CN109916984B

CN109916984B - 一种检测过氧化氢的丝网印刷电极及其制备方法

Info

Publication number: CN109916984B
Application number: CN201910288261.0A
Authority: CN
Inventors: 徐梦祎; 洪慧; 李小杰; 刘晓亚; 魏玮; 黄雪雯
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2019-04-11
Filing date: 2019-04-11
Publication date: 2021-03-02
Anticipated expiration: 2039-04-11
Also published as: CN109916984A

Abstract

本发明公开了一种聚合物胶体粒子修饰的丝网印刷电极，用于过氧化氢检测，首先以苯乙烯、丙烯酸、N‑乙烯基咔唑、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯为单体，合成聚合物，在溶剂中自组装得到聚合物胶体粒子，而后在丝网印刷电极表面依次滴涂聚合物胶体粒子分散液、生物识别基元溶液、Nafion溶液，制备用于过氧化氢检测的电极。利用聚合物胶体粒子中聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯提供保持生物识别基元活性的生物亲和环境，具有电活性的咔唑基元帮助酶与电极之间的电子转移。本发明具有响应速度快、稳定性好、选择性抗干扰性好的优点。

Description

一种检测过氧化氢的丝网印刷电极及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种生物检测领域。

背景技术

过氧化氢不仅是食品、制药、工业和环境分析中的中间产物和重要介质，同时也是氧化代谢途径的副产物和细胞内常见活性氧(ROS)，其与细胞损伤、衰老和一些疾病如心血管疾病、阿尔兹海默症和癌症有关。因此，对于过氧化氢的检测尤为重要，目前许多技术包括滴定法、光谱法、化学发光法已用于测定过氧化氢含量。上述三种方法具有明显的缺点，耗时、昂贵、易受干扰且需要大型仪器和专业人员测试。电化学生物传感器已被开发用于过氧化氢检测，其克服了上述缺点，具有特异性识别、响应时间短、速率快和经济的优点。生物传感器是以生物活性单元作为生物敏感基元，对待测的目标分子具有高度选择性与专一性的检测器，生物传感器正向着小型微型化、多功能集成化、智能化以及原位、在体、实时、在线检测发展。近年来，丝网印刷碳电极(SPCE)由于其制造工艺的固有优势而在电化学传感中引起了相当大的关注，其工艺简单，成本低廉，设计灵活，便于携带且能够大规模生产，能够满足对快速准确的原位分析和便携式设备开发日益增长的需求。最常用的SPCE使用的碳墨水含有一些矿物粘合剂或绝缘聚合物，以改善对基材的粘合性。因此，为提高电极的电催化活性，需要对电极进行修饰或改性。常被研究者用于修饰电极的材料主要是一些纳米材料，包括碳纳米材料、金属纳米颗粒、介质纳米颗粒以及复合纳米材料。这些纳米材料拥有提高电极电催化活性和使电极表面污垢最小化的能力，且能促进生物分子的直接电子转移。同时，纳米材料可以具有与生物识别元素(DNA、酶等)相同的尺寸，二者可以产生协同效应，利于传感性能的提升。聚合物胶体粒子具有结构更加稳定，其结构、尺寸、组成、形态可调等优点，可以满足酶生物传感器材料所需电子传输能力及生物亲和性，有利于酶基生物传感器的各种性能。

现有的基于丝网印刷电极的过氧化氢检测以无酶检测为主，其选择性较差，易受检测体系存在的其他干扰物影响。

发明内容

基于以上问题，本发明的一个目的在于提供一种检测过氧化氢丝网印刷电极制备方法。

另一个目的在于提供一种检测过氧化氢丝网印刷电极。

一种检测过氧化氢的丝网印刷电极制备方法，包括以下步骤：

步骤1，双亲聚合物的合成：苯乙烯、丙烯酸、N-乙烯基咔唑、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯四种单体和引发剂，加入溶剂溶解，加热聚合，通过沉淀法得到双亲聚合物；

