CN102628830B - 一种全固态脲酶电极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了全固态脲酶电极及其制备方法，属于电分析化学检测技术领域。该电极是利用丝网印刷技术将金属氧化物和脲酶印制到基板上，在电极表面形成一层均匀的复合膜，即制得脲酶电极。本发明制备得到的脲酶电极可直接用于尿素浓度的快速测定，催化性能好，稳定性高。该电极小巧轻便、响应快，制作工艺简单、制作成本较低，适合大批量生产，特别适用于野外救护、临床检验、环境监测等实时检测。
Description
技术领域
本发明属于电分析化学检测技术领域，具体涉及一种全固态脲酶电极及其制备方法。
背景技术
近年来，由于化学传感器的发展，特别是关于电化学传感器的研究，及其在生物医学、环境领域中的应用拓展，需要一种简单的电极制作技术，批量生产化学性能相同，重现性、灵敏度较好的，廉价且可一次性使用的传感器。丝网印刷的过程不仅是可重现的，而且为人们设计合适的电极形状提供了广阔的想象空间，所制作传感器电极的大小和形状可以改变，适合于大批量制作稳定性与一致性好的电化学传感器，易微型化和集成化。丝网印刷设备简单、操作方便，印刷、制版简易且成本低廉，操作方便，适应性强。
尿素的分析在临床化学、农业化学、环境污染监测、工业过程分析及其它应用中都有一定的重要性。在临床检验上，尿素是血清、血液和尿液中的一种重要代谢物质，也是肾脏、肝脏和尿液系统疾病诊断、临床分析的一项重要指标。血清中的尿素含量是肾脏功能、心脏代谢失调等病变的常见指示物质之一。肾前性或肾后性引起的尿路结石、尿量减少、胃肠道出血等也会引起血清尿素的增高；而肝脏功能受损、肝硬化和中毒性肝炎等则会引起尿素代谢减缓，导致血清尿素的降低。因而，若可以实现对尿素浓度变化的测定，将有益于人们在疾病爆发前采取行之有效的预防应对措施。
目前尿素的测定多应用分光光度法，它所需时间较长，并需加试剂，且不适于有色样品和生物体液中尿素的测定，酶法虽然比比色法特异，准确，但每次需加酶，成本较高，因此，需要一个简单快速价廉的方法代替临床现用的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种全固态脲酶电极，该电极是基于丝网印刷技术的全固态脲酶电极，以生物质脲酶作为识别的敏感膜，将脲酶固定于识别部件表面，利用脲酶对尿素的专一催化作用，从而导致体系pH值发生改变，再以电位的变化最终实现对尿素的测定。脲酶对尿素的催化过程如下：
并且该电极小巧轻便，易于携带，操作简便。
本发明还有一个目的是提供一种上述全固态脲酶电极的制作方法，该方法制备过程简单，适合大批量生产。
本发明的目的是通过以下方式实现的：
一种全固态脲酶电极，该脲酶电极包括基板、工作电极和参比电极，工作电极和参比电极平行设置于基板上，其特征在于：
所述工作电极包括位于基板上的第一接触电极，第一接触电极与第一反应区之间通过导电层连接，在第一反应区上设有第一响应层；
所述参比电极包括位于基板上的第二接触电极，第二接触电极与第二反应区之间通过导电层连接，在第二反应区上设有第二响应层；
绝缘膜层设置于第一响应层和第二响应层周围，隔膜层覆于绝缘膜层上，在第一响应层区和第二响应层区之上开口；
盖板覆盖于隔膜层上，盖板、隔膜层、绝缘膜层与第一响应层之间形成第一空腔，盖板、隔膜层、绝缘膜层与第二响应层之间形成第二空腔；
盐桥位于隔膜层上，两端分别位于第一空腔和第二空腔中。
所述的第一接触电极及第二接触电极、第一反应区及第二反应区、及导电层是将银浆采用丝网印刷的方法印刷于基板上。
所述的在第一空腔上方的盖板上开有第一加样口，在第二空腔上方的盖板上开有第二加样口，在盐桥上方的盖板上设有透气口。
所述的隔膜层在第一响应层区和第二响应层区上方的开口面积分别大于相应区域。
