CN112415062B - 一种快速检测乙醇的电极系统及使用电极系统对乙醇检测的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种快速检测乙醇的电极系统及使用电极系统对乙醇检测的方法,该电极系统包括直接酶电极和辅助酶电极,在乙醇测定时,直接酶电极与辅助酶电极同时使用;检测方法包括将直接酶电极和辅助酶电极安装于生物传感分析仪,运行仪器;抗干扰性能检测;抗干扰系数计算;仪器定标;样品测定。在测定过程中,直接酶电极和辅助酶电极配合使用,具有抗干扰性强的优点;对乙醇检测的方法简单、易于操作、准确度高;用于乙醇检测的装置具有易于操作的优点。
Description
技术领域
本发明涉及生物传感器技术领域,具体涉及一种快速检测乙醇的电极系统及使用电极系统对乙醇检测的方法。
背景技术
乙醇的检测方法较为成熟,以GC法、GCMS法、酒精计法、氧化还原滴定法、分光光度法及生物传感器法最为广泛,其中,GC法和GCMS法是公认的最为准确的检测方法,通常在对乙醇含量测定要求较高的情况下使用,酒精计法是在发酵过程中常用的方法,对酒精的含量进行实时监测使用;氧化还原滴定法、分光光度法、电化学法和生物传感器法由于相对于GC法和GCMS法的成本低且检测结果能够满足实验室需求,因此,在实验室中使用较为广泛。
随着对乙醇检测准度的要求逐渐提高,实验室法的改进成为研究的重点,以生物传感器法和电化学法的研究最多,这是由于这两种方法在对乙醇检测时不需要对样品进行预处理,检测方法简单、数据获取快。
生物传感器法相较于电化学法具有更强的优势,这源于生物传感器法是通过电流信号变化进行乙醇含量分析,现有的生物传感器法在对乙醇检测时,使用乙醇氧化酶固定于核微孔基质膜制成乙醇酶膜,然后将乙醇酶膜安装在过氧化氢电极表面作为直接酶电极并安装在生物传感器上,对食品中的乙醇含量进行检测;在该方法中,由于乙醇酶酶膜卡接在基础电极表面,因此,电子转移需要经过二次传导才能到生物传感器,影响了电信号相应速度,使检测时间变长;另外,现有的测定过程中需要工作电极、辅助电极和参比电极同时置于溶液中参与测定过程,使得溶液中的电极量多,且每次开机运行均需要进行校准,影响工作效率。
发明内容
针对现有技术的上述不足,本发明提供了一种快速检测乙醇的电极系统及使用电极系统对乙醇检测的方法,该电极系统包括直接酶电极和辅助酶电极,在测定过程中,直接酶电极和辅助酶电极配合使用,具有抗干扰性强的优点;对乙醇检测的方法简单、易于操作、准确度高;用于乙醇检测的装置具有易于操作的优点。
本发明的技术方案如下:
一种快速检测乙醇的电极系统,该电极系统包括直接酶电极和辅助酶电极,在乙醇测定时,直接酶电极与辅助酶电极同时使用;
所述直接酶电极的制备方法,如下:
(1)制备电极探头Ⅰ:使用绝缘材料将工作块和参比块集成为整体,形成柱状电极探头Ⅰ,备用;
(2)电极探头Ⅰ的修饰:在步骤(1)获得的电极探头Ⅰ表面采用超声纳米雾化喷涂方式包覆纳米氧化石墨烯层,然后室温真空干燥,完成电极探头Ⅰ修饰;
氧化石墨烯表面具有大量含氧基团,具有很好的溶剂溶解度和聚合物亲和性;通过使用氧化石墨烯包覆电极探头Ⅰ,在电极探头Ⅰ表面形成一种核壳结构的导电网络,更好的为离子、电子的迁移提供通道,提高电极材料的导电性能;另一方面雾化喷涂的石墨烯层极薄,分散性好,没有团聚,有效解决石墨烯在溶液中生物相容性差的问题,同时石墨烯的大表面积、多孔性为酶提供较好的微环境,从而保持酶的活性;
(3)电极探头Ⅰ的固定化:将步骤(2)修饰后的电极探头Ⅰ置于超净台,取5-10U乙醇氧化酶、4%血红蛋白5-10μl、30%甘油1-3μl、混匀,静置2-5min,获得溶液A;然后向溶液A中加入2%戊二醛2-6μl,涡旋混匀10-25秒,获得溶液B,取溶液B 5-20μl在1min之内喷涂于修饰后的电极探头Ⅰ表面,室温静置固化30-60min,完成电极探头Ⅰ的固定化,使电极探头Ⅰ表面固定化乙醇氧化酶层;
(4)直接酶电极制备:取0.1-1.0%壳聚糖水凝胶溶液,滴涂在步骤(3)固定化后的电极探头Ⅰ表面,冷冻干燥,得直接酶电极;
壳聚糖具有良好的生物相容性,是性能优良的酶固定化载体,乙醇氧化酶位于壳聚糖的孔隙中,样品中的乙醇进入孔隙,在乙醇氧化酶的催化作用下快速发生电子转移,电子转移产生的信号由电极探头Ⅰ直接记录,避免二次传导,提高检测效率;另外,壳聚糖的生物相溶性使保证了酶电催化效率更高,酶活性和寿命更长,电信号传输快;
