CN112198201B - 一种基于氮掺杂有序介孔碳修饰电极构建的吲哚电化学传感器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于氮掺杂有序介孔碳修饰电极构建的吲哚电化学传感器及其应用，属于电化学检测领域。本发明通过将氮掺杂有序介孔碳分散于壳聚糖中形成的复合物修饰在丝网印刷电极表面，利用氮掺杂有序介孔碳材料的高比表面积和良好的导电性与电化学检测方法具有响应快速、操作简便等特点，构建了一种用于血浆吲哚检测的电化学传感器。采用示差脉冲伏安法进行电化学检测，根据电化学响应信号与待测物浓度之间的线性关系绘制标准曲线从而对血浆吲哚进行定量分析。该发明对血浆吲哚检测，具有制作简便、成本低廉、灵敏度高、抗干扰能力强等优点。

Description

一种基于氮掺杂有序介孔碳修饰电极构建的吲哚电化学传感 器及其应用

技术领域

本发明属于电化学检测领域，具体涉及一种基于氮掺杂有序介孔碳修饰电极构建的吲哚电化学传感器及其应用。

背景技术

吲哚广泛存在于自然界中，气味浓烈，高度稀释的溶液可以作为香料。此外，吲哚不仅是重要的有机合成中间体，新药设计研发的重要前体，而且作为一种信号分子参与人体生理功能调节。吲哚是宿主体内色氨酸经肠道菌群代谢的产物，对维持肠道健康和调节激素分泌有重要作用，一方面吲哚可通过加强细胞之间的紧密连接来促进肠上皮细胞的屏障功能，另一方面吲哚能够调节肠内分泌L细胞分泌胰高血糖素样肽-1从而调节胰岛素的分泌。

目前，吲哚浓度的检测方法主要有高效液相色谱法、液相色谱-质谱联用法、分光光度法和电化学检测法。高效液相色谱法与液相色谱-质谱联用法分离效率高，灵敏度高，但受仪器设备因素和操作人员要求等限制难以推广应用于普通实验室。分光光度法操作简单，但灵敏度不高，抗干扰能力弱。电化学检测法响应时间短，灵敏度高，操作简单。近年来，在电化学传感技术研究领域，为了提高电子转移速度、放大检测信号、提高检测灵敏度，纳米材料作为电极的修饰材料已得到广泛应用。有序介孔碳是一种孔道排列的碳纳米材料，具有较高的比表面积、较大的孔容和丰富的介观结构，在有序介孔碳中引入氮原子可以改善材料的浸润性、生物相容性和导电性。目前虽已有电化学方法检测血浆吲哚的报道，但还未见采用氮掺杂有序介孔碳修饰丝网印刷碳电极定量检测血浆吲哚的相关报道。

发明内容

本发明致力于提供一种检测吲哚的电化学传感器，本发明制作的电化学传感器结合了氮掺杂有序介孔碳的高比表面积、良好的导电性及浸润性和丝网印刷碳电极低成本、表面易修饰以及电化学检测快速、灵敏、简便等特点，通过电化学分析方法实现了血浆吲哚快速、准确的定量检测。

本发明的电化学传感器的检测原理为：利用吲哚吡咯环上的双键可以在一定电位条件下被氧化，同时失去电子而产生电信号，通过具有良好的导电性及浸润性的氮掺杂有序介孔碳修饰电极可加速电子传递；利用电化学工作站对吲哚所产生的氧化峰电流进行检测，其氧化峰电流与待测血浆样品中吲哚的浓度在一定范围内呈线性关系，从而实现对血浆吲哚含量的定量分析。

一种基于氮掺杂有序介孔碳修饰电极构建的吲哚电化学传感器，其特征在于：所述电化学传感器包括丝网印刷碳电极，所述丝网印刷碳电极包括工作电极，所述工作电极包括表面的复合材料的修饰；

