CN111141801A - 一种一体化超微电极及其制备方法和应用 - Google Patents

一种一体化超微电极及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种一体化超微电极及其制备方法和应用，通过在θ型玻璃微管内集成超微工作电极与对电极形成两电极体系，超微电极的极小iR降为两电极体系构建提供了依据和保证，该一体化超微电极探针在单次测量中仅需微升体积的溶液，极大降低了样品的消耗，同时增强其空间分辨率、便携性与现场检测的能力，适用于任意微升体积均相溶液中电活性物质、酶活性和生物样品的原位电化学检测，测试过程不受三电极体系微型电化学检测装置中支持电解质溶液的体积限制和测量时间限制；不需要毫升级的支持电解质溶液辅助，可直接进行测量，提高了检测效率。

Description

一种一体化超微电极及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于微升体积样品的原位电化学检测技术，具体涉及一种一体化超微电极及其制备方法和应用。
背景技术
超微电极至少在一个维度上小于25μm，相比常规电极具有新的特性和独特的优势，包括双电层电容小，可实现快速响应，信噪比高；极小的iR降，可用于两电极体系和非水或高阻体系；传质速率高，能迅速到达稳态；稳态电流定量性好；物理尺寸小，空间分辨率高。因此，超微电极在空间、时间、化学介质和方法学上极大扩展了电分析化学方法的应用范围，广泛应用于神经科学，单细胞分析和化学动力学参数测定。文献中利用碳纤维超微电极构建了三电极体系微型电化学检测装置，并将其应用于均相的电化学酶传感器和电化学核酸适体传感器中,可实时监测溶液中氧化还原底物和产物浓度的变化，及检测均相溶液中酶的活性。该装置还成功用于均相溶液中G-四聚体 DNA偶联恒温指数扩增反应后酶活性的实时检测。但该装置仍需要毫升级的支持电解质溶液辅助，用于连接三电极体系，且检测溶液中氧化还原物质缓慢扩散至支持电解质溶液会导致其浓度缓慢改变，限制了其测试时间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种一体化超微电极及其制备方法和应用，以克服现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种一体化超微电极，包括θ形玻璃微管，θ形玻璃微管沿轴向设有玻璃隔膜使θ形玻璃微管形成两个型腔，两个型腔内分别设有对电极和工作电极，θ形玻璃微管两端密封，θ形玻璃微管一端的对电极和工作电极连接于测试仪器，θ形玻璃微管另一端的对电极和工作电极伸出θ形玻璃微管端面作为检测接触端。
进一步的，对电极采用铂丝电极，工作电极采用铜丝-碳纤维超微电极，铜丝-碳纤维超微电极采用铜丝和碳纤维通过导电银漆粘连。
进一步的，铂丝电极位于检测接触端伸出长度不大于0.3cm。
进一步的，铜丝一端连接于测试仪器，碳纤维一端作为检测接触端伸出长度不大于0.2cm。
一种一体化超微电极制备方法，包括以下步骤：
步骤1)、将碳纤维去污处理，将去污处理的碳纤维一端与铜丝的一端通过导电银漆粘连；
步骤2)、将铂丝插入θ形玻璃微管其中一个型腔内并在一端伸出，将粘连了碳纤维的铜丝插入θ形玻璃微管另一个型腔内使碳纤维端伸出，通过硅橡胶密封θ形玻璃微管伸出端，并用双组份环氧树脂胶密封θ形玻璃微管另一端端口以固定铜丝和铂丝，使硅橡胶和环氧树脂胶固化，即得到一体化的超微电极。
进一步的，将一体化超微电极置于微升体积样品溶液中进行电化学检测，电化学检测方法包括循环伏安法、差分脉冲伏安法、方波伏安法、线性伏安法、计时电流法和电化学阻抗谱法。
一种一体化超微电极的使用方法，将一体化超微电极置于微升体积样品溶液中进行电化学检测，测量循环伏安(CV)曲线或差分脉冲伏安(DPV)曲线。
进一步的，扫描范围-0.7–0.7V，扫描速度0.1V/s。