所述辅助酶电极的制备方法,如下:
S1,制备电极探头Ⅱ:采用直接酶电极制备方法中步骤(1)的方法制备柱状电极探头Ⅱ,待用;
S2,电极探头Ⅱ固定化:制备与直接酶电极步骤(3)相同的混合A,在80℃温度下加热灭活,然后向灭活后的混合A中加入2%戊二醛2-6μl,涡旋混匀10-25秒,获得溶液C,取溶液C 5-20μl在1min之内喷涂于电极探头Ⅱ的表面,室温静置固化30-60min,完成电极探头Ⅱ的固定化,使电极探头Ⅱ表面固定化氧化酶层;
S3,辅助酶电极制备:取0.1-1.0%壳聚糖水凝胶溶液,滴涂在步骤S2固定化后的电极探头Ⅱ表面,冷冻干燥,得辅助酶电极。
优选的,在步骤(1)和S1中,工作块为铂(Pt)电极,作为正极使用;参比块为银片,作为负极使用;所述铂电极的表面积为0.6mm2,银电极表面积19mm2。
优选的,在步骤(2)中,超声纳米雾化喷涂过程为:将氧化石墨烯水溶胶采用超声波清洗机超声分散10-40min后,进行超声波纳米雾化喷涂;超声纳米雾化喷涂过程中的控制参数为:超声频率范围90-140kHz,喷涂宽幅1-50mm,喷涂流量0.001-1ml/min;喷涂时间1-10min。
优选的,超声纳米雾化喷涂过程中的控制参数为:超声频率120kHz,喷涂宽幅为25mm,喷涂流量为0.002ml/min,喷涂时间为1.5min。
优选的,在步骤(3)中,取7U乙醇氧化酶、4%血红蛋白5μl、30%甘油3μl、混匀,静置3min,获得溶液A;然后向溶液A中加入2%戊二醛5.5μl,涡旋混匀25秒,获得溶液B;取18μl溶液B在步骤(2)修饰后的电极探头Ⅰ表面直接进行均匀涂布,室温静置固化45min。
优选的,在步骤(4)和S3中,壳聚糖水凝胶溶液制备过程为:使用1%乙酸溶液作为溶剂,对壳聚糖进行稀释,获得0.5%壳聚糖水水凝胶,壳聚糖水凝胶的pH为6.0;滴涂后,冷冻干燥45min。
进一步的,电极探头Ⅰ和电极探头Ⅱ的结构相同,如下:
电极探头Ⅰ包括电极套,电极套的一端为开口结构,另一端安装有端板;
所述端板上设有通孔;
在电极套内安装有铂电极,铂电极的A端位于电极套的外部,B端位于电极套的内部;B端靠近端板;
所述铂电极连接有导线A,导线A穿过端板上的通孔位于电极套的外部;
在铂电极和电极套之间安装有屏蔽电阻和温度传感器,屏蔽电阻、温度传感器和铂电极之间填充有绝缘材料;
所述屏蔽电阻连接有导线B、温度传感器连接有导线C,导线B和导线C穿过端板的通孔位于电极套的外部;
所述铂电极的A端外部套设有银电极;
所述银电极连接有导线D,导线D穿过端板的通孔位于电极套的外部;
在银电极和电极套之间填充有绝缘材料。
优选的,银电极为银片首尾相接形成的环形结构。
优选的,所述电极套的直径为8mm、高为3mm。
使用上述电极系统对乙醇检测的方法,过程如下:
(A)将直接酶电极和辅助酶电极安装于生物传感分析仪,运行仪器;
(B)抗干扰性能检测:亚铁氰化钾作为经典电化学实验常用电子传递的氧化还原探针,被用做抗干扰性能检测基础物质;准确吸取1000mg/100ml亚铁氰化钾25μl,注入仪器反应池,反应20秒,仪器自动记录各电极电信号响应值;当Δ(A1/A0)≤1%时,表明电极系统的抗干扰性能稳定,用于进一步测定;其中,A0为辅助酶电极对亚铁氰化钾的电信号值,A1为直接酶电极对亚铁氰化钾的电信号值;
(C)抗干扰系数计算:依据亚铁氰化钾电活性水平及规律,一般样品中抗干扰性能检测完毕后,待再次提示进样时,准确吸取浓度分别为0.1%、0.5%、1%、5%、10%的亚铁氰化钾溶液25μl,依次进样;以亚铁氰化钾浓度为横坐标,A1'/A0'为纵坐标,绘制工作曲线,得亚铁氰化钾浓度与A1'/A0'的回归方程及相关系数R,R为干扰物对直接酶电极的关系系数,进而获得直接酶电极抗干扰系数K=A1/(A0·R),存入系统;A1'为不同浓度下,直接酶电极对亚铁氰化钾的电信号值;A0'为不同浓度下,辅助酶电极对亚铁氰化钾的电信号值;
(D)仪器定标:待仪器再次提示进样时,准确吸取浓度为100mg/100ml乙醇标准液,注射入反应池,仪器分别自动记录辅助酶电极和直接酶电极电信号响应值,按照下面的公式1计算直接酶电极酶活性I,按照公式2计算第n次和第n+1次测定的直接酶电极酶活性差值ΔI,n为大于等于1的正整数;公式如下:
公式1:
公式2:
ΔI=I(n+1)-In
当ΔI/In≤1%时,仪器标定通过;
式中,S0为辅助酶电极对乙醇标准液的电信号值;
S1为直接酶电极对乙醇标准液的电信号值;
In为第n次测定的直接酶电极酶活性;
I(n+1)为第n+1次测定的直接酶电极酶活性;
(E)样品测定:当步骤(D)仪器标定通过后,运行样品检测程序,待仪器提示进样时,准确吸取25μl样品注入反应池,按照公式3计算样品中乙醇的百分含量,如下:
公式3:
式中,A样为辅助酶电极对样品电信号值;
X为直接酶电极对样品电信号值;
100为乙醇标准液浓度,单位为mg/100ml;
m为稀释倍数;
本申请中,使用的%均为质量百分比。
本发明中,直接酶电极中的乙醇氧化酶层为具有酶活性,在辅助酶电极中,乙醇氧化酶层不具有酶活性,在对乙醇检测过程中,辅助酶电极与直接酶电极分别产生电信号值,通过用乙醇酶电极的电信号值与辅助酶电极的电信号值比较(A1/A0),排除电极对乙醇测定过程中的干扰。
相对于现有技术,本发明的有益效果在于:
1、电极探头Ⅰ和电极探头Ⅱ均由工作块和参比块作为主要部分集成,经过在集成后的电极探头Ⅰ和电极探头Ⅱ表面修饰、固定化等处理后,分别获得直接酶电极和辅助酶电极;该直接酶电极具有检测、自动校准功能,在减少样品检测时样品池内的电极数量的同时,可在仪器平衡后的30天内均无需校准,提高样品检测效率,使样品检测简单方便。
2、本发明制备的直接酶电极,具有酶膜薄、酶活性高、检测效率高的优点,相对酶活最高为3750;乙醇氧化酶直接固定化在电极探头Ⅰ的表面,便于电极探头Ⅰ直接对在乙醇氧化酶表面产生的电子转移信号进行记录,有效缩短检测时间;另外,由于乙醇氧化酶对乙醇具有专一性,使检测效果更佳准确。
3、本发明提供的辅助酶电极表面固定化灭活后的乙醇氧化酶,作为对比电极使用,可直接排除乙醇测定中干扰物对直接酶电极的干扰,进一步提高对乙醇含量检测的准确度。
4、本发明提供的直接酶电极应用在SBA系列生物传感器上,标定完成后,直接酶电极能在长达3个月的时间内保持稳定的活性。这个特点不仅可以省略反复定标的操作,减少人力,而且为乙醇的全自动、在线检测提供了可靠的数据参数和技术基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,对于本领域普通技术人员而言,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为电极探头Ⅰ和电极探头Ⅱ的结构示意图。
图2为电极探头Ⅰ和电极探头Ⅱ的侧视图。
图3为实施例2中的电极系统抗干扰相关系数R计算图谱。
图4为实施例3中的电极系统抗干扰相关系数R计算图谱。
图5为对比例1中的电极系统抗干扰相关系数R计算图谱。
图6为实验例2中检测时间确定图。
图7为实验例2中直接酶电极活性在39天内的变化图。
图中,1-电极套,2-铂电极,3-A端,4-导线A,5-屏蔽电阻,6-温度传感器,7-导线B,8-导线C,9-银电极,10-导线D,11-环氧树脂。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案,下面将结合本发明的实施例,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明保护的范围。
实施例1电极探头Ⅰ和电极探头Ⅱ
如图1-图2所示,电极探头Ⅰ和电极探头Ⅱ的结构相同,如下:
电极探头Ⅰ包括电极套1,电极套1的一端为开口结构,另一端安装有端板(图中未示出);
端板上设有通孔(图中未示出);电极套1的直径为8mm、高为3mm;
在电极套1内安装有铂电极2,铂电极2的A端3位于电极套1的外部,B端(图中未示出)位于电极套1的内部;B端靠近端板;
铂电极2连接有导线A4,导线A4穿过端板上的通孔位于电极套1的外部;
在铂电极2和电极套1之间安装有屏蔽电阻5和温度传感器6,屏蔽电阻5、温度传感器6和铂电极2之间填充有绝缘材料,绝缘材料选用环氧树脂11;
屏蔽电阻5连接有导线B7、温度传感器6连接有导线C8,导线B7和导线C8穿过端板的通孔位于电极套1的外部;
铂电极2的A端3外部套设有银电极9;银电极9为银片首尾相接形成的环形结构;
银电极9连接有导线D10,导线D10穿过端板的通孔位于电极套1的外部;
