CN106124582A - 基于磺酸化聚氨基苯硼酸的修饰电极及其制备方法和应用 - Google Patents

基于磺酸化聚氨基苯硼酸的修饰电极及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于磺酸化聚氨基苯硼酸的修饰电极的制备方法，采用阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵作为软模板，以过硫酸铵作为氧化剂，苯胺和3‑氨基苯硼酸作为功能单体，有机磺酸作为掺杂剂，通过氧化聚合法制备磺酸化聚氨基苯硼酸纳米材料，采用制备的磺酸化聚氨基苯硼酸纳米材料构置用于葡萄糖检测的修饰电极；还公开了一种基于磺酸化聚氨基苯硼酸的修饰电极及其应用，通过本发明能够检测人体血液中葡萄糖含量，有效避免抗坏血酸和尿酸对电化学检测的干扰，具有良好的选择性和稳定性，检测过程简单。

Description

基于磺酸化聚氨基苯硼酸的修饰电极及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于电化学传感器领域，具体涉及一种基于磺酸化聚氨基苯硼酸的修饰电极及其制备方法和应用。
背景技术
电化学传感器是以电极为信号转换器，并在电极表面固定对检测物具有识别功能的物质，通过测定电流、电位、电容或电导等响应信号，从而实现对目标检测物的定性和定量分析，具有操作简单、成本较低、检测灵敏度高、分析速度快、重现性好且易于微型化等优点，已经广泛的应用于临床医学、食品加工、环境检测、生化分析和工业分析等领域的研究。
苯硼酸与顺式二羟基化合物通过可逆共价键作用形成环状酯，合成不同的苯硼酸衍生物作为人工识别物质可实现对二羟基化合物包括糖、糖蛋白、糖肽、核糖核酸(RNA)等重要生物分子的检测。由于苯硼酸本身不具有电化学活性，因此不能直接用于构建电化学传感器。
聚苯胺是一类典型的导电聚合物，具有优良的导电性和电化学活性。在生理条件下即中性溶液中，聚苯胺很容易发生质子脱掺杂过程，使其导电性变差和电活性丧失，从而影响电化学检测的稳定性。
电化学无酶葡萄糖传感器通常是通过贵金属(铂和金)、过渡金属、过渡金属氧化物以及碳材料修饰电极对葡萄糖的电化学催化从而实现对葡萄糖的直接检测；无酶传感器的缺点是在催化过程中，电极表面生成的一些产物与电极之间具有较强的相互作用，占据了催化反应的活性位点，阻止了反应的进一步进行；此外，人体血液中其他小分子物质，例如抗坏血酸和尿酸很容易对电化学检测产生干扰，从而对传感器的灵敏度、选择性及稳定性具有一定的影响。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于磺酸化聚氨基苯硼酸的修饰电极及其制备方法和应用。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供一种基于磺酸化聚氨基苯硼酸的修饰电极的制备方法，该制备方法为：
采用阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵作为软模板，以过硫酸铵作为氧化剂，苯胺和3-氨基苯硼酸作为功能单体，有机磺酸作为掺杂剂，通过氧化聚合法制备磺酸化聚氨基苯硼酸纳米材料，采用制备的磺酸化聚氨基苯硼酸纳米材料构置用于葡萄糖检测的修饰电极。
上述方案中，所述有机磺酸采用十二烷基苯磺酸、对氨基苯磺酸、樟脑磺酸、磺基水杨酸或对甲苯磺酸中的一种或者多种。
上述方案中，所述磺酸化聚氨基苯硼酸纳米材料的制备方法，具体为：称取0.01～0.11g的十六烷基三甲基溴化铵、0.04～0.14g的苯胺、0.19～0.30g的对氨基苯磺酸和0.02～0.12g的3-氨基苯硼酸溶入15～30mL浓度为0.10～0.20mol/L的HCl溶液中，随后将5～15mL浓度为0.10～0.11mol/L的过硫酸铵溶液加入以上混合溶液中，在2～8℃条件下共聚合反应20～30h，反应完成后得到黑绿色沉淀；过滤沉淀并用二次蒸馏水反复多次洗涤沉淀物至滤液为中性即可，室温下自然晾干，得到的深蓝色沉淀物即为磺酸化聚氨基苯硼酸。