进一步的，将一体化超微电极置于含有20μLK4Fe(CN)6溶液的枪头内依次测量CV曲线，扫描范围-0.7–0.7V，扫描速度0.1V/s。
进一步的，将一体化超微电极置于含有20μL亚甲基蓝溶液的枪头内依次测量CV和DPV曲线，测量CV扫描范围-0.95–0.3V，扫描速度0.1V/s；测量DPV曲线扫描范围-0.45–-0.925V，脉冲振幅为0.05V，脉冲宽度为 0.1s。
进一步的，将一体化超微电极置于含有20μL多巴胺溶液的枪头内依次测量CV曲线，扫描范围-0.2–0.35V，扫描速度0.1V/s。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种一体化超微电极，通过在θ型玻璃微管内集成超微工作电极与对电极形成两电极体系，超微电极的极小iR降为两电极体系构建提供了依据和保证，该一体化超微电极探针在单次测量中仅需微升体积的溶液，极大降低了样品的消耗，同时增强其空间分辨率、便携性与现场检测的能力，适用于任意微升体积均相溶液中电活性物质、酶活性和生物样品的原位电化学检测，测试过程不受三电极体系微型电化学检测装置中支持电解质溶液的体积限制和测量时间限制；不需要毫升级的支持电解质溶液辅助，可直接进行测量，提高了检测效率。
一种一体化超微电极制备方法简单，可用于任意微升体积样品的原位电化学检测，检测范围广。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明一体化超微电极的光学显微镜图。
图3为本发明一体化超微电极的电化学检测装置原理图。
图4为一体化超微电极和三电极体系测量5mM K3/K4Fe(CN)6溶液得到的 CV图。
图5为一体化超微电极分别测量20μL，100μM，500μM，1mM，2mM， 4mM，6mM，8mM，10mMK4Fe(CN)6溶液得到的CV图。
图6为一体化超微电极分别测量20μL，50nM，500nM，1μM，10μM， 100μM亚甲基蓝溶液得到的CV图。
图7为一体化超微电极分别测量20μL，50nM，500nM，1μM，10μM， 100μM亚甲基溶液得到的DPV图。
图8为一体化超微电极分别测量20μL，0，10μM，20μM，40μM， 60μM，80μM，100μM多巴胺溶液得到的CV图。
其中，1、工作电极；2、铂丝电极；3、环氧树脂胶；4、θ形玻璃微管； 5、玻璃隔膜；6、导电银漆；7、硅橡胶；8、碳纤维。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1至图3所示，一种一体化超微电极，包括θ形玻璃微管4，θ形玻璃微管4沿轴向设有玻璃隔膜5使θ形玻璃微管4形成两个型腔，两个型腔内分别设有对电极2和工作电极1，θ形玻璃微管4两端密封，θ形玻璃微管4一端的对电极2和工作电极1连接于测试仪器，θ形玻璃微管4另一端的对电极2和工作电极1伸出θ形玻璃微管4端面作为检测接触端。
对电极2采用铂丝电极，位于检测接触端伸出长度不大于0.3cm，工作电极1采用铜丝-碳纤维超微电极，铜丝-碳纤维超微电极采用铜丝和碳纤维 8通过导电银漆7粘连，铜丝一端连接于测试仪器，碳纤维一端作为检测接触端伸出长度不大于0.2cm。
碳纤维直径为7μm；铜丝直径为0.4mm；铂丝直径为0.4mm；θ形玻璃微管4外径为1.50cm,内径1.17cm，玻璃隔膜厚度0.165mm。
一种一体化超微电极制备方法，包括以下步骤：
步骤1)、将碳纤维去污处理(将碳纤维依次在丙酮、乙醇和纯水中超声清洗至少10min，在空气中晾干)，将去污处理的碳纤维一端与铜丝的一端通过导电银漆粘连。
步骤2)、将铂丝插入θ形玻璃微管4其中一个型腔内并在一端伸出0.3 cm，将粘连了碳纤维的铜丝插入θ形玻璃微管4另一个型腔内使碳纤维端伸出0.2cm，通过硅橡胶密封θ形玻璃微管4伸出端，并用双组份环氧树脂胶密封θ形玻璃微管4另一端端口以固定铜丝和铂丝，使硅橡胶和环氧树脂胶固化，即得到一体化的超微电极。
