CN106226364A - 一种可视化双极性电极检测装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种可视化双极性电极检测装置，包括分析池、信号池、驱动电源、驱动电极、普鲁士蓝薄膜修饰电极及裸电极；其中，所述分析池及所述信号池内装有pH值6‑8缓冲溶液；所述驱动电极为惰性电极，包括驱动电极1和驱动电极2；驱动电极1和驱动电极2分别设置于分析池内和信号池内且驱动电极1和驱动电极2分别与驱动电源的两极相连；所述普鲁士蓝薄膜修饰电极与所述裸电极分别设置于信号池内和分析池内且所述普鲁士蓝薄膜修饰电极与所述裸电极通过金属导体连接；所述普鲁士蓝薄膜修饰电极包括无色透明的基底电极和包覆在所述基底电极表面的普鲁士蓝薄膜；所述裸电极为与所述普鲁士蓝薄膜修饰电极的基底电极相同的电极。

Description

一种可视化双极性电极检测装置及其应用

技术领域

本发明涉及电化学领域，特别涉及一种可视化双极性电极检测装置及其应用。

背景技术

双极性电化学(bipolar eletrochemistry，简称BPE)体系以其成本低廉、装置简单、操作简易、不受地域控制的优势获得了研究者的青睐，在材料制备、分析检测、物质筛选、带电粒子富集等领域具有广阔的应用前景。尤其是在分析检测方面，BPE体系具有(1)无需直接的欧姆连接；(2)一个直流电源可以控制多个双极性电极；(3)检测电极与信号电极分立等优势。因此，近些年来使用BPE体系进行分析检测的研究层出不穷。但是，这些BPE体系主要存在以下两方面的缺陷：(1)输出信号主要是荧光和电化学发光信号。荧光信号需要激发光源，应用度不高；电化学发光信号需要配套仪器，装置复杂，降低了BPE体系的便携性和简单性。(2)检测电活性底物时实现既能检测氧化性物质又能检测还原性物质是一个难题。为解决上述两个问题，专利申请CN105067689A中公开了一种双极性电极体系，该双极性电极体系包括由ITO电极和ITO/rGO/PMT(rGO＝还原性氧化石墨烯，PMT＝聚(3-甲基噻吩))薄膜电极组成的双极性电极，其中，ITO/rGO/PMT薄膜电极浸于信号池中，该池中的电解液为六氟磷酸盐的乙腈溶液。由于该双极性电极体系利用PMT薄膜掺杂/去掺杂过程中的颜色变化作为输出信号，所以可以避免荧光和电化学发光信号所存在的外加仪器检测的问题，而且，该双极性电极体系利用掺杂过程的颜色变化检测氧化性物质，通过去掺杂过程的颜色变化检测还原性物质，使得该双极性电极体系既能检测氧化性物质又能检测还原性物质；但是该双极性电极体系存在两点不足：(1)以PMT薄膜掺杂/去掺杂过程中的颜色变化作为输出信号，在由红色变到蓝色过程中，经过中间色灰绿色，肉眼较难判断，颜色变化不明显。另外，对检测底物的响应较差，检测不灵敏，例如，对电活性物质H₂O₂来说，检测范围1-5mM，最低检测限较高，也就是说，当检测浓度较小的H₂O₂时，例如检测0.3mM或0.7mM的H₂O₂时，均只能判断出H₂O₂的浓度小于1mM，准确度较差。(2)PMT薄膜掺杂/去掺杂过程需要在六氟磷酸盐的乙腈溶液中进行。由于需要使用离子液体的有机溶液体系，且需要在通N₂除氧的条件下进行检测，不仅不环保，而且限制了该双极性电极体系的便携性和简单性。

发明内容

本发明实施例公开了一种可视化双极性电极检测装置及其应用，用于解决现有技术中的双极性电极体系所存在的两个问题。技术方案如下：

本发明首先提供了一种可视化双极性电极检测装置，包括分析池、信号池、驱动电源、驱动电极、普鲁士蓝薄膜修饰电极及裸电极；

其中，所述分析池及所述信号池内装有pH值6-8，优选为7-7.5的缓冲溶液；

所述驱动电极为惰性电极，包括驱动电极1和驱动电极2；驱动电极1和驱动电极2分别设置于分析池内和信号池内且驱动电极1和驱动电极2分别与驱动电源的两极相连；

所述普鲁士蓝薄膜修饰电极与所述裸电极分别设置于信号池内和分析池内且所述普鲁士蓝薄膜修饰电极与所述裸电极通过金属导体连接；所述普鲁士蓝薄膜修饰电极包括无色透明的基底电极和包覆在所述基底电极表面的普鲁士蓝薄膜；所述裸电极为与所述普鲁士蓝薄膜修饰电极的基底电极相同的电极。