所述的基板材料是聚丙烯、聚醋、聚乙烯、聚氯乙烯或陶瓷中的一种；盐桥材料为超细无纺布或者特种纤维；隔膜层材料是PET基材的双面胶膜层。
所述的第一响应层材料由碳浆、金属氧化物、脲酶、牛血清蛋白组成，金属氧化物质量百分含量为第一响应层材料的10％～30％；脲酶的质量百分含量为第一响应层材料的0.5％～1.5％；牛血清蛋白的质量为第一响应层的百分含量为0.1％～0.6％，其余为碳浆。
所述的第二响应层由碳浆、金属氧化物、牛血清蛋白组成，金属氧化物质量百分含量为第二响应层材料的10％～30％；牛血清蛋白的质量为第二响应层材料的百分含量为0.1％～0.6％，其余为碳浆。
所述的金属氧化物选用MnO2、SnO2、RuO2等中的一种。
一种脲酶电极的制备方法包括以下步骤：
a.采用丝网印刷方法在基板印刷银浆层，银浆层分为第一接触电极、第二接触电极、导电层、第一反应区和第二反应区；
b.在第一反应区印刷第一响应层，使其完全覆盖第一反应区，成为工作电极，在第二反应区印刷第二响应层，使其完全覆盖第二反应区，成为参比电极，在0℃～4℃下干燥；
c.在参比电极上，第二响应层周围印刷绝缘膜层，绝缘膜层将第二响应层区空出；在工作电极上，第一响应层周围印刷绝缘膜层，绝缘膜层将第一响应层区空出；
d.将隔膜层贴在绝缘膜层上，隔膜层将第二响应层区和第一响应层区空出，将盐桥压在隔膜层上，盐桥两端位于第一空腔和第二空腔中，盖上盖板。
优选采用丝网印刷的方法将绝缘油墨印制在第二响应层及第一响应层周围得到绝缘层，绝缘油墨为市售的常规绝缘油墨。
与现有技术比较本发明的有益效果：本发明全固态脲酶电极可以快速准确地检测出溶液中尿素的浓度。本发明的全固态尿酶电极响应快速，小巧轻便，制作简单、制作成本低，适于大批量生产，特别适用于野外救护、临床检验、环境监测等实时检测。
附图说明
图1为本发明固态尿酶电极示意图
图2为本发明固态尿酶电极工作电极示意图
图3为本发明中固态尿酶电极参比电极示意图
图中，1、基板，2-1、第一接触电极，2-2、第二接触电极，3、绝缘膜层，4-1、第一响应层，4-2、第二响应层，5、隔膜层，6-1、第一空腔，6-2、第二空腔，7、盐桥，8、盖板，9、导电层，10-1、第一反应区，10-2、第二反应区。
图4为实施例1全固态尿酶电极对尿素响应的标准曲线图
图5为实施例2全固态尿酶电极对尿素响应的标准曲线图
图6为实施例3全固态尿酶电极对尿素响应的标准曲线图
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明做进一步阐述。
一种全固态脲酶电极，该脲酶电极包括基板、工作电极和参比电极，工作电极和参比电极平行设置于基板上，工作电极包括位于基板1上的第一接触电极2-1，第一接触电极2-1与第一反应区10-1之间通过导电层9连接，在第一反应区10-1上设有第一响应层4-1；参比电极包括位于基板1上的第二接触电极2-2，第二接触电极2-2与第二反应区之间10-2通过导电层9连接，在第二反应区上设有第二响应层4-2；绝缘膜层3设置于第一响应层4-1和第二响应层4-2周围，隔膜层5覆于绝缘膜层3上，在第一响应层区4-1和第二响应层区4-2之上开口；盖板8覆盖于隔膜层5上，盖板8、隔膜层5、绝缘膜层3与第一响应层4-1之间形成第一空腔6-1，盖板8、隔膜层5、绝缘膜层3与第二响应层4-2之间形成第二空腔6-2；盐桥7位于隔膜层5上，两端分别位于第一空腔6-1和第二空腔6-2中。第一接触电极2-1及第二接触电极2-2、第一反应区10-1及第二反应区10-2、及导电层9是将银浆采用丝网印刷的方法印刷于基板1上。在第一空腔6-1上方的盖板8上开有第一加样口8-1，在第二空腔6-2上方的盖板8上开有第二加样口8-2，在盐桥7上方的盖板8上设有透气口8-3。隔膜层5在第一响应层区4-1和第二响应层区4-2上方的开口面积分别大于相应区域。隔膜层5是PET基材的双面胶膜层(型号为9495MP，3M中国有限公司生产)。
