CN108088879B

CN108088879B - 一种通用两电极型修饰电极单元及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN108088879B
Application number: CN201711244661.9A
Authority: CN
Inventors: 叶建山; 戴琬琳; 鲁志伟; 刘柏辰
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2020-02-18
Anticipated expiration: 2037-11-30
Also published as: CN108088879A

Abstract

本发明公开了一种通用两电极型修饰电极单元及其制备方法和应用。本发明通过光刻法制备导电电极材料基底，用聚二甲基硅氧烷基片作为贮液池，阴极和阳极分别使用电化学方法沉积惰性金属保护膜和还原氧化石墨烯进行修饰，得到的修饰电极单元。该修饰电极单元具有出色的电催化活性和稳定性，在检测过氧化氢和抗坏血酸等生物分子时具有很好的灵敏度和再现性，并可并联成电极组用于批量检测，或串联成隔离式双极电极应用于双极电化学发光等领域。

Description

一种通用两电极型修饰电极单元及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于电化学分析检测技术领域，具体涉及一种通用两电极型修饰电极单元及其制备方法和应用。

背景技术

电化学分析方法具有灵敏度高、选择性好、设备简单、成本低等优点，且易于实现自动化和连续分析，因此逐渐在环境、食品、临床、医药、生物等领域得到广泛应用。传统的电化学分析常采用工作电极、对电极和参比电极组成的三电极体系，仪器结构相对复杂，且参比电极寿命较低，并容易对某些环境下的样品造成污染。为满足简化仪器系统，降低成本以及通用性等需求，电化学分析工作者越来越关注两电极体系的研究。

在电化学分析中，化学修饰电极是目前电分析化学和电化学领域的最活跃研究项目。与传统的裸电极/电解质溶液界面电化学相比，化学修饰电极开创了一个全新的研究领域。石墨烯是碳纳米管、富勒烯、金刚石的同素异形体，是一种一个原子平面厚度的二维碳原子材料，具有卓越的机械、导热、光学和电子传导等性能。石墨烯具有良好的电迁移率和生物相容性，同时巨大的比表面积能富集小分子和金属离子，因此常用作电极修饰材料，提高电化学分析的灵敏度。石墨烯可通过机械剥离法、氧化石墨-还原法、化学气相沉积法、电化学方法等手段制备，通过电化学还原氧化石墨的方法在电极表面修饰石墨烯，操作简便，且能很大程度上避免滴涂法修饰所造成的石墨烯分布不均匀、团聚等问题。

双极电极是指在电解质中不与正负极直接接触的导体，当在电解质溶液两端施加足够的电压时，溶液之间的电势差将驱动双极电极两端产生氧化还原反应。双极电极结构新颖，制作加工方便，并已经应用于电化学合成、材料加工、电化学传感或电化学发光传感等诸多方面，已发展成一个新的电化学传感研究热点。隔离式双极电极系统将阴极端和阳极端分隔成两个电解池，分析池和信号检测池的反应互不干扰，且电流效率接近100%，因此得到电化学分析研究者的关注。

开发一种通用的、可自由串并联的两电极型石墨烯修饰电极单元，既可以用作普通的两电极体系应用于环境、食品、临床等检测领域，也可以通过并联方式组成检测阵列用于批量检测，此外还能串联组成隔离式双极修饰电极用于双极电化学检测领域，具有十分重要的实际意义。而目前这种通用两电极型石墨烯修饰电极单元并未见报道。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种通用的、可自由串并联的两电极型修饰电极单元及其制备方法和应用，使用电化学沉积法对阴极进行惰性金属保护修饰，对阳极进行石墨烯修饰，方法易行，操作简单，可用于小分子的电化学分析检测，也能应用于双极电化学发光检测。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现。

一种通用两电极型修饰电极单元的制备方法，包括以下步骤：

（1）用光刻法按设计图样制得所需的电极基体图案，再切割，得到电极片单元；

（2）将聚二甲基硅氧烷基片按电极基体图案裁切并粘合在电极片单元上作为贮液池；

（3）用恒电位电解法将惰性金属保护层沉积在电极片单元的阴极：使用两电极体系，步骤（2）所得电极单元两极分别为阳极和阴极，调节电解电压为0.5~2.5 V，在阴极沉积惰性金属保护层，再清洗，得惰性金属保护层修饰的阴极；