在本发明的一种优选实施方式中，所述驱动电极选自金电极、铂电极、玻碳电极或石墨电极。

在本发明的一种优选实施方式中，所述金属导体选自金、铂、铜、铝、镁或铁。

在本发明的一种优选实施方式中，所述缓冲溶液为磷酸缓冲溶液或Britton–Robinson缓冲溶液。

在本发明的一种优选实施方式中，所述无色透明的基底电极选自于ITO电极或FTO电极。

在本发明的一种优选实施方式中，所述普鲁士蓝薄膜修饰电极由以下方法制得：

将无色透明的基底电极置于电解液中采用恒电位法进行电沉积，其中，所施加的恒电压为0.3-0.6V；电沉积时间为2-12分钟；所述电解液包括：0.05-0.2M的支持电解质、0.5-10mM的铁氰化钾、0.5-10mM的氯化铁及pH值调节剂，所述的电解液的pH值为0.5-1.5，优选地，所述铁氰化钾和氯化铁的摩尔浓度相同。

在本发明的一种优选实施方式中，所述支持电解质选自于KCl、NaCl、K₂SO₄及Na₂SO₄中的至少一种，所述pH值调节剂选自于HCl或H₂SO₄。

在本发明的一种优选实施方式中，在将无色透明的基底电极置于电解液中采用恒电位法进行电沉积之前，还包括：

将所述无色透明的基底电极进行清洗处理。

本发明还提供了一种应用上述的可视化双极性电极检测装置检测还原性物质的方法，包括：

1)、确定n个含有不同已知浓度目标还原性物质的缓冲溶液分别所对应的普鲁士蓝薄膜修饰电极的颜色，n≥2；其中，确定每一个含有已知浓度目标还原性物质的缓冲溶液所对应的普鲁士蓝薄膜修饰电极颜色的方法包括：

以该含有已知浓度目标还原性物质的缓冲溶液代替可视化双极性电极检测装置的分析池中的缓冲溶液，接通驱动电源，施加正电压，通电指定时间后，所述普鲁士蓝薄膜修饰电极显示与该含有已知浓度目标还原性物质的缓冲溶液对应的颜色，其中，所述正电压为低于水在裸电极上的氧化电位的正电压，优选为低于3V的正电压；

2)、以含有未知浓度目标还原性物质的缓冲溶液代替步骤1)中的含有已知浓度目标还原性物质的缓冲溶液，重复步骤1)，确定含有未知浓度目标还原性物质的缓冲溶液对应的普鲁士蓝薄膜修饰电极的颜色；

3)、将步骤2)中确定的含有未知浓度目标还原性物质的缓冲溶液对应的普鲁士蓝薄膜修饰电极的颜色与步骤1)中确定的n个含有不同已知浓度目标还原性物质的缓冲溶液所对应的普鲁士蓝薄膜修饰电极的颜色进行对比，确定含有未知浓度目标还原性物质的缓冲溶液中的目标还原性物质的浓度范围。

本发明还提供了一种应用上述的可视化双极性电极检测装置检测氧化性物质的方法，包括：

1)、将普鲁士蓝薄膜修饰电极还原成普鲁士白薄膜修饰电极，获得还原后的可视化双极性电极检测装置；

2)、确定n个含有不同已知浓度目标氧化性物质的缓冲溶液分别所对应的普鲁士白薄膜修饰电极的颜色，n≥2；其中，确定每一个含有已知浓度目标氧化性物质的缓冲溶液所对应的普鲁士白薄膜修饰电极颜色的方法包括：

以该含有已知浓度目标氧化性物质的缓冲溶液代替步骤1)获得的还原后的可视化双极性电极检测装置的分析池中的缓冲溶液，接通驱动电源，施加负电压，通电指定时间后，所述普鲁士白薄膜修饰电极显示与该含有已知浓度目标氧化性物质的缓冲溶液对应的颜色，其中，所述负电压为高于水在裸电极上的还原电位的负电压，优选为高于-2.0V的负电压；

3)、以含有未知浓度目标氧化性物质的缓冲溶液代替步骤2)中的含有已知浓度目标氧化性物质的缓冲溶液，重复步骤2)，确定含有未知浓度目标氧化性物质的缓冲溶液对应的普鲁士白薄膜修饰电极的颜色；

4)、将步骤3)中确定的含有未知浓度目标氧化性物质的缓冲溶液对应的普鲁士白薄膜修饰电极的颜色与步骤2)中确定的n个含有不同已知浓度目标氧化性物质缓冲溶液分别所对应的普鲁士白薄膜修饰电极的颜色进行对比，确定含有未知浓度目标氧化性物质的缓冲溶液中的目标氧化性物质的浓度范围。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明以具有氧化还原活性的普鲁士蓝薄膜作为信号物质，设计出了可视化双极性电极检测装置，通过普鲁士蓝/普鲁士白薄膜的氧化还原过程中的颜色变化作为输出信号，仅为单一颜色深浅的改变，即由较深蓝色到较浅的蓝色(还原过程)或由较浅的蓝色到较深蓝色(氧化过程)，肉眼容易判断，另外，对检测底物的响应较为敏感，最低检测限较低，如对H₂O₂的浓度检测范围为0.5-2.5mM，与现有技术相比，对H₂O₂的最低检测限降至0.5mM(M表示mol/L)。

