CN113564655B - 电沉积聚苯胺-聚苯乙烯磺酸的铵离子检测电极、制备方法和应用 - Google Patents

电沉积聚苯胺-聚苯乙烯磺酸的铵离子检测电极、制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电沉积聚苯胺‑聚苯乙烯磺酸的铵离子检测电极、制备方法和应用。本发明的制备方法如下：将电极基体清洗后作为工作电极，与参比电极及对电极构成三电极体系并浸于苯胺‑聚苯乙烯磺酸溶液中，通过电化学法在工作电极表面沉积形成聚苯胺‑聚苯乙烯磺酸薄膜。本发明提供的铵离子检测电极的检测机理与离子选择性电极不同，具有较宽的线性范围，同时聚苯胺‑聚苯乙烯磺酸薄膜可以作为固定酶颗粒的载体，进一步形成肌酐电极或者尿素电极。

Description

电沉积聚苯胺-聚苯乙烯磺酸的铵离子检测电极、制备方法和 应用
技术领域
本发明涉及电化学分析技术领域，具体涉及一种电沉积聚苯胺-聚苯乙烯磺酸的铵离子检测电极、制备方法和应用。
背景技术
铵离子是存在水体中的一种重要的离子，目前测定铵离子的方法主要有离子色谱法、毛细管电泳、离子选择性电极、分光光度法及核磁共振等，其中离子选择性电极相对于其他几种方法具有操作方便、测定速度快等优点，因而是目前研究的重要方向之一。
同时铵离子的检测也是其他一系列物质检测的基础。例如人体的代谢废物肌酐，能够反应一个人的肾脏功能，慢性肾病的患者具有更高的肌酐值。肌酐作为重要的生物标记物，其检测方法已经有大量研究，主要包括电化学法、液相色谱法、比色法等。有酶的电化学法由于其选择性高，比较适用于含有众多干扰物的血液、尿液样本检测。肌酐在肌酐酶的作用下分解成铵离子，因此有酶的肌酐检测也可以转化为铵离子的检测。铵离子的检测方法通常分为电化学法以及比色法。电化学法由于其结果准确，响应时间快，被更广泛的研究。其中，基于离子载体的离子选择性电极由于其稳定的特性以及简便的制作方法被更多人使用。离子选择性电极是基于测量工作电极与参比电极的开路电压，当待测离子与选择性膜结合时，表现出开路电压的变化。基于离子选择性膜电极的开路电压与浓度的对数呈线性关系，在高浓度的测量下的准确度会大幅降低。
但是如何制作具有较高灵敏度和宽线性范围的铵离子检测电极并将其应用于肌酐等代谢物的检测中，是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提出了一种电沉积聚苯胺-聚苯乙烯磺酸的铵离子检测电极、制备方法和应用。本发明提供的铵离子检测电极的检测机理与离子选择性电极不同，具有较宽的线性范围，同时聚苯胺-聚苯乙烯磺酸薄膜可以作为固定酶颗粒的载体。
本发明所采取的技术方案如下所述：
第一方面，本发明提供了一种电沉积聚苯胺-聚苯乙烯磺酸的铵离子检测电极的制备方法，其具体做法为：将电极基体清洗后作为工作电极，与参比电极及对电极构成三电极体系并浸于苯胺-聚苯乙烯磺酸溶液中，通过电化学法在工作电极表面沉积形成聚苯胺-聚苯乙烯磺酸薄膜。
作为优选，所述苯胺-聚苯乙烯磺酸溶液为溶有聚苯胺和聚苯乙烯磺酸的盐酸溶液，其中苯胺的浓度为0.3mol/L，聚苯乙烯磺酸的浓度为0.01～0.3mol/L，聚苯乙烯磺酸的浓度优选为0.06mol/L。
进一步的，所述苯胺-聚苯乙烯磺酸溶液的制备方法为：将聚苯乙烯磺酸固体加入盐酸中，超声处理形成均匀的聚苯乙烯磺酸溶液；再将苯胺溶液加入聚苯乙烯磺酸溶液中，超声处理形成均匀苯胺-聚苯乙烯磺酸溶液；所述盐酸的浓度优选为1mol/L。
作为优选，所述电极基体为平面电极、针电极、金属丝电极或者纤维电极，所述参比电极优选为Ag/AgCl电极，所述对电极优选为Pt丝。
作为优选，所述电化学法为恒电压沉积法、恒电流沉积法或循环伏安沉积法；优选为循环伏安沉积法，电流范围为-0.2V～1V，扫描速度为0.1V/s，扫描20圈。
作为优选，所述电极基体在电沉积聚苯胺-聚苯乙烯磺酸之前，预先在电极基体表面修饰有改性层，所述改性层为金属纳米颗粒层、石墨烯层或碳纳米管层，以提高电极检测的灵敏度。
进一步的，在改性层外修饰Nafion或PU膜，以提高电极的检测范围。