实施例1
本实施例中的制备过程和步骤如下：
(1)采用丝网印刷方法在聚氯乙烯基板上印刷一层银浆，银浆层分为第一接触电极2-1、第二接触电极2-2、导电层9、第一反应区10-1和第二反应区10-2；
(2)参比电极的制备：将牛血清蛋白配制成质量浓度为5％的水溶液；将纳米MnO2分散在碳浆中形成混合物，纳米MnO2在碳浆中的质量浓度为30％；在混合物中加入混合物重量12％的牛血清蛋白溶液，配制成第二响应层浆料，用丝网印刷的方法印制该响应层浆料，在第二反应区10-2印刷第二响应层4-2，使其完全覆盖第二反应区10-2，成为参比电极，第二响应层将银浆层完全覆盖，在0℃～4℃下干燥，成为参比电极；
(3)工作电极的制备：将牛血清蛋白配制成质量浓度为5％的水溶液，脲酶配制成质量浓度为10％的水溶液；将纳米MnO2分散在碳浆中形成混合物，纳米MnO2在碳浆中的质量浓度为30％；在混合物中加入混合物重量15％的脲酶溶液和12％的牛血清蛋白溶液，配制成响应浆料，用丝网印刷的方法印制该响应层浆料，在第一反应区10-1印刷第一响应层4-1，使其完全覆盖第一反应区10-1，在0℃～4℃下干燥，成为工作电极。
(4)印制绝缘层：用丝网印刷的方法，在参比电极上，第二响应层4-2周围印刷绝缘膜层3，绝缘膜层3将第二响应层4-2区空出；在工作电极上，第一响应层4-1周围印刷绝缘膜层3，绝缘膜层3将第一响应层4-1区空出；绝缘层上两个空出区分别为直径4mm左右，第一响应层4-1和第二响应层4-2通过这个开口在测量过程中与待测溶液接触。
(5)将隔膜层贴在绝缘层上，隔膜层5将第二响应层4-2区和第一响应层4-1区空出，将盐桥7压在隔膜层5上，盐桥7两端位于空腔6-1和空腔6-2中，盖上盖板8，盐桥位于盖板透气口8-3的下方。
脲酶传感器对尿素溶液浓度的测定方法和过程如下：
在所留的加样口8-1处加入尿素样品，加样口8-2加入pH标准溶液。接触电极接触常规测量仪器的接触端，测量工作电极和参比电极的电位差。
图4为使用本实施制备的全固态脲酶电极测量不同浓度尿素溶液所得到电位响应标准曲线，标准方程为ΔE(mV)＝20.743c(mmol/L)-4.971。如图中直线所示，ΔE表示响应电动势，c表示溶液中尿素的浓度，相关系数R2为0.9918。
实施例2
本实施例中的制备过程和步骤如下：
(1)采用丝网印刷方法在聚氯乙烯基板上印刷一层银浆，银浆层分为第一接触电极2-1、第二接触电极2-2、导电层9、第一反应区10-1和第二反应区10-2；
(2)参比电极的制备：将牛血清蛋白配制成质量浓度为5％的水溶液；将纳米SnO2分散在碳浆中形成混合物，纳米SnO2在碳浆中的质量浓度为20％；在混合物中加入混合物重量7％的牛血清蛋白溶液，配制成第二响应层浆料，用丝网印刷的方法印制该响应层浆料，在第二反应区10-2印刷第二响应层4-2，使其完全覆盖第二反应区10-2，成为参比电极，第二响应层将银浆层完全覆盖，在0℃～4℃下干燥，成为参比电极；
(3)工作电极的制备：将牛血清蛋白配制成质量浓度为5％的水溶液，脲酶配制成质量浓度为10％的水溶液；将纳米SnO2分散在碳浆中形成混合物，纳米SnO2在碳浆中的质量浓度为20％；在混合物中加入混合物重量10％的脲酶溶液和7％的牛血清蛋白溶液，配制成响应浆料，用丝网印刷的方法印制该响应层浆料，在第一反应区10-1印刷第一响应层4-1，使其完全覆盖第一反应区10-1，在0℃～4℃下干燥，成为工作电极。
(4)印制绝缘层：用丝网印刷的方法，在参比电极上，第二响应层4-2周围印刷绝缘膜层3，绝缘膜层3将第二响应层4-2区空出；在工作电极上，第一响应层4-1周围印刷绝缘膜层3，绝缘膜层3将第一响应层4-1区空出；绝缘层上两个空出区分别为直径4mm左右，第一响应层4-1和第二响应层4-2通过这个开口在测量过程中与待测溶液接触。