(2)普鲁士蓝薄膜的氧化还原过程在水中即可完成，不需要有机溶液体系，且无需通N₂除氧，大大提高了本发明的可视化双极性电极检测装置的便携性和环保性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的可视化双极性电极检测装置结构示意图；

图2为ITO电极和实施例1制备的ITO/PB薄膜电极的紫外-可见光谱图，其中，曲线a为ITO电极的紫外-可见光谱图，曲线b为ITO/PB薄膜电极的紫外-可见光谱图；

图3为含有0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5mM H₂O₂的BR缓冲溶液对应的ITO/PW薄膜电极的颜色图片，其中，图片a为0mM H₂O₂的BR缓冲溶液对应的颜色，图片b为0.5mM H₂O₂的BR缓冲溶液对应的颜色，图片c为1.0mM H₂O₂的BR缓冲溶液对应的颜色，图片d为1.5mM H₂O₂的BR缓冲溶液对应的颜色，图片e为2.0mM H₂O₂的BR缓冲溶液对应的颜色，图片f为2.5mM H₂O₂的BR缓冲溶液对应的颜色；

图4为含有未知浓度H₂O₂的BR缓冲溶液对应的ITO/PW薄膜电极的颜色图片；

图5为含有0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5mM GSH的BR缓冲溶液对应的ITO/PB薄膜电极的颜色图片，其中，图片a为0mM GSH的BR缓冲溶液对应的颜色，图片b为0.5mM GSH的BR缓冲溶液对应的颜色，图片c为1.0mM GSH的BR缓冲溶液对应的颜色，图片d为1.5mM GSH的BR缓冲溶液对应的颜色，图片e为2.0mM GSH的BR缓冲溶液对应的颜色，图片f为2.5mM GSH的BR缓冲溶液对应的颜色；

图6为含有未知浓度GSH的BR缓冲溶液对应的ITO/PB薄膜电极的颜色图片。

具体实施方式

本发明首先提供了一种可视化双极性电极检测装置，包括分析池、信号池、驱动电源、驱动电极、普鲁士蓝薄膜修饰电极及裸电极；

其中，所述分析池及所述信号池内装有pH值6-8，优选为7-7.5的缓冲溶液；

所述驱动电极为惰性电极，包括驱动电极1和驱动电极2；驱动电极1和驱动电极2分别设置于分析池内和信号池内且驱动电极1和驱动电极2分别与驱动电源的两极相连；

所述普鲁士蓝薄膜修饰电极与所述裸电极分别设置于信号池内和分析池内且所述普鲁士蓝薄膜修饰电极与所述裸电极通过金属导体连接；所述裸电极为与所述普鲁士蓝薄膜修饰电极的基底电极相同的电极。需要说明的是，分析池和信号池内的各电极互相不接触。在实际应用中，驱动电源采用直流电源。

上述可视化双极性电极检测装置中的普鲁士蓝薄膜修饰电极，包括无色透明的基底电极和包覆在所述基底电极表面的普鲁士蓝(简称PB，分子式为Fe^Ⅲ ₄[Fe^Ⅱ(CN)₆]₃)薄膜。在本发明的具体实施方式中，无色透明的基底电极可以选自于ITO电极或FTO电极。所说的ITO电极也称为铟锡氧化物电极，也称为氧化铟锡电极；所说的FTO电极为氟掺杂氧化锡电极；这两种电极均为本领域常用的电极。

普鲁士蓝薄膜修饰电极可以由以下方法制得，该方法可以包括以下步骤：

将无色透明的基底电极置于电解液中采用恒电位法进行电沉积，其中，所施加的恒电压为0.3-0.6V；电沉积时间为2-12分钟；所述电解液包括：0.05-0.2M的支持电解质、0.5-10mM的铁氰化钾(K₃[Fe(CN)₆])、0.5-10mM的氯化铁及pH值调节剂，所述的电解液的pH值0.5-1.5

在实际应用中，可以通过控制铁氰化钾、氯化铁的浓度及电沉积的电压、时间来获得不同厚度的普鲁士蓝薄膜。

在本发明的具体实施方式中，支持电解质选自于KCl、NaCl、K₂SO₄及Na₂SO₄中的至少一种，pH值调节剂选自于HCl或H₂SO₄。

需要说明的是，恒电位法电沉积是本领域常用的技术，可以采用三电极体系(例如以铂电极作为对电极，以饱和甘汞电极为参比电极，以无色透明的基底电极作为工作电极)在电化学工作站中进行。其具体操作过程本发明在此不进行限定，本领域普通技术人员完全可以根据本发明所公开的恒电压及电沉积时间等工艺参数来实现电沉积。

在本发明的具体实施方式中，在将无色透明的基底电极置于电解液中采用恒电位法进行电沉积之前，还包括：将所述无色透明的基底电极进行清洗处理。

例如，可以采用如下方法进行清洗：将无色透明的基底电极依次用超纯水(由超纯水仪制备)超声清洗5分钟，alconox溶液(质量分数3.95％KOH的乙醇溶液)超声清洗5分钟，超纯水超声清洗5分钟。