上述方案中，所述采用制备的磺酸化聚氨基苯硼酸纳米材料构置用于葡萄糖检测的修饰电极通过以下步骤实现：
步骤1：玻碳电极的处理：首先玻碳电极在麂皮上分别用0.3和0.05μm的氧化铝粉末仔细抛光打磨至镜面，然后用水、无水乙醇分别超声洗涤1～5min，以除去电极表面粘附的氧化铝粉末，最后用去离子水淋洗干净；所述玻碳电极的Φ＝3mm；
步骤2：磺酸化聚氨基苯硼酸修饰电极的制备：将0.5～2.0mg的磺酸化聚氨基苯硼酸纳米材料溶入0.5～2mL的蒸馏水中超声20～60min，得到均匀悬浮液；量取2～8μL该悬浮液滴涂到步骤1经预处理后的玻碳电极表面，自然晾干，得到磺酸化聚氨基苯硼酸纳米材料修饰电极。
本发明实施例还提供一种由上述制备方法制备的基于磺酸化聚氨基苯硼酸修饰电极。
本发明实施例还提供一种基于磺酸化聚氨基苯硼酸的修饰电极的应用，所述修饰电极用于血糖传感器，以该修饰电极作为工作电极，与对电极、参比电极构建成为三电极体系。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明能够用于检测人体血液中葡萄糖含量，有效避免抗坏血酸和尿酸对电化学检测的干扰，具有良好的选择性和稳定性，检测过程简单。
附图说明
图1为磺酸化聚氨基苯硼酸的红外光谱图；
图2为磺酸化聚氨基苯硼酸的紫外-可见光谱图；
图3为磺酸化聚氨基苯硼酸的扫描电子显微镜图；
图4为磺酸化聚氨基苯硼酸修饰电极分别在pH为5.2(a)、7.4(b)和9.1(c)的PBS中的循环伏安图；
图5为磺酸化聚氨基苯硼酸修饰电极分别对0.0mmol/L(a)、2.0mmol/L(b)和5.0mmol/L(c)葡萄糖电化学响应的循环伏安图；
图6为掺杂不同浓度对氨基苯磺酸所制备的磺酸化聚氨基苯硼酸修饰电极对葡萄糖的电流响应；
图7为磺酸化聚氨基苯硼酸修饰电极对0.0μmol/L(a)和500.0μmol/L(b)的抗坏血酸(A)，以及对0.0μmol/L(a)和500.0μmol/L(b)的尿酸(B)电化学响应的循环伏安图；
图8为磺酸化聚氨基苯硼酸修饰电极对0.5(a)，2.0(b)，5.0(c)，10.0(d)，15.0(e)，20.0(f)和25.0(g)mmol/L葡萄糖的差分脉冲伏安曲线图(A)，修饰电极氧化峰电流与葡萄糖浓度的线性关系图(B)；
图9为磺酸化聚氨基苯硼酸修饰电极对葡萄糖电流响应稳定性的研究。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种基于磺酸化聚氨基苯硼酸修饰电极的制备方法，该制备方法为：
采用阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵作为软模板，以过硫酸铵作为氧化剂，苯胺和3-氨基苯硼酸作为功能单体，有机磺酸作为掺杂剂，通过氧化聚合法制备磺酸化聚氨基苯硼酸纳米材料，采用制备的磺酸化聚氨基苯硼酸纳米材料构置用于葡萄糖检测的修饰电极。
所述有机磺酸采用十二烷基苯磺酸、对氨基苯磺酸、樟脑磺酸、磺基水杨酸或对甲苯磺酸中的一种或者多种。
所述磺酸化聚氨基苯硼酸纳米材料的制备方法，具体为：称取0.01～0.11g的十六烷基三甲基溴化铵、0.04～0.14g的苯胺、0.19～0.30g的对氨基苯磺酸和0.02～0.12g的3-氨基苯硼酸溶入15～30mL浓度为0.10～0.20mol/L的HCl溶液中，随后将5～15mL浓度为0.10～0.11mol/L的过硫酸铵溶液加入以上混合溶液中，在2～8℃条件下共聚合反应20～30h，反应完成后得到黑绿色沉淀；过滤沉淀并用二次蒸馏水反复多次洗涤沉淀物至滤液为中性即可，室温下自然晾干，得到的深蓝色沉淀物即为磺酸化聚氨基苯硼酸。