在银电极9和电极套1之间填充有绝缘材料,绝缘材料选用环氧树脂11。
实施例2制备电极
一种快速检测乙醇的电极系统,包括直接酶电极和辅助酶电极,制备过程如下:
直接酶电极的制备方法,如下:
(1)电极探头Ⅰ的修饰:制备纳米氧化石墨烯水溶胶:按照体积质量(ml/mg)比为100:40的比例将水和纳米氧化石墨烯混合,在100kHz条件下,超声分散30min,获得溶液Ⅰ,待用;将溶液A使用超声纳米雾化喷涂方式喷覆在实施例1提供的电极探头Ⅰ的表面,喷涂过程为:超声频率为120kHz,喷涂宽幅为25mm,喷涂流量为0.02ml/min,喷涂时间为1.5min;喷涂结束后,在室温下真空干燥,得表面包覆纳米氧化石墨烯修饰的电极探头Ⅰ;电极探头Ⅰ的石墨烯层极薄,接近单层石墨烯;分散性好,没有团聚,多孔微环境可有效保持酶的活性;
(2)电极探头Ⅰ的固定化:将步骤(1)修饰后的电极探头Ⅰ置于超净台,取7U乙醇氧化酶、4%血红蛋白5μl、30%甘油3μl、混匀,静置3min,获得溶液A;然后向溶液A中加入2%戊二醛5.5μl,涡旋混匀25秒,获得溶液B;取18μl溶液B,在1min之内对修饰后的电极探头Ⅰ表面直接进行均匀涂布,室温静置固化45min,完成电极探头Ⅰ的固定化,使电极探头Ⅰ表面固定化乙醇氧化酶层;
(3)直接酶电极制备:取pH为6.0的0.5%壳聚糖水凝胶溶液,滴涂在步骤(2)固定化后的电极探头Ⅰ表面,冷冻干燥45min,得直接酶电极;
所述辅助酶电极的制备方法,如下:
S1,电极探头Ⅱ固定化:制备与直接酶电极步骤(2)相同的混合A,在80℃温度下加热灭活,然后向灭活后的混合A中加入2%戊二醛5.5μl,涡旋混匀25秒,获得溶液C,取溶液C18μl在1min之内喷涂于实施例1提供的电极探头Ⅱ的表面,室温静置固化45min,完成电极探头Ⅱ的固定化,使电极探头Ⅱ表面固定化氧化酶层;
S2,辅助酶电极制备:取pH为6.0的0.5%壳聚糖水凝胶溶液,滴涂在步骤S1固定化后的电极探头Ⅱ表面,冷冻干燥45min,得辅助酶电极。
实施例3制备电极
该实施例与实施例2的区别在于:
直接酶电极制备过程的区别为:
在步骤(1)中,将纳米氧化石墨烯水溶胶100kHz条件下,超声分散10min后,制的溶液Ⅰ;喷涂过程为:超声频率为90kHz,喷涂宽幅为1mm,喷涂流量为0.001ml/min,喷涂时间为1min,喷涂结束后,在室温下真空干燥,得表面包覆纳米氧化石墨烯修饰的电极探头Ⅰ;
在步骤(2)中,溶液A为:取5U乙醇氧化酶、4%血红蛋白5ul、30%甘油1ul、混匀,静置2min,获得溶液A;然后向溶液A中加入2%戊二醛2ul,涡旋混匀10秒,获得溶液B,取5ul溶液B,在1min之内对修饰后的电极探头Ⅰ表面直接进行均匀涂布,室温静置固化30min,使电极探头Ⅰ表面固定化乙醇氧化酶层;
在步骤(4)中,取pH为6.0的0.1%壳聚糖水凝胶溶液,滴涂在步骤(3)固定化乙醇氧化酶的电极探头表面,冷冻干燥45min,得直接酶电极。
辅助酶电极的区别为:
S1,电极探头Ⅱ固定化:制备同本实施例直接酶电极中的溶液A,在80℃温度下加热灭活,然后向灭活后的混合A中加入2%戊二醛2μl,涡旋混匀10秒,获得溶液C,取溶液C5μl在1min之内喷涂于实施例1提供的电极探头Ⅱ的表面,室温静置固化30min,完成电极探头Ⅱ的固定化,使电极探头Ⅱ表面固定化氧化酶层;
S2,辅助酶电极制备:取pH为6.0的0.1%壳聚糖水凝胶溶液,滴涂在步骤S1固定化后的电极探头Ⅱ表面,冷冻干燥45min,得辅助酶电极。
实施例4制备电极
该实施例与实施例2的区别在于:
直接酶电极制备过程的区别为:
在步骤(1)中,将纳米氧化石墨烯水溶胶100kHz条件下,超声分散40min后,制的溶液Ⅰ;喷涂过程为:超声频率为140kHz,喷涂宽幅为50mm,喷涂流量为0.05ml/min,喷涂时间为1min,喷涂结束后,在室温下真空干燥,得表面包覆纳米氧化石墨烯修饰的电极探头Ⅰ;
在步骤(2)中,溶液A为:取10U乙醇氧化酶、4%血红蛋白10ul、30%甘油3ul、混匀,静置5min,获得溶液A;然后向溶液A中加入2%戊二醛6ul,涡旋混匀17秒,获得溶液B,取15ul溶液B,在1min之内对修饰后的电极探头Ⅰ表面直接进行均匀涂布,室温静置固化60min,使电极探头Ⅰ表面固定化乙醇氧化酶层;
