CN112903783A - 基于双极电极结构传感器及用于葡萄糖无酶检测的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于双极电极结构传感器及用于葡萄糖无酶检测的方法。该传感器，包括光敏树脂3D打印电化学池，电化学池两侧贴壁设置两个相对平行设置的Pt板电极，其中一个Pt板电极用作阴极驱动电极析出氢气，其外部电镀Pd吸收氢气，中部设置两个分别平行于Pt板电极的金线电极。向驱动电极施加电压后，驱动电极阴极上发生了析氢反应进而在Pt板电极附近的溶液内生成大量的氢氧根离子，在平行Pt之间形成的电场作用下，氢氧根离子由驱动电极阴极区向阳极区定向迁移扩散，进而在以金为材质的双极电极周围形成碱性环境，以达到催化葡萄糖无酶氧化反应的目的。这样，无酶葡萄糖检测仅需单一的装置即可完成。

Description

基于双极电极结构传感器及用于葡萄糖无酶检测的方法
技术领域
本发明涉及传感器及使用方法，特别涉及基于双极电极结构传感器及用于葡萄糖无酶检测的方法。
背景技术
葡萄糖传感器在血液、尿液、汗液、唾液中的应用得到了广泛报道，这些应用大多都是针对无创筛查的。随着各型糖尿病患者人数的增多，早期筛查和预防工作的重要性日渐凸显，因此越来越多的研究课题都开始关注无创可穿戴传感器应用于长期可持续使用的葡萄糖水平监测。然而，目前大多数检测方法都是基于酶催化法改进而来的(如葡萄糖氧化酶和葡萄糖脱氢酶)，这种原理通常用于一次性使用的葡萄糖检测试纸条上，配合使用相应的仪器读出葡萄糖浓度。这种利用酶的方法在长期的使用中经常会出现一些误差，例如稳定性较差、对反应条件的敏感性(如pH值、离子浓度等)，但是这些条件在可穿戴或可植入装置中几乎难以调控。因此，在下一代葡萄糖传感器中，这些都是着力解决的问题，可行性较大的方案是基于无酶电催化葡萄糖氧化原理的方法。
针对葡萄糖的无酶氧化方法，诸如贵金属、金属氧化物、金属纳米粒子等作为电极的催化氧化特性都已经得到研究。在这些研究中，大多得到了碱性条件下(pH＞10.5)具有良好特异性信号和较高灵敏度的结论。然而人体的体液大多数呈现中性和弱碱性，基本在pH 7.0上下波动，所以体液样品需要预处理以达到碱性水平。最简单易行的预处理方法是加入化学试剂(如NaOH)，但是对于可穿戴、可植入或持续监测装置收集到的样本而言，这种方法是不可行的。
为了解决这个问题，现有技术中公开的一种水分解辅助的电催化方法(WSE)应用于葡萄糖无酶检测，通过分解水(比如析氢反应)的过程作为一个预处理步骤，金电极附近会产生一个局部的碱性环境，恰好可以满足电催化氧化葡萄糖的条件。然而，该无酶葡萄糖传感器需要通过编程实现对工作电极上多步骤电位的控制，这对装置的组装也对产生一些影响。首先，工作电极上较高的负电位会使电极活化，这会导致溶液中葡萄糖氧化时出现较大的背景电流，使检测信号识别难度变大。其次，预处理步骤中会产生氢气，气泡附着在工作电极上，其行为会改变局部葡萄糖浓度，进而干扰检测结果，消除这些气泡需要用钯纳米粒子复合物修饰工作电极，同样会削弱检测信号强度。最后，多电位步骤通过逻辑电路和预设程序控制，但是这样的控制方法会增大功耗和装置的体积，对于长期可穿戴装置或微小空间内的安装是一个严峻的挑战。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种基于双极电极结构传感器，目的在于利用双极电极体系中的驱动电极在溶液中制造碱性环境以实现葡萄糖的电催化氧化反应，同时在空间上分离预处理和检测步骤，消除同一电极上不同反应步骤之间的互相干扰；本发明关注了驱动电极在构建双极电极传感器中的应用，突破了传统中仅提供电场的辅助定位。
本发明另一目的是提供所述基于双极电极结构传感器用于葡萄糖无酶检测的方法。
技术方案：本发明提供一种基于双极电极结构传感器，包括光敏树脂3D打印电化学池，电化学池两侧贴壁设置两个相对平行设置的Pt板电极，其中一个Pt板电极用作阴极驱动电极析出氢气，其外部电镀Pd吸收氢气，中部设置两个相对平行的金线电极。
