CN106770572B - 一种检测尿酸的电化学传感器及其制备方法和应用 - Google Patents

一种检测尿酸的电化学传感器及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于电化学生物传感器技术领域，具体涉及一种检测尿酸的电化学传感器及其制备方法和应用。所述电化学传感器其由基底电极和开孔石墨烯组成。本发明首先采用阳离子聚苯乙烯微球作为硬模板得到开孔石墨烯。将得到的开孔石墨烯修饰玻碳电极表面，即得到所述的电化学传感器。该电化学传感器对尿酸在一定浓度范围内具有良好的线性电化学响应，不受抗坏血酸和多巴胺的干扰，而且具有优异的可重复性和稳定性。

Description

一种检测尿酸的电化学传感器及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于电化学生物传感器技术领域，具体涉及一种检测尿酸的电化学传感器及其制备方法和应用。
背景技术
尿酸是一种神经传递素，在人体的新陈代谢系统中发挥潜在作用，尿酸浓度不正常可能会引起一些疾病，如高尿酸血症，痛风和肺炎，因此准确测定体内尿酸浓度有着重要的意义，能够为这些疾病的辅助诊断和病情提供参考性数据。尿酸具有电化学活性，可以用电化学方法检测，但是共存于人体内的抗坏血酸和多巴胺同样具有良好的电化学活性，三者在普通玻碳电极上的氧化电位非常接近，因此需要对电极进行修饰以提高检测电极的选择性。
石墨烯是单层碳原子紧密堆积成的二维晶体，具有优异的电学、力学、热学和光学性质以及巨大的比表面积。但石墨烯由于π-π相互作用容易发生紧密堆叠，降低其表面积，导致石墨烯基电极材料电化学性能与理论值有一定差距。采用硬模板法，以阳离子聚苯乙烯微球为模板得到开孔石墨烯，多孔结构增大比表面积，增大电解液和电极的接触面积。
发明内容
为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种不受抗坏血酸和多巴胺影响定量检测尿酸分子的电化学传感器。该电化学传感器具有高灵敏度、检测范围低和稳定性好的优点。
本发明的另一目的在于提供上述检测尿酸的电化学传感器的制备方法。本发明在电极上修饰开孔石墨烯，得到电化学传感器，对影响传感器性能的因素如开孔石墨烯的浓度、pH等条件进行了优化，成功制备了在抗坏血酸和多巴胺存在下对尿酸进行定量检测的电化学传感器，其对尿酸在一定浓度范围内具有良好的线性电化学响应，不受抗坏血酸和多巴胺的干扰，并且具有优异的可重复性和稳定性。
本发明的再一目的在于提供上述检测尿酸的电化学传感器的应用。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种检测尿酸的电化学传感器，由基底电极和开孔石墨烯组成。
本发明的检测尿酸的电化学传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)聚苯乙烯/石墨烯核壳微球的制备：将苯乙烯、引发剂偶氮二异丁腈、稳定剂甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、甲醇和水加入到反应容器中，于75℃反应8h，干燥，得到阳离子聚苯乙烯微球；氧化石墨烯由于表面羧基电离带负电，和阳离子聚苯乙烯微球进行静电组装，然后用氢碘酸进行还原，得到聚苯乙烯/石墨烯核壳微球；
(2)开孔石墨烯制备：将聚苯乙烯/石墨烯核壳微球浸入乙酸乙酯中去除聚苯乙烯微球硬模板，得到开孔石墨烯；
(3)制备电化学生物传感器：将开孔石墨烯溶液滴涂到预处理后的基底电极表面，待溶剂挥发后，得到所述电化学传感器。
其中步骤(1)中聚苯乙烯/石墨烯核壳微球的制备，具体包括以下步骤：
A.阳离子聚苯乙烯微球的制备：采用分散聚合方法，将5体积份苯乙烯、0.0906质量份引发剂偶氮二异丁腈、0.0906质量份稳定剂甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、40体积份甲醇和10体积份水加入到反应容器中，保持反应温度为75℃，反应8h，产物分别用去离子水和甲醇离心洗涤，将产物真空干燥得到阳离子聚苯乙烯微球；
