CN110988069B - 工作电极及制备方法和基于工作电极的传感器及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工作电极及制备方法和基于工作电极的传感器及检测方法，涉及毒品检测技术领域。本发明包括一种工作电极，选取碳纳米角/壳聚糖负载铂纳米颗粒修饰玻碳电极作为工作电极，利用差分脉冲伏安法对缓冲溶液中吗啡和MDMA类毒品的进行同时测定。经验证，此方法检测灵敏度高，线性范围宽，稳定性好，抗干扰能力强，检出限低至1.0×10^‑10mol/L，且电极制备工艺简单可靠，缓冲溶液制备简单，检测周期短，适用于现场快速检测。

Description

工作电极及制备方法和基于工作电极的传感器及检测方法

技术领域

本发明涉及毒品检测技术领域，具体涉及一种用于同时检测人体尿液中的吗啡和MDMA的工作电极以及检测方法。

背景技术

吗啡是罂粟种子中天然存在的生物碱，作为一种有效镇痛药，长期以来用于治疗严重疼痛。尤其在手术后，可用于减轻患者在麻醉药失效后引发的剧烈疼痛。但是，长期或过量服用吗啡，会造成人体的抗药性增加、产生药物依赖、促进乳腺肿瘤生长和与之伴随的恶心、便秘、呼吸因难等副作用，严重者可能致命。

MDMA(3,4-亚甲二氧基甲基苯丙胺，分子式C₁₁H₁₅NO₂)是摇头丸中最常见的活性成分。1912年，默克公司最先合成了它。其和MDA(3,4-亚甲二氧基苯丙胺)常被作为兴奋剂或致幻剂等娱乐性药物使用，能影响人的视觉感知或认知过程，使人产生欣快和精神兴奋效应。最新的调查表明，几乎90％吸食大麻者(年龄在15-64岁之间)也使用MDMA，这使得MDMA成为最广泛的消费药物。

吗啡和MDMA类毒品的检测，可通过检测吸食大麻类毒品人群的血液、尿液等，判断是否吸食毒品。非法药物的广泛使用使得更多的研究人员加大了努力，已经开发了许多分析方法来单独测定这二种化合物。但在不进一步处理的情况下，同时对这两种化合物作定性、定量分析存在较大难度。近年来，随着吸毒、贩毒人数的增多，公安部门需要对可疑毒品进行现场快速筛查和鉴定，对毒品检测技术和方法提出了新的需求。

常见的分析技术有气相色谱法，液相色谱法，毛细管电泳法，紫-可见分光光度法，漫反射近红外光谱法和基于表面等离共振法等。这些技术通常具有一些缺点，如需对待测样品进行预处理、耗时长、灵敏度低、操作成本高等。

与这些仪器方法相比，电化学伏安法传感技术由于操作简单，实验周期短，选择性强等优点，已被广泛用于鸦片生物碱的单独测定。在具体的实验过程中，使用裸电极检测这些化合物存在许多局限性，如灵敏度低，重现性低，电子转移速率慢，测定过程中随时间的增加，电极在缓冲溶液中的稳定性降低以及电子转移速率低的问题。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种能够利用电化学检测同时检测吗啡和MDMA的工作电极，本发明的目的之二在于提供前述工作电极的制备方法，本发明的目的之三在于提供一种利用前述工作电极的电化学传感器，本发明的目的之四在于提供一种利用前述工作电极同时检测尿液中吗啡和MDMA的方法；已解决现有检测方法中为避免生物检材中干扰物影响检测结果，需要对样品进行大量的预处理工作，检测周期长，无法完成现场快速检测的问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术手段：

