技术领域
[0001] 本
发明涉及一种电化学传感器及其制备方法。
背景技术
[0002] 多巴胺是人体内的一种重要的神经传导递质，其神经功能失调是导致
精神分裂症和帕金森氏症的重要原因。此外，多巴胺为拟肾上腺素药，具有增加肾血流量，使心脏兴奋的功能，广泛用于
治疗神经紊乱、
高血压、先天性或感染性休克。准确测定其在脑、血液、尿和组织中的含量无论是在生理功能研究方面还是临床应用方面都具有重要的意义。由于电分析化学具有灵敏度高、选择性好、响应时间短、所需仪器设备价格低廉等优点而被广泛用于生命物质的直接电化学检测。但是神经递质在裸
电极上的测定存在两个问题，一是
电子转移速率低；二是与多巴胺共存的高浓度
抗坏血酸和尿酸等物质的电化学性质与多巴胺十分相似，用一般电化学方法测定多巴胺时它们将产生严重干扰。因此，开发高灵敏度、高选择性、快速响应的测定多巴胺的电化学传感器一直是研究人员感兴趣的课题。
发明内容
[0003] 本发明为了克服
现有技术的
缺陷提供一种电化学传感器，该电化学传感器能够在高浓度抗坏血酸存在下，对低浓度的多巴胺有选择性响应，灵敏度高。
[0004] 为了实现上述目的，本发明提供了一种电化学传感器，该电化学传感器包括电极，所述电极包括导电基底和附着在所述导电基底表面的复合膜；其中，所述复合膜包括至少一层纳米颗粒层和至少一层聚
电解质层，所述纳米颗粒层和聚
电解质层交替层叠，且所述纳米颗粒层和所述聚电解质层所带电荷相反，与所述导电基底直接
接触的所述复合膜的第一层与导电基底所带电荷相反；所述纳米颗粒选自过渡金属元素的
氧化物、杂
多酸和同多酸中的一种或多种。
[0005] 本发明还提供了所述电化学传感器的制备方法，该电化学传感器包括电极，所述电极包括导电基底，其中，所述制备方法包括：将能形成纳米颗粒层的悬浮液或溶液和聚电解质溶液交替与导电基底接触并干燥，使导电基底表面形成包括至少一层纳米颗粒层和至少一层聚电解质层的复合膜，且所述纳米颗粒层和聚电解质层交替层叠，与导电基底直接接触的所述复合膜的第一层为纳米颗粒层或聚电解质层；通过对所述纳米颗粒和聚电解质的种类的选择，使得所述复合膜中交替层叠的所述纳米颗粒层和所述聚电解质层所带电荷相反，并使得与所述导电基底直接接触的所述复合膜的第一层与导电基底所带电荷相反；所述纳米颗粒选自过渡金属元素的氧化物、杂多酸和同多酸中的一种或多种。
[0006] 本发明提供的电化学传感器对于测定多巴胺具有高灵敏度、高选择性、快速响应等优点，可用于多巴胺的实时监测。
[0007] 本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0008] 附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成
说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0009] 图1为
实施例1中制备的聚
丙烯酸包覆的二氧化铈的透射电镜图；
[0010] 图2为实施例1中制备的电化学传感器的复合膜的吸光度与复合膜包括纳米颗粒层和聚电解质层的层数的关系图；
[0011] 图3为实施例1中测定制备的电化学传感器在10mmol/L抗坏血酸和0.1mmol/L多巴胺混合溶液的循环
伏安图；
[0012] 图4为实施例1中用计时
电流法测定制备的电化学传感器对多巴胺的
检测限图；