B聚苯乙烯/石墨烯核壳微球的制备：将0.3质量份阳离子聚苯乙烯微球分散于20体积份水中得到阳离子聚苯乙烯溶液，将20体积份浓度为1mg/mL的氧化石墨烯溶液在搅拌作用下滴加到阳离子聚苯乙烯溶液中，然后超声分散，两者通过静电作用得到聚苯乙烯/氧化石墨烯核壳微球，将其分散到30体积份冰醋酸中，然后加入0.7体积份氢碘酸，最后的溶液离心得到的沉淀就是聚苯乙烯/石墨烯核壳微球。
其中的氧化石墨烯通过以下步骤合成：将0.5质量份石墨粉、0.625质量份硝酸钠和23体积份浓硫酸加入反应容器中在冰盐浴中搅拌混合均匀，然后将3质量份高锰酸钾分批次慢慢加入反应容器中，在温度不超过15℃条件下低温反应2.5h后升温至35℃，继续反应30min，慢慢滴加50体积份二次水，然后升温至95℃，加入100体积份二次水，反应30min，缓慢滴加4体积份的过氧化氢；此后将混合物离心，分别用盐酸和二次水洗涤，经干燥后得到棕黄色固体粉末氧化石墨烯；
所述浓硫酸的质量浓度为95.0％到98.0％；所述过氧化氢的质量浓度为30％。本发明所述的二次水是指二次蒸馏水。
步骤(2)中开孔石墨烯的制备，具体包括以下步骤：
将聚苯乙烯/石墨烯核壳微球浸入乙酸乙酯中，静置12h，去除掉聚苯乙烯阳离子微球，离心后得到就是开孔石墨烯，再用乙酸乙酯离心洗3次，用乙醇洗涤一次，真空干燥得到黑色粉末开孔石墨烯。
步骤(3)中制备电化学生物传感器，具体包括以下步骤：
A.将直径为3mm的玻碳电极分别经1μm和0.3μm的氧化铝打磨抛光，然后在乙醇和去离子水中超声清洗；
B.将开孔石墨烯溶液滴涂到步骤A预处理后的玻碳电极上面，室温晾干，挥发溶剂后，即得到检测尿酸的电化学生物传感器。
其中，所述开孔石墨烯溶液优选的浓度为0.5～1.5mg/mL，最优选其浓度为1mg/mL。
本发明所述检测尿酸的电化学传感器可用于定量检测尿酸。
本发明所述检测尿酸的电化学传感器用于定量检测抗坏血酸、尿酸和多巴胺混合溶液中的尿酸。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
(1)本发明选择分散聚合得到阳离子聚苯乙烯微球为模板制备聚苯乙烯/氧化石墨烯核壳微球，相对于普通聚苯乙烯微球硬模板，微球和氧化石墨烯之间主要是π-π作用力，而阳离子微球和氧化石墨烯除了π-π作用力，还会有静电作用力，可以增加氧化石墨烯壳层的厚度。
(2)本发明提供的电化学传感器表面的开孔石墨烯，一方面减少了石墨烯团聚，增加了比表面积，另一方面孔道可以增加电解液和电极的接触面积，大大增加了尿酸的吸附和电子传递速度。
(3)本发明提供的电化学传感器不仅避免了抗坏血酸和多巴胺对尿酸检测的干扰，而且具有高灵敏度，检测限低达2μM，可重复性和稳定性优异。
附图说明
图1为聚苯乙烯/石墨烯核壳微球的扫描电子显微镜图片。
图2为得到开孔石墨烯的扫描电子显微镜图片。
图3为不同电极检测尿酸的循环伏安对比图。
图4为在抗坏血酸和多巴胺存在下的不同浓度时尿酸的差示脉冲伏安图。
图5为电流与尿酸浓度变化线性关系图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原料如无特别说明均能从公开商业途径而得。
实施例1
(1)聚苯乙烯/石墨烯核壳微球的制备
阳离子聚苯乙烯微球的制备：采用分散聚合方法，将5mL苯乙烯和0.0906g引发剂偶氮二异丁腈加入三口烧瓶中，搅拌速度200rpm，通氮气30min后，将0.0906g稳定剂甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、40mL甲醇和10mL去离子水加入到三口烧瓶中，升温到75℃，并保持反应8h，得到聚苯乙烯的白色乳液，分别用去离子水和甲醇离心洗涤，速率4000rpm，时间30min，将产物真空干燥得到白色粉末阳离子聚苯乙烯微球。
氧化石墨烯的合成：将0.5g石墨粉、0.625g硝酸钠和23mL浓硫酸放入带有磁子的500mL烧瓶中，将烧瓶放入冰盐浴中搅拌混合均匀，然后将3g高锰酸钾分批次慢慢加入烧瓶中，温度不超过15℃，保持低温反应2.5h。然后升温至35℃，继续反应30min后，将50mL二次水慢慢滴加进三口烧瓶中。然后升温至95℃，加入100mL二次水，反应30min，缓慢滴加4mL30％的过氧化氢，得到亮黄色溶液，静置待其分层后，弃去上清液，将底部亮黄色沉淀离心，首先用盐酸洗涤，然后用二次水洗涤到中性，经干燥后得到棕黄色固体粉末氧化石墨烯，通过X射线衍射证明氧化石墨烯的成功合成，透射电镜表明氧化石墨烯的不规则纸状结构。
