專利名稱：多孔化學(xué)電極的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物傳感器制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種多孔化學(xué)電極的制備方法。
背景技術(shù)：
電化學(xué)生物傳感器是一類將生物大分子之間的特異性結(jié)合直接或間接地轉(zhuǎn)化為可檢測(cè)電信號(hào)的傳感器。碳糊電極的研究始于20世紀(jì)八十年代，并一度引起人們的高度關(guān)注，因?yàn)槠渲谱鞣椒ㄌ貏e簡(jiǎn)單而成本特別低廉，被認(rèn)為是制備和使用一次性電極的理想方法。但隨著研究的不斷深入，人們也發(fā)現(xiàn)此類電極存在著結(jié)果重現(xiàn)性差和不宜長(zhǎng)期保存的缺點(diǎn)，妨礙了在生物分析中的實(shí)際應(yīng)用。究其原因，可能主要有(1)電極制備的每一個(gè)過程并非完全重復(fù)和定量進(jìn)行，而且電極表面性質(zhì)如比表面積、吸附活性位點(diǎn)多少等，也不高度一致；(2)粘接劑石蠟油等的揮發(fā)干枯導(dǎo)致電極體相不嚴(yán)實(shí)而失效。雖然對(duì)電極進(jìn)行各種改性與修飾的報(bào)道不少，例如采用環(huán)氧樹脂或?qū)щ娔z等作為粘接劑，得到的電極體相性質(zhì)整體優(yōu)于石蠟油作為粘接劑獲得的結(jié)果，但并不能從根本上解決存在的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種多孔化學(xué)電極的制備方法，該方法工藝簡(jiǎn)單，成本低廉。由本發(fā)明得到的電極靈敏度獲得顯著提高，具有保存長(zhǎng)效性、平行可靠性及選擇性好的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明技術(shù)解決方案為一種多孔化學(xué)電極的制備方法，將中空玻璃管洗凈，將前驅(qū)體、填料及納米微球模板按照質(zhì)量比為1～1.5∶3～4.5∶1～2的比例研磨，混合均勻成糊狀混合物，將所得碳糊混合物填入中空玻璃管內(nèi)，壓實(shí)，在中空玻璃管中央插入作為引出電極的銅導(dǎo)線，然后將電極在常溫下浸泡在濃度為0.01～1.5mol/L的引發(fā)劑溶液中，使填充在玻璃管內(nèi)的糊狀混合物發(fā)生整體聚合最后將電極放入攪拌的抽提劑，在5℃～40℃的溫度范圍中抽提，除去納米微球模板，上述前驅(qū)體為吡咯、噻吩和苯胺中的一種或其衍生物例填料為碳粉或云母粉，納米微球模板為聚苯乙烯納米微球模板、聚丙烯納米微球模板或氧化硅SiO2納米微球模板；引發(fā)劑為三氯化鐵或硫酸鐵；抽提劑為甲苯、二甲苯、乙酸乙酯和正丁醇或氫氟酸。
由本發(fā)明制得的電極體相比表面積大，當(dāng)電極體相比表面積足夠大時(shí)，更新截面或不同電極間表面性質(zhì)的差異就不足以影響分析結(jié)果的平行可靠性；另一方面，盡管使用如環(huán)氧樹脂或?qū)щ娔z等有可能部分改善碳糊電極的長(zhǎng)效性，但粘接劑的使用會(huì)堵塞一些孔道，影響不同界面或不同電極間孔性質(zhì)的一致性。為此，本發(fā)明提出多孔化學(xué)電極的直接納米模板誘導(dǎo)合成，能顯著提高相應(yīng)電化學(xué)傳感器的靈敏度，同時(shí)顯著改善其保存長(zhǎng)效性和分析結(jié)果的平行可靠性，并獲得良好的選擇性。該多孔化學(xué)電極具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)整個(gè)電極是一個(gè)連續(xù)的整體，不含粘接劑而可以避免粘接劑帶來的諸多問題；(2)該電極比表面積大，表面又富含可與生物大分子形成氫鍵的N原子或其它功能基團(tuán)，因而對(duì)生物大分子吸附/固定量大大增加，而且更新截面之間以及不同電極間表面性質(zhì)差異小，故平行性好；因孔徑均勻可調(diào)且可功能化，故選擇性好。因此，該電極的靈敏度獲得顯著提高，而且電極的保存長(zhǎng)效性和分析結(jié)果的平行可靠性也得到了顯著改善，且還具有良好的選擇性，有利于生物大分子的吸附、固定，提高檢測(cè)靈敏度。本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，電極靈敏度高，便于保存。