所述修饰电极的制备步骤和修饰方法为：

(1)0.5wt％壳聚糖溶液的配制：0.25g壳聚糖粉末溶于50mL 1.0％(v/v)乙酸溶液，4℃保存备用；

(2)0.5mg/mL氮掺杂有序介孔碳的壳聚糖分散液的配制：将5.0mg氮掺杂有序介孔碳加入10mL步骤(1)得到的壳聚糖溶液中，超声40～120min，4℃保存备用；

(3)在丝网印刷碳电极的工作电极表面滴加4.0～8.0μL步骤(2)得到的分散液，自然干燥，得到表面覆有修饰涂层的丝网印刷碳电极。

其中，所述丝网印刷碳电极包括一印制电极的聚对苯二甲酸二乙酯(PET)基片、PET基片上印制的外部绝缘层和基片上一端的导线接口，所述的基片上还印制有三个电极，分别为工作电极、Ag/AgCl参比电极和对电极，三个电极形成一圆形工作区域，各电极通过绝缘膜下印制的导线与接口相连。

一种基于氮掺杂有序介孔碳修饰电极构建的电化学传感器，用于血浆吲哚的检测，其特征在于，包括如下具体步骤：

(1)分别取300μL血浆样品和600μL乙醚置于试管中，涡旋1min，并在摇床上以250rpm、20℃振摇18min，随后于13300g、4℃条件下离心5min，取上清液于离心管中，并放入真空离心浓缩仪旋干；

(2)将步骤(1)得到的提取物，用300μL pH值为3.0～9.0，浓度为0.1mol/L磷酸盐缓冲溶液复溶；

(3)所述修饰的丝网印刷碳电极与电化学工作站连接，将50μL步骤(2)得到的溶液滴加在所述电极的工作区域，采用示差脉冲伏安法对吲哚的氧化峰电流进行直接测定，从而对待测血浆样品中的吲哚进行定量检测。

所述的一种基于氮掺杂有序介孔碳修饰电极构建的吲哚电化学传感器，用于血浆吲哚的检测，其中，乙醚，血浆样品，磷酸盐缓冲溶液的体积比为2:1:1。

所述的一种基于氮掺杂有序介孔碳修饰电极构建的吲哚电化学传感器，用于血浆吲哚的检测，其特征在于，所述磷酸盐缓冲溶液由浓度为0.1mol/L磷酸二氢钠溶液与磷酸氢二钠溶液配制。

所述的一种基于氮掺杂有序介孔碳修饰电极构建的吲哚电化学传感器，用于血浆吲哚的检测，其中，电化学工作站参数设置为：低电位0V，高电位+1.0V，振幅0.1V，脉冲宽度0.05s，脉冲周期0.2s。

本发明所述检测血浆吲哚的电化学传感器的有益效果如下：

(1)本发明所述的电化学传感器，通过使用丝网印刷碳电极配合电化学工作站对血浆吲哚进行定量测定，检测仪器操作简单，价格低廉。

(2)本发明所述的电化学传感器中用到的印刷电极，为一次性使用，制作及修饰过程简单、快速。既可避免对传统固体电极单调沉闷的打磨抛光，又可避免电极的重复使用造成实验交叉污染。

(3)本发明所述的电化学传感器用于检测血浆吲哚时，仅需对样本进行简单的预处理，所用试剂种类少、用量小，有效地降低了检测成本。

(4)本发明所述的电化学传感器，利用氮掺杂有序介孔碳良好的导电性以及浸润性加速电子传递的特点，用氮掺杂有序介孔碳作为本发明的电极修饰材料，显著改善了电极性能。

(5)本发明所述的电化学传感器，具有良好的精密度，较高的灵敏度，较强的抗干扰能力，可对血浆吲哚含量进行快速准确的定量分析，在科学研究和临床应用中具有广阔的前景。

附图说明

图1为本发明丝网印刷碳电极修饰方法及检测原理图。

图2为本发明氮掺杂有序介孔碳材料的电镜表征图。

其中图A为扫描电镜图，图B为透射电镜图。

图3为电极修饰前后吲哚的电化学检测响应信号对比。

图中短点划线a和点线b分别代表未修饰电极测定0.1mol/L,pH 6.0磷酸盐缓冲溶液和50.0μg/L吲哚标准品溶液的示差脉冲伏安曲线，图中虚线c和实线d分别代表修饰电极测定0.1mol/L,pH 6.0磷酸盐缓冲溶液和50.0μg/L吲哚标准溶液的示差脉冲伏安曲线。