聚苯乙烯/石墨烯核壳微球的制备：将0.3g阳离子聚苯乙烯微球超声分散于20mL水中得到阳离子聚苯乙烯溶液，将0.02g制备的氧化石墨烯超声分散于20mL去离子水中，得到1mg/mL的氧化石墨烯溶液。将氧化石墨烯溶液在磁力搅拌作用下滴加到聚苯乙烯溶液中，然后超声分散，将得到的淡黄色溶液离心，得到的淡黄色沉淀即为通过静电作用得到聚苯乙烯/氧化石墨烯核壳。将其分散到30mL冰醋酸中，放入装有磁子的烧瓶中，然后加入0.7mL氢碘酸，40℃，40h，最后的溶液离心，并用乙醇洗涤，真空干燥得到的黑色固体即为聚苯乙烯/石墨烯核壳微球，如图1，扫描电镜表明成功得到核壳结构，微球表面褶皱是石墨烯。
(2)开孔石墨烯制备
将聚苯乙烯/石墨烯核壳微球浸入乙酸乙酯中，静置12h，去除掉聚苯乙烯阳离子微球，离心后得到就是开孔石墨烯，再用乙酸乙酯离心洗3次，用乙醇洗涤一次，真空干燥得到黑色粉末开孔石墨烯，如图2扫描电镜可以看到不规则孔结构，相对石墨烯增加了比表面积。将得到的开孔石墨烯分别配成浓度为0.5mg/mL，0.7mg/mL，1mg/mL，1.5mg/mL的溶液。
(3)电化学生物传感器的制备
将直径为3mm的玻碳电极分别经1μm和0.3μm的氧化铝打磨抛光，乙醇超声清洗，再用二次水超声清洗，然后室温干燥。
分别将10μL得到的0.5mg/mL，0.7mg/mL，1.0mg/mL，1.5mg/mL的开孔石墨烯溶液滴涂到预处理得到的表面光洁的玻碳电极上面，室温晾干，即得到多个电化学生物传感器，其中，1.0mg/mL开孔石墨烯修饰电极得到的电化学生物传感器对尿酸的氧化峰响应电流最大，因此选择1.0mg/mL作为开孔石墨烯溶液的最佳浓度。
实施例2
制作电化学传感器工作曲线：打开电化学工作站，开孔石墨烯修饰玻碳电极作为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极，铂丝作为对电极，将不同pH值(5.0，5.5，6.0，6.5，6.8，7.0，8.0)的磷酸盐缓冲溶液作为底液，连接电化学工作站，并将这三个电极插入不同pH值的尿酸磷酸盐缓冲溶液中，采用电化学工作站中差分脉冲伏安法测试电流-电压曲线。通过比较不同pH值下获得的尿酸的氧化峰电流大小，确定pH值，对本实例的电极，最优的pH值为6.8。
实施例3
不同电极对尿酸检测的响应性：将实施例1所得的电化学传感器置于pH值为6.8，尿酸浓度为200μM的磷酸盐缓冲液中，采用电化学工作站中的循环伏安法，分别以裸玻碳电极，石墨烯修饰玻碳电极，开孔石墨烯修饰的玻碳电极为工作电极，得到不同的循环伏安曲线。图3中为三种不同电极检测尿酸的对比循环伏安图，可以看到开孔石墨烯修饰电极(曲线c)得到的尿酸的氧化电流最大，其次是石墨烯修饰电极(曲线b)，裸玻碳电极(曲线a)对尿酸的电化学响应性最弱，可能因为开孔石墨烯由于孔结构存在减少了石墨烯团聚，增大了石墨烯比表面积，加上石墨烯优异的电子传导能力，加速了尿酸分子的吸附和电子传递。
实施例4
在抗坏血酸和多巴胺存在下尿酸的检测：按照实施例1的步骤构建电化学传感器用于尿酸的检测。固定多巴胺和抗坏血酸的浓度，改变尿酸的浓度(2，6，15，20，25，35，40，50，60，70，90)，绘制修饰电极对三种物质的差分脉冲伏安图。由图4可看出三个氧化峰区分明显，多巴胺和抗坏血酸的氧化峰电流强度几乎没有改变，而尿酸氧化峰电流强度随着浓度增大而增大，绘制出尿酸浓度与氧化峰电流的线性关系图，如图5可以得到在2-90μM浓度范围内，尿酸的氧化峰电流与浓度呈线性关系，检测限为2μM，灵敏度为0.228μA/μM。
从以上可以得出，本发明的电化学生物传感器对于尿酸在一定浓度范围内具有良好的线性电化学响应，灵敏度高，检测限低，多巴胺和抗坏血酸并未干扰影响尿酸的检测。
实施例5
电化学传感器的可重复性和稳定性：在同样条件下制备5根相同的开孔石墨烯构建的电化学生物传感器作为工作电极，与饱和甘汞参比电极，铂丝对电极组成三电极系统，电解液为含有20μM尿酸的磷酸盐缓冲液(pH 6.8)，测得的尿酸的氧化电流的相对标准偏差为5.96％，具有优异的重复性。开孔石墨烯修饰电极构建的电化学传感器室温放置一周后用于检测同浓度的尿酸磷酸盐缓冲液，氧化电流为初始值的95％，表明具有良好的稳定性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种检测尿酸的电化学传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)聚苯乙烯/石墨烯核壳微球的制备：将苯乙烯、引发剂偶氮二异丁腈、稳定剂甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、甲醇和水加入到反应容器中，于75℃反应8h，干燥，得到阳离子聚苯乙烯微球；将氧化石墨烯和阳离子聚苯乙烯微球进行静电组装，然后用氢碘酸进行还原，得到聚苯乙烯/石墨烯核壳微球；