(5)将隔膜层贴在绝缘层上，隔膜层5将第二响应层4-2区和第一响应层4-1区空出，将盐桥7压在隔膜层5上，盐桥7两端位于空腔6-1和空腔6-2中，盖上盖板8，盐桥位于盖板透气口8-3的下方。
脲酶传感器对尿素溶液浓度的测定方法和过程如下：
在所留的加样口8-1加入尿素的样品，加样口8-2加入pH标准溶液。接触电极接触常规测量仪器的接触端，测量工作电极和参比电极的电位差。
图5为使用本实施制备的全固态脲酶电极测量不同浓度尿素溶液所得到电位响应标准曲线，标准方程为ΔE(mV)＝21.486c(mmol/L)-10.900。如图中直线所示，ΔE表示响应电动势，c表示溶液中尿素的浓度，相关系数R2为0.9927。
实施例3
本实施例中的制备过程和步骤如下：
(1)采用丝网印刷方法在聚氯乙烯基板上印刷一层银浆，银浆层分为第一接触电极2-1、第二接触电极2-2、导电层9、第一反应区10-1和第二反应区10-2；
(2)参比电极的制备：将牛血清蛋白配制成质量浓度为5％的水溶液；将纳米RuO2分散在碳浆中形成混合物，纳米RuO2在碳浆中的质量浓度为10％；在混合物中加入混合物重量2％的牛血清蛋白溶液，配制成第二响应层浆料，用丝网印刷的方法印制该响应层浆料，在第二反应区10-2印刷第二响应层4-2，使其完全覆盖第二反应区10-2，成为参比电极，第二响应层将银浆层完全覆盖，在0℃～4℃下干燥，成为参比电极；
(3)工作电极的制备：将牛血清蛋白配制成质量浓度为5％的水溶液，脲酶配制成质量浓度为10％的水溶液；将纳米RuO2分散在碳浆中形成混合物，纳米RuO2在碳浆中的质量浓度为10％；在混合物中加入混合物重量5％的脲酶溶液和2％的牛血清蛋白溶液，配制成响应浆料，用丝网印刷的方法印制该响应层浆料，在第一反应区10-1印刷第一响应层4-1，使其完全覆盖第一反应区10-1，在0℃～4℃下干燥，成为工作电极。
(4)印制绝缘层：用丝网印刷的方法，在参比电极上，第二响应层4-2周围印刷绝缘膜层3，绝缘膜层3将第二响应层4-2区空出；在工作电极上，第一响应层4-1周围印刷绝缘膜层3，绝缘膜层3将第一响应层4-1区空出；绝缘层上两个空出区分别为直径4mm左右，第一响应层4-1和第二响应层4-2通过这个开口在测量过程中与待测溶液接触。
(5)将隔膜层贴在绝缘层上，隔膜层5将电极的反应区空出，隔膜层5将第二响应层4-2区和第一响应层4-1区空出，将盐桥7压在隔膜层5上，盐桥7两端位于空腔6-1和空腔6-2中，盖上盖板8，盐桥位于盖板透气口8-3的下方。
脲酶传感器对尿素溶液浓度的测定方法和过程如下：
在所留的加样口8-1加入尿素的样品，加样口8-2加入pH标准溶液。接触电极接触常规测量仪器的接触端，测量工作电极和参比电极的电位差。
图6为使用本实施制备的全固态脲酶电极测量不同浓度尿素溶液所得到电位响应标准曲线，标准方程为ΔE(mV)＝24.471c(mmol/L)-15.514。如图中直线所示，ΔE表示响应电动势，c表示溶液中尿素的浓度，相关系数R2为0.9911。
Claims (6)
1.一种全固态脲酶电极，该脲酶电极包括基板、工作电极和参比电极，工作电极和
参比电极平行设置于基板上，其特征在于：
所述工作电极包括位于基板（1）上的第一接触电极（2-1），第一接触电极（2-1）与第一反应区（10-1）之间通过导电层（9）连接，在第一反应区（10-1）上设有第一响应层（4-1）；第一响应层（4-1）材料由碳浆、金属氧化物、脲酶、牛血清蛋白组成，金属氧化物质量百分含量为第一响应层材料的10%~30%；脲酶的质量百分含量为第一响应层材料的0.5%~1.5%；牛血清蛋白的质量百分含量为第一响应层材料的0.1%~0.6%，其余为碳浆；
所述参比电极包括位于基板（1）上的第二接触电极（2-2），第二接触电极（2-2）与第二反应区之间（10-2）通过导电层（9）连接，在第二反应区上设有第二响应层（4-2）；第二响应层（4-2）材料由碳浆、金属氧化物、牛血清蛋白组成，金属氧化物质量百分含量为第二响应层材料的10%~30%；牛血清蛋白的质量百分含量为第二响应层材料的0.1%~0.6%，其余为碳浆；