图4为本发明磷酸盐缓冲溶液pH值影响氧化峰电流的曲线图(n＝3)。

图5为本发明电极修饰材料体积影响氧化峰电流的曲线图(n＝3)。

图中V代表电极修饰液体积。

图6为本发明中氧化峰电流增量对血浆吲哚浓度的标准曲线图(n＝3)。

图中c代表血浆吲哚浓度。

图7为本发明血浆吲哚检测方法与高效液相色谱法检测结果的相关性图。

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，以下结合附图和本发明较优的实施例，对本发明进行详细说明，但要求保护的范围不仅局限于所作的描述。本发明电化学工作站仅以CHI852C电化学工作站为例，其购自于上海辰华仪器有限公司。

实施例1

本实施例提出所述的一种基于氮掺杂有序介孔碳修饰电极构建的血浆吲哚电化学传感器，其制备具体包括如下步骤：

(1)制备本发明所述丝网印刷碳电极：

本发明所述丝网印刷碳电极是在PET基板上依次印刷碳浆、银/氯化银浆和绝缘浆。具体包括如下步骤：

①清洗PET基板，晾干后在PET基板上印刷碳浆，制作工作电极和辅助电极，常温干燥；

②在上述PET基板上印刷含有氯化银的银浆，制成参比电极，常温干燥；

③避开圆形工作区域，在上述PET基板上印刷绝缘浆，将导线覆盖住；

④上述工作电极、辅助电极和参比电极形成一圆形工作区域，各电极通过绝缘膜下的导线与接口相连，

然后于30℃～40℃烘干，保存备用。

(2)制备本发明所述修饰电极：

①0.5wt％壳聚糖溶液：0.25g壳聚糖粉末溶于50mL 1.0％(v/v)乙酸溶液，4℃保存备用；

②0.5mg/mL氮掺杂有序介孔碳的壳聚糖分散液：将5.0mg氮掺杂有序介孔碳加入10.0mL所述壳聚糖溶液中，超声100min；

③在丝网印刷碳电极的工作电极表面滴加6.0μL所述氮掺杂有序介孔碳的壳聚糖分散液，自然干燥，得到工作电极表面覆有修饰涂层的丝网印刷碳电极。

实施例2：

本实施例采用扫描电子显微镜以及透射电子显微镜对所述氮掺杂有序介孔碳的表面形貌以及微观结构进行表征，结果见图2。A图为扫描电子显微镜图，由图可见，氮掺杂有序介孔碳具有棒状形貌，在壳聚糖溶液中分散均匀，无明显团聚现象。B图为透射电镜图，氮掺杂有序介孔碳具有高比表面积以及丰富的介孔通道。

实施例3：

本实施例是检测血浆吲哚的电化学传感器的使用方法，具体包括如下步骤：

(1)购置分析纯的乙醚，用于血浆样品预处理；

(2)配制磷酸盐缓冲溶液：分别配制0.1mol·L^-1磷酸二氢钠溶液和磷酸氢二钠溶液，再按一定体积比混合配制pH值为6.0磷酸盐缓冲溶液；

(3)分别取300μL血浆样品和600μL乙醚溶液于试管中，并以250rpm在摇床振摇18min，随后在13300g、4℃条件下离心5min，最后取上清液于离心管中，并放入真空离心浓缩仪旋干；