本发明提供的可视化双极性电极检测装置工作原理如下：

首先在本发明中，当信号池中的驱动电极2连接驱动电源负极，分析池中的驱动电极1连接驱动电源正极时，驱动电压为“-”；当信号池中的驱动电极2连接驱动电源正极，分析池中的驱动电极1连接驱动电源负极时，驱动电压为“+”。

当合适的驱动电压施加到驱动电极上时，分析池内和信号池内会发生相应的氧化还原反应，其中在信号池内，普鲁士蓝发生还原反应时，得到电子还原成普鲁士白(简称PW，分子式为Fe^Ⅱ ₂[Fe^Ⅱ(CN)₆])，普鲁士蓝薄膜修饰电极转换成普鲁士白薄膜修饰电极；当普鲁士白发生氧化反应时，失去电子氧化成普鲁士蓝，普鲁士白薄膜修饰电极又变成普鲁士蓝薄膜修饰电极。

需要说明的是，普鲁士白理论上是无色透明的，但是由于其具有还原性，在含氧的水溶液中会有部分发生氧化，而本发明中所采用的缓冲溶液并没有进行脱氧处理，因此前面所说的“普鲁士蓝薄膜修饰电极转换成普鲁士白薄膜修饰电极”时，该普鲁士白薄膜修饰电极会由于普鲁士白的部分氧化显示出较浅的蓝色，当然，这种较浅的蓝色已经趋向于无色透明，而普鲁士蓝本身显现的蓝色较深，因此，普鲁士白薄膜修饰电极和普鲁士蓝薄膜修饰电极之间还是存在较大的色差，该色差对于肉眼来说是非常明显的，是足以实现本发明的。

如图1所示，在下述反应中，当可视化双极性电极检测装置信号池中的电极为普鲁士白薄膜修饰电极时，如果驱动电源施加的电压等于或低于水在裸电极上的还原电位，例如-2.0V时，分析池中裸电极上发生反应(1)，H₂O得电子被还原；信号池中发生反应(5)，PW失电子被氧化成PB，随着信号池中氧化反应的进行，普鲁士白薄膜修饰电极颜色逐渐由趋近无色透明的浅蓝色向较深的蓝色转变；当可视化双极性电极检测装置信号池中的电极为普鲁士蓝薄膜修饰电极时，如果驱动电源施加的电压等于或高于水在裸电极上的氧化电位，例如3.0V时，分析池中裸电极上发生反应(4)，H₂O失电子被氧化，信号池中发生反应(2)，PB得到电子被还原成PW，随着信号池中还原反应的进行，普鲁士蓝薄膜修饰电极颜色逐渐由较深的蓝色向趋近无色透明的浅蓝色转变。

当可视化双极性电极检测装置信号池中的电极为普鲁士白薄膜修饰电极且分析池中含有氧化性物质例如H₂O₂时，如果驱动电源施加的电压为高于水在裸电极上的还原电位的负电压时，裸电极上发生反应(3)，H₂O₂得电子被还原，信号池中发生反应(5)，PW失电子被氧化成PB，随着信号池中氧化反应的进行，普鲁士白薄膜修饰电极颜色由趋近无色透明的浅蓝色向较深的蓝色转变。本文中，所说的氧化性物质指的是能溶于水，且其还原电位高于水在裸电极上的还原电位的物质，包括但不限于H₂O₂、铁氰化钾、苯酚及其衍生物等。

当可视化双极性电极检测装置信号池中的电极为普鲁士蓝薄膜修饰电极且分析池中含有还原性物质例如谷胱甘肽(GSH)，如果驱动电源施加的电压为低于水在裸电极上的氧化电位的正电压时，裸电极上发生反应(6)，GSH失电子被氧化，信号池中发生反应(2)PB得到电子被还原成PW，随着信号池中还原反应的进行，普鲁士蓝薄膜修饰电极颜色由较深的蓝色向趋近无色透明的浅蓝色转变。本文中，所说的还原性物质指的是能溶于水，且其氧化电位低于水在裸电极上的氧化电位的物质，包括但不限于谷胱甘肽、抗坏血酸、多巴胺等。

阴极：4H₂O+4e^-→2H₂+4OH^- (1)

PB+e^-→PW (2)

H₂O₂+2H⁺+2e^-→2H₂O (3)

阳极：2H₂O-4e^-→O₂+4H⁺ (4)

PW-e^-→PB (5)

2GSH-2e^-→GS-SG+2H⁺ (6)

在本发明的技术方案中，驱动电极为惰性电极，在具体实施过程中，驱动电极可以选自金电极、铂电极、玻碳电极或石墨电极；在本发明的具体实施方式中，金属导体可以为金、铂、铜、铝、镁或铁等，其形状可以是片状或丝状；由于铜片导电性良好和价格低廉，优选铜片作为金属导体。

