CN106053575A - 一种用于测量酪氨酸浓度的复合材料修饰电极及应用 - Google Patents

一种用于测量酪氨酸浓度的复合材料修饰电极及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于测量酪氨酸浓度的复合材料修饰电极及应用，本发明首先通过电流时间法制备了金属纳米修饰电极，然后采用循环伏安法在金属纳米修饰电极表面沉积聚氨基苯磺酸薄膜制备了聚氨基苯磺酸/金属纳米复合材料修饰电极，并将制得的修饰电极用于酪氨酸的检测。结果显示该复合材料修饰电极对酪氨酸表现出优异的电催化活性，具有灵敏性好、准确性高、稳定性好等特点。

Description

一种用于测量酪氨酸浓度的复合材料修饰电极及应用
技术领域
本发明属于食品分析检测技术领域，具体涉及到一种用于酪氨酸浓度测定的复合材料修饰电极及应用。
背景技术
酪氨酸是一种芳香族氨基酸，也是20种用来合成蛋白质的氨基酸之一，属于非必需氨基酸，广泛存在于水果、肉类、酒类和茶叶等食品饮料中，对于促进人体的生长发育具有重要作用，因此建立一种能够快速便捷、准确灵敏检测酪氨酸含量的方法具有重要意义。
目前，酪氨酸的测定方法主要有高效液相色谱法、荧光光谱法、分光光度法、流动注射化学发光法、毛细管电泳法和电化学方法等。其中，光谱或色谱方法检测成本高、步骤繁琐，而电化学方法因操作简便、选择性好、灵敏度低等优点而备受人们青睐。电化学方法主要集中在单一的聚合物修饰电极，聚合物薄膜在表现出催化活性的同时往往会降低电极导电性能，因此十分有必要制备出一种新的复合材料修饰电极使得电极保持催化活性的同时也具备较高的电子转移速率。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于测量酪氨酸浓度的复合材料修饰电极及应用。本发明能够快速直接对酪氨酸浓度进行测定，且灵敏度高、稳定性好，具有广阔的实用价值。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于测量酪氨酸浓度浓度的复合材料修饰电极，该修饰电极通过以下方法制备得到：
(1)在麂皮上依次使用第一抛光液和第二抛光液将玻碳电极打磨至镜面，第一抛光液由粒径为300nm的α-Al2O3抛光粉与去离子水按质量体积比(mg/ml)1:1-3混合均匀制得，第二抛光液由粒径为50nm的α-Al2O3抛光粉与去离子水按质量体积比(mg/ml)1:1-3混合均匀制得，之后依次应用无水乙醇和去离子水超声洗涤电极1～2min；然后再将清洗过的玻碳电极置于浓度为0.4～0.8mol/L的稀硫酸溶液中应用循环伏安法活化，直至响应稳定；最后用去离子水将玻碳电极冲洗干净，并晾干备用。
(2)将金属盐加入浓度为0.05～0.15mol/L的硝酸钾水溶液中，配制浓度为1～2mmol/L的金属盐溶液，金属盐选自硝酸铜、氯铂酸、氯金酸和硝酸镍；将步骤1预处理后的玻碳电极置于金属盐溶液中，采用电流时间法进行恒电位沉积，制得金属纳米修饰电极，电流时间法沉积电位为-0.4～-0.1V，沉积时间为180～320s。
(3)将氨基苯磺酸加入浓度为0.1～0.2mol/L、pH值为6～7的磷酸盐缓冲液中，配制浓度为1.5～3mmol/L的氨基苯磺酸溶液，然后将金属纳米修饰电极置于氨基苯磺酸溶液中，氨基苯磺酸选自对氨基苯磺酸、间氨基苯磺酸和邻氨基苯磺酸；采用循环伏安法进行电化学沉积，制得聚氨基苯磺酸/金属纳米复合材料修饰电极，循环伏安法沉积电位为-1.5～2.5V，扫描速度为80～160mV/s，循环圈数4～14圈。
一种上述复合材料修饰电极在测定酪氨酸溶液浓度中的应用。所述应用具体为：将聚氨基苯磺酸/金属纳米复合材料修饰电极作为工作电极、银电极或氯化银电极作为参比电极、铂柱电极作为辅助电极构成三电极系统，置于含有酪氨酸的待测缓冲液中，缓冲液选自磷酸盐溶液或柠檬酸盐溶液，磷酸盐溶液和柠檬酸盐溶液的浓度为0.1～0.2mol/L，并用氢氧化钠水溶液或稀硫酸微调pH值至3.5～5，酪氨酸先通过电化学富集，富集电位为-0.3～0.1V，富集时间为90～150s；然后应用差分脉冲伏安法测定该酪氨酸溶液的氧化峰峰电流，低电位为0.4～0.6V，高电位为1.0～1.2V；将该氧化峰峰电流值代入公式i＝0.1196c+1.5558中，得到酪氨酸溶液的浓度；其中浓度c的单位是μmol/L，峰电流i的单位是μA。