(4)将处理后的提取液，用300μL所述磷酸盐缓冲溶液复溶，涡旋混匀，得到混合溶液；

(5)将所述修饰电极与CHI852C电化学工作站连接，将其参数设置为：低电位0V，高电位1.0V，振幅0.1V，脉冲宽度0.05s，脉冲周期0.2s，将50μL步骤(4)得到的混合溶液滴加在所述电极的工作区域，对吲哚进行直接电化学法测定，其氧化峰电流增加量与血浆中吲哚的浓度在一定范围内呈良好的线性关系，从而实现对血浆吲哚的直接定量分析。

实施例4

本实施例是考察电极修饰前后对吲哚的电化学响应信号。分别使用未修饰电极和修饰电极测定吲哚标准溶液，结果见图3。图中短点划线a和点线b分别代表未修饰电极测定0.1mol/L,pH 6.0磷酸盐缓冲液和50.0μg/L吲哚标准品溶液的伏安曲线，图中虚线c和实线d分别代表修饰电极测定0.1mol/L,pH 6.0磷酸盐缓冲溶液和50.0μg/L吲哚标准溶液的示差脉冲伏安曲线。结果显示，所得的电化学信号为吲哚被氧化而产生，此外，修饰电极测得的吲哚电化学响应信号显著增大，且示差脉冲伏安曲线的峰形明显改善。

实施例5

本实施例是考察磷酸盐缓冲溶液pH值对吲哚的氧化峰电流(氧化峰电流表示)的影响，结果见图4。当pH值在3.0～6.0时，随着磷酸盐缓冲液的pH值增加，氧化峰电流逐渐增加；当pH值为6.0时，氧化峰电流最大；当pH值大于6.0时，氧化峰电流迅速下降。磷酸盐缓冲溶液的pH值是吲哚检测的关键影响因素，故磷酸盐缓冲溶液的pH值选为6.0。

实施例6

本实施是考察修饰液的体积对吲哚的氧化峰电流的影响。磷酸盐缓冲溶液pH值为6.0，其它实验条件同实施例5。在4.0～8.0μL范围内考察修饰液体积对所述氧化峰电流的影响，结果见图5。在修饰液体积为6.0μL时，电化学响应信号最大。过多的修饰液将造成试剂浪费且降低氧化峰电流信号，故修饰液体积选择6.0μL，制备修饰电极。

实施例7

本实施例是考察所述传感器用于定量氧化峰电流增量与血浆吲哚浓度之间的相关性。在290μL空白血浆中分别加入10μL不同浓度的吲哚标准溶液，最终得到1.0～150.0μg/L不同浓度的混合血浆吲哚溶液，在最优的检测条件下，使用氮掺杂有序介孔碳修饰电极对吲哚进行测定。结果表明，氧化峰电流增量与加入的吲哚浓度在1.0～150.0μg/L范围内呈良好的线性关系(图6)，回归方程为y＝0.0189x+0.6652(R2＝0.9962)。在信噪比为3(S/N＝3)时其最低检测限为0.2μg/L，灵敏度较高。

实施例8

本实施例是考察本发明所述传感器用于测定血浆吲哚的精密度，在290μL空白血浆中分别加入10μL浓度分别为5.0、75.0、135.0μg/L的吲哚标准溶液，经样品预处理后，在最优实验条件下测定吲哚含量，日内重复测定5次，同一样品连续测定5天，分别计算低、中、高浓度吲哚的日内相对标准偏差和日间相对标准偏差，进行精密度考察，结果见表1。相对标准偏差最大为7.5％，表明本发明中的传感器具有良好的精密度。

表1.精密度实验(n＝3)

实施例9

本实施例是考察本发明所述传感器用于测定血浆吲哚的回收率，在空白血浆中分别加入高、中、低浓度的吲哚标准品溶液，测定加入各浓度的吲哚前后血浆的氧化峰电流，进行回收率实验。相对回收率＝(加标血浆中吲哚的浓度-空白血浆吲哚浓度)/加入吲哚标准品的浓度×100％，结果见表2，回收率在95.0％～103.2％之间，表明本发明具有较好的准确度。