（4）用电化学方法将氧化石墨原位沉积和还原在电极片单元的阳极：以氧化石墨均匀分散液为电解液，两电极单元阳极为工作电极，往贮液池内注入氧化石墨均匀分散液，扫描低电位范围为-1.5 V ~ -1.0 V，扫描高电位范围为-0.4 V ~ 0 V，扫描速度为1 mV/s~1000 mV/s ，扫描5~50圈，使阳极沉积上还原的石墨烯，得石墨烯修饰的电极阳极，再用蒸馏水冲洗干净并烘干，得修饰电极单元。

优选的，步骤（1）中，所述电极片单元的基底材料可选择以氧化铟锡薄膜，掺氟氧化锡薄膜，或掺铝氧化锌薄膜等为导电介质的基底材料；电极图样根据需要设计成特定形状，如圆型、方形、环形、叉指型等。

优选的，步骤（1）中，所述电极片单元使用激光雕刻法按设计图样刻蚀和裁切制备得到。

优选的，步骤（3）中，在阴极沉积惰性金属保护层所用惰性金属盐溶液为氯金酸溶液或氯铂酸溶液，浓度为0.1~100 mmol/L。

优选的，步骤（4）中，所述氧化石墨均匀分散液为氧化石墨的磷酸盐缓冲溶液，其中所用磷酸缓冲溶液浓度为0.01~0.5 mol/L，pH值为5~8；所述氧化石墨均匀分散液中氧化石墨的浓度为0.01~50 mg/mL。

优选的，步骤（4）中，所述扫描速度为5 mV/s ~500 mV/s。

由以上所述的制备方法制得的一种通用两电极型修饰电极单元。

以上所述的一种通用两电极型修饰电极单元在检测过氧化氢中的应用，包括以下步骤：

在修饰电极单元的贮液池中注入过氧化氢的缓冲溶液，使用电流-时间曲线法，检测电极对过氧化氢的电化学响应，所述缓冲溶液为磷酸盐缓冲溶液；所述电流-时间曲线法使用两电极体系，石墨烯修饰的电极阳极为工作电极，惰性金属保护层修饰的阴极为对电极，电解电压为0.3~1.0 V。

以上所述的一种通用两电极型修饰电极单元在检测抗坏血酸中的应用，包括以下步骤：

在修饰电极单元的贮液池中注入过抗坏血酸的缓冲溶液，使用电流-时间曲线法，检测电极对抗坏血酸的电化学响应，所述缓冲溶液为磷酸盐缓冲溶液；所述电流-时间曲线法使用两电极体系，石墨烯修饰的阳极为工作电极，惰性金属保护层修饰的阴极为对电极，电解电压为0.05~1.0 V。

以上所述的一种通用两电极型修饰电极单元在双极电化学中的应用，通过串联修饰电极单元设计成电极组合，在串联修饰电极单元的两个贮液池中分别注入不同浓度的待测液体和发光试剂，使用电化学发光法，用光电检测器检测电极对待测物的电化学发光响应。

以上所述的一种通用两电极型修饰电极单元在批量检测中的应用，其特征在于，通过并联修饰电极单元设计成电极组合用于批量检测。

与现有技术相比，本发明具有如下的优点：

1、本发明使用电化学沉积法对阴极进行惰性金属保护修饰，对阳极进行石墨烯修饰，该方法易行，操作简单。

2、本发明的修饰电极单元具有出色的电催化活性和稳定性，在检测过氧化氢和抗坏血酸等生物分子时具有很好的灵敏度和再现性，并可并联成电极组用于批量检测，或串联成隔离式双极电极应用于双极电化学发光等领域。

附图说明

图1为本发明两电极型修饰电极单元的其中一种批量制作图样示意图（俯视图，局部）。

图2为本发明中以图1为图样制作的单个电极单元的示意图（俯视图）。

图3为本发明中以图1为图样制作的电极单元一种并联组合的电路示意图。

图4为本发明中以图1为图样制作的电极单元串联组合成隔离式双极电极芯片的示意图。

图5a为本发明电极单元中电沉积金纳米颗粒修饰阴极的扫描电镜图，其中放大倍数为20000。

图5b为本发明电极单元中还原氧化石墨修饰阳极的扫描电镜图，其中放大倍数为5000。

图6为本发明应用例1中浓度为7~532 μM的过氧化氢检测的电流-时间曲线图，插入图为过氧化氢检测的线性图。

图7为本发明应用例2中浓度为10~220 μM的抗坏血酸检测的电流-时间曲线图，插入图为抗坏血酸检测的线性图。

图8为本发明应用例3中过氧化氢检测的电化学发光图，其中，曲线a~d分别对应过氧化氢浓度0，0.01 mM，0.05 mM，0.1 mM，插入图为过氧化氢检测的线性图。