本发明的有益效果是，本发明用于酪氨酸浓度测定的聚氨基苯磺酸/金属纳米复合材料修饰电极比聚氨基苯磺酸单一材料修饰电极催化性能更好。纳米金属具有增强电极导电性、催化性和生物相容性等优点；聚氨基苯磺酸薄膜具有催化性能优良、稳定性好、灵敏度高、与电极表面接触牢固等优点，并且聚氨基苯磺酸薄膜的加入可以改善纳米金属颗粒的团聚性。因此该复合材料修饰电极在提高酪氨酸响应电流信号的同时也降低了氧化电位，实现了对酪氨酸灵敏高效的测定。
附图说明
图1为由Au/GCE制备PABSA/Au/GCE过程中的循环伏安图；
图2为Au/GCE的扫描电镜图；
图3为PABSA/Au/GCE的扫描电镜图；
图4为不同电极在100μmol/L酪氨酸溶液中循环伏安法检测效果对比图；
图5为PABSA/Au/GCE电极在pH值为2～9时对酪氨酸检测的循环伏安图；
图6为PABSA/Au/GCE电极在扫描速度为10～300mV/s时对酪氨酸检测的循环伏安扫描图；
图7为PABSA/Au/GCE电极在酪氨酸浓度为1×10-6～1×10-4mol/L范围时的差分脉冲伏安图；
图8为PABSA/Au/GCE电极上酪氨酸氧化峰峰电流与其浓度梯度标准曲线。
具体实施方式
金属纳米材料具备很大的比表面积，导电性能优良，对很多电活性物质具有较强的催化活性；聚合物薄膜具有和电极表面接触牢固、分布均匀、灵敏度高和化学性质稳定等优点，实验发现聚对氨基苯磺酸膜对酪氨酸具有一定的催化活性。为充分发挥上述两种材料的优势，发明人制备了一种新的用于酪氨酸测定的聚氨基苯磺酸/金属纳米复合材料修饰电极，发现其催化性能要优于聚对氨基苯磺酸材料单独对修饰电极时的性能，并且电极更加稳定。
下面的实施实例可以使本专业普通技术人员更全面地理解本发明，但是本发明并不局限于此。
实施例1
制备用于酪氨酸浓度测定的聚对氨基苯磺酸/金纳米复合材料修饰电极(PABSA/Au/GCE)，包括以下步骤：
(1)玻碳电极预处理：在麂皮上依次使用粒径为300nm和50nmα-Al2O3的糊状抛光液将玻碳电极打磨至镜面，糊状抛光液中抛光粉与去离子水的质量体积比(mg/ml)为1:1-3，之后依次应用无水乙醇和去离子水中超声洗涤电极1min，然后再将清洗过的玻碳电极置于0.5mol/L稀硫酸溶液中，在-0.5～1.2V电位区间以100mV/s的扫速进行循环伏安活化，直至响应稳定，最后用去离子水将玻碳电极冲洗干净，并晾干备用。
(2)在对玻碳电极修饰之前，电极需在1mmol/L K3[Fe(CN)6]溶液(含有0.1mol/LKCl)中进行循环伏安扫描以验证电极可逆性，其中循环电位区间设为-0.2～0.8V，扫速设为60mV/s。如果[Fe(CN)6]3-/4-在GCE上的氧化还原反应峰电位差△Ep约为64mV,说明电极表面已达到清洁和活化的要求，去离子水冲洗电极晾干备用。
(3)预处理后的玻碳电极置于1.2mmol/L氯金酸(含有0.1mol/L硝酸钾)溶液中，采用电流时间法进行恒电位沉积。在-0.2V恒电位下沉积240s，制得金纳米修饰电极(Au/GCE)。
(4)Au/GCE置于2mmol/L对氨基苯磺酸(用浓度为0.1mol/L且pH值为7的磷酸盐缓冲液配制)溶液中，采用循环伏安法进行电化学沉积。在-1.5～2.5V电位区间内，以100mV/s的扫描速度扫描12圈，制得聚对氨基苯磺酸/金纳米复合材料修饰电极(PABSA/Au/GCE)，如图1所示。去离子水冲洗吸附在电极表面未反应的对氨基苯磺酸，晾干备用。
步骤(3)中通过固定聚对氨基苯磺酸沉积10圈，在60～360s纳米金恒电位沉积时间中优化出最佳沉积时间为240s；步骤(4)中通过固定240s纳米金恒电位沉积时间，在4～14圈聚对氨基苯磺酸沉积圈数中优化出最佳圈数为12圈。优化过程在100μmol/L酪氨酸磷酸盐缓冲液中进行。