一种工作电极，包括玻碳电极，所述玻碳电极的工作端包覆有由碳纳米角/壳聚糖复合材料形成的第一功能层，所述第一功能层外通过电沉积包覆有铂纳米粒沉积的第二功能层。

作为优选的，在所述第一功能层中，所述碳纳米角与所述壳聚糖均匀混合分布。

一种前述工作电极的制备方法，包括以下步骤：

a.将碳纳米角与壳聚糖制备成纳米颗粒分散悬液，并将所述悬液涂覆在所述玻碳电极工作端，制成碳纳米角/壳聚糖修饰电极；

b.利用电沉积将铂纳米粒子聚合在所述碳纳米角/壳聚糖修饰电极上，制成工作电极，所述电沉积的混合电沉积液采用带有铂离子的电解液。

作为优选的，制备所述碳纳米角/壳聚糖修饰电极的方法为：将所述悬液涂覆在所述玻碳电极的工作端，采用分步干燥的方式，先在常温干燥，干燥后放于红外灯下进行干燥。

进一步的，制备所述工作电极的方式为：将所述碳纳米角/壳聚糖修饰电极放置于混合电沉积液中，通过循环伏安法进行电沉积，完成后放置于冰箱晾干，制得碳纳米角/壳聚糖复合材料负载铂纳米粒修饰工作电极；

所述混合电沉积液包括50mg/L氯铂酸以及1mmol/L硫酸电解质溶液，将所述氯铂酸加入含1mmol/L硫酸电解质溶液中，超声处理即得所述混合电沉积液。

更进一步的，所述电沉积的过程扫描电压范围为-0.8～0.6V，扫描速率为10mV/s，扫描圈数为10～40圈，平衡时间为5s。

更进一步的，在步骤a中，利用所述悬液对玻碳电极进行修饰前，对所述玻碳电极进行活化处理。

一种同时检测吗啡和MDMA的传感器，包括前述的工作电极、作为对电极的铂电极、参比电极以及pH值为6.09的Britton-Robinson缓冲液。

一种同时检测吗啡和MDMA的电化学检测方法，采用前述的工作电极作为检测用的工作电极；检测步骤为：

a.将待测样品加入缓冲液中；

b.将所述工作电极接入缓冲液中，配合回路电极形成检测回路，利用循环伏安法或差分脉冲伏安法进行检测。

作为优选的，采用三电极体系进行检测，其中所述回路电极以铂电极作为对电极，Ag/AgCl电极作为参比电极；

所述缓冲液采用pH值为6.09的Britton-Robinson缓冲液；

在利用循环伏安法进行检测时，电压范围为-0.5～1.0V，扫描速率为100mV/s；

在利用差分脉冲伏安法进行检测时，起始电位0V，结束电位1.2V，脉冲幅度0.05s，脉冲周期0.5s，振幅0.05V，平衡时间5s。

本发明与常见的工作电极以及检测方法相比，具有以下有益效果：

提供一种快捷测定低浓度吗啡和MDMA类毒品的电化学方法，选取碳纳米角-壳聚糖负载铂纳米颗粒修饰玻碳电极作为工作电极，利用循环伏安法和差分脉冲伏安法对缓冲溶液中吗啡和MDMA类毒品的进行测定。经验证，此方法检测灵敏度高，线性范围宽，稳定性好，抗干扰能力强，检出限低至1.0×10^-10mol/L，且电极制备工艺简单可靠，缓冲溶液制备简单，检测周期短，适用于现场快速检测。

附图说明

图1为裸玻碳电极(a)、碳纳米角-壳聚糖修饰电极(b)和本发明公开的工作电极(c)分别在铁氰化钾溶液中的循环伏安曲线。

图2为本发明公开的工作电极在不同浓度的吗啡中的差分脉冲伏安法峰电流-浓度曲线。

图3为本发明公开的工作电极在不同浓度MDMA中的差分脉冲伏安法峰电流-浓度曲线。

图4为本发明公开的工作电极在不同浓度吗啡和MDMA中的差分脉冲伏安法峰电流-浓度曲线。

图5为本发明所公开的传感器对吗啡和MDMA的选择性验证结果图。

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，以下结合实施例以及附图，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。

制备工作电极

将1mg/mL的碳纳米角和1mg/mL的壳聚糖加入乙醇中形成悬液，超声分散处理1～3h形成碳纳米角和壳聚糖均匀分散的复合悬液，取10μL前述复合悬液，分2～3次均匀滴涂于玻碳电极的表面后，自然常温晾至半干，即肉眼观测无明显液态流动后，在红外灯下烘烤8-12分钟进行干燥，形成第一功能层，在第一功能层中，碳纳米角与壳聚糖都能均匀分布，形成第一功能层后，玻碳电极形成碳纳米角/壳聚糖修饰电极。