进一步地，所述金线电极长均为1cm。
所述的基于双极电极结构传感器用于葡萄糖无酶检测的方法，包括如下步骤：
(1)在预处理过程中，铂板电极的外部电镀Pd用以吸收氢气：电沉积前，对Pt板电极进行抛光和洗涤，然后将电极完全浸入含有氯化钯的盐酸溶液中，电沉积Pd，直至电极表面形成深灰色Pd层；
(2)用Kel-F材料对Pt板电极表面进行改性：在进行Kel-F涂层前，打磨Pt板电极，在食人鱼溶液中浸泡，用超纯水清洗，然后将电极浸泡在Kel-F溶液中，干燥。
进一步地，葡萄糖在-0.40V、0.05V、0.30V处存在三处氧化峰。
进一步地，所述两个金丝电极长1cm。Pt电极尺寸为1.0cm*1.0cm，电化学池内尺寸为2cm*1cm*0.3cm，适配电压为6.0V。
进一步地，所述葡萄糖的检测限为2.9mM。
进一步地，实际检测的样品为尿液，在0-16mM的范围内检测电流与浓度呈良好的线性相关。
本发明中引入了双极电极(BPEs)结构来解决上述问题，该系统包括双极电极和对应的驱动电极。在驱动电极的辅助下，单一电位即可完成分解水创造碱性检测环境辅助电催化氧化和工作电极上的氧化电流检测两个步骤。双极电极通常是一种高效的分析传感平台，尤其在高通量电化学检测中，通常会利用双极电极制作一些平行反应的阵列。在双极电极系统中，双极电极置于电化学池中，在电化学池两端的驱动电极上施加电位后，两者间会产生平行电场，工作电极因此会产生感应电位，而驱动电极完全通过静电感应实现对工作电极的控制而无需借助有线连接。在双极电极装置中，驱动电极与双极电极之间的距离通常会远大于电极本身的尺度，可避免电极上各自的反应发生彼此间的干扰，同时也保证了双极电极上存在与电极尺度相关的电势梯度。
本发明利用双极电极结构，在驱动电极上施加电压，在其阴极上分解溶液中的水分子生成氢氧根离子，利用驱动电极阴阳两极之间的电场使氢氧根离子向双极电极定向扩散并在其阳极区附近创造碱性溶液环境。双极电极在电场中通过静电感应在阴阳两极形成感应电位，其中阳极区在碱性环境下可实现葡萄糖的催化氧化。分离式双极电极之间可串联电流计，可使在这一过程中对葡萄糖的氧化电流实现定量检测。
有益效果：
1、本发明提出了驱动电极在双极电极体系中除施加电场外的作用，即电解水并利用电场实现对溶液环境酸碱性的改变。
2、本发明将葡萄糖无酶电催化氧化过程中的预处理和检测步骤进行了时空分离，避免了同一电极上不同阶段反应间的彼此干扰。
3、本发明全过程只涉及单一电位的电压源，可简化相关供电和控制电路。
附图说明
图1是本发明基于双极电极结构传感器的结构示意图；
图2是本发明基于双极电极结构传感器及附加电路的实物图；
图3是本发明葡萄糖无酶检测过程中使用酸碱指示剂(百里酚酞)显示的预处理过程；
图4是本发明用于检测尿液中葡萄糖浓度的标准曲线。
具体实施方式
本实施的基于双极电极结构传感器，包括光敏树脂3D打印电化学池，电化学池两侧贴壁设置两个相对平行设置的Pt板电极，其中一个Pt板电极用作阴极驱动电极析出氢气，其外部电镀Pd吸收氢气，中部设置两个相对平行的金线电极。向驱动电极施加电压后，驱动电极阴极上发生了析氢反应进而在Pt板电极附近的溶液内生成大量的氢氧根离子，在平行Pt之间形成的电场作用下，氢氧根离子由驱动电极阴极区向阳极区定向迁移扩散，进而在以金为材质的双极电极周围形成碱性环境，以达到催化葡萄糖无酶氧化反应的目的。这样，无酶葡萄糖检测仅需单一的装置即可完成。
用于尿液中葡萄糖无酶检测的方法，包括以下步骤：
(1)该传感器主体为一电化学池，该电化学池由两个面积为1.0cm2的Pt板电极、两个长度为1cm的金线电极和一个光敏树脂(内尺寸为2.0cm*0.3cm*1.0cm，外壳厚度均为0.1cm)的3D打印电化学池组成。金丝电极先用砂纸抛光，再用平均直径为20μm的Al2O3微粒抛光。抛光后，用超纯水冲洗电极。电化学池在中部预设有两个直径0.1cm，间距0.3cm的小孔，使得金丝电极能垂直于权利要求3中所述的电场放置。此处使用的两个金丝电极长1cm，作为分离式双极电极，之间串联一个作为电流计的电路板；分离式双极电极与驱动电极间不存在有线连接的形式；