具体实施方式

下面将结合实例与附图，对本发明的具体实施作进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例针对电极单元的小批量制备，通过下述技术方案实现，其中包括电极单元的刻蚀和裁切，贮液池的制作，电极单元阴极的保护性修饰和阳极的修饰。本实施例中选用铟锡氧化物导电玻璃（ITO）为电极基片，选用电沉积金纳米材料作为惰性金属修饰阴极，以图1的刻蚀图样为例，制作电极单元。

（1）ITO电极采用光刻法进行蚀刻，需经过清洗、涂胶、前烘、曝光、显影、刻蚀、去胶和检查等步骤。具体如下：

（1.1）将ITO电极片依次用丙酮、无水乙醇和蒸馏水分别超声10分钟，用蒸馏水冲干净后烘干备用。

（1.2）用旋转涂布法将光刻胶均匀涂布于ITO电极表面。

（1.3）将步骤（1.2）所得ITO电极置于90℃电热板上烘15 分钟去除光刻胶的溶剂。

（1.4）用预先设计制作好的掩膜版覆盖于步骤（1.3）所述ITO电极上，用紫外灯照射使透光的光刻胶进行光化学反应。

（1.5）将步骤（1.4）得到的ITO电极置于1 M 氢氧化钠溶液中溶解未反应的光刻胶，用蒸馏水冲洗后在110℃中烘1小时去除水分以及提高胶膜的抗蚀能力。

（1.6）将步骤（1.5）所得ITO电极放入刻蚀液（V_盐酸:V_硝酸:V_蒸馏水 = 1:0.3:1）中刻蚀。

（1.7）将步骤（1.6）所得ITO电极置于1 M 氢氧化钠溶液中洗去残胶，再用蒸馏水洗净，烘干得到所需图形的ITO电极。如图1所示，基片空白部分为刻蚀掉导电薄膜的绝缘基底11，斜线填充部分为按图样刻蚀后余下的导电薄膜12，虚线为切割线13。

（2）按图样中的切割线13用玻璃刀将电极片切割成小电极片，并用聚二甲基硅氧烷在电极表面制作贮液池22，得到如图2的电极单元。如图2所示，电极单元由绝缘基底21、聚二甲基硅氧烷切割粘制的贮液池22和刻蚀留下的导电薄膜电极23组成。具体制备如下：

（2.1）将道康宁Sylgard 184硅橡胶套组的基本组分与固化剂以10:1重量比完全混合，倒于玻璃板上，置于90℃加热板上加热2 小时使其固化，得到厚度为1 mm的透明柔软聚二甲基硅氧烷基片。

（2.2）将步骤（2.1）所得基片按设计图样打孔、切割得到贮液池22，依次用无水乙醇和水清洗、烘干，暴露于紫外灯下20分钟后，对准ITO电极图样粘于ITO玻璃表面，用硬板压紧后在80℃下加热1 小时，得到带有贮液池的ITO电极单元。

（3）以带有贮液池的ITO电极单元作为电解池，用电化学方法在阴极修饰金纳米颗粒，以及在阳极修饰电化学还原石墨烯，电化学过程由盈思IGS-5030电化学工作站实现。具体如下：

（3.1）阴极修饰金纳米颗粒用恒电位电解法完成，采用两电极法，往贮液池内注入2.5 mM 氯金酸溶液 20 μL，在两极ITO施加1.5 V电压沉积500秒，使ITO阴极沉积一层均匀的金纳米颗粒，将修饰后的电极用蒸馏水冲洗干净并烘干备用。阴极沉积金纳米颗粒的扫描电镜图见图5a。