所述采用制备的磺酸化聚氨基苯硼酸纳米材料构置用于葡萄糖检测的修饰电极通过以下步骤实现：
步骤1：玻碳电极的处理：首先玻碳电极在麂皮上分别用0.3和0.05μm的氧化铝粉末仔细抛光打磨至镜面，然后用水、无水乙醇分别超声洗涤1～5min，以除去电极表面粘附的氧化铝粉末，最后用去离子水淋洗干净；所述玻碳电极的Φ＝3mm；
步骤2：磺酸化聚氨基苯硼酸修饰电极的制备：将0.5～2.0mg的磺酸化聚氨基苯硼酸纳米材料溶入0.5～2mL的蒸馏水中超声20～60min，得到均匀悬浮液；量取2～8μL该悬浮液滴涂到步骤1经预处理后的玻碳电极表面，自然晾干，得到磺酸化聚氨基苯硼酸纳米材料修饰电极。
采用所述制备的磺酸化聚氨基苯硼酸纳米材料构建修饰电极用于血糖传感器，以该修饰电极作为工作电极，与对电极、参比电极构建成为三电极体系。
采用差分脉冲伏安法检测磺酸化聚氨基苯硼酸纳米材料修饰电极对葡萄糖的电流响应，检测线性范围为0.5～25.0mmol/L，从而满足人体中正常血糖范围以及糖尿病患者体内的血糖浓度的测定。
实验数据
1.实验仪器和试剂
本发明使用的仪器：CHI660D型电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)；TGL–16G型离心机(上海安亭科学仪器厂)；KH3200B型超声波清洗器(昆山禾创超声仪器有限公司)；85-2型数显恒温磁力搅拌器(杭州仪表有限公司)；PHS-25型数显pH计(上海仪电科学仪器股份有限公司)；SartoriusBS210S型电子天平(北京赛多利斯天平有限公司)；Ultra55型电子扫描显微镜(德国蔡司仪器公司)；VECTOR22型红外光谱仪(德国Burker公司)；L5S紫外-可见分光光度计(上海精密科学仪器有限公司)。电化学检测采用三电极系统：磺酸化聚氨基苯硼酸纳米材料修饰电极作为工作电极，Ag/AgCl(饱和KCl)电极作为参比电极，铂丝电极作为对电极。
本发明所用的试剂：3-氨基苯硼酸(APBA，98％，Adamas试剂有限公司)；苯胺(ANI，99.5％，Aladdin试剂有限公司)；对氨基苯磺酸(ASA，99％，Aladdin试剂有限公司)；过硫酸铵(APS，98％，Aladdin试剂有限公司)；十六烷基三甲基溴化铵(CTAB，99％，上海山浦化工有限公司)；D-葡萄糖(99％，西安Wolsen生物技术有限公司)；抗坏血酸(AA，98％，Aladdin试剂有限公司)；尿酸(UA，99％，Aladdin试剂有限公司)；血清样品(西北大学校医院)；Na2HPO4、KH2PO4和0.1mol/LKCl所配制的磷酸盐缓冲液(0.1mol/LPBS)；实验过程中所的水为二次蒸馏水，其它试剂均为分析纯。
2实验步骤
2.1磺酸化聚氨基苯硼酸的制备和表征
本发明磺酸化聚氨基苯硼酸的制备：称取0.01～0.11g的十六烷基三甲基溴化铵，0.04～0.14g的苯胺，0.19～0.30g的对氨基苯磺酸和0.02～0.12g的3-氨基苯硼酸溶入15～30mL浓度为0.10～0.20mol/L的HCl溶液中，随后将5～15mL浓度为0.10～0.11mol/L的过硫酸铵溶液加入以上混合溶液中，在2～8℃条件下共聚合反应20～30h，反应完成后得到黑绿色沉淀。过滤沉淀并用二次蒸馏水反复多次洗涤沉淀物至滤液为中性即可，室温下自然晾干，得到的深蓝色沉淀物即为磺酸化聚氨基苯硼酸。
本发明采用红外光谱法(图1)、紫外可见光谱法(图2)和扫描电子显微镜(图3)对所制备的磺酸化聚氨基苯硼酸进行表征。