對(duì)本發(fā)明制得的電極進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)前擠去前次實(shí)驗(yàn)與檢測(cè)材料接觸過的一小段管類糊狀混合物，然后在光滑的稱量紙上磨平，以形成新的電極表面，分別在a.純碳糊電極其中石墨粉∶石蠟油質(zhì)量比為80∶20；b.改性碳糊電極其中納米碳管∶石墨粉∶石蠟油質(zhì)量比為5∶75∶20；c.本發(fā)明所得的電極的表面固定DNA后，采用SLV電化學(xué)掃描DNA電化學(xué)信號(hào)，實(shí)驗(yàn)如圖2所示，結(jié)果表明伏安曲線在+1.1V左右出現(xiàn)一個(gè)氧化峰，對(duì)應(yīng)于寡核苷酸中的腺嘌呤A殘基。而且，本發(fā)明所得的電極上的氧化峰電流a最大，納米碳糊電極次之，純碳糊電極上的峰電流c最小。這可能是由于與純碳糊電極相比，納米碳管的摻入增大了吸附表面積，使DNA的吸附和固定量增加，而本發(fā)明所得的電極由于為孔狀結(jié)構(gòu)大大增大了電極的比表面積，大大增加了DNA的吸附和固定量，使峰電流增大。
本發(fā)明避免了使用粘接劑，避免了粘接劑如石蠟油等的揮發(fā)干枯導(dǎo)致電極體相不嚴(yán)實(shí)而失效，而且大大增大了電極的比表面積，大大提高了電極的靈敏度。另外，本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單、成本低、耗材少，具有保存長(zhǎng)效性、分析結(jié)果的平行可靠性以及選擇性好的優(yōu)點(diǎn)。
四

圖1為多孔“化學(xué)電極”制備路線圖。其中1為電極導(dǎo)線，2為玻璃管，3為有機(jī)高分子納米微球模板，4為聚合前驅(qū)體和填料。
圖2為多孔“化學(xué)電極”、納米碳糊電極和純碳糊電極吸附DNA的電化學(xué)信號(hào)比較。其中a為多孔“化學(xué)電極”，b為納米碳糊電極，c為純碳糊電極伏安曲線在+1.1V左右出現(xiàn)的氧化峰，對(duì)應(yīng)于寡核苷酸中的腺嘌呤A殘基，峰電流越大表明腺嘌呤A殘基越多，即吸附DNA的量越多。
五具體實(shí)施例方式
一種多孔化學(xué)電極的制備方法，是將中空玻璃管洗凈，將前驅(qū)體、填料及納米微球模板按照質(zhì)量比為1～1.5∶3～4.5∶1～2的比例研磨，混合均勻成糊狀混合物，將所得碳糊混合物填入中空玻璃管內(nèi)，壓實(shí)，在中空玻璃管中央插入作為引出電極的銅導(dǎo)線，然后將電極在常溫下浸泡在濃度為0.01～1.5mol/L的引發(fā)劑溶液中，使填充在玻璃管內(nèi)的糊狀混合物發(fā)生整體聚合最后將電極放入攪拌的抽提劑，在5℃～40℃的溫度范圍中抽提，除去納米微球模板，上述前驅(qū)體為吡咯、噻吩和苯胺中的一種或其衍生物例；填料為碳粉或云母粉，納米微球模板為聚苯乙烯納米微球模板、聚丙烯納米微球模板或氧化硅SiO2納米微球模板；引發(fā)劑為三氯化鐵或硫酸鐵；抽提劑為甲苯、二甲苯、乙酸乙酯和正丁醇或氫氟酸。
下面更為詳細(xì)地說明本發(fā)明的相關(guān)內(nèi)容。
一、多孔化學(xué)電極的直接納米模板誘導(dǎo)合成(1)均勻直徑聚苯乙烯即PS微球的制備制備聚苯乙烯納米微球的方法主要有懸浮聚合法、微乳液聚合法和分散型聚合法等，其中微乳液聚合法根據(jù)表面活性劑的加入情況又可分為有皂和無皂聚合法。影響PS納米微球直徑的因素主要來自方法的不同，其次是制備溫度和引發(fā)劑以及分散劑或穩(wěn)定劑的影響。一般較易生成微米級(jí)的微球，通過控制條件可以得到100-200納米直徑范圍的微球。
(2)導(dǎo)電聚合物在PS等納米微球模板下的一體化聚合將優(yōu)化配比的前驅(qū)體、PS等微球和填料的混合物填入一定內(nèi)徑的玻璃管內(nèi)，插入金屬導(dǎo)線，然后浸泡在含有引發(fā)劑的溶液中，使填充在玻璃管內(nèi)的混合物整體聚合。