在本发明的具体实施方式中，缓冲溶液优选为磷酸缓冲溶液或Britton–Robinson缓冲溶液。由于pH 7.4接近人体血液的pH值，因此当pH值为7.4时，本发明的可视化双极性电极检测装置可用于检测人的细胞液、血清、尿样等中的氧化性物质或还原性物质。本文中的Britton–Robinson缓冲溶液，也称为伯瑞坦-罗比森缓冲溶液，包括0.1mol/L NaCl，0.04mol/L CH₃COOH，0.04mol/L H₃BO₃，0.04mol/L H₃PO₄，并用NaOH调节pH值6-8，优选为7-7.5。

本发明还提供了应用前述的可视化双极性电极检测装置检测还原性物质的方法，可以包括：

1)、确定n个含有不同已知浓度目标还原性物质的缓冲溶液分别所对应的普鲁士蓝薄膜修饰电极的颜色，n≥2；其中，确定每一个含有已知浓度目标还原性物质的缓冲溶液所对应的普鲁士蓝薄膜修饰电极颜色的方法包括：

以该含有已知浓度目标还原性物质的缓冲溶液代替可视化双极性电极检测装置的分析池中的缓冲溶液，接通驱动电源，施加正电压，通电指定时间后，所述普鲁士蓝薄膜修饰电极显示与该含有已知浓度目标还原性物质的缓冲溶液对应的颜色，其中，所述正电压为低于水在裸电极上的氧化电位的正电压，优选为低于3V的正电压；

2)、以含有未知浓度目标还原性物质的缓冲溶液代替步骤1)中的含有已知浓度目标还原性物质的缓冲溶液，重复步骤1)，确定含有未知浓度目标还原性物质的缓冲溶液对应的普鲁士蓝薄膜修饰电极的颜色；

3)、将步骤2)中确定的含有未知浓度目标还原性物质的缓冲溶液对应的普鲁士蓝薄膜修饰电极的颜色与步骤1)中确定的n个含有不同已知浓度目标还原性物质的缓冲溶液所对应的普鲁士蓝薄膜修饰电极的颜色进行对比，确定含有未知浓度目标还原性物质的缓冲溶液中的目标还原性物质的浓度范围；其中，步骤1)-3)中所施加的正电压是相同的；通电时间是相同的，优选为10-50秒，更优选为15-30秒。另外，含有已知浓度目标还原性物质的缓冲溶液的配制方法可以为：将已知质量的还原性物质溶于缓冲溶液中，并通过换算确定其浓度。含有未知浓度目标还原性物质的缓冲溶液的配制方法同上，只是在配制过程中，目标还原性物质的质量不确定。

需要说明的是，在步骤1)或步骤2)中，当需要通过检测确定目标还原性物质的缓冲溶液所对应的颜色时，先要确定普鲁士蓝薄膜修饰电极为初始状态，初始状态的鲁士蓝薄膜修饰电极可以理解为实施例1所制备得的普鲁士蓝薄膜修饰电极。

本发明还提供了应用前述的可视化双极性电极检测装置检测氧化性物质的方法，包括：

1)、将普鲁士蓝薄膜修饰电极还原成普鲁士白薄膜修饰电极，获得还原后的可视化双极性电极检测装置；

2)、确定n个含有不同已知浓度目标氧化性物质的缓冲溶液分别所对应的普鲁士白薄膜修饰电极的颜色，n≥2；其中，确定每一个含有已知浓度目标氧化性物质的缓冲溶液所对应的普鲁士白薄膜修饰电极颜色的方法包括：

以该含有已知浓度目标氧化性物质的缓冲溶液代替步骤1)获得的还原后的可视化双极性电极检测装置的分析池中的缓冲溶液，接通驱动电源，施加负电压，通电指定时间后，所述普鲁士白薄膜修饰电极显示与该含有已知浓度目标氧化性物质的缓冲溶液对应的颜色，其中，所述负电压为高于水在裸电极上的还原电位的负电压，优选为高于-2.0V的负电压；

3)、以含有未知浓度的目标氧化性物质的缓冲溶液代替步骤2)中的含有已知浓度目标氧化性物质的缓冲溶液，重复步骤2)，确定含有未知浓度目标氧化性物质的缓冲溶液对应的普鲁士白薄膜修饰电极的颜色；

4)、将步骤3)中确定的含有未知浓度目标氧化性物质的缓冲溶液对应的普鲁士白薄膜修饰电极的颜色与步骤2)中确定的n个含有不同已知浓度目标氧化性物质缓冲溶液分别所对应的普鲁士白薄膜修饰电极的颜色进行对比，确定含有未知浓度目标氧化性物质的缓冲溶液中的目标氧化性物质的浓度范围。其中，步骤1)-4)中所施加的负电压是相同的；通电时间是相同的，优选为10-50秒，更优选为15-30秒。关于目标氧化性物质的缓冲溶液的配制方法参考前文中目标还原性物质的缓冲溶液的配制方法即可，本发明在此不进行限定。

需要说明的是，在步骤2)或步骤3)中，当需要通过检测确定目标氧化性物质的缓冲溶液所对应的颜色时，先要确定普鲁士白薄膜修饰电极为初始状态，初始状态的鲁士白薄膜修饰电极可以理解为步骤1)中所获得的普鲁士白薄膜修饰电极。