步骤2，聚合物胶体粒子分散液的制备：将聚合物溶于溶剂，向聚合物溶液中快速加入水，除去溶剂，定容得到聚合物胶体粒子分散液；

步骤3，丝网印刷电极的修饰：在丝网印刷电极工作电极表面依次滴涂聚合物胶体粒子分散液、生物识别基元溶液、Nafion溶液。

进一步地，所述步骤1中，苯乙烯与N-乙烯基咔唑摩尔分数之和为50％，丙烯酸与甲基丙烯酸二甲氨基乙酯摩尔分数之和为50％。

进一步地，所述引发剂为偶氮二异丁腈，添加量为四种单体总质量的1％。

进一步地，所述步骤1中，加热聚合的温度为60℃～80℃，时间为10h～48h。

进一步地，所述步骤1或步骤2中，溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、四氢呋喃、N-甲基吡咯烷酮中的一种；所述步骤1中，沉淀法的沉淀剂选自乙酸乙酯、乙醚、石油醚、环己烷、正己烷中的一种或几种。

进一步地，所述步骤2中，加入的水为有机溶剂的4倍～10倍。

进一步地，所述步骤3中，丝网印刷电极工作电极需经过预处理：将丝网印刷电极置于乙醇中清洗，再置于去离子水中清洗，取出吹干。

进一步地，所述步骤3中，聚合物胶体粒子分散液的浓度为0.1mg/mL～1mg/mL。

进一步地，所述步骤3中，所述生物识别基元选自辣根过氧化物酶、血红蛋白、细胞色素C中的一种，生物识别基元溶液的浓度为0.1mg/mL～10mg/mL。

进一步地，所述步骤3中，所述Nafion溶液的浓度为0.01wt％～0.5wt％。

进一步地，所述步骤3中，各溶液滴涂量为3μL。

一种检测过氧化氢的丝网印刷电极，丝网印刷电极表面具有三层结构，依次为聚合物胶体粒子层、生物识别基元层和Nafion层，优选地，所述聚合物胶体粒子层由苯乙烯、丙烯酸、N-乙烯基咔唑、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯聚合后自组装涂覆于丝网印刷电极表面。

所述的一种检测过氧化氢的丝网印刷电极，由权利要求1～8中任一方法制备所得。

本发明利用聚合物胶体粒子中聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯提供保持生物识别基元活性的生物亲和环境，具有电活性的咔唑基元帮助酶与电极之间的电子转移，采用计时电流法对修饰的丝网印刷电极的检测性能进行测试，根据电极的电流响应与过氧化氢浓度的关系绘制线性检测曲线，实现对过氧化氢的线性检测，检测原理见图1。

附图说明：

图1一种聚合物胶体粒子修饰的丝网印刷电极用于过氧化氢检测的原理图

图2连续滴加H₂O₂时生物传感器的电流-时间曲线(A)和响应电流与溶液中H₂O₂浓度的线性相关曲线(B)

图3连续滴加H₂O₂和不同干扰物时生物传感器的电流-时间曲线

图4 30天内生物传感器对10mM的响应电流(I_t)与初始响应电流(I₀)的比例变化曲线

具体实施方法

称取1.0415g疏水单体苯乙烯St(10mmol)、0.7206g亲水单体丙烯酸AA(10mmol)、1.9325g电活性单体N-乙烯基咔唑VCz(10mmol)、1.5721g生物相容性单体甲基丙烯酸二甲氨基乙酯DMA(10mmol)以及52.7mg引发剂偶氮二异丁腈AIBN加入圆底烧瓶中。加入40mL的N，N-二甲基甲酰胺DMF作为溶剂，待充分溶解后，在氮气保护下于75℃下反应24h。将反应液于乙醚中沉淀，沉淀物用DMF溶解，重复沉淀三次。真空干燥后得到白色固体产物PSACD。

称取25mg PSACD聚合物，溶于DMF，配制成10mg/mL的聚合物溶液。在搅拌状态下，在聚合物溶液中快速加入10mL去离子水，搅拌过夜。将溶液用去离子水透析24h后，定容至25mL，得到1mg/mL的PSACD胶体粒子分散液。