图1是磺酸化聚氨基苯硼酸的红外光谱图，如图所示，1758cm-1处的特征吸收峰对应的是B-O的伸缩振动；1673cm-1和1595cm-1处的吸收峰分别对应其醌环和苯环的C＝C伸缩振动；1384cm-1处的吸收峰则为C-N伸缩振动。1155cm-1和1060cm-1处O-S-O的不对称伸缩振动和对称伸缩振动，693cm-1则为其S-O的伸缩振动以及615cm-1处C-S的伸缩振动，表明所合成的材料是磺酸化聚氨基苯硼酸。
图2为磺酸化聚氨基苯硼酸的紫外-可见光谱图，聚苯胺的紫外-可见特征吸收峰分别出现在373nm和770nm处。373nm处的吸收峰对应的是苯环的π-π*跃迁峰，770nm处的吸收峰对应的是醌环的n-π*跃迁。在296nm处出现的吸收峰表明磺酸基团的存在。
图3为磺酸化聚氨基苯硼酸扫描电子显微镜图，由图可见，磺酸化聚氨基苯硼酸的形貌呈纳米纤维结构。
2.2磺酸化聚氨基苯硼酸修饰电极的构置
本发明中玻碳电极的处理：首先玻碳电极(Φ＝3mm)在麂皮上分别用0.3和0.05μm的氧化铝粉末仔细抛光打磨至镜面，然后用水、无水乙醇分别超声洗涤1～5min，以除去电极表面粘附的氧化铝粉末，最后用去离子水淋洗干净。
本发明中磺酸化聚氨基苯硼酸修饰电极的制备：将0.5～2.0mg的磺酸化聚氨基苯硼酸纳米材料溶入0.5～2.0mL的蒸馏水中超声20～60min，得到均匀悬浮液；量取2～8μL该悬浮液滴涂到经预处理后的玻碳电极表面，自然晾干，得到磺酸化聚氨基苯硼酸纳米材料修饰电极。
2.3对氨基苯磺酸浓度的优化
本发明中固定3-氨基苯硼酸和苯胺的浓度分别为0.5mmol/L和1.0mmol/L，筛选浓度分别为0.0、0.6、1.1和1.5mmol/L的对氨基苯磺酸，经化学氧化聚合制备磺酸化聚氨基苯硼酸纳米材料。当对氨基苯磺酸浓度为1.1mmol/L时，磺酸化聚氨基苯硼酸修饰电极对5.0mmol/L葡萄糖的氧化电流响应最大(图6)，因此，我们选择对氨基苯磺酸浓度为1.1mmol/L。
3实验结果与讨论
3.1磺酸化聚氨基苯硼酸修饰电极在不同pH条件下的电化学行为研究
本发明采用循环伏安法研究了磺酸化聚氨基苯硼酸修饰电极在不同pH条件下的电化学行为；在pH＝5.2的PBS中，图4曲线a中的两对氧化还原峰对应的是聚苯胺在酸性溶液中的电化学特征响应，表示其从还原态到中间态，再从中间态到完全氧化态的转变。随着PH逐渐增大至7.4和9.1时(图4曲线b和c)，两对氧化还原峰合并成一对氧化还原峰，表明在中性或弱碱性条件下，磺酸化聚氨基苯硼酸仍具有良好的电活性和导电性。
3.2磺酸化聚氨基苯硼酸修饰电极对葡萄糖的电化学响应
本发明采用循环伏安法研究磺酸化聚氨基苯硼酸修饰电极对葡萄糖的电化学响应(图5)。由曲线a可见，磺酸化聚氨基苯硼酸修饰电极在PBS(pH＝7.4)空白溶液中有一对明显的氧化还原峰，且氧化峰电位在+0.12V(vs.Ag/AgCl)。当PBS中存在2.0mmol/L的葡萄糖时，氧化峰正移至+0.16V(vs.Ag/AgCl)处且氧化电流增大(曲线b)，表明葡萄糖与硼酸相互作用生成硼酸酯。随着葡萄糖的浓度增大到5.0mmol/L时，氧化峰电位继续正移至+0.21V(vs.Ag/AgCl)且氧化电流继续增大(曲线c)，表明该聚合物氧化电流的增加与葡萄糖的浓度有关。
3.3磺酸化聚氨基苯硼酸修饰电极的抗干扰性
本发明采用循环伏安法研究磺酸化聚氨基苯硼酸修饰电极对抗坏血酸和尿酸的电化学响应，如图7A和7B所示，500μmol/L的抗坏血酸和500μmol/L的尿酸在该聚合物的氧化峰电位处均不产生电化学响应。图7B中曲线b在+0.57V(vs.Ag/AgCl)处出现的氧化峰对应的是尿酸自身的电化学响应。表明导电聚合物中含有带负电的磺酸基团，通过静电排斥作用，有效的消除了抗坏血酸和尿酸对电化学检测的干扰。
3.4磺酸化聚氨基苯硼酸修饰电极对葡萄糖的检测