[0013] 图5为实施例2中测定制备的电化学传感器在10mmol/L抗坏血酸和0.1mmol/L多巴胺混合溶液的循环伏安图。
具体实施方式
[0014] 以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0015] 本发明提供的电化学传感器包括电极，所述电极包括导电基底和附着在所述导电基底表面的复合膜；其中，所述复合膜包括至少一层纳米颗粒层和至少一层聚电解质层，所述纳米颗粒层和聚电解质层交替层叠，且所述纳米颗粒层和所述聚电解质层所带电荷相反，与所述导电基底直接接触的所述复合膜的第一层与导电基底所带电荷相反；所述纳米颗粒选自过渡金属元素的氧化物、杂多酸和同多酸中的一种或多种。
[0016] 按照本发明，只要使得所述纳米颗粒层和所述聚电解质层交替层叠，且所述纳米颗粒层和所述聚电解质层所带电荷相反，与所述导电基底直接接触的所述复合膜的第一层与导电基底所带电荷相反即可，因此本发明对所述纳米颗粒层和聚电解质层的层叠顺序、层叠层数及每层的厚度没有特别限定。所述复合膜的厚度可以为3-1000nm，优选为3-300nm。例如，在本发明中，每层纳米颗粒层的厚度可以为2-50nm，优选为2-10nm；每层聚电解质层的厚度可以为1-20nm，优选为1-5nm。所述纳米颗粒层和聚电解质层的层数分别均可以为1-500层，为了使所述电化学传感器对于多巴胺的检测灵敏度更高，选择性更好，优选，所述纳米颗粒层的层数为1-5层，所述聚电解质层的层数为1-5层。另外，优选所述复合膜的最外层带负电荷（即，可以为带负电荷的纳米颗粒层或者带负电荷的聚电解质层），由此可提高所述电化学传感器对多巴胺的选择性。
[0017] 按照本发明，根据过渡金属元素氧化物的种类及其性质的不同决定了形成的所述纳米颗粒可以为带正电荷的纳米颗粒或者为带负电荷的纳米颗粒。本发明中所述纳米颗粒优选为聚电解质包覆的纳米颗粒。
[0018] 所述过渡金属元素的氧化物可以是各种能够应用于电化学传感器的金属氧化物，优选选自氧化锌、二氧化
钛、二氧化铈、氧化钨、氧化
铁、氧化钴和氧化锰中的一种或多种，更优选为二氧化铈、二氧化钛、氧化铁中的一种或多种。所述杂多酸可以选自钨
磷酸、钨
硅酸和钼磷酸中的一种或多种，优选为钼磷酸；所述同多酸可以选自钼多酸、钨多酸、
钒多酸中的一种或多种，优选为钼多酸。在本发明中，过渡金属元素的氧化物能够
加速电子在电极表面的传递，特别地，氧化锌、二氧化钛、二氧化铈等氧化物材料对细胞无毒化作用，具有良好的
生物相容性、化学
稳定性和对大分子的
吸附能
力，是优异的电极修饰材料。
[0019] 所述聚电解质可以是各种能够应用于电化学传感器的聚电解质，优选为正离子聚电解质或负离子聚电解质。更优选情况下，所述正离子聚电解质选自
碳原子数为2-30的二胺、聚二甲基二烯丙基
氯化铵、聚烯丙胺和聚乙烯亚胺中的一种或多种，其中，聚二甲基二烯丙基氯化铵、聚烯丙胺和聚乙烯亚胺的重均分子量优选为2000-200000；其中，碳原子数为2-30的脂肪族二元胺优选选自乙二胺、丙二胺、己二胺、1,10-癸二胺和1,12二
氨基十六胺中的一种或多种。所述负离子聚电解质为聚丙烯酸和/或聚苯乙烯磺酸钠，所述负离子聚电解质的重均分子量优选为2000-200000；其中，所述聚丙烯酸的重均分子量更优选为100000-150000，所述聚苯乙烯磺酸钠的重均分子量更优选为50000-150000。