绝缘膜层（3）设置于第一响应层（4-1）和第二响应层（4-2）周围，隔膜层（5）覆于绝缘膜层（3）上，在第一响应层（4-1）区和第二响应层（4-2）区之上开口；
盖板（8）覆盖于隔膜层（5）上，盖板（8）、隔膜层（5）、绝缘膜层（3）与第一响应层（4-1）之间形成第一空腔（6-1），盖板（8）、隔膜层（5）、绝缘膜层（3）与第二响应层（4-2）之间形成第二空腔（6-2）；
盐桥（7）位于隔膜层(5)上，两端分别位于第一空腔（6-1）和第二空腔（6-2）中。
2.根据权利要求1所述的全固态脲酶电极，其特征在于所述的在第一空腔（6-1）上方的盖板（8）上开有第一加样口（8-1），在第二空腔（6-2）上方的盖板（8）上开有第二加样口（8-2），在盐桥（7）上方的盖板（8）上设有透气口（8-3）。
3.根据权利要求1所述的全固态脲酶电极，其特征在于所述的隔膜层（5）在第一响应层（4-1）区和第二响应层（4-2）区上方的开口面积分别大于相应区域。
4.根据权利要求1所述的全固态脲酶电极，其特征在于所述的基板（1）材料是聚丙烯、聚醋、聚乙烯、聚氯乙烯或陶瓷中的一种；盐桥（7）材料为超细无纺布或者特种纤维，隔膜层（5）材料是PET基材的双面胶膜层。
5.根据权利要求1所述的全固态脲酶电极，其特征在于所述的金属氧化物为MnO2、SnO2、RuO2中的一种。
6.一种权利要求1所述的脲酶电极的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
a. 采用丝网印刷方法在基板印刷银浆层，银浆层分为第一接触电极（2-1）、第二接触电极（2-2）、导电层（9）、第一反应区（10-1）和第二反应区（10-2）；
b. 在第一反应区（10-1）印刷第一响应层（4-1），使其完全覆盖第一反应区（10-1），成为工作电极，在第二反应区（10-2）印刷第二响应层（4-2），使其完全覆盖第二反应区（10-2），成为参比电极，在0℃~4℃下干燥；
c. 在参比电极上，第二响应层（4-2）周围印刷绝缘膜层（3）；在工作电极上，第一响应层（4-1）周围印刷绝缘膜层（3）；
d. 将隔膜层（5）贴在绝缘膜层（3）上，隔膜层（5）将第二响应层（4-2）区和第一响应层（4-1）区空出，将盐桥（7）压在隔膜层（5）上，盐桥（7）两端位于第一空腔（6-1）和第二空腔（6-2）中，盖上盖板（8）。
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| Nuria Ibanez-Garcia等.Continuous Flow Analytical Microsystems Based on Low-Temperature Co-Fired Ceramic Technology. Integrated Potentiometric Detection Based on Solvent Polymeric Ion-Selective Electrodes.《Analytical Chemistry》.2006,第78卷(第9期),第2985-2992页. |
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| Screen-printed ruthenium dioxide electrodes for pH measurements;Robert Koncki等;《Analytica chimica acta》;19971231;第351卷(第1期);第143-149页 * |
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