需要说明的是，根据前述的可视化双极性电极检测装置工作原理可知，当检测氧化性物质时，需要先将蓝色的普鲁士蓝薄膜修饰电极还原成普鲁士白薄膜修饰电极，然后用具有普鲁士白薄膜修饰电极的可视化双极性电极检测装置对不同浓度的氧化性物质进行检测；所以在应用本发明提供的检测氧化性物质的方法时，首先要进行步骤1)，将普鲁士蓝薄膜修饰电极还原成普鲁士白薄膜修饰电极，从而获得还原后的可视化双极性电极检测装置。将普鲁士蓝薄膜修饰电极还原成普鲁士白薄膜修饰电极的方式可以通过电化学工作站，采用三电极体系在-0.1～+0.1V恒电压下处理15秒来实现；也可以对本发明提供的可视化双极性电极检测装置施加高于3.0V的正驱动电压，通电指定时间例如20秒，使分析池中发生上述反应(4)，信号池中发生上述反应(2)，即可将深蓝色的普鲁士蓝薄膜修饰电极还原成浅蓝色的普鲁士白薄膜修饰电极。

需要说明的是，本领域的技术人员能够想到，在检测同一物质时，为了确保检测的准确性，较佳的方案是采用相同的可视化双极性电极检测装置，所谓相同的可视化双极性电极检测装置是指在检测不同浓度的同一物质时，驱动电极是相同的；驱动电源所施加的驱动电压是相同的；普鲁士蓝薄膜修饰电极与裸电极分别是相同的；分析池及信号池中缓冲溶液体积、种类和浓度均是相同的；分析池中的驱动电极1和裸电极的相对位置关系是相同的，信号池中的驱动电极2和普鲁士蓝薄膜修饰电极的相对位置关系是相同的；进一步地，普鲁士蓝薄膜修饰电极或普鲁士白薄膜修饰电极浸在信号池缓冲溶液中的表面积是相同的。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：普鲁士蓝薄膜修饰电极的制备

首先清洗ITO电极，方法如下：依次用超纯水超声清洗5分钟，alconox溶液(质量分数3.95％KOH的乙醇溶液)超声清洗5分钟，超纯水超声清洗5分钟。

将ITO电极置于电解液中，采用三电极体系(以Pt为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，清洗干净的ITO电极为工作电极)在电化学工作站(CHI 660A电化学工作站，上海辰华仪器公司)中进行采用恒电位法进行电沉积；

其中，电解液由0.1M HCl、0.1M KCl、2.5mM K₃[Fe(CN)₆]和2.5mM FeCl₃组成，所施加的恒电压为0.4V；电沉积时间为4分钟，在ITO电极表面得到均匀的蓝色PB薄膜，此普鲁士蓝薄膜修饰电极简称为ITO/PB薄膜电极。

将实施例1制备的ITO/PB薄膜电极进行紫外-可见光谱表征，结果见图2；由图2可见，实施例1制备的ITO/PB薄膜电极在500～800nm之间有一个较宽的吸收峰，而ITO电极在扫描范围无明显吸收，说明PB薄膜成功修饰在了ITO电极表面，得到ITO/PB薄膜电极。此外，经电化学修饰PB后，通过肉眼观察到ITO电极表面形成一层均匀的蓝色薄膜也可以证明在ITO电极表面成功形成了PB薄膜。

实施例2：构建可视化双极性电极检测装置

将两个10mL烧杯分别作为分析池、信号池，均盛放pH 7.4的Britton-Robinson(BR)缓冲溶液10mL；驱动电极由两个铂片电极组成，并与直流电源连接，两个铂片电极分别浸在分析池和信号池中的BR缓冲溶液中；将实施例1制备的ITO/PB薄膜电极和裸ITO电极分别浸在信号池和分析池中的缓冲溶液中，二者由铜片连接；分析池内的铂片电极与ITO电极平行放置，二者的距离为1.5cm；信号池内的铂片电极与ITO/PB薄膜电极平行放置，二者的距离为1.5cm。

实施例3：利用实施例2构建的可视化双极性电极检测装置检测H₂O₂

1)、将可视化双极性电极检测装置直流电源的电压调至+3.0V，通电20秒，ITO/PB薄膜电极还原成普鲁士白薄膜修饰电极(简称为ITO/PW薄膜电极)该ITO/PW薄膜电极的颜色如图3中的图片a所示，由于此时缓冲溶液中不含有H₂O₂，因此，此时ITO/PW薄膜电极的颜色相当于0mM H₂O₂缓冲溶液对应的ITO/PW薄膜电极的颜色；

2)、将0.5mM H₂O₂的pH 7.4的BR缓冲溶液代替1)中分析池中的BR缓冲溶液，将直流电源的电压调至-1.5V，通电30秒，获得含有0.5mM H₂O₂的缓冲溶液对应的ITO/PW薄膜电极的颜色，如图3中的图片b所示。然后再将电压调至3.0V，通电20秒，将ITO/PW薄膜电极还原成初始状态(初始状态的ITO/PW薄膜电极为步骤1)中施加+3.0V电压所得的ITO/PW薄膜电极)。

