动。

图2是电子传输通道的两种不同方式的示意图。(a)中空粒子相互接触并产生经由其导电外壳层的电子通道。(b)囊泡被诱捕在传输电子的导电聚合物的基质中。

图3中左图是PS-PIAT的结构式。中间图是在水溶液中形成的PS-PIAT聚合物囊泡的扫描电子显微镜照片。右图是聚合物囊泡的示意图，指示膜厚度为30nm。

图4是在PS-PIAT聚合物囊泡内由GOx的区域化形成的聚集体的TEM照片。

图5是聚苯乙烯和噻吩官能化聚异氰基肽的嵌段共聚物的化学结构；该大分子在水中分散之后形成微米尺寸的囊泡。

具体实施方式

实例1

1.葡萄糖氧化酶的诱捕

通过制备溶解在磷酸盐缓冲液(20mM，pH7.0)中48mg·1^-1 Gox的溶液来执行GOx酶的包囊。向此溶液中注入PS-PIAT的1.0mg·ml^-1的THF溶液，导致缓冲液与THF的最终比率为6∶1(v/v)。使用Sephadex G-50和含水磷酸盐缓冲液(pH7.5)作为洗脱剂，通过体积排斥色谱法去除游离的酶。所得聚集体的TEM照片示于图4中。

2.聚合物囊泡膜的交联

PS-PIAT聚合物囊泡膜的交联通过以下步骤进行：制备0.20ml的30mg·1^-1 CAL B和1.0ml of 1.3μM BRP的水溶液，其中注入0.10ml的PS-PIAT的0.50mg·1^-1的THF溶液，导致水/THF最终比率12∶1(v/v)。选择BRP的浓度，致使于所存在的噻吩基团的量(2×10^-7M)相当。随后，将分散体放置在60℃的水浴中所希望的时间。在冷却到室温之后，将0.50ml分散体转移到具有100kDa界限值的过滤单元的离心机(eppendorf)中。将分散体离心至干态，之后添加0.5ml纯水，并再次将分散体离心至干态。重复此步骤两次后，添加0.5ml水，用于再分散交联后的聚集体。亦见图5。

3.反应室

将约1-2cm³的有限反应室填充上含葡萄糖氧化酶的囊泡的水基分散体。“燃料”葡萄糖可以相对高的浓度溶解在此分散体中。在反应室的顶部和底部，附着有两个电极(例如由氧化铟锡(ITO)构建)。施加电压之后，电池中产生的电子可以被传输到外部电容器，由此可释放出恒定电流到达必须进行支撑的装置。

4.性能预测

对于所希望的纳米电池，要求大约200mA的平均电流，这意味着每秒需要1.25×10¹⁸个电子。假定电池(cell)的最大性能是1cm³，可进行下述计算。所要求的电流对于对应于每秒6.25×10¹⁷个酶反应。考虑到所报道的葡萄糖氧化酶回转数(22800/s)，意味着需要2.7×10¹³个酶(对应约4微克)。同时，每秒转化2.7×10¹³葡萄糖分子(对应约8毫微克)。假定约5000个葡萄糖氧化酶包括在一个囊泡中(此假定基于其它的囊泡-酶体系)，那么需要5.4×10⁹个囊泡，其平均直径为1微米。若1cm³的隔室填充有含20体积百分比囊泡的溶液或凝胶，就意味着存在2×10¹³个囊泡，比要求的量超出3700倍。这意味着，此体系的最大性能产生740A的电流。在200mA的平均工作电流下，并假定葡萄糖“燃料”的量为250mg/cm³，所述电池能够连续工作约8700小时(1年)。在这点上，限制性能的因素是所存在的葡萄糖的量和副产物葡糖酸内酯和质子的累积。然而，此体系将经历影响其性能的其它因素。可以想到的是酶降解，尤其是当所述体系工作很长时间时。另外，决定性能的重要因素将是从电池向阳极传输电子的效率。然而有几个电池参数可以很容易改变(例如，囊泡或葡萄糖的量、基质的性质)。