在步骤(4)中,取pH为6.0的1%壳聚糖水凝胶溶液,滴涂在步骤(3)固定化乙醇氧化酶的电极探头表面,冷冻干燥45min,得直接酶电极。
辅助酶电极的区别为:
S1,电极探头Ⅱ固定化:制备同本实施例直接酶电极中的溶液A,在80℃温度下加热灭活,然后向灭活后的混合A中加入2%戊二醛6μl,涡旋混匀17秒,获得溶液C,取溶液C15μl在1min之内喷涂于实施例1提供的电极探头Ⅱ的表面,室温静置固化60min,完成电极探头Ⅱ的固定化,使电极探头Ⅱ表面固定化氧化酶层;
S2,辅助酶电极制备:取pH为6.0的1%壳聚糖水凝胶溶液,滴涂在步骤S1固定化后的电极探头Ⅱ表面,冷冻干燥45min,得辅助酶电极。
对比例1采用与实施例2不同的方法制备直接酶电极
该电极与实施例2电极的区别在于,直接酶电极不同,区别如下:
在步骤(1)中,将溶液A使用超声纳米雾化喷涂方式的喷涂过程为:超声频率为200kHz,喷涂宽幅为50mm,喷涂流量为0.6ml/min,喷涂时间为0.5min;喷涂结束后,在室温下真空干燥,得表面包覆纳米氧化石墨烯修饰的电极探头Ⅰ;
在步骤(2)中,取15U乙醇氧化酶、4%血红蛋白3μl、30%甘油4μl、混匀,静置3min,获得溶液A;然后向溶液A中加入2%戊二醛10μl,涡旋混匀25秒,获得溶液B;取20μl溶液B,在1min之内对修饰后的电极探头Ⅰ表面直接进行均匀涂布,室温静置固化60min,完成电极探头Ⅰ的固定化,使电极探头Ⅰ表面固定化乙醇氧化酶层。
辅助酶电极不发生改变。
酶电极是一种利用酶检测样品中特定物质含量的电极,因此,在将酶电极安装在设备上后,需要有一个平衡稳定的过程,在这个过程中,冲洗掉浮于电极表面及固定不牢靠的酶,本申请通过实验发现,在平衡稳定3天后,电极系统及仪器达到平衡;因此,本发明的以下实验例均是在系统平衡3天(96h)后进行。
实验例1将实施例2-3及对比例1提供的电极进行抗干扰性检测对比
测定过程如下:
(1)将实施例2-4及对比例1提供的电极系统分别安装于SBA-40生物传感器上,运行仪器,运行系统检测程序;
(2)抗干扰性能检测:准确吸取1000mg/100ml亚铁氰化钾25μl,注入仪器反应池,反应20秒,仪器自动记录各电极电信号响应值;当连续测定3次获得的Δ(A1/A0)≤1%时,表明系统抗干扰性能稳定,用于进一步测定;其中,A0为辅助酶电极对亚铁氰化钾的电信号值,A1为直接酶电极对亚铁氰化钾的电信号值;
(3)抗干扰系数计算:在系统抗干扰性能稳定后,待再次提示进样时,准确吸取浓度分别为0.1%、0.5%、1%、5%、10%的亚铁氰化钾溶液25μl,依次进样;以亚铁氰化钾浓度为横坐标,A1'/A0'为纵坐标,绘制工作曲线,得亚铁氰化钾浓度与A1'/A0'的回归方程及相关系数R,R为干扰物对直接酶电极的关系系数,进而获得直接酶电极抗干扰系数K=A1/(A0·R),A1'为不同浓度下,直接酶电极对亚铁氰化钾的电信号值;A0'为不同浓度下,辅助酶电极对亚铁氰化钾的电信号值;结合图3、图4和图5得出相关系数R,并计算抗干扰系数,结果如下:
表1抗干扰系数
从上表1可以看出,实施例2-3提供的直接酶电极和辅助酶电极形成的电极系统和对比例1提供的电极系统,在连续3次测定时,△(A1/A0)均小于1%,表明电极系统均具有稳定性;但是,相关系数R可以看出,实施例2提供的电极系统中,相关系数R=0.999(图3),实施例3提供的电极系统中,相关系数R=0.984(图4),而对比例1的相关系数R为0.948(图5),可见相较于对比例1,实施例2-3提供的电极系统性能更加稳定。
实验例2确定检测时间
(1)在实验例1抗干扰系数测定结束后,待仪器提示进样时,进行仪器定标;
(2)仪器定标:准确吸取浓度为100mg/100ml乙醇标准液,注射入反应池,反应20秒后,仪器分别自动记录辅助酶电极和直接酶电极电信号值,按照下面的公式1计算直接酶电极酶活性I,按照公式2计算第1次和第2次测定的直接酶电极酶活性差值ΔI,公式如下:
公式1:
公式2:
ΔI=I2-I1
当ΔI/I1≤1%时,仪器标定通过;
式中,S0为辅助酶电极对乙醇标准液的电信号值;
S1为直接酶电极对乙醇标准液的电信号值;
I1为第1次测定的直接酶电极酶活性;
I2为第2次测定的直接酶电极酶活性;
定标结果见表2,如下:
表2仪器定标数据