分别以含有1.0、1.5、2.0、2.5mM H₂O₂的pH 7.4的BR缓冲溶液代替1)中分析池中的BR缓冲溶液，重复进行步骤2)；分别得到含有1.0、1.5、2.0、2.5mM H₂O₂的缓冲溶液对应的颜色，分别如图3中的图片c-f所示。将含有0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5mM H₂O₂的缓冲溶液对应的蓝色，即图3中的图片a-f组成比色卡，用于判断未知浓度的H₂O₂缓冲溶液的浓度，从图3可以看出，随着H₂O₂浓度的增加，ITO/PW薄膜电极的蓝色逐渐加深。

3)、以未知浓度的H₂O₂的pH 7.4的BR缓冲溶液代替步骤2)中分析池中的pH 7.4的BR缓冲溶液，重复进行步骤2)；得到未知浓度H₂O₂对应的颜色(如图4所示)。

4)、将步骤3)中未知浓度H₂O₂对应的颜色与步骤2)中得到的比色卡进行比较可知，未知浓度H₂O₂对应的颜色位于1.0mM和1.5mM H₂O₂对应的颜色之间，因此确定此未知浓度的H₂O₂的浓度范围在在1.0mM～1.5mM之间，且由于未知浓度H₂O₂对应的颜色更接近1.5mM H₂O₂对应的颜色，因此可以确定H₂O₂的浓度更接近于1.5mM。

实施例4：利用实施例2构建的可视化双极性电极检测装置检测GSH

1)、实施例2构建的可视化双极性电极检测装置中的ITO/PB薄膜电极的颜色如图5中的图片a所示，由于此时缓冲溶液中不含有GSH，因此，此时ITO/PB薄膜电极的颜色相当于0mM GSH缓冲溶液对应的ITO/PB薄膜电极的颜色；

将0.5mM H₂O₂的pH 7.4的BR缓冲溶液代替1)中分析池中的BR缓冲溶液，将直流电源的电压调至2.5V，通电30秒，获得0.5mM GSH对应的ITO/PB薄膜电极的颜色，如图5中的图片b所示。然后将可视化双极性电极检测装置直流电源的电压调至-2.0V，通电30秒，将ITO/PB薄膜电极氧化成初始状态(初始状态的ITO/PB薄膜电极为施加-2.0V电压所获得的ITO/PB薄膜电极)。

分别以含有1.0、1.5、2.0、2.5mM GSH的pH 7.4的BR缓冲溶液代替分析池中的缓冲溶液，重复进行步骤1)，分别得到1.0、1.5、2.0、2.5mM GSH对应的颜色，分别如图5中的图片c-f所示。将0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5mM GSH对应的颜色，即图5中的图片a-f组成比色卡，用于判断未知浓度的GSH的浓度，从图5可以看出，随着GSH浓度的增加，ITO/PB薄膜电极的蓝色逐渐变浅。

2)、以未知浓度的GSH的pH 7.4的BR缓冲溶液代替步骤1)中分析池中的BR缓冲溶液，重复进行步骤1)；得到未知浓度GSH对应的颜色(如图6所示)。

3)、将步骤2)中未知浓度GSH对应的蓝色与步骤1)中得到的比色卡进行比较可知，未知浓度GSH对应的颜色位于0mM和0.5mM GSH对应的颜色之间，因此确定此未知浓度的GSH的浓度范围在0mM～0.5mM之间，且由于未知浓度GSH对应的颜色更接近0.5mM GSH对应的颜色，因此可以确定GSH的浓度更接近于0.5mM。

从上述实施例知，氧化性物质或还原性物质的浓度可以由普鲁士蓝薄膜修饰电极/普鲁士白薄膜修饰电极的颜色变化来显示，并且普鲁士蓝薄膜修饰电极/普鲁士白薄膜修饰电极颜色可持久保持，可随时观测检测结果，不需要辅助其他仪器设备，检测方法简单方便，此外，改变电压可使得普鲁士蓝薄膜修饰电极和普鲁士白薄膜修饰电极相互切换，可反复使用。

以上对本发明所提供的一种可视化双极性电极检测装置及其应用进行了详细介绍。本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其中心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护。

Claims (10)

1.一种可视化双极性电极检测装置，其特征在于，包括分析池、信号池、驱动电源、驱动电极、普鲁士蓝薄膜修饰电极及裸电极；

其中，所述分析池及所述信号池内装有pH值6-8，优选为7-7.5的缓冲溶液；

所述驱动电极为惰性电极，包括驱动电极1和驱动电极2；驱动电极1和驱动电极2分别设置于分析池内和信号池内且驱动电极1和驱动电极2分别与驱动电源的两极相连；

所述普鲁士蓝薄膜修饰电极与所述裸电极分别设置于信号池内和分析池内且所述普鲁士蓝薄膜修饰电极与所述裸电极通过金属导体连接；所述普鲁士蓝薄膜修饰电极包括无色透明的基底电极和包覆在所述基底电极表面的普鲁士蓝薄膜；所述裸电极为与所述普鲁士蓝薄膜修饰电极的基底电极相同的电极。