图2和图3分别为Au/GCE和PABSA/Au/GCE电极的扫描电镜图。可以看到在图2中，纳米金成功地沉积在GCE表面，而在图3中，明显观察到有一层薄膜膜附着在电极表面，这说明聚氨基苯磺酸也已成功沉积在Au/GCE表面。
图4为不同电极在100μmol/L酪氨酸溶液中循环伏安法检测效果对比图。其中，GCE整体响应电流很小，并且对酪氨酸没有表现出催化作用，PABSA/GCE和PABSA/Au/GCE不仅响应电流明显增大，而且均出现了酪氨酸的氧化峰。通过对比PABSA/GCE和PABSA/Au/GCE循环伏安图上的氧化峰大小，得到PABSA/Au/GCE对酪氨酸氧化催化性能更加优异。
如图5所示，循环伏安法优化PABSA/Au/GCE检测酪氨酸时的pH值。实验在含100μmol/L酪氨酸且pH为2～9的磷酸盐缓冲液进行，结果显示，随着pH增大，酪氨酸对应氧化峰电流减小，峰形变宽。另外考虑到峰电位不能过大，故选自pH＝4作为酪氨酸检测时的最优pH值。
如图6所示，循环伏安法优化PABSA/Au/GCE检测酪氨酸时的扫描速度。实验在10～300mV/s扫速下进行，考虑到每次检测时间不能太长、峰形稳定、电极消耗等因素，选自100mV/s作为检测时的最佳扫描速度。
循环伏安法优化PABSA/Au/GCE检测酪氨酸时的富集电位和富集时间。通过比较-1～0.4V富集电位区间内酪氨酸氧化峰峰电流和峰形，得到-0.1V作为最佳富集电位；通过比较0～300s富集时间区间内酪氨酸氧化峰峰电流大小，发现当时间大于120s后，峰电流基本不再变化甚至有所降低，故选自120s作为最佳富集时间。
在上述实验条件下，采用差分脉冲伏安法在0.5～1.1V电位区间内对已知浓度梯度为1×10-6～1×10-4mol/L的酪氨酸溶液进行定量测定，实验结果如图7所示。在一定范围内，酪氨酸浓度越大，对应的氧化峰峰电流值就越大，通过一系列峰电流值与浓度的一一对应关系绘制出反映氧化峰峰电流与浓度关系的标准曲线，图8显示酪氨酸峰电流大小与其浓度表现出良好的线性关系，线性方程为i＝0.1196c+1.5558，其中浓度c的单位是μmol/L，峰电流i的单位是μA，线性相关系数R＝0.9998，检测限为4×10-7mol/L(S/N＝3)。
根据上述获得的线性方程，即可实现对未知浓度的酪氨酸溶液样品进行浓度测定。将未知浓度的50ml酪氨酸溶液加入电解池中，三电极体系为基础，以本发明制备的修饰电极作为工作电极，银/氯化银电极为参比电极，铂柱电极为辅助电极。实验在CHI660E电化学工作站上进行，其附属的计算机软件进行实验参数设置和数据获取，在0.5～1.1V电位范围内以100mV/s扫速进行差分脉冲伏安扫描，将在酪氨酸溶液中获得的氧化峰峰电流i带入线性方程i＝0.0262c+0.4431，即可得到该酪氨酸溶液的浓度。
实施例2
制备用于酪氨酸测定的聚对氨基苯磺酸/金纳米复合材料修饰电极(PABSA/Au/GCE)，包括以下步骤：
(1)玻碳电极预处理：在麂皮上依次使用粒径为300nm和50nmα-Al2O3的糊状抛光液将玻碳电极打磨至镜面，之后依次应用无水乙醇和去离子水中超声洗涤电极90s，然后再将清洗过的玻碳电极置于0.6mol/L稀硫酸溶液中，在-0.6～1.3V电位区间以120mV/s的扫速进行循环伏安活化，直至响应稳定，最后用去离子水将玻碳电极冲洗干净，并晾干备用。
(2)预处理后的玻碳电极置于1.5mmol/L氯金酸(含有0.05mol/L硝酸钾)溶液中，采用电流时间法进行恒电位沉积。在-0.25V恒电位下沉积200s，制得金纳米修饰电极(Au/GCE)。
(3)Au/GCE置于1.5mmol/L对氨基苯磺酸(用浓度为0.15mol/L且pH值为6的磷酸盐缓冲液配制)溶液中，采用循环伏安法进行电化学沉积。在-1.5～2.5V电位区间内，以120mV/s的扫描速度扫描15圈，制得聚对氨基苯磺酸/金纳米复合材料修饰电极(PABSA/Au/GCE)。去离子水冲洗吸附在电极表面未反应的对氨基苯磺酸，晾干备用。
用该实施例制备的复合材料修饰电极用实施例1所示的方法测量已知浓度的酪氨酸溶液的氧化峰峰电流，再将该氧化峰峰电流值代入公式i＝0.0262c+0.4431，得到的酪氨酸溶液的浓度与其实际浓度一致；且操作简便、响应灵敏。