(3)聚合后PS等納米微球模板抽提整體聚合完成后，需要將PS等納米微球模板抽提干凈，同時(shí)在抽提完模板劑后還應(yīng)使電極保持完好的整體多孔結(jié)構(gòu)。
二、多孔化學(xué)電極的表面性質(zhì)和功能化(1)表面性質(zhì)“多孔化學(xué)電極”內(nèi)表面的性質(zhì)如比表面積、孔徑分布、表面官能團(tuán)等，對(duì)其在生物分析中對(duì)生物大分子的吸附/固定和檢測(cè)靈敏度有著決定性的影響。本發(fā)明開發(fā)的多孔化學(xué)電極比表面積比傳統(tǒng)碳糊電極大100倍以上且孔分布均勻，具有較多可供進(jìn)一步功能化的表面功能基團(tuán)。
(2)表面功能化表面功能化有兩個(gè)重要方面的意義a.很顯然，任何一種電化學(xué)生物傳感器都不是萬能的。為了使得到的“多孔化學(xué)電極”能夠得到廣泛應(yīng)用，對(duì)其進(jìn)行表面功能化改性是必要的；b.另一個(gè)非常重要的意義是由于“多孔化學(xué)電極”有豐富的內(nèi)孔道，通過吸附固定生物大分子時(shí)，毛細(xì)現(xiàn)象可能使得生物大分子迅速擴(kuò)散至電極深處，同時(shí)也可能會(huì)導(dǎo)致這種吸附固定結(jié)果不易重現(xiàn)，因而影響分析的重現(xiàn)性。一個(gè)有效控制的辦法是根據(jù)欲捕獲生物大分子的性質(zhì)對(duì)“多孔化學(xué)電極”的內(nèi)表面進(jìn)行針對(duì)性的功能化而帶上特定的功能基團(tuán)，這些特定的功能基團(tuán)可以與捕獲的生物大分子發(fā)生強(qiáng)的相互作用而能有效地捕獲流過的目標(biāo)生物大分子，防止和抑制后者的隨機(jī)擴(kuò)散，使得后者被完全固定在靠近電極表面的電極區(qū)域內(nèi)。本發(fā)明將利用得到的“多孔化學(xué)電極”聚吡咯或吡咯衍生物大量存在的N-H基團(tuán)以及其它可供功能化的官能基團(tuán)，對(duì)“多孔化學(xué)電極”進(jìn)行氨基化、巰基化、醛基化、鏈親和素化或生物素化等功能化，有利于針對(duì)不同的檢測(cè)對(duì)象或檢測(cè)方法對(duì)電極進(jìn)行針對(duì)性的修飾改性，進(jìn)一步保障了“多孔化學(xué)電極”的可靠性。
三、多孔化學(xué)電極的應(yīng)用本發(fā)明有著廣泛的應(yīng)用，例如在生物傳感方面，按檢測(cè)目標(biāo)物生物大分子的性質(zhì)分類，主要可分為DNA檢測(cè)、蛋白質(zhì)檢測(cè)、細(xì)胞檢測(cè)或組織、血液中其它成分如氨基酸、糖、代謝產(chǎn)物等。本發(fā)明也可廣泛應(yīng)用于它他非生物大分子檢測(cè)。
四、實(shí)施實(shí)例(1)ps微球制備苯乙烯和MAA均需減壓蒸餾精制，水為超純水或雙蒸水。取一個(gè)250ml三口瓶，中口放攪拌漿，一邊口用空心塞塞住，做加料用，另一口插球形冷凝管。先往三口瓶中加入90ml水，另10ml水溶解0.25gKPS待用，再加9ml苯乙烯和1mlMAA，在300r/min下劇烈攪拌，加熱至沸騰，即球形冷凝管中出現(xiàn)回流，回流在第一節(jié)和第二節(jié)冷凝管間為宜，保持回流15-30分鐘，最后加入先前準(zhǔn)備好的KPS溶液。加熱狀態(tài)下保持2個(gè)小時(shí)即可制得粒徑為99nm的PS微球。可以通過控制實(shí)驗(yàn)中苯乙烯的用量來控制PS微球的直徑，如表1所示。
表1 苯乙烯用量與PS微球粒徑的關(guān)系