（3.2）用于电化学还原的氧化石墨可采用化学剥离法制得。

（3.3）取适量氧化石墨在磷酸盐缓冲液中超声分散，制成浓度为0.1 mg/mL和pH为5的氧化石墨缓冲液。

（3.4）阳极修饰电化学还原石墨烯通过循环伏安法完成，采用三电极体系，在步骤（3.1）基础上，阳极ITO为工作电极，修饰后的阴极ITO为对电极，Ag/AgCl丝为参比电极，往贮液池内注入浓度为0.2 mg/mL的氧化石墨缓冲液（缓冲液为0.01 M 磷酸盐缓冲液，pH 5）20 μL，扫描电位为-0.4 V~-1.5 V，扫描速度为50 mV/s ，扫描20圈，使阳极沉积上还原的石墨烯。将修饰后的电极用蒸馏水冲洗干净并烘干备用，最终得到本发明所述的带贮液池的修饰电极单元。阳极沉积石墨烯的扫描电镜图见图5b。

实施例2

本实施例针对电极单元的小批量制备，技术方案与实施例1相同。本实施例中选用铟锡氧化物导电玻璃（ITO）为电极基片，选用电沉积金纳米材料作为惰性金属修饰阴极。

ITO蚀刻方法与实施例1步骤（1）相同，得到图1所示电极片后，按图3切割成三电极单元并联组合的阵列式芯片31，并按实施例1步骤（2）制作贮液池。并联三个电极单元后实施阴极和阳极修饰，阳极修饰选用浓度为0.01 mg/mL的氧化石墨缓冲液（缓冲液为0.5 M磷酸盐缓冲液，pH 8），扫描电位为0 V~-1.0 V，扫描速度为1000 mV/s ，扫描50圈，其他与实施例1步骤（3）相同。

选用三路模拟开关芯片32，按图3与阵列式芯片31连接成电路，通过对集成电路编程即可实现对多种检测物或不同浓度检测物的同时检测。

实施例3

ITO蚀刻方法与实施例1步骤（1）相同，得到图1所示电极片后，并按实施例1步骤（2）制作贮液池。阳极修饰选用浓度为1 mg/mL的氧化石墨缓冲液（缓冲液为0.2 M 磷酸盐缓冲液，pH 6.5），扫描电位为-0.2 V~-1.25 V，扫描速度为1 mV/s ，扫描5圈，其他与实施例1步骤（3）相同。将两个电极单元串联后即可得到如图4所示的隔离式双极电极芯片。

实施例4

本实施例针对电极单元的大批量制备，通过下述技术方案实现，其中包括电极单元的刻蚀和裁切，贮液池的制作，电极单元阴极的保护性修饰和阳极的修饰。本实施例中选用掺氟氧化锡薄膜导电玻璃（FTO）为电极基片，选用电沉积铂纳米材料作为惰性金属修饰阴极。

（1）FTO电极单元使用激光雕刻机按图样刻蚀和裁切，省去复杂的化学蚀刻步骤。

（2）聚二甲基硅氧烷贮液池使用模具批量压制。

（3）FTO电极的阴极和阳极采用串联的方式批量修饰。各贮液池注入0.1 mM氯铂酸溶液20 μL，沉积电压为2.5 V，沉积时间为200 秒，其它实施步骤和方法与实施例1中相同。

实施例5

本实施例针对电极单元的大批量制备，技术方案与实施例4相同。本实施例选用掺铝氧化锌导电薄膜导电玻璃（AZO）为电极基片，选用电沉积金纳米材料作为惰性金属修饰阴极。

阴极保护修饰中，各贮液池注入50 mM 氯金酸溶液 20 μL，沉积电压为0.5 V，沉积时间为800秒，其他实施步骤和方法与实施例4相同。

以下为本发明在实际检测中的部分应用例，选用实施例1中制作的电极单元为检测芯片实现对过氧化氢和抗坏血酸的检测，选用实施例3中制作的双极电极检测芯片实现电化学发光检测。

应用例1

采用图2所示的电极单元实现过氧化氢的检测，方法如下：

在电化学修饰电极单元的贮液池中注入20 μL 含有不同浓度过氧化氢的pH 7.4磷酸盐缓冲溶液，使用两电极体系，石墨烯修饰的阳极为工作电极，采用电流-时间曲线法，电解电压为0.5 V。实际检测数据见图6，由图6可知，过氧化氢浓度范围为7~200 μM和200~532 μM时，电流强度与过氧化氢浓度呈良好线性关系，因此该电极可应用于过氧化氢的检测。