2.如权利要求1所述的可视化双极性电极检测装置，其特征在于，所述驱动电极选自金电极、铂电极、玻碳电极或石墨电极。

3.如权利要求1所述的可视化双极性电极检测装置，其特征在于，所述金属导体选自金、铂、铜、铝、镁或铁。

4.如权利要求1所述的可视化双极性电极检测装置，其特征在于，所述缓冲溶液为磷酸缓冲溶液或Britton–Robinson缓冲溶液。

5.如权利要求1所述的可视化双极性电极检测装置，其特征在于，所述无色透明的基底电极选自于ITO电极或FTO电极。

6.如权利要求1所述的可视化双极性电极检测装置，其特征在于，所述普鲁士蓝薄膜修饰电极由以下方法制得：

将无色透明的基底电极置于电解液中采用恒电位法进行电沉积，其中，所施加的恒电压为0.3-0.6V；电沉积时间为2-12分钟；所述电解液包括：0.05-0.2M的支持电解质、0.5-10mM的铁氰化钾、0.5-10mM的氯化铁及pH值调节剂，所述的电解液的pH值为0.5-1.5，优选地，所述铁氰化钾和氯化铁的摩尔浓度相同。

7.如权利要求6所述的所述的可视化双极性电极检测装置，其特征在于，所述支持电解质选自于KCl、NaCl、K₂SO₄及Na₂SO₄中的至少一种，所述pH值调节剂选自于HCl或H₂SO₄。

8.如权利要求6所述的所述的可视化双极性电极检测装置，其特征在于，在将无色透明的基底电极置于电解液中采用恒电位法进行电沉积之前，还包括：

将所述无色透明的基底电极进行清洗处理。

9.一种应用权利要求1-8中任一项所述的可视化双极性电极检测装置检测还原性物质的方法，其特征在于，包括：

1)、确定n个含有不同已知浓度目标还原性物质的缓冲溶液分别所对应的普鲁士蓝薄膜修饰电极的颜色，n≥2；其中，确定每一个含有已知浓度目标还原性物质的缓冲溶液所对应的普鲁士蓝薄膜修饰电极颜色的方法包括：

以该含有已知浓度目标还原性物质的缓冲溶液代替可视化双极性电极检测装置的分析池中的缓冲溶液，接通驱动电源，施加正电压，通电指定时间后，所述普鲁士蓝薄膜修饰电极显示与该含有已知浓度目标还原性物质的缓冲溶液对应的颜色，其中，所述正电压为低于水在裸电极上的氧化电位的正电压，优选为低于3V的正电压；

2)、以含有未知浓度目标还原性物质的缓冲溶液代替步骤1)中的含有已知浓度目标还原性物质的缓冲溶液，重复步骤1)，确定含有未知浓度目标还原性物质的缓冲溶液对应的普鲁士蓝薄膜修饰电极的颜色；

3)、将步骤2)中确定的含有未知浓度目标还原性物质的缓冲溶液对应的普鲁士蓝薄膜修饰电极的颜色与步骤1)中确定的n个含有不同已知浓度目标还原性物质的缓冲溶液所对应的普鲁士蓝薄膜修饰电极的颜色进行对比，确定含有未知浓度目标还原性物质的缓冲溶液中的目标还原性物质的浓度范围。

10.一种应用权利要求1-8中任一项所述的可视化双极性电极检测装置检测氧化性物质的方法，其特征在于，包括：

1)、将普鲁士蓝薄膜修饰电极还原成普鲁士白薄膜修饰电极，获得还原后的可视化双极性电极检测装置；

2)、确定n个含有不同已知浓度目标氧化性物质的缓冲溶液分别所对应的普鲁士白薄膜修饰电极的颜色，n≥2；其中，确定每一个含有已知浓度目标氧化性物质的缓冲溶液所对应的普鲁士白薄膜修饰电极颜色的方法包括：

以该含有已知浓度目标氧化性物质的缓冲溶液代替步骤1)获得的还原后的可视化双极性电极检测装置的分析池中的缓冲溶液，接通驱动电源，施加负电压，通电指定时间后，所述普鲁士白薄膜修饰电极显示与该含有已知浓度目标氧化性物质的缓冲溶液对应的颜色，其中，所述负电压为高于水在裸电极上的还原电位的负电压，优选为高于-2.0V的负电压；

3)、以含有未知浓度目标氧化性物质的缓冲溶液代替步骤2)中的含有已知浓度目标氧化性物质的缓冲溶液，重复步骤2)，确定含有未知浓度目标氧化性物质的缓冲溶液对应的普鲁士白薄膜修饰电极的颜色；

4)、将步骤3)中确定的含有未知浓度目标氧化性物质的缓冲溶液对应的普鲁士白薄膜修饰电极的颜色与步骤2)中确定的n个含有不同已知浓度目标氧化性物质缓冲溶液分别所对应的普鲁士白薄膜修饰电极的颜色进行对比，确定含有未知浓度目标氧化性物质的缓冲溶液中的目标氧化性物质的浓度范围。