结合表2可以看出,连续2次测定得出的ΔI/I1为0.76%,小于1%,仪器标定通过;
结合图6可以看出,辅助酶电极对乙醇无响应,直接酶电极响应12秒后,所产生的电信号值随反应时间增加不明显,响应信号已超过完全反应的95%,所以本发明中的直接酶电极,具有反应快速的优势,可使系统的检测时间缩小至12秒。综上所述,本发明所制的乙醇酶电极,检测快速,12秒就完成反应的95%,故检测时间缩短为12秒。
实验例3检测系统稳定性实验
设定检测时间为12秒,并在实验例2的基础上,进行样品检测,过程为:
在定标完成后,运行检测样品程序,以浓度为1000mg/100ml的乙醇溶液作为样品,稀释20倍,准确吸取25μl注射入反应系统,反应12秒,系统自动记录和显示直接酶电极、辅助酶电极的电信号值,按照公式3计算样品中乙醇的质量含量,如下:
公式3:
式中,A样为辅助酶电极对样品的电信号值;
X为直接酶电极对样品的电信号值;
100为乙醇标准液浓度,单位是mg/100ml;
m为稀释倍数,20;
K为0.0316;
根据上述公式3计算,结果见表3,如下:
表3 5次样品检测结果
通过表3可以看出,直接酶电极对样品检测的电信号值的RSD为1.20%,表明安装实施例2的电极后,检测系统的稳定性良好;对乙醇含量测定后,乙醇质量含量的RSD为1.15%,进一步证明了本发明通过的检测方法,具有良好的重复性。
对仪器定标后,直接酶电极活性随时间变化进行测定,见图7。由图7可以看出,直接酶电极活性随时间的延长虽有下降,但是变化不明显,在本发明39天的实验周期内,酶电极安装并稳定2d后,酶活性电信号值趋于稳定,下降趋势不明显。酶电极活性最低值(第31天,2427)与最高值(第7天,2495)相比,下降了3%。这是实验得出的结果,该发现对于以后可穿戴式血液及体液乙醇测试仪的前期调试具有指导意义;对仪器再次定标,直接酶电极的活性在3-39天内的变异系数为0.79;可见,本发明提供的直接酶电极能够长时间保持稳定,且酶活性水平高;由此可见,本发明提供的电极系统中,乙醇酶电极与辅助酶电极协同测定的方法用于乙醇测试时,能够长时间保持活性稳定,这一优势和特点,可以让直接酶电极免于频繁的标定操作,即一次定标长期使用,这有助于乙醇酶电极的在线测试和应用,为乙醇实现实时检测提供了有力的技术支持。
实验例4回收率实验
在实验例3再次提示样品进样时,取果汁样品,分成等体积的两份,其中一份加入等体积、质量浓度为10g/L的乙醇溶液,制成加标样品,稀释后进行测定。另一份果汁样品加入等体积蒸馏水作为对照样品。准确吸取25微升待测样品,注入反应池,12秒反应结束,系统记录并显示电信号响应值,重复测定4次,按照公式3计算样品中乙醇含量;
取上述的对照样品和加标样品采用GC法测定,过程如下:
采用配有氢火焰离子检测器的GC-2010plus型气相色谱仪,日本岛津HS-20型自动顶空进样器,配20ml顶空瓶。色谱柱为TG-WAXMS石英毛细柱(30m×0.25mm,0.25μm)。升温条件为40℃保持5min,后以20℃/min升至170℃并保持1min;载气为氮气,载气流速为1.0ml/min;压力为74.3kPa;进样量为1.0μl;分流比为20:1;空气流速为400ml/min;氢气流速为40ml/min;尾吹气流速:30ml/min;检测温度为300℃。进样口温度为190℃;顶空条件:炉温60℃恒温;平衡时间30min;进样量:1mL气体;样品流路温度:150℃;传输线温度:150℃;
将上述两种方法测定的乙醇含量进行计算,见表4:
表4果汁加标样品及对照样品中乙醇含量测定结果及回收率
由表4可知,本申请方法用于测定果汁样品中乙醇含量,对照品和加标样品的相对标准偏差均<1%,回收率在98.7~102.2%之间,表明该测定方法稳定性好,准确性高。与GC法相比较,相对标准偏差和回收率稍有区别,但是对照样品T检验结果表明,两种测定方法没有明显区别。本申请方法不仅稳定性和准确性能达到GC法水平,且其有操作简单、成本低廉的优势,所以可以作为代替GC法的测定果汁样品乙醇含量的方法。
实验例5采用实施例2的电极对果汁中的乙醇含量检测
取实验例4的果汁样品,稀释10倍,在实验例4结束后,系统再次提示样品进样时,准确吸取稀释的25μl果汁样品注入反应池,12秒反应结束,系统记录并显示电信号值,按照公式3计算样品中乙醇含量,测定6次,并对6次测定后的乙醇含量的RSD进行计算,结果见表5:
表5样品测定
通过表5可以看出,通过本申请提供的方法进行的样品检测,并分别计算样品中乙醇含量的RSD可以看出,本发明提供的电极配合本发明的检测方法,获得的样品中乙醇含量的RSD为0.91%,可见,使用本申请提供的方法对样品检测,具有重复性好的优点。
实验例6样品检测及加干扰物后对样品中乙醇含量的测定实验
在实验例4结束后,系统再次提示样品进样时,取实验例4的果汁样品,分为三份,一份作为对照样品直接进行乙醇含量测定,另两份分别加入抗坏血酸和H2O2两种电活性干扰物,制备抗坏血酸和H2O2终浓度分别为50mg/100ml、20mg/100ml的实验样品1、实验样品2。分别准确吸取25μl对照样品、实验样品1和实验样品2注入反应池,12秒反应结束,系统记录并显示电信号值,每个样品重复测定4次,计算3个样品中的乙醇含量,并将对照样品和实验样品1、对照样品和实验样品1及实验样品2的测定结果进行T检验,判断乙醇含量的差异是否显著,结果见表6:
表6加干扰物后的果汁样品检测结果
由表6可知,果汁样品加入电活性干扰物抗坏血酸、H2O2时,用本发明提供的电极系统及检测方法所测定的乙醇含量与无干扰物的测定值差异性不显著,这说明含有电活性干扰物对本发明提供的检测方法不产生明显干扰。由此可认为,本发明提供的同时使用直接酶电极和辅助酶电极的检测方法抗干扰性能极强,能够有效消除样品中常见干扰物对检测结果的影响,该方法具有检测结果准确度高的优点。
尽管通过参考优选实施例的方式对本发明进行了详细描述,但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下,本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换,而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种快速检测乙醇的电极系统,其特征在于,该电极系统包括直接酶电极和辅助酶电极,在乙醇测定时,直接酶电极与辅助酶电极同时使用;
所述直接酶电极的制备方法,如下:
(1)制备电极探头Ⅰ:使用绝缘材料将工作块和参比块集成为整体,形成柱状电极探头Ⅰ,备用;
(2)电极探头Ⅰ的修饰:在步骤(1)获得的电极探头Ⅰ表面采用超声纳米雾化喷涂方式包覆纳米氧化石墨烯层,然后室温真空干燥,完成电极探头Ⅰ修饰;
(3)电极探头Ⅰ的固定化:将步骤(2)修饰后的电极探头Ⅰ置于超净台,取5-10U乙醇氧化酶、4%血红蛋白5-10μl、30%甘油1-3μl、混匀,静置2-5min,获得溶液A;然后向溶液A中加入2%戊二醛2-6μl,涡旋混匀10-25秒,获得溶液B,取溶液B 5-20μl在1min之内喷涂于修饰后的电极探头Ⅰ表面,室温静置固化30-60min,完成电极探头Ⅰ的固定化,使电极探头Ⅰ表面固定化乙醇氧化酶层;
(4)直接酶电极制备:取0.1-1.0%壳聚糖水凝胶溶液,滴涂在步骤(3)固定化后的电极探头Ⅰ表面,冷冻干燥,得直接酶电极;
所述辅助酶电极的制备方法,如下:
S1,制备电极探头Ⅱ:采用直接酶电极制备方法中步骤(1)的方法制备柱状电极探头Ⅱ,待用;
S2,电极探头Ⅱ固定化:制备与直接酶电极步骤(3)相同的混合A,在80℃温度下加热灭活,然后向灭活后的混合A中加入2%戊二醛2-6μl,涡旋混匀10-25秒,获得溶液C,取溶液C5-20μl在1min之内喷涂于电极探头Ⅱ的表面,室温静置固化30-60min,完成电极探头Ⅱ的固定化,使电极探头Ⅱ表面固定化氧化酶层;
S3,辅助酶电极制备:取0.1-1.0%壳聚糖水凝胶溶液,滴涂在步骤S2固定化后的电极探头Ⅱ表面,冷冻干燥,得辅助酶电极。
2.如权利要求1所述的快速检测乙醇的电极系统,其特征在于,在步骤(1)和S1中,工作块为铂(Pt)电极,作为正极使用;参比块为银片,作为负极使用;铂电极的表面积为0.6mm2,银电极表面积19mm2。
3.如权利要求1所述的快速检测乙醇的电极系统,其特征在于,在步骤(2)中,超声纳米雾化喷涂过程为:将氧化石墨烯水溶胶采用超声波清洗机超声分散10-40min后,进行超声波纳米雾化喷涂;超声纳米雾化喷涂过程中的控制参数为:超声频率范围90-140kHz,喷涂宽幅1-50mm,喷涂流量0.001-1ml/min;喷涂时间1-10min。