具体的：
将直径为7μm的碳纤维依次在丙酮、乙醇和纯水中超声清洗10min，在空气中晾干，取长度约1cm碳纤维与铜丝的一端(直径0.4mm，长度5cm) 用导电银漆粘连，在室温晾干；准备长度约5cm的玻璃θ形玻璃微管(外径1.50cm,内径1.17cm,玻璃隔膜厚度0.165mm)，θ管中被一薄层玻璃在竖直方向隔成两个大小基本相同的腔室；然后将铂丝(直径0.4mm，长度约6cm)从θ形玻璃微管的一端插入其中一个腔并露出尖端0.3cm，将粘连了碳纤维的铜丝从θ形玻璃微管同一端插入另一个腔并露出尖端0.2cm。用硅橡胶封闭此端口，并用双组份环氧树脂胶封闭另一端端口以固定铜丝和铂丝。室温放置一段时间，使硅橡胶和环氧树脂胶固化，即得到一体化的超微电极。
2.电化学检测
使用CHI 660E电化学工作站进行电化学测试。首先使用移液器吸取20 μL的样品溶液，然后将枪头取下，插入制备好的一体化超微电极并使其固定；碳纤维电极作为工作电极，铂丝作为对电极构成两电极系统，进行电化学测试。
将一体化超微电极置于含有20μL 5mM K3/K4Fe(CN)6溶液的枪头内测量循环伏安(CV)曲线；另外，使用传统三电极体系超微电极进行电化学测试，以一体化超微电极的碳纤维电极部分作为工作电极，银/氯化银参比电极作为参比电极，铂丝作为对电极构成三电极体系，在5mL 5mM K3/K4Fe(CN)6 溶液中进行电化学测试。比较一体化超微电极和三电极体系的循环伏安曲线测量效果。
基于一体化超微电极对多种电活性物质进行检测：将一体化超微电极置于20μLK4Fe(CN)6、亚甲基蓝、多巴胺溶液中测量循环伏安(CV)曲线或差分脉冲伏安(DPV)曲线。
一体化超微电极的可行性测试：
将一体化超微电极和三电极体系分别置于20μL和5mL 5mM K3/K4Fe(CN)6溶液内测量CV曲线，扫描范围-0.7–0.7V，扫描速度0.1V/s。
一体化超微电极用于微升体积电活性物质的检测：
K4Fe(CN)6的CV检测
将一体化超微电极置于含有100μM，500μM，1mM，2mM，4mM，6mM， 8mM，10mMK4Fe(CN)6溶液的枪头内依次测量CV曲线，扫描范围-0.7–0.7V，扫描速度0.1V/s。
亚甲基蓝的CV与DPV检测
将一体化超微电极置于含有50nM，500nM，1μM，10μM，100μM 亚甲基蓝溶液的枪头内依次测量CV(扫描范围-0.95–0.3V，扫描速度 0.1V/s)和DPV曲线(扫描范围-0.45–-0.925V，脉冲振幅为0.05V，脉冲宽度为0.1s)。
多巴胺的CV检测
将一体化超微电极置于含有0，10μM，20μM，40μM，60μM，80μM， 100μM多巴胺溶液的枪头内依次测量CV曲线，扫描范围-0.2–0.35V，扫描速度0.1V/s。
本发明制备一体化超微电极用于微升体积样品的原位电化学检测，包括以下步骤：
用一体化超微电极和三电极体系超微电极测量5mM K3/K4Fe(CN)6溶液的CV曲线如图4所示，相比三电极体系超微电极测得的CV曲线，一体化超微电极测量得到的CV曲线仅向电压更负的方向偏移了215mV，但曲线的形状并未发生明显变化，说明一体化超微电极能够实现毫升体积溶液中三电极体系超微电极相同的检测效果。
将一体化超微电极置于含有100μM，500μM，1mM，2mM，4mM，6mM， 8mM，10mM K4Fe(CN)6溶液的枪头内测量得到的CV曲线如图5所示，从a 到h，随着K4Fe(CN)6浓度的升高，K4Fe(CN)6氧化电流逐渐升高，表现出柱状超微电极的准稳态电流特征，准稳态电流与K4Fe(CN)6的浓度成正比。