第二方面，本发明提供了一种如第一方面中任一方案所述制备方法制备得到的铵离子检测电极。
第三方面，本发明提供了一种尿素检测电极，其特征在于，在上述第二方面制备得到的铵离子检测电极的聚苯胺-聚苯乙烯磺酸薄膜表面修饰一层尿素酶颗粒层。
第四方面，本发明提供了一种肌酐检测电极，其特征在于，在上述第二方面制备得到的铵离子检测电极的聚苯胺-聚苯乙烯磺酸薄膜表面修饰一层肌酐脱亚胺酶颗粒层。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：提出一种新的铵离子检测电极及制备方法，能够定量、可控的在任意导电表面修饰聚苯胺-聚苯乙烯磺酸薄膜，制成不同形态的按离子电极。通过该方法制成的电极，对铵离子有高的选择性，有较宽的检测范围，且制作步骤简单，成本低廉，能够应用于高灵敏度尿素液、肌酐电极制作，在临床监测领域有较好的应用前景。
附图说明
图1为第一种电极结构示意图。
图2为第二种电极结构示意图。
图3为第三种电极结构示意图。
图4为循环伏安电镀曲线图，采用的参数为-0.2V～1V，0.1V/s，20圈。
图5为在不同浓度的聚苯乙烯磺酸溶液中聚合的聚苯胺-聚苯乙烯磺酸的SEM图，其中四组浓度分别为(A)0M聚苯乙烯磺酸，(B)0.01M聚苯乙烯磺酸，(C)0.06M聚苯乙烯磺酸，(D)0.3M聚苯乙烯磺酸。
图6为铵离子检测曲线(采用的参数为-0.8V～0.8V，检测范围为0.5-40mM)。
图7为铵离子检测校准曲线，线性范围为0.5-20mM。
图8为尿素检测电极的测试结果。
图9为肌酐检测电极的测试结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实例作详细说明，本实例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实例。
如图1所示，在本发明的一个较佳实施例中，提供了一种在电极表面通过电沉积方式覆盖一层聚苯胺-聚苯乙烯磺酸薄膜的铵离子检测电极。该种电沉积聚苯胺-聚苯乙烯磺酸的铵离子检测电极的制备方法为：将电极基体清洗后作为工作电极，与参比电极及对电极构成三电极体系并浸于苯胺-聚苯乙烯磺酸溶液中，通过电化学法在工作电极表面沉积形成聚苯胺-聚苯乙烯磺酸薄膜。
其中，上述用于进行电沉积的苯胺-聚苯乙烯磺酸溶液为溶有聚苯胺和聚苯乙烯磺酸的盐酸溶液，在该溶液中溶质的具体浓度需要根据实际进行优化。优选的，其中苯胺的浓度为0.3mol/L，聚苯乙烯磺酸的浓度为0.01～0.3mol/L，聚苯乙烯磺酸的浓度进一步优选为0.06mol/L。
上述苯胺-聚苯乙烯磺酸溶液可以采用如下方法制备：将聚苯乙烯磺酸固体加入盐酸中，超声处理形成均匀的聚苯乙烯磺酸溶液；再将苯胺溶液加入聚苯乙烯磺酸溶液中，超声处理形成均匀苯胺-聚苯乙烯磺酸溶液。其中所用的盐酸浓度优选为1mol/L。
上述三电极体系中，作为电沉积基底的电极基体可以为平面电极、针电极、金属丝电极或者纤维电极，而参比电极可以采用Ag/AgCl电极，对电极可以采用Pt丝，即铂电极。
上述三电极体系在通过电化学法进行沉积时，具体可采用恒电压沉积法、恒电流沉积法或循环伏安沉积法，优选为循环伏安沉积法，循环伏安沉积法的参数可设置如下：电流范围为-0.2V～1V，扫描速度为0.1V/s，扫描20圈。电沉积过程中，苯胺单体会聚合形成聚苯胺，以聚苯胺-聚苯乙烯磺酸薄膜形式附着于电极的基底上。
上述方法制备的铵离子检测电极，其检测机理与离子选择性膜不同，不受能斯特定律的限制，工作电极的电流信号与溶液的浓度呈线性关系，提高了检测的灵敏度和线性范围。而且通过电化学沉积方式制备的电极，使得聚苯胺-聚苯乙烯磺酸膜能够定量、可控的修饰与任何电极材料的表面。
另外，在图1所示的铵离子检测电极基础上，为了进一步提高电极检测的灵敏度，还可以在电极基体上沉积聚苯胺-聚苯乙烯磺酸薄膜之前，预先在电极基体表面修饰一层金属纳米颗粒层、石墨烯层或碳纳米管层等改性层，然后再在改性层基础上继续沉积聚苯胺-聚苯乙烯磺酸薄膜。以铂纳米颗粒为例，可以通过电化学方法镀在电极基体表面，即如图2所示。进一步的，为了提高电极的检测范围，还可以考虑在改性层外修饰Nafion或PU膜，即如图3所示。当然，上述改性层以及Nafion或PU膜并非必要的，可根据实际需要进行增删。