本发明在最佳的实验条件下，采用差分脉冲伏安法对葡萄糖进行了检测，如图8所示，在pH＝7.4的PBS中，修饰电极的氧化电流随着葡萄糖浓度的增加而增加。葡萄糖检测的线性范围为0.5～25.0mmol/L，线性方程为ΔI(mA)＝0.011+0.038C(mM)(n＝7，R＝0.9979)，检出限为0.16mmol/L(S/N＝3)。
3.5磺酸化聚氨基苯硼酸修饰电极对葡萄糖电流响应的稳定性
本发明对磺酸化聚氨基苯硼酸修饰电极检测葡萄糖时的稳定性进行了研究，在相同实验条件下，同一根修饰电极在20天内连续对5.0mmol/L葡萄糖进行7次检测。实验结果如图9所示，前3次检测的电流响应随时间的增加逐渐减小直至为初始电流响应的98.6％，随后4次检测的电流响应几乎不变，表明该修饰电极具有良好的稳定性。
3.6实际血清样品检测
本发明对实际血清样品中的葡萄糖含量进行了检测，从西北大学校医院获得三份人体血清样品，在检测之前用PBS稀释。检测结果表1所示，实验结果表明，本方法与常用的酶-比色法测得的葡萄糖含量基本一致。
表1人体血清样品中葡萄糖的检测
综上，本发明的基于磺酸化聚氨基苯硼酸的修饰电极能够用于检测人体血液中葡萄糖含量，有效避免抗坏血酸和尿酸对电化学检测的干扰，具有良好的选择性和稳定性，检测过程简单。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于磺酸化聚氨基苯硼酸的修饰电极的制备方法，其特征在于，该制备方法为：
采用阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵作为软模板，以过硫酸铵作为氧化剂，苯胺和3-氨基苯硼酸作为功能单体，有机磺酸作为掺杂剂，通过氧化聚合法制备磺酸化聚氨基苯硼酸纳米材料，采用制备的磺酸化聚氨基苯硼酸纳米材料构置用于葡萄糖检测的修饰电极。
2.根据权利要求1所述的基于磺酸化聚氨基苯硼酸的修饰电极的制备方法，其特征在于：所述有机磺酸采用十二烷基苯磺酸、对氨基苯磺酸、樟脑磺酸、磺基水杨酸或对甲苯磺酸中的一种或者多种。
3.根据权利要求1或2所述的基于磺酸化聚氨基苯硼酸的修饰电极的制备方法，其特征在于：所述磺酸化聚氨基苯硼酸纳米材料的制备方法，具体为：称取0.01～0.11g的十六烷基三甲基溴化铵、0.04～0.14g的苯胺、0.19～0.30g的对氨基苯磺酸和0.02～0.12g的3-氨基苯硼酸溶入15～30mL浓度为0.10～0.20mol/L的HCl溶液中，随后将5～15mL浓度为0.10～0.11mol/L的过硫酸铵溶液加入以上混合溶液中，在2～8℃条件下共聚合反应20～30h，反应完成后得到黑绿色沉淀；过滤沉淀并用二次蒸馏水反复多次洗涤沉淀物至滤液为中性即可，室温下自然晾干，得到的深蓝色沉淀物即为磺酸化聚氨基苯硼酸。
4.根据权利要求3所述的基于磺酸化聚氨基苯硼酸的修饰电极的制备方法，其特征在于，所述采用制备的磺酸化聚氨基苯硼酸纳米材料构置用于葡萄糖检测的修饰电极通过以下步骤实现：
步骤1：玻碳电极的处理：首先玻碳电极在麂皮上分别用0.3和0.05μm的氧化铝粉末仔细抛光打磨至镜面，然后用水、无水乙醇分别超声洗涤1～5min，以除去电极表面粘附的氧化铝粉末，最后用去离子水淋洗干净；所述玻碳电极的Φ＝3mm；
步骤2：磺酸化聚氨基苯硼酸修饰电极的制备：将0.5～2.0mg的磺酸化聚氨基苯硼酸纳米材料溶入0.5～2mL的蒸馏水中超声20～60min，得到均匀悬浮液；量取2～8μL该悬浮液滴涂到步骤1经预处理后的玻碳电极表面，自然晾干，得到磺酸化聚氨基苯硼酸纳米材料修饰电极。
5.一种由权利要求1-4任意一项所述制备方法制备的基于磺酸化聚氨基苯硼酸修饰电极。
6.一种基于磺酸化聚氨基苯硼酸的修饰电极的应用，其特征在于，所述修饰电极用于血糖传感器，以该修饰电极作为工作电极，与对电极、参比电极构建成为三电极体系。
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