(2)开孔石墨烯制备：将聚苯乙烯/石墨烯核壳微球浸入乙酸乙酯中去除聚苯乙烯微球硬模板，得到开孔石墨烯；
(3)制备电化学生物传感器：将开孔石墨烯溶液滴涂到预处理后的基底电极表面，待溶剂挥发后，得到所述检测尿酸的电化学传感器，其由基底电极和开孔石墨烯组成。
2.根据权利要求1所述的检测尿酸的电化学传感器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中聚苯乙烯/石墨烯核壳微球的制备，具体包括以下步骤：
A.阳离子聚苯乙烯微球的制备：将5体积份苯乙烯、0.0906质量份引发剂偶氮二异丁腈、0.0906质量份稳定剂甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、40体积份甲醇和10体积份水加入到反应容器中，保持反应温度为75℃，反应8h，产物分别用水和甲醇离心洗涤，将产物真空干燥得到阳离子聚苯乙烯微球；
B聚苯乙烯/石墨烯核壳微球的制备：将0.3质量份阳离子聚苯乙烯微球分散于20体积份水中得到阳离子聚苯乙烯溶液，将20体积份浓度为1mg/mL的氧化石墨烯溶液在搅拌作用下滴加到阳离子聚苯乙烯溶液中，然后超声分散，两者通过静电作用得到聚苯乙烯/氧化石墨烯核壳微球，将其分散到30体积份冰醋酸中，然后加入0.7体积份氢碘酸，最后的溶液离心得到的沉淀就是聚苯乙烯/石墨烯核壳微球。
3.根据权利要求2所述的检测尿酸的电化学传感器的制备方法，其特征在于，所述的氧化石墨烯通过以下步骤合成：将0.5质量份石墨粉、0.625质量份硝酸钠和23体积份浓硫酸加入反应容器中在冰盐浴中搅拌混合均匀，然后将3质量份高锰酸钾分批次加入反应容器中，在温度不超过15℃条件下低温反应2.5h后升温至35℃，继续反应30min，滴加50体积份二次水，然后升温至95℃，加入100体积份二次水，反应30min，滴加4体积份过氧化氢；此后将混合物离心，分别用盐酸和二次水洗涤，经干燥后得到棕黄色固体粉末氧化石墨烯。
4.根据权利要求1所述的检测尿酸的电化学传感器的制备方法，其特征在于，步骤(2)中开孔石墨烯的制备，具体包括以下步骤：
将聚苯乙烯/石墨烯核壳微球浸入乙酸乙酯中，静置12h，去除掉聚苯乙烯阳离子微球，离心后得到就是开孔石墨烯，再用乙酸乙酯离心洗3次，用乙醇洗涤、真空干燥后得到黑色粉末开孔石墨烯。
5.根据权利要求1所述的检测尿酸的电化学传感器的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述基底电极表面的预处理具体包括以下步骤：将直径为3mm的玻碳电极分别经1μm和0.3μm的氧化铝打磨抛光，然后在乙醇和去离子水中超声清洗。
6.根据权利要求1所述的检测尿酸的电化学传感器的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述开孔石墨烯溶液的浓度为0.5～1.5mg/mL。
7.根据权利要求1所述的检测尿酸的电化学传感器的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述开孔石墨烯溶液的浓度为1mg/mL。
8.权利要求1所述的检测尿酸的电化学传感器的制备方法制得的电化学传感器在定量检测尿酸中的应用。
9.权利要求1所述的检测尿酸的电化学传感器的制备方法制得的电化学传感器在定量检测抗坏血酸、尿酸和多巴胺混合溶液中的尿酸的应用。
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CN105353014A (zh) * 2015-11-06 2016-02-24 北京理工大学 一种多孔活性石墨烯微电极的制备方法及应用

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