配置用于电沉积的混合电沉积液：取50mg/L的氯铂酸(H₂PtCl₆·6H₂O)放入含1mmol/L的H₂SO₄的电解质溶液中，超声处理后，放置在冰箱中保存待用。

将前述制备的碳纳米角/壳聚糖修饰电极在三电极体系下，在前述混合电沉积液中利用循环伏安法进行电沉积，前述的电沉积扫描电压范围：-0.8～0.6V，扫描速率为10mV/s，扫描圈数选择10～40圈进行扫描，平衡时间为5s，电沉积完成后，用去离子水轻微冲洗后放置在冰箱中冷冻晾干，即在前述的碳纳米角/壳聚糖修饰电极的表面负载铂纳米粒子，形成第二功能层，将本发明公开的工作电极制备完成。

实际操作中发现，如果先在玻碳电极表面修饰壳聚糖再修饰碳纳米角，虽然形成的第一功能层的稳定性更高，但是其检测信号弱，如若先在玻碳电极表面修饰碳纳米角再修饰壳聚糖，这样虽然检测信号更好，但是第一功能层的稳定性又下降。因此采用将壳聚糖和碳纳米角制备为分散均匀的复合悬液后，再通过多次涂覆，分步干燥，让前述的复合悬液能够均匀稳定的修饰在玻碳电极上，即能够让第一功能层稳定修饰在玻碳电极表面，同时能够让第一功能层具有很好的检测信号。

更进一步的，在进行电沉积的过程中，在检测的过程中，不同扫描圈数对于检测结构有较大的影响，当扫描圈数小于30圈时，峰电流随扫描圈数的增加而增大，而超过30圈之后，峰电流随扫描圈数的增加略微下降，因此，在电沉积的过程中，扫描圈数选择为30圈。

再做进一步的优化，在对玻碳电极进行修饰前即在用前述复合悬液对玻碳电极进行修饰前，可以对其进行活化极化，让前述的玻碳电极先进行抛光超声清洗，然后将玻碳电极置于0.1mol/L的硫酸溶液中利用循环伏安法扫描，扫描电压为-1.2～1.5V，扫描速率为100mV/s，对其进行活化处理。

再者，前述复合悬液的添加量，也对检测效果有一定的影响，其中，以复合悬液用量为6～10μL进行检测，复合悬液用量小于10μL时，峰电流随用量的增加而增大，而超过10μL之后，因电极面积有限且峰电流随用量的增加并不明显，因此选择10μL作为复合悬液最优的使用量。

配置传感器

传感器的工作电极采用本发明所公开的前述工作电极，即CNHs-CHI@PtNPs(碳纳米角-壳聚糖负载铂纳米粒子)修饰电极，采用铂电极作为对电极，Ag/AgCl电极作为参比电极，同时需要配置相应的缓冲液，将待测样加入缓冲液中利用差分脉冲伏安法对含有待测样的缓冲液进行扫描检测。

前述的缓冲液为Britton-Robinson缓冲溶液，分别配制0.04mol/L的磷酸溶液，0.04mol/L的乙酸溶液和0.04mol/L的硼酸溶液；将三酸溶液混合，然后在三酸混合溶液中加入指定体积0.2mol/L的NaOH溶液，即得Britton-Robinson缓冲溶液(pH＝6.09)。

利用循环伏安法以及差分脉冲伏安法对工作电极的性能进行测试

首选，将裸玻碳电极(a)；碳纳米角/壳聚糖修饰电极(b)；工作电极(c)作为不同的测试对象，对其进行循环伏安曲线的测定，选择的测试环境为铁氰化钾溶液，检测结果如图1所示。可见，裸玻碳电极(a)在未经修饰时的氧化还原峰不明显，峰电流较小，灵敏度低；在裸玻碳电极上形成第一功能层，即制备为碳纳米角/壳聚糖修饰电极(b)后，明显增大了氧化还原峰的峰电流，这证明形成的碳纳米角/壳聚糖修饰电极具有良好的导电性和高的表面体积比。同时，再进一步的，将碳纳米角/壳聚糖修饰电极进行电沉积后，负载铂纳米粒子形成本发明的工作电极后，其电导率更高，CV曲线表现出一个更高的氧化还原峰(曲线c)。这归因于铂纳米粒子的良好导电性、电催化活性和生物相容性，在第一功能层作为良好的分散基体下，铂纳米粒子均匀分布在第一功能层上形成第二功能层，为电子提供了传导途径并加速电子在电极表面上的转移速率。