上述铵离子检测电极在使用时需要预先绘制标准曲线，做法为：配制不同浓度的铵离子标准溶液，在10mM PBS(pH＝7.3)溶液中，采用三电极体系，用循环伏安法测量不同浓度的铵离子溶液的氧化还原电流，取相应铵离子浓度下的氧化峰对应的最大电流与铵离子浓度的关系绘制标准曲线。绘制得到标准曲线后，即可基于该标准曲线进行实际水样中的铵离子浓度测定。
另外，在上述制备方法制备得到的铵离子检测电极基础上，本发明还可以进一步对其进行酶修饰，使其能够检测尿素或者肌酐，扩展该电极的应用。
因此，本发明还可以进一步提供一种尿素检测电极，该电极可以在上述铵离子检测电极基础上，在聚苯胺-聚苯乙烯磺酸薄膜表面修饰一层尿素酶颗粒层来实现。
同样的，本发明还可以进一步提供一种肌酐检测电极，该电极可以在上述铵离子检测电极的基础上，在聚苯胺-聚苯乙烯磺酸薄膜表面修饰一层肌酐脱亚胺酶颗粒层来实现。
下面通过具体实施例对上述铵离子检测电极的制备以及技术效果进行展示。
实施例1
本实施例中，提供了一种基于电沉积聚苯胺-聚苯乙烯磺酸薄膜的铵离子检测电极，电极的剖面示意图如图1所示，其制备方法如下：
1)将聚苯乙烯磺酸(PSS)固体加入1mol/L的盐酸中，超声处理形成均匀的PSS溶液，再将分析纯的苯胺加入配制好的PSS溶液中，超声混匀，得到苯胺-聚苯乙烯磺酸溶液备用。本实施例中，设置了四组不同溶质浓度的苯胺-聚苯乙烯磺酸溶液，苯胺浓度均为0.3mol/L，而四组溶液中聚苯乙烯磺酸浓度不同，分别为0mol/L、0.01mol/L、0.06mol/L、0.3mol/L，这四组苯胺-聚苯乙烯磺酸溶液分别记为0PSS、0.01PSS、0.06PSS、0.3PSS。
2)分别以上述四组苯胺-聚苯乙烯磺酸溶液为基础，采用三电极电化学体系进行电沉积：三电极体系中将待修饰的电极作为工作电极，Ag/AgCl作为参比电极，铂丝作为对电极。待修饰的电极基体可以是任一电化学电极，本实施例使用的是碳浆印制而成的丝网印刷电极。待修饰的电极基体先浸泡在无水乙醇、去离子中各超声清洗5min，室温晾干，其余电极用去离子水冲洗表面残余杂质，晾干后，将三个电极浸泡在的苯胺-聚苯乙烯磺酸盐酸溶液中形成三电极体系。电沉积方法采用循环伏安电沉积法，电流范围为-0.2V～1V，扫描速度为0.1V/s，扫描圈数为20圈，电镀曲线如图4所示。电沉积结束后，覆盖一层聚苯胺-聚苯乙烯磺酸薄膜的铵离子检测电极得到了四组溶液中分别制得铵离子检测电极。
四组铵离子检测电极的SEM图参加图5所示，可以发现聚苯乙烯磺酸对聚苯胺的形态产生了影响。用去离子水冲洗电极表面残余电镀溶液，晾干后测试电极性能，测试方法如下：采用三电极体系，将沉积了苯胺-聚苯乙烯磺酸薄膜的电极作为工作电极Ag/AgCl作为参比电极，铂丝作为对电极，分别浸泡在已知准确浓度的系列铵离子溶液中，溶剂为10mMPBS。使用循环伏安法测量不同溶液中的电流，电压范围为-0.8V～0.8V，扫描速度为0.05V/s，结果如图6所示。进行三组平行实验，最大电流值与相应铵离子浓度作标准曲线，结果如图7所示。从上述结果中可以发现，该电极具有0.5-40mM的检测范围，线性范围在0-15mM。待测样品测试时，将电极浸泡在待测样品中，同样使用循环伏安法，电压范围为-0.8V～0.8V，扫描速度为0.05V/s，获得的最大电流代入标准曲线中即可获得铵离子浓度值，从而实现铵离子定量检测。对四组溶液得到的铵离子检测电极性能进行比较后，最佳的为0.06PSS组制备得到的铵离子检测电极。
实施例2
基于实施例1中0.06PSS组制备得到的铵离子检测电极，进一步制备尿素检测电极，制备方法如下：
1)尿素酶溶液配制：将尿素酶和牛血清蛋白溶解至10mMPBS中，制成40mg/mL尿素酶+10mg/mL牛血清蛋白混合溶液。