[0020] 本发明的发明点在于对电化学传感器的导电基底表面附着的复合膜的改进，因此，对所述电化学传感器的其他结构和部件没有特别限定，可以为本领域技术人员公知的设计。例如，所述电极可以为ITO导电玻璃、
石墨电极、金属电极或玻碳电极，所述导电基底相应地可以为ITO导电玻璃基底、石墨基底、金属基底或玻碳基底。
[0021] 所述导电基底可以带正电荷或负电荷。例如，所述导电基底可以通过在piranha溶液（H2O:NH3·H2O:H2O2=5:1:1体积比）中浸泡而带负电荷或者通过表面硅烷化而带正电荷。
[0022] 本发明还提供了所述电化学传感器的制备方法，该电化学传感器包括电极，所述电极包括导电基底，其中，所述制备方法包括：将能形成纳米颗粒层的悬浮液或溶液和聚电解质溶液交替与导电基底接触并干燥，使导电基底表面形成包括至少一层纳米颗粒层和至少一层聚电解质层的复合膜，且所述纳米颗粒层和聚电解质层交替层叠，与导电基底直接接触的所述复合膜的第一层为纳米颗粒层或聚电解质层；通过对所述纳米颗粒和聚电解质的种类的选择，使得所述复合膜中交替层叠的所述纳米颗粒层和所述聚电解质层所带电荷相反，并使得与所述导电基底直接接触的所述复合膜的第一层与导电基底所带电荷相反；所述纳米颗粒选自过渡金属元素的氧化物、杂多酸和同多酸中的一种或多种。
[0023] 在本发明提供的制备方法中，可以将所述能形成纳米颗粒层的固含量为-5 -51×10 -1mol/L的悬浮液或浓度为1×10 -1mol/L的溶液与所述导电基底接触并干燥，以形成厚度为2-50nm的纳米颗粒层，优选，接触时间为5-500分钟；可以将浓度为-5
1×10 -1mol/L的所述聚电解质溶液与所述导电基底接触并干燥，以形成厚度为1-20nm的聚电解质层，优选，接触时间为5-200分钟；交替进行上述过程，使所述导电基底表面形成包括交替层叠的纳米颗粒层和聚电解质层的复合膜，所述纳米颗粒层和聚电解质层的层数分别均可以为1-500层，优选，所述纳米颗粒层的层数为1-5层，所述聚电解质层的层数为
1-5层。优选，所述复合膜总厚度为3-1000nm，更优选为3-400nm。
[0024] 本发明提供的制备方法中，可以通过对所述纳米颗粒和聚电解质的种类的选择以及对纳米颗粒层和聚电解质层交替层叠的顺序控制，使得所述复合膜的最外层带负电荷。
[0025] 本发明中能形成纳米颗粒层的悬浮液或溶液的制备方法为本领域技术人员所公知，例如，可以采用
水热法、溶胶凝胶法、乳液法、电化学法、化学沉淀法、
热分解等方法制备。例如，采用钛酸四丁酯
水解法制备含有二氧化钛纳米颗粒的悬浮液。所述能形成纳米颗粒层的悬浮液可以为含有氧化锌、二氧化铈、氧化铁和氧化锰中的一种或多种的悬浮液。优选情况下，在本发明中，采用含有氧化锌、二氧化铈和氧化钛中的一种或多种的悬浮液。所述能形成纳米颗粒层的溶液可以为同多酸和/或杂多酸的水溶液，优选情况下，在本发明中，采用含有钨磷酸、钨
硅酸、钼磷酸、钼多酸、钨多酸和钒多酸中的一种或多种的水溶液，进一步优选，采用含有钼磷酸和/或钼多酸的水溶液。
[0026] 在制备能形成纳米颗粒层的悬浮液过程中加入聚电解质可以有效的调节纳米颗粒的大小，同时能够稳定的将氧化物纳米颗粒分散在溶液中防止其团聚。包覆在氧化物纳米颗粒表面的聚电解质还有助于所述电化学传感器的制备，并在后续电化学检测时有助于富集多巴胺而排斥抗坏血酸，进一步提高电化学传感器的选择性和灵敏度。因此，优选情况下，所述能形成纳米颗粒层的悬浮液优选为含有由聚电解质包覆的纳米颗粒的悬浮液，其-5制备方法包括：在常温（20-35℃）下，在搅拌下，将含有1×10 -1mol/L过渡金属元素的水-5