实施例3
制备用于酪氨酸测定的聚对氨基苯磺酸/金纳米复合材料修饰电极(PABSA/Au/GCE)，包括以下步骤：
(1)玻碳电极预处理：在麂皮上依次使用粒径为300nm和50nmα-Al2O3的糊状抛光液将玻碳电极打磨至镜面，之后依次应用无水乙醇和去离子水中超声洗涤电极2min，然后再将清洗过的玻碳电极置于0.8mol/L稀硫酸溶液中，在-0.6～1.5V电位区间以140mV/s的扫速进行循环伏安活化，直至响应稳定，最后用去离子水将玻碳电极冲洗干净，并晾干备用。
(2)预处理后的玻碳电极置于2mmol/L氯金酸(含有0.15mol/L硝酸钾)溶液中，采用电流时间法进行恒电位沉积。在-0.3V恒电位下沉积180s，制得金纳米修饰电极(Au/GCE)。
(3)Au/GCE置于3mmol/L对氨基苯磺酸(用浓度为0.2mol/L且pH值为6.5的磷酸盐缓冲液配制)溶液中，采用循环伏安法进行电化学沉积。在-1.5～2.5V电位区间内，以140mV/s的扫描速度扫描10圈，制得聚对氨基苯磺酸/金纳米复合材料修饰电极(PABSA/Au/GCE)。去离子水冲洗吸附在电极表面未反应的对氨基苯磺酸，晾干备用。
用该实施例制备的复合材料修饰电极用实施例1所示的方法测量已知浓度的酪氨酸溶液的氧化峰峰电流，再将该氧化峰峰电流值代入公式i＝0.0262c+0.4431，得到的酪氨酸溶液的浓度与其实际浓度一致；且操作简便、响应灵敏。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于测量酪氨酸浓度的复合材料修饰电极，其特征在于，该修饰电极通过以下方法制备得到：
(1)在麂皮上依次使用第一抛光液和第二抛光液将玻碳电极打磨至镜面，第一抛光液由粒径为300nm的α-Al2O3抛光粉与去离子水按质量体积比(mg/ml)1:1-3混合均匀制得，第二抛光液由粒径为50nm的α-Al2O3抛光粉与去离子水按质量体积比(mg/ml)1:1-3混合均匀制得，之后依次应用无水乙醇和去离子水超声洗涤电极1～2min；然后再将清洗过的玻碳电极置于浓度为0.4～0.8mol/L的稀硫酸溶液中应用循环伏安法活化，直至响应稳定；最后用去离子水将玻碳电极冲洗干净，并晾干备用。
(2)将金属盐加入浓度为0.05～0.15mol/L的硝酸钾水溶液中，配制浓度为1～2mmol/L的金属盐溶液，金属盐选自硝酸铜、氯铂酸、氯金酸和硝酸镍；将步骤1预处理后的玻碳电极置于金属盐溶液中，采用电流时间法进行恒电位沉积，制得金属纳米修饰电极，电流时间法沉积电位为-0.4～-0.1V，沉积时间为180～320s。
(3)将氨基苯磺酸加入浓度为0.1～0.2mol/L、pH值为6～7的磷酸盐缓冲液中，配制浓度为1.5～3mmol/L的氨基苯磺酸溶液，然后将金属纳米修饰电极置于氨基苯磺酸溶液中，氨基苯磺酸选自对氨基苯磺酸、间氨基苯磺酸和邻氨基苯磺酸；采用循环伏安法进行电化学沉积，制得聚氨基苯磺酸/金属纳米复合材料修饰电极，循环伏安法沉积电位为-1.5～2.5V，扫描速度为80～160mV/s，循环圈数4～14圈。
2.一种权利要求1所述的复合材料修饰电极在测量酪氨酸溶液浓度中的应用。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，将聚氨基苯磺酸/金属纳米复合材料修饰电极作为工作电极、银电极或氯化银电极作为参比电极、铂柱电极作为辅助电极构成三电极系统，置于含有酪氨酸的待测缓冲液中，缓冲液选自磷酸盐溶液或柠檬酸盐溶液，磷酸盐溶液和柠檬酸盐溶液的浓度为0.1～0.2mol/L，并调pH值至3.5～5，酪氨酸先通过电化学富集，富集电位为-0.3～0.1V，富集时间为90～150s；然后应用差分脉冲伏安法测定该酪氨酸溶液的氧化峰峰电流，低电位为0.4～0.6V，高电位为1.0～1.2V；将该氧化峰峰电流值代入公式i＝0.1196c+1.5558中，得到酪氨酸溶液的浓度；其中浓度c的单位是μmol/L，峰电流i的单位是μA。
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