上述的结果表明，将碳纳米角/壳聚糖纳米材料作为分在铂纳米粒子催化剂载体的材料，对于吗啡和MDMA具有更高的电催化活性。这大大提高了本发明公开的工作电极对检测吗啡和MDMA的敏感性。可用于吗啡和MDMA类毒品的测定。

随后，以差分脉冲伏安法为例，对不同浓度的吗啡和MDMA配置的缓冲溶液进行检测，起始电位0V，结束电位1.2V，脉冲幅度0.05s，脉冲周期0.5s，振幅0.05V，平衡时间5s，并绘制相应曲线。

进行检测的缓冲溶液中添加不同浓度的吗啡和MDMA，其中

吗啡浓度依次为：

0，5.0×10^-8，3.5×10^-7，7.4×10^-7，1.4×10^-6，2.5×10^-6，3.6×10^-6，8.4×10^-6，1.5×10^-5，2.5×10^-5以及3.5×10^-5mol/L；

MDMA的浓度依次为：

0，1.0×10^-9，9.0×10^-9，1.9×10^-8，3.9×10^-8，4.9×10^-8，2.5×10^-7，4.5×10^-7，8.5×10^-7，3.9×10^-6，4.9×10^-6，9.9×10^-6，1.6×10^-5，2.6×10^-5以及3.6×10^-5mol/L；

利用工作电极对不同浓度的吗啡进行单独检测的结果，可参考图2所示，

利用工作电极对不同浓度的MDMA进行单独检测的结果，可参考图3所示，利用工作电极对吗啡和MDMA混合的缓冲液进行同时检测的结果，可参考图4所示的。

由图可知，峰电流与吗啡浓度在5.0×10^-8～3.6×10^-6mol/L和3.6×10^-6～3.5×10^-5mol/L，峰电流与MDMA浓度在1.0×10^-9～8.5×10^-7mol/L和8.5×10^-7～3.6×10^-5mol/L范围内呈良好的线性关系；结果如图所示，回归方程分别为y₁＝0.125x+0.536，r＝0.9979和y₂＝0.005x+0.957，r＝0.9969；

y₃＝0.043x+2.45，r＝0.9969和y₄＝15.979x+1.169，r＝0.9959；

检出限分别达到3.0×10^-9mol/L和1.0×10^-10mol/L(S/N＝3)，可见铂纳米粒子，碳纳米角和壳聚糖的引入增加了工作电极的灵敏度。

为了验证本发明公开的工作电极配置的传感器对吗啡和MDMA的选择性；

采用差分脉冲伏安法分别测定了工作电极在0.04mol/L的Britton-Robinson缓冲溶液(pH＝6.09)中对3.0μmol/L吗啡和MDMA的电流响应，以及对20.0μmol/L可能会对吗啡和MDMA测定产生影响的氯胺酮(Ketamine)、可卡因(Cocaine)、多巴胺(Dopamine)和抗坏血酸(Ascorbic Acid)的电流响应。其不同的峰电流可参考图5所示。

结果表明，四倍浓度于吗啡和MDMA的Ketamine、Cocaine、Dopamine和AscorbicAcid的存在并没有明显干扰到吗啡和MDMA的测定结果。由此可见，在采用本发明公开的工作电极配置的传感器时，这些物质对吗啡和MDMA的测定基本上不构成干扰，该传感器对吗啡和MDMA有很好的选择性。

另外，除了进行上述对工作电极在实验环境下进行检测外，为了验证试验的可靠性，采用标准加入法，将本发明所公开的工作电极直接用于健康人体的人尿样中吗啡和MDMA的测定，检测结果可见表1所示。可见，尿样样品中吗啡和MDMA的测定结果RSD值均在4.0％以内，加标回收率则在97～108.0％之间，说明检测结果是准确可靠的。

表1 本发明公开的工作电极对尿样中吗啡和MDMA的检测结果(n＝3)