溶性盐和1×10 -1mol/L聚电解质的水溶液与
氨水混合，其中，所述混合搅拌的时间优选为5-30h；所述过渡金属元素的
水溶性盐可为选自锌、钛、铈、钨、铁、钴和锰中的一种或多种过渡金属元素的
硝酸盐、
硫酸盐、
盐酸盐和有机盐中的一种或多种，其中，所述过渡金属元素的有机盐可以选自钛酸四丁酯、乙酰丙
酮铈和
脂肪酸铁盐中的一种或多种；其中，所述脂肪酸铁盐可以选自环烷酸铁盐、
乙二胺四乙酸铁盐和
葡萄糖酸亚铁盐中的一种或多种。
[0027] 本发明提供的制备方法可以精细的调节所述复合膜的层数和纳米颗粒在导电基底表面的分布情况。为使所述纳米颗粒和聚电解质的附着效果更好，优选，所述能形成纳米颗粒层的悬浮液或溶液和/或聚电解质溶液与导电基底的接触在
电场或
磁场的存在下进行。从而促使聚电解质和/或纳米颗粒向导电基底附近运动，有效提高它们在导电基底附近的浓度，同时，聚电解质会沿着电场方向取向，使高分子链段变得更加伸展以利于它们之间的相互作用，从而有助于将氧化物纳米颗粒吸附在导电基底的表面。进一步优选，所述电-6场的电势差为0.4-1.6V；所述磁场的强度为1×10 T-1T。施加电场和磁场的方法可采用本领域技术人员公知的常规方法，例如，在溶液中，将导电基底作为
工作电极，将铂电极作为参比电极，在两电极之间施加一定的电势差。
[0028] 本发明提供的制备方法中，还可以包括在干燥之前，将与能形成纳米颗粒层的悬浮液或溶液或者聚电解质溶液接触后的导电基底进行水洗的步骤。优选情况下，将与能形成纳米颗粒层的悬浮液或溶液和/或聚电解质溶液接触后的导电基底用去离子水冲洗，以达到除去吸附不牢固的物质的目的。
[0029] 本发明提供的制备方法中，所述干燥的方法和条件为本领域技术人员所公知，例如，自然干燥、鼓
风干燥，优选情况下，在本发明中采用氮气流吹干的方式。
[0030] 以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
[0031] 另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0032] 此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
[0033] 以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
[0034] 下述实施例中，纳米颗粒或者经过包覆的纳米颗粒的粒径大小通过透射电镜观察测得；
[0035] 导电基底、聚电解质、纳米颗粒或者经过包覆的纳米颗粒所带电荷用malvern zeta电势仪表征；
[0036] 聚电解质层、纳米颗粒层或者经过包覆的纳米颗粒层的厚度用椭圆偏振仪和台阶仪表征。
[0037] 实施例1
[0038] 该实施例用于说明本发明提供的电化学传感器的制备。
[0039] 1.含有聚电解质包覆的纳米颗粒的悬浮液的制备
[0040] 将2.0gCe(NO3)3·6H2O溶于5.0mL去离子水中，溶解后与3mL
质量百分比浓度为68%的聚丙烯酸（重均分子量为100000）水溶液充分混合，在25℃下向上述混合溶液中加入