在丝网印刷电极的工作电极上滴涂3μL PSACD NPs分散液。待电极干燥后进行滴涂3μL10mg/mL辣根过氧化物酶HRP溶液，干燥后滴涂3μL 0.1wt％的Nafion(NF)溶液，自然干燥后，即可制备得到修饰完的检测电极，电极保存于4℃冰箱中。利用计时电流法对该电极的过氧化氢检测性能进行表征。

图2A为连续滴加一定浓度H₂O₂时的电流-时间曲线，可以看到，随着H₂O₂的滴加，氧化还原电流值也呈阶梯式逐渐增加。图2B为电极检测H₂O₂的线性关系曲线，响应电流值与H₂O₂浓度存在线性关系，线性响应区间为1～10mM，线性方程为I(10^-5A)＝0.16874C(mM)+0.18173，R²＝0.9995。说明该电极对过氧化氢具有良好的检测性能。

图3为该电极在加入不同干扰物的情况下的电流响应，可以看到，在-0.4V下，首先滴加0.5mM H₂O₂可以得到快速的电流响应，而后依次滴加5mM葡萄糖、5mM L-赖氨酸、4mM多巴胺、2mM尿酸、4mM L-半胱氨酸、2mM L-酪氨酸时几乎没有电流响应，再滴加0.5mM H₂O₂依旧可以得到快速的电流响应，这证明该电极具有良好的选择性和抗干扰性。

图4为30天内该电极对10mM H₂O₂的响应电流(I_t)与初始响应电流(I₀)比值的变化曲线，30天后，响应电流依旧保持在初次测试的90％左右，证明该电极具有良好的储存稳定性。

Claims

1.一种检测过氧化氢的丝网印刷电极制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤3，丝网印刷电极的修饰：在丝网印刷电极工作电极表面依次滴涂聚合物胶体粒子分散液、辣根过氧化物酶溶液、Nafion溶液。

2.如权利要求1所述的一种检测过氧化氢的丝网印刷电极制备方法，其特征在于，所述步骤1中，苯乙烯与N-乙烯基咔唑摩尔分数之和为50％，丙烯酸与甲基丙烯酸二甲氨基乙酯摩尔分数之和为50％。

3.如权利要求1所述的一种检测过氧化氢的丝网印刷电极制备方法，其特征在于，所述引发剂为偶氮二异丁腈，添加量为四种单体总质量的1％。

4.如权利要求1所述的一种检测过氧化氢的丝网印刷电极制备方法，其特征在于，所述步骤1中，加热聚合的温度为60℃～80℃，时间为10h～48h。

5.如权利要求1所述的一种检测过氧化氢的丝网印刷电极制备方法，其特征在于，所述步骤1或步骤2中，溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、四氢呋喃、N-甲基吡咯烷酮中的一种；所述步骤1中，沉淀法的沉淀剂选自乙酸乙酯、乙醚、石油醚、环己烷、正己烷中的一种或几种。

6.如权利要求1所述的一种检测过氧化氢的丝网印刷电极制备方法，其特征在于，所述步骤3中，聚合物胶体粒子分散液的浓度为0.1mg/mL～1mg/mL。

7.如权利要求1所述的一种检测过氧化氢的丝网印刷电极制备方法，其特征在于，所述步骤3中，所述辣根过氧化物酶溶液的浓度为0.1mg/mL～10mg/mL。

8.如权利要求1所述的一种检测过氧化氢的丝网印刷电极制备方法，其特征在于，所述步骤3中，所述Nafion溶液的浓度为0.01wt％～0.5wt％。

9.一种检测过氧化氢的丝网印刷电极，其特征在于，丝网印刷电极表面具有三层结构，依次为聚合物胶体粒子层、辣根过氧化物酶层和Nafion层。

10.根据如权利要求9所述的一种检测过氧化氢的丝网印刷电极，其特征在于，所述聚合物胶体粒子层由苯乙烯、丙烯酸、N-乙烯基咔唑、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯聚合后自组装涂覆于丝网印刷电极表面。

11.根据权利要求9或10所述的一种检测过氧化氢的丝网印刷电极，其特征在于，由权利要求1～8中任一方法制备所得。