表2.回收率实验(n＝3)

实施例10

本实施例是考察本发明所述传感器用于测定血浆吲哚的抗干扰能力。胆红素和血红蛋白是血浆样品中最常见的内源性干扰物质。干扰实验按照美国临床和实验室标准协会(CLSI)制定的干扰试验指南EP07(第三版)进行，即测定未加吲哚标准溶液的血浆吲哚浓度(X_C)和加入吲哚标准品后的血浆吲哚浓度(X_T)，干扰值(X_T-X_C)在本发明方法的1.96s(即95％可信度)范围内为无显著干扰(用N表示)，如干扰值超过1.96s，则为有显著干扰(用I表示)，结果见表3。正常血浆标本中只有微量血红蛋白，其浓度小于0.04mg/mL，胆红素浓度小于21μmol/L，干扰试验显示，浓度在0.5mg/mL以下的血红蛋白和34.2μmol/L以下的胆红素不会对吲哚的电化学检测结果造成显著干扰，该值大于正常血浆样本中干扰物的含量，说明该传感器的抗干扰能力较强。

表3.干扰实验(n＝3)

实施例11

本实施例是考察本发明所述传感器与高效液相色谱法测定血浆吲哚的相关性。分别用本发明所述电化学传感器和高效液相色谱荧光检测法测定68例血浆样本中的吲哚含量，结果见图7。结果表明，本发明所述传感器测定血浆吲哚结果，与高效液相色谱法测定结果具有良好的相关性(r＝0.752,p＝0.000)。

Claims (4)

1.一种基于氮掺杂有序介孔碳修饰电极构建的电化学传感器在检测吲哚中的应用，其特征在于：所述电化学传感器包括丝网印刷碳电极，所述丝网印刷碳电极包括工作电极，所述工作电极包括表面复合材料的修饰；

所述修饰电极的制备步骤和修饰方法为：

(1)0.5wt％壳聚糖溶液的配制：0.25g壳聚糖粉末溶于50mL 1.0％(v/v)乙酸溶液，4℃保存备用；

(2)0.5mg/mL氮掺杂有序介孔碳的壳聚糖分散液的配制：将5.0mg氮掺杂有序介孔碳加入10mL步骤(1)得到的壳聚糖溶液中，超声40～120min，4℃保存备用；

(3)在丝网印刷碳电极的工作电极表面滴加4.0～8.0μL步骤(2)得到的分散液，自然干燥，得到表面覆有修饰涂层的丝网印刷碳电极；

所述应用包括如下具体步骤：

(1)分别取300μL血浆样品和600μL乙醚置于试管中，涡旋1min，并在摇床上以250rpm、20℃振摇18min，随后于13300g、4℃条件下离心5min，取上清液于离心管中，并放入真空离心浓缩仪旋干；

(2)将步骤(1)得到的提取物，用300μLpH值为3.0～9.0，浓度为0.1mol/L磷酸盐缓冲溶液复溶；

(3)所述修饰的丝网印刷碳电极与电化学工作站连接，将50μL步骤(2)得到的溶液滴加在所述电极的工作区域，采用示差脉冲伏安法对吲哚的氧化峰电流进行直接测定，从而对待测血浆样品中的吲哚进行定量检测。

2.根据权利要求1中所述的应用，其中，所述乙醚，血浆样品，磷酸盐缓冲溶液的体积比为2:1:1。

3.根据权利要求1中所述的应用，其特征在于，所述磷酸盐缓冲溶液由浓度为0.1mol/L磷酸二氢钠溶液与磷酸氢二钠溶液配制。

4.根据权利要求1中所述的应用，其中，电化学工作站参数设置为：低电位0V，高电位+1.0V，振幅0.1V，脉冲宽度0.05s，脉冲周期0.2s。

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