(2)在预处理过程中，铂板电极作为阴极驱动电极吸收氢气，在铂板电极上电镀一层Pd。电沉积前，用砂纸对Pt电极进行抛光和洗涤。然后将电极完全浸入含有氯化钯(0.20mol/L)的盐酸溶液(1.0mol/L)中。以0.05V/s的速度在-0.30-1.1V范围内扫描电势50个周期，电沉积Pd，直至电极表面形成深灰色Pd层。驱动电极之间的距离为2.0cm；
(3)为了防止真实样品中氨基酸和抗坏血酸等带电干扰分子的存在，用Kel-F材料对金电极表面进行了改性。在进行Kel-F涂层前，用3000目砂纸打磨金电极，在食人鱼溶液中浸泡15分钟，用超纯水清洗5次。然后将电极浸泡在8％的Kel-F溶液中，在30℃下干燥6.0h。
检测结果与葡萄糖试剂盒的检测结果保持一致。本发明实现了无酶电催化氧化传感器的预处理电位和工作电位的同步异位控制，并且发掘了驱动电极在电场控制、溶液酸碱性调节中的实用价值。
向电化学池中的驱动电极施加电压时，平行的驱动电极之间由于电化学池中的匀质液体的存在，会形成一匀强电场，因而电场中放置的金属双极电极会因静电感应使其表面电子重新排布进而在电极两端形成电势差。同时驱动电极阴极生成的氢氧根离子会在电场中向双极电极阳极做定向移动，即在30s后使此处满足葡萄糖在碱性环境下的催化氧化条件(pH＞9.5)。葡萄糖在贵金属电极上的电催化氧化只有在施加电位并产生碱性环境后才能发生，并且葡萄糖在-0.40V、0.05V、0.30V处存在三处氧化峰，因而双极电极阳极反应与之耦合的条件较为多样；此处的耦合反应为水还原生成氢氧根反应。溶液中有葡萄糖，在施加电位后，分离式双极电极之间串联的电流计可以检测到电流变化；此时在驱动电极上施加电压为6V。本方法中葡萄糖的检测限为2.9mM；实际检测的样品为尿液，在0-16mM的范围内检测电流与浓度呈良好的线性相关。

Claims (7)

1.一种基于双极电极结构传感器，其特征在于：包括光敏树脂3D打印电化学池，电化学池两侧贴壁设置两个相对平行设置的Pt板电极，其中一个Pt板电极用作阴极驱动电极析出氢气，其外部电镀Pd吸收氢气，中部设置两个相对平行的金线电极。
2.根据权利要求1所述的基于双极电极结构传感器，其特征在于：所述金线电极长均为1cm；Pt电极尺寸为1.0cm*1.0cm，电化学池内尺寸为2cm*1cm*0.3cm，适配电压为6.0V。
3.权利要求1所述的基于双极电极结构传感器用于葡萄糖无酶检测的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)在预处理过程中，铂板电极的外部电镀Pd用以吸收氢气：电沉积前，对Pt板电极进行抛光和洗涤，然后将电极完全浸入含有氯化钯的盐酸溶液中，电沉积Pd，直至电极表面形成深灰色Pd层；
(2)用Kel-F材料对Pt板电极表面进行改性：在进行Kel-F涂层前，打磨Pt板电极，在食人鱼溶液中浸泡，用超纯水清洗，然后将电极浸泡在Kel-F溶液中，干燥。
4.权利要求3所述的基于双极电极结构传感器用于葡萄糖无酶检测的方法，其特征在于：葡萄糖在-0.40V、0.05V、0.30V处存在三处氧化峰。
5.权利要求3所述的基于双极电极结构传感器用于葡萄糖无酶检测的方法，其特征在于：所述两个金丝电极长1cm。
6.权利要求3所述的基于双极电极结构传感器用于葡萄糖无酶检测的方法，其特征在于：所述葡萄糖的检测限为2.9mM。
7.权利要求3所述的基于双极电极结构传感器用于葡萄糖无酶检测的方法，其特征在于：实际检测的样品为尿液，在0-16mM的范围内检测电流与浓度呈良好的线性相关。
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