2)在实施例1中0.06PSS组制备得到的铵离子检测电极上滴加上述混合溶液，使用戊二醛气相交联法，在37摄氏度下交联1小时。交联完毕后取出电极，用去离子水洗净未固定的酶得到尿素检测电极，将洗净的电极浸泡在10mMPBS溶液中备用。
3)对上述尿素检测电极进行电极性能测试，绘制校准曲线，包括以下步骤：配制不同浓度的尿素标准溶液，在10mM PBS(pH＝7.3)溶液中，采用尿素检测电极为工作电极、Ag/AgCl电极作为参比电极及Pt丝作为对电极的三电极体系，用循环伏安法测量不同浓度的尿素溶液的氧化还原电流，取相应尿素浓度下的氧化峰对应的最大电流与尿素浓度的关系绘制标准曲线。测试采用的参数为-0.8V～0.8V，0.1V/s，检测范围为0.5-15mM，最终得到的尿素检测曲线如图8所示。
实施例3
基于实施例1中0.06PSS组制备得到的铵离子检测电极，进一步制备肌酐检测电极，制备方法如下：
1)肌酐酶溶液配制：将肌酐脱亚胺酶和牛血清蛋白溶解至10mMPBS中，制成40mg/m肌酐脱亚胺酶+10mg/mL牛血清蛋白混合溶液。
2)在实施例1中0.06PSS组制备得到的铵离子检测电极上滴加上述混合酶溶液，使用戊二醛气相交联法，在37摄氏度下交联1小时。交联完毕后取出电极，用去离子水洗净未固定的酶得到肌酐检测电极，将洗净的电极浸泡在10mMPBS溶液中备用。
3)对上述肌酐检测电极进行电极性能测试，绘制校准曲线，包括以下步骤：配制不同浓度的肌酐标准溶液，在10mM PBS(pH＝7.3)溶液中，采用肌酐检测电极为工作电极、Ag/AgCl电极作为参比电极及Pt丝作为对电极的三电极体系，用循环伏安法测量不同浓度的肌酐溶液的氧化还原电流，取相应肌酐浓度下的氧化峰对应的最大电流与肌酐浓度的关系绘制标准曲线。测试采用的参数为-0.8V～0.8V，0.1V/s，检测范围为0.5-6mM，肌酐检测曲线如图9所示。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然而并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种电沉积聚苯胺-聚苯乙烯磺酸的铵离子检测电极的制备方法，其特征在于：将电极基体清洗后作为工作电极，与参比电极及对电极构成三电极体系并浸于苯胺-聚苯乙烯磺酸溶液中，通过电化学法在工作电极表面沉积形成聚苯胺-聚苯乙烯磺酸薄膜；
所述苯胺-聚苯乙烯磺酸溶液为溶有聚苯胺和聚苯乙烯磺酸的盐酸溶液，其中苯胺的浓度为0.3 mol/L，聚苯乙烯磺酸的浓度为0.06 mol/L；
所述苯胺-聚苯乙烯磺酸溶液的制备方法为：将聚苯乙烯磺酸固体加入盐酸中，超声处理形成均匀的聚苯乙烯磺酸溶液；再将苯胺溶液加入聚苯乙烯磺酸溶液中，超声处理形成均匀苯胺-聚苯乙烯磺酸溶液；所述盐酸的浓度为1 mol/L；
所述电化学法为循环伏安沉积法，电流范围为-0.2V~1V，扫描速度为0.1V/s，扫描20圈；
待修饰的电极基体是碳浆印制而成的丝网印刷电极。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述参比电极为Ag/AgCl电极，所述对电极为Pt丝。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述电极基体在电沉积聚苯胺-聚苯乙烯磺酸之前，预先在电极基体表面修饰有改性层，所述改性层为金属纳米颗粒层、石墨烯层或碳纳米管层。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：在改性层外修饰Nafion或PU膜。
5.一种如权利要求1~4任一所述制备方法制备得到的铵离子检测电极。
6.一种尿素检测电极，其特征在于，在权利要求5所述铵离子检测电极的聚苯胺-聚苯乙烯磺酸薄膜表面修饰一层尿素酶颗粒层。
7.一种肌酐检测电极，其特征在于，在权利要求5所述铵离子检测电极的聚苯胺-聚苯乙烯磺酸薄膜表面修饰一层肌酐脱亚胺酶颗粒层。
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