将一体化超微电极置于含有50nM，500nM，1μM，10μM，100μM 亚甲基蓝溶液的枪头内依次测量得到的CV曲线如图6所示，从a到e，随着亚甲基蓝浓度的升高，亚甲基蓝的氧化还原电流逐渐升高，表现出柱状超微电极的准稳态电流特征，准稳态电流与亚甲基蓝的浓度成正比。DPV测量结果如图7所示，从a到e，随着亚甲基蓝浓度的增加，MB的还原峰电流逐渐增加。
将一体化超微电极置于含有0，10μM，20μM，40μM，60μM，80μM， 100μM多巴胺溶液的枪头内依次测量得到的CV曲线如图8所示，从a到g，随着多巴胺浓度的升高，多巴胺的氧化峰电流逐渐升高，表现出柱状超微电极的准稳态电流特征，准稳态电流与多巴胺的浓度成正比。
本发明一种基于两电极体系的一体化超微电极探针，通过θ型玻璃微管集成超微工作电极与对电极，超微电极的极小iR降为两电极体系构建提供了依据和保证。该一体化超微电极探针在单次测量中仅需微升体积(最小1μL) 的溶液，极大降低了样品的消耗，同时增强其空间分辨率、便携性与现场检测的能力，适用于任意微升体积均相溶液中电活性物质、酶活性和生物样品的原位电化学检测，测试过程不受三电极体系微型电化学检测装置中支持电解质溶液的体积限制和测量时间限制。

Claims (10)

1.一种一体化超微电极，其特征在于，包括θ形玻璃微管(4)，θ形玻璃微管(4)沿轴向设有玻璃隔膜(5)使θ形玻璃微管(4)形成两个型腔，两个型腔内分别设有对电极(2)和工作电极(1)，θ形玻璃微管(4)两端密封，θ形玻璃微管(4)一端的对电极(2)和工作电极(1)连接于测试仪器，θ形玻璃微管(4)另一端的对电极(2)和工作电极(1)伸出θ形玻璃微管(4)端面作为检测接触端。
2.根据权利要求1所述的一种一体化超微电极，其特征在于，对电极(2)采用铂丝电极，工作电极(1)采用铜丝-碳纤维超微电极，铜丝-碳纤维超微电极采用铜丝和碳纤维(8)通过导电银漆(7)粘连。
3.根据权利要求1所述的一种一体化超微电极，其特征在于，铂丝电极位于检测接触端伸出长度不大于0.3cm。
4.根据权利要求1所述的一种一体化超微电极，其特征在于，铜丝一端连接于测试仪器，碳纤维一端作为检测接触端伸出长度不大于0.2cm。
5.一种一体化超微电极制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)、将碳纤维去污处理，将去污处理的碳纤维一端与铜丝的一端通过导电银漆粘连；
步骤2)、将铂丝插入θ形玻璃微管其中一个型腔内并在一端伸出，将粘连了碳纤维的铜丝插入θ形玻璃微管另一个型腔内使碳纤维端伸出，通过硅橡胶密封θ形玻璃微管伸出端，并用双组份环氧树脂胶密封θ形玻璃微管另一端端口以固定铜丝和铂丝，使硅橡胶和环氧树脂胶固化，即得到一体化的超微电极。
6.一种基于权利要求1所述一种一体化超微电极的使用方法，其特征在于，将一体化超微电极置于微升体积样品溶液中进行电化学检测。
7.根据权利要求6所述一种一体化超微电极的使用方法，其特征在于，电化学检测方法包括循环伏安法、差分脉冲伏安法、方波伏安法、线性伏安法、计时电流法和电化学阻抗谱法。
8.根据权利要求6所述一种一体化超微电极的使用方法，其特征在于，将一体化超微电极置于含有K4Fe(CN)6溶液的枪头内依次测量循环伏安曲线，扫描范围-0.7–0.7V，扫描速度0.1V/s。
9.根据权利要求6所述一种一体化超微电极的使用方法，其特征在于，将一体化超微电极置于含有亚甲基蓝溶液的枪头内依次测量循环伏安曲线和差分脉冲伏安曲线，循环伏安法扫描范围-0.95–0.3V，扫描速度0.1V/s；差分脉冲伏安法扫描范围-0.45–-0.925V，脉冲振幅为0.05V，脉冲宽度为0.1s。
10.根据权利要求6所述一种一体化超微电极的使用方法，其特征在于，将一体化超微电极置于含有多巴胺溶液的枪头内依次测量循环伏安曲线，扫描范围-0.2–0.35V，扫描速度0.1V/s。
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