(2)多孔化學(xué)電極制備現(xiàn)以內(nèi)徑為4mm的中空玻璃管為例，將其洗凈，烘干備用。將吡咯、碳粉與聚苯乙烯納米微球三者以1～1.5∶3～4.5∶1～2的比例，在研缽中混合均勻成糊狀，然后將所得碳糊混合物填入玻璃管內(nèi)，壓實(shí)，管中央插入一根銅導(dǎo)線。再將填有碳糊混合物的玻璃管浸入0.5mol/L的FeCl3溶液中，在常溫下浸泡4小時(shí)使吡咯充分聚合，聚合反應(yīng)式具體如下第一步，單體被氧化成離域的自由基陽(yáng)離子，它在a位上有很高的自旋密度。第二步，單體自由基通過a位自由基藕聯(lián)形成二聚體，然后放出2個(gè)質(zhì)子，產(chǎn)生中性二聚體。接著二聚體被氧化為二聚體自由基，與其它單體自由基或二聚體自由基、低聚物自由基反應(yīng)，使聚合鏈增長(zhǎng)，藕聯(lián)氧化過程就這樣重復(fù)下去，直到鏈增長(zhǎng)被終止。
聚合好后用水沖洗干凈，烘干，再將電極浸入攪拌的甲苯溶液中6小時(shí)，抽提除去PS微球模板即可得到多孔“化學(xué)電極”。
(3)所制備的多孔電極的實(shí)際應(yīng)用效果為進(jìn)一步說明多孔化學(xué)電極的比表面積大，靈敏度高，分別在a.純碳糊電極其中石墨粉∶石蠟油質(zhì)量比為80∶20；b.改性碳糊電極其中納米碳管∶石墨粉∶石蠟油質(zhì)量比為5∶75∶20；c.多孔“化學(xué)”電極的表面固定DNA后，采用SLV電化學(xué)掃描DNA電化學(xué)信號(hào)，實(shí)驗(yàn)如圖2所示，結(jié)果表明伏安曲線在+1.1V左右出現(xiàn)一個(gè)氧化峰，對(duì)應(yīng)于寡核苷酸中的腺嘌呤A殘基。而且，多孔“化學(xué)”電極上的氧化峰電流a最大，納米碳糊電極次之，純碳糊電極上的峰電流c最小。這是由于與純碳糊電極相比，納米碳管的摻入增大了吸附表面積，使DNA的吸附和固定量增加，而多孔化學(xué)電極由于為孔狀結(jié)構(gòu)大大增大了電極的比表面積，大大增加了DNA的吸附和固定量，使峰電流增大。進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，可以進(jìn)一步提高電極的靈敏度，有望比傳統(tǒng)的純碳糊電極提高2-3個(gè)數(shù)量級(jí)。
權(quán)利要求
1.一種多孔化學(xué)電極的制備方法，其特征在于將中空玻璃管洗凈，將前驅(qū)體、填料及納米微球模板按照質(zhì)量比為1～1.5∶3～4.5∶1～2的比例研磨，混合均勻成糊狀混合物，將所得碳糊混合物填入中空玻璃管內(nèi)，壓實(shí)，在中空玻璃管中央插入作為引出電極的銅導(dǎo)線，然后將電極在常溫下浸泡在濃度為0.01～1.5mol/L的引發(fā)劑溶液中，使填充在玻璃管內(nèi)的糊狀混合物發(fā)生整體聚合最后將電極放入攪拌的抽提劑，在5℃～40℃的溫度范圍中抽提，除去納米微球模板，上述前驅(qū)體為吡咯、噻吩和苯胺中的一種或其衍生物例填料為碳粉或云母粉，納米微球模板為聚苯乙烯納米微球模板、聚丙烯納米微球模板或氧化硅SiO2納米微球模板；引發(fā)劑為三氯化鐵或硫酸鐵；抽提劑為甲苯、二甲苯、乙酸乙酯和正丁醇或氫氟酸。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多孔化學(xué)電極的制備方法，是將中空玻璃管洗凈，將前驅(qū)體、填料及納米微球模板按照質(zhì)量比為1～1.5∶3～4.5∶1～2的比例研磨，混合均勻成糊狀混合物，將所得碳糊混合物填入中空玻璃管內(nèi)，壓實(shí)，在中空玻璃管中央插入作為引出電極的銅導(dǎo)線，然后將電極在常溫下浸泡在濃度為0.01～1.5mol/L的引發(fā)劑溶液中，使填充在玻璃管內(nèi)的糊狀混合物發(fā)生整體聚合最后將電極放入攪拌的抽提劑，在5℃～40℃的溫度范圍中抽提，除去納米微球模板，上述前驅(qū)體為吡咯、噻吩和苯胺中的一種或其衍生物。該電極比表面積大，而且更新截面之間以及不同電極間表面性質(zhì)差異小，故平行性好；因孔徑均勻可調(diào)且可功能化，故選擇性好。
文檔編號(hào)G01N27/36GK101051035SQ200710020998
公開日2007年10月10日 申請(qǐng)日期2007年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月6日
發(fā)明者何農(nóng)躍, 許利劍, 李智洋 申請(qǐng)人:東南大學(xué)