4.如权利要求3所述的快速检测乙醇的电极系统,其特征在于,超声纳米雾化喷涂过程中的控制参数为:超声频率120kHz,喷涂宽幅为25mm,喷涂流量为0.002ml/min,喷涂时间为1.5min。
5.如权利要求1所述的快速检测乙醇的电极系统,其特征在于,在步骤(3)中,取7U乙醇氧化酶、4%血红蛋白5μl、30%甘油3μl、混匀,静置3min,获得溶液A;然后向溶液A中加入2%戊二醛5.5μl,涡旋混匀25秒,获得溶液B;取18μl溶液B在步骤(2)修饰后的电极探头Ⅰ表面直接进行均匀涂布,室温静置固化45min。
6.如权利要求1所述的快速检测乙醇的电极系统,其特征在于,在步骤(4)和S3中,壳聚糖水凝胶溶液制备过程为:使用1%乙酸溶液作为溶剂,对壳聚糖进行稀释,获得0.5%壳聚糖水水凝胶,壳聚糖水凝胶的pH为6.0;滴涂后,冷冻干燥45min。
7.如权利要求1-6任一项所述的快速检测乙醇的电极系统,其特征在于,电极探头Ⅰ和电极探头Ⅱ的结构相同,如下:
电极探头Ⅰ包括电极套,电极套的一端为开口结构,另一端安装有端板;
所述端板上设有通孔;
在电极套内安装有铂电极,铂电极的A端位于电极套的外部,B端位于电极套的内部;B端靠近端板;
所述铂电极连接有导线A,导线A穿过端板上的通孔位于电极套的外部;
在铂电极和电极套之间安装有屏蔽电阻和温度传感器,屏蔽电阻、温度传感器和铂电极之间填充有绝缘材料;
所述屏蔽电阻连接有导线B、温度传感器连接有导线C,导线B和导线C穿过端板的通孔位于电极套的外部;
所述铂电极的A端外部套设有银电极;
所述银电极连接有导线D,导线D穿过端板的通孔位于电极套的外部;
在银电极和电极套之间填充有绝缘材料。
8.如权利要求7所述的快速检测乙醇的电极系统,其特征在于,银电极为银片首尾相接形成的环形结构。
9.如权利要求7所述的快速检测乙醇的电极系统,其特征在于,所述电极套的直径为8mm、高为3mm。
10.使用权利要求1-9任一项所述的快速检测乙醇的电极系统对乙醇检测的方法,其特征在于,过程如下:
(A)将直接酶电极和辅助酶电极安装于生物传感分析仪,运行仪器;
(B)抗干扰性能检测:亚铁氰化钾作为经典电化学实验常用电子传递的氧化还原探针,被用做抗干扰性能检测基础物质;准确吸取1000mg/100ml亚铁氰化钾25μl,注入仪器反应池,反应20秒,仪器自动记录各电极电信号响应值;当Δ(A1/A0)≤1%时,表明电极系统的抗干扰性能稳定,用于进一步测定;其中,A0为辅助酶电极对亚铁氰化钾的电信号值,A1为直接酶电极对亚铁氰化钾的电信号值;
(C)抗干扰系数计算:依据亚铁氰化钾电活性水平及规律,一般样品中抗干扰性能检测完毕后,待再次提示进样时,准确吸取浓度分别为0.1%、0.5%、1%、5%、10%的亚铁氰化钾溶液25μl,依次进样;以亚铁氰化钾浓度为横坐标,A1'/A0'为纵坐标,绘制工作曲线,得亚铁氰化钾浓度与A1'/A0'的回归方程及相关系数R,R为干扰物对直接酶电极的关系系数,进而获得直接酶电极抗干扰系数K=A1/(A0·R),存入系统;A1'为不同浓度下,直接酶电极对亚铁氰化钾的电信号值;A0'为不同浓度下,辅助酶电极对亚铁氰化钾的电信号值;
(D)仪器定标:待仪器再次提示进样时,准确吸取浓度为100mg/100ml乙醇标准液,注射入反应池,仪器分别自动记录辅助酶电极和直接酶电极电信号响应值,按照下面的公式1计算直接酶电极酶活性I,按照公式2计算第n次和第n+1次测定的直接酶电极酶活性差值ΔI,n为大于等于1的正整数;公式如下:
公式1:
公式2:
ΔI=I(n+1)-In
当ΔI/In≤1%时,仪器标定通过;
式中,S0为辅助酶电极对乙醇标准液的电信号值;
S1为直接酶电极对乙醇标准液的电信号值;
In为第n次测定的直接酶电极酶活性;
I(n+1)为第n+1次测定的直接酶电极酶活性;
(E)样品测定:当步骤(D)仪器标定通过后,运行样品检测程序,待仪器提示进样时,准确吸取25μl样品注入反应池,按照公式3计算样品中乙醇的百分含量,如下:
公式3:
式中,A样为辅助酶电极对样品电信号值;
X为直接酶电极对样品电信号值;
100为乙醇标准液浓度;
m为稀释倍数;
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