应用例2

采用图2所示的电极单元实现抗坏血酸的检测，方法如下：

在电化学修饰电极单元的贮液池中注入20 μL 含有不同浓度抗坏血酸的pH 7.4磷酸盐缓冲溶液，使用两电极体系，石墨烯修饰的阳极为工作电极，采用电流-时间曲线法，电解电压为0.2 V。实际检测数据见图7，由图7可知，抗坏血酸浓度范围为10~220 μM时，电流强度与抗坏血酸浓度呈良好线性关系，因此该电极可应用于抗坏血酸的检测。

应用例3

采用图4所示的隔离式双极电极芯片通过双极电化学发光法实现对生物分子的检测，以过氧化氢为例，方法如下：

在电化学修饰电极单元的第一贮液池44中注入20 μL含不同浓度过氧化氢的待测液体，第二贮液池45中注入20 μL 10 mM联吡啶钌和100 mM三正丙胺组成的电化学发光溶液，在第一驱动电极41和第二驱动电极42两端施加5 V电压，驱使第一贮液池44中的过氧化氢和第二贮液池45中的发光试剂分别发生电化学反应，使用光探测器（如光电倍增管）探测第二贮液池45中双极电极43一端的电化学发光强度。实际检测数据见图8，其中，曲线a~d分别对应过氧化氢浓度0，0.01 mM，0.05 mM，0.1 mM，由图8可知，第二贮液池45中的发光强度随第一贮液池44中过氧化氢浓度增大而增强，呈线性相关，由此可见改电极芯片可应用于双极电化学发光检测。

Claims

1.一种通用两电极型修饰电极单元的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（2）用聚二甲基硅氧烷基片按电极基体图案裁切并粘合在电极片单元上作为贮液池；

（4）用电化学方法将氧化石墨烯原位沉积和还原在电极片单元的阳极：以氧化石墨烯均匀分散液为电解液，两电极单元阳极为工作电极，往贮液池内注入氧化石墨烯均匀分散液，扫描低电位范围为-1.5 V ~ -1.0 V，扫描高电位范围为-0.4 V ~ 0 V，扫描速度为5mV/s ~500 mV/s ，扫描5~50圈，使阳极沉积上还原的石墨烯，得石墨烯修饰的电极阳极，再用蒸馏水冲洗干净并烘干，得修饰电极单元。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述电极片单元的基底材料为氧化铟锡薄膜、掺氟氧化锡薄膜或掺铝氧化锌薄膜；所述电极基体图案为圆型、方形、环形或叉指型。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述电极片单元使用激光雕刻法按设计图样刻蚀和裁切制备得到。

4. 如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，在阴极沉积惰性金属保护层所用惰性金属盐溶液为氯金酸溶液或氯铂酸溶液，浓度为0.1~100 mmol/L。

5. 如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，所述氧化石墨烯均匀分散液为氧化石墨烯的磷酸盐缓冲溶液，其中所用磷酸盐缓冲溶液浓度为0.01~0.5 mol/L，pH值为5~8；所述氧化石墨烯均匀分散液中氧化石墨烯的浓度为0.01~50 mg/mL。

6.由权利要求1~5任一项所述的制备方法制得的一种通用两电极型修饰电极单元。

7.权利要求6所述的一种通用两电极型修饰电极单元在检测过氧化氢中的应用，其特征在于，包括以下步骤：

8.权利要求6所述的一种通用两电极型修饰电极单元在检测抗坏血酸中的应用，其特征在于，包括以下步骤：

在修饰电极单元的贮液池中注入抗坏血酸的缓冲溶液，使用电流-时间曲线法，检测电极对抗坏血酸的电化学响应，所述缓冲溶液为磷酸盐缓冲溶液；所述电流-时间曲线法使用两电极体系，石墨烯修饰的阳极为工作电极，惰性金属保护层修饰的阴极为对电极，电解电压为0.05~1.0 V。

9.权利要求6所述的一种通用两电极型修饰电极单元在双极电化学中的应用，其特征在于，通过串联修饰电极单元设计成电极组合，在串联修饰电极单元的两个贮液池中分别注入不同浓度的待测液体和发光试剂，使用电化学发光法，用光电检测器检测电极对待测物的电化学发光响应。

10.权利要求6所述的一种通用两电极型修饰电极单元在批量检测中的应用，其特征在于，通过并联修饰电极单元设计成电极组合用于批量检测。