因此，与现有技术相比，本发明的有益效果是：提供一种同时快捷检测低浓度吗啡和MDMA类毒品的工作电极及制备方法，以及基于前述工作电极的检测传感器，以及检测吗啡和MDMA的电化学方法，选取碳纳米角-壳聚糖负载铂纳米颗粒修饰玻碳电极作为工作电极，利用循环伏安法和差分脉冲伏安法对缓冲溶液中吗啡和MDMA类毒品的进行测定。经验证，此方法检测灵敏度高，线性范围宽，稳定性好，抗干扰能力强，检出限低至1.0×10^{- 10}mol/L，且电极制备工艺简单可靠，缓冲溶液制备简单，检测周期短，适用于现场快速检测。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (10)

1.一种工作电极，包括玻碳电极，其特征在于：所述玻碳电极的工作端包覆有由碳纳米角/壳聚糖复合材料形成的第一功能层，所述第一功能层外通过电沉积包覆有铂纳米粒沉积的第二功能层；

所述玻碳电极作为工作电极同时检测吗啡和MDMA。

2.根据权利要求1所述的一种工作电极，其特征在于：在所述第一功能层中，所述碳纳米角与所述壳聚糖均匀混合分布。

3.一种权利要求1至2任意一项所述工作电极的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

a.将碳纳米角与壳聚糖制备成纳米颗粒分散悬液，并将所述悬液涂覆在所述玻碳电极工作端，制成碳纳米角/壳聚糖修饰电极；

b.利用电沉积将铂纳米粒子聚合在所述碳纳米角/壳聚糖修饰电极上，制成工作电极，所述电沉积的混合电沉积液采用带有铂离子的电解液；

c.待铂纳米粒子聚合完成后，制成CNHs-CHI@PtNPs修饰电极用于同时检测吗啡和MDMA。

4.根据权利要求3所述的一种工作电极的制备方法，其特征在于：制备所述碳纳米角/壳聚糖修饰电极的方法为：将所述悬液涂覆在所述玻碳电极的工作端，采用分步干燥的方式，先在常温干燥，干燥后放于红外灯下进行干燥。

5.根据权利要求3或4所述的一种工作电极的制备方法，其特征在于：制备所述工作电极的方式为：将所述碳纳米角/壳聚糖修饰电极放置于混合电沉积液中，通过循环伏安法进行电沉积，完成后放置于冰箱晾干，制得碳纳米角/壳聚糖复合材料负载铂纳米粒修饰工作电极；

所述混合电沉积液包括50mg/L氯铂酸以及1mM/L硫酸电解质溶液，将所述氯铂酸加入含1mM/L硫酸电解质溶液中，超声处理即得所述混合电沉积液。

6.根据权利要求5所述的一种工作电极的制备方法，其特征在于：所述电沉积的过程扫描电压范围为-0.8～0.6V，扫描速率为10mV/s，扫描圈数为10～40圈，平衡时间为5s。

7.根据权利要求3所述的一种工作电极的制备方法，其特征在于：在步骤a中，利用所述悬液对玻碳电极进行修饰前，对所述玻碳电极进行活化处理。

8.一种同时检测吗啡和MDMA的传感器，其特征在于：包括权利要求1或2所述的工作电极、作为对电极的铂电极、参比电极以及p H值为6.09的Britton-Robinson缓冲液。

9.一种同时检测吗啡和MDMA的电化学检测方法，其特征在于：采用权利要求1或2所述的工作电极作为检测用的工作电极；检测步骤为：

a.将待测样品加入缓冲液中；

b.将所述工作电极接入缓冲液中，配合回路电极形成测量回路，利用循环伏安法或差分脉冲伏安法进行检测。

10.根据权利要求9所述的一种同时检测吗啡和MDMA的电化学检测方法，其特征在于：采用三电极体系进行检测，其中所述回路电极以铂电极作为对电极，Ag/AgCl电极作为参比电极；

所述缓冲液采用p H值为6.09的Britton-Robinson缓冲液；

在利用循环伏安法进行检测时，电压范围为-0.5～1.0V，扫描速率为100mV/s；

在利用差分脉冲伏安法进行检测时，起始电位0V，结束电位1.2V，脉冲幅度0.05s，脉冲周期0.5s，振幅0.05V，平衡时间5s。

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