30.0mL质量百分比浓度为30%的氨水并持续搅拌反应24h，用30K Amicon cell（购自密理博，Amicon Ultra-0.5）分离除去大颗粒及杂质，得到固含量为0.01mol/L（以二氧化铈计）由聚丙烯酸包覆的二氧化铈纳米颗粒的悬浮液，结果见图1，制备的由聚丙烯酸包覆的二氧化铈纳米颗粒的粒径约为2nm，粒径分布较窄。
[0041] 2.电化学传感器的制备
[0042] 划取1.5×3cm2的ITO导电玻璃依次在
去污粉（主要成分NaHCO3）水溶液，丙酮，异丙醇，去离子水中超声10分钟进行清洗，然后，将其在piranha溶液中于80℃下浸泡30分钟，然后吹干待用。
[0043] （1）将经过处理的ITO导电玻璃作为工作电极，置于浓度为1mmol/L的聚二甲基二烯丙基氯化铵水溶液中，施加一相对于作为参比电极的铂电极为-1V的电场促进聚电解质在导电玻璃工作电极表面的附着，10分钟后用去离子水冲洗导电玻璃，然后用氮气流吹干。（2）然后将导电玻璃置于固含量为0.01mol/L（以二氧化铈计）聚丙烯酸包覆的二氧化铈纳米颗粒的悬浮液中，施加一相对于铂电极为+0.8V的电场，15分钟后用去离子水冲洗导电玻璃，然后用氮气流吹干。上述步骤（1）和（2）重复5次，结果见图2，可知随着复合膜包括的纳米颗粒层和聚电解质层的层数增加，吸光度依次增加。
[0044] 每层聚二甲基二烯丙基氯化铵层的厚度为3nm，每层聚丙烯酸包覆的二氧化铈纳米颗粒层厚度为8nm。
[0045] 实施例2
[0046] 该实施例用于说明本发明提供的电化学传感器的制备。
[0047] 1.电化学传感器的制备
[0048] 将ITO导电玻璃置于0.001mol/L的3-氨基丙基三乙氧基硅烷水溶液中浸泡12h，再用去离子水冲洗3次，得到3-氨基丙基三乙氧基硅烷修饰的导电基底。
[0049] （1）将该导电基底置于0.1mol/L的盐酸中使氨基质子化，然后置于5×10-3mol/L的钼磷酸水溶液中浸泡120分钟，再用去离子水冲洗，然后用氮气流吹干；（2）再将经步骤（1）处理后的导电基底置于0.006mol/L pH为4的1,10-癸二胺水溶液中30分钟，再用去离子水冲洗，然后用氮气流吹干。重复步骤（1）和（2）四十次。
[0050] 每层钼磷酸纳米颗粒层的厚度为5nm，每层1,10-癸二胺层厚度为2nm。
[0051] 实施例3
[0052] 该实施例用于说明本发明提供的电化学传感器的制备。
[0053] 1.能形成纳米颗粒层的悬浮液的制备
[0054] 将钛酸四丁酯在室温（25℃）下溶解于
乙醇中，形成浓度为0.2mol/L的含钛乙醇溶液；将分子量为2000的聚乙烯吡诺烷酮按重量比10％溶于去离子水中形成水解液，在25℃下，将该水解液滴加到含钛乙醇溶液中并持续搅拌24h，再用去离子水冲洗，得到固含量为0.01mol/L的二氧化钛纳米颗粒的悬浮液。
[0055] 2.电化学传感器的制备
[0056] （1）将3-氨基丙基三乙氧基硅烷修饰的ITO导电基底（制备方法同实施例2）置于-50.1mol/L的盐酸中使氨基质子化，然后置于浓度为1×10 mol/L，pH=7的聚丙烯酸（重均分子量为100000）水溶液中，10分钟后用去离子水冲洗导电玻璃，然后用氮气流吹干，（2）然后将导电基底置于固含量为0.01mol/L的二氧化钛纳米颗粒的悬浮液中，施加一相对于铂电极为-1V的电场，20分钟后用去离子水冲洗导电玻璃，然后用氮气流吹干。上述步骤（1）和（2）重复10次。
[0057] 每层聚丙烯酸层的厚度为5nm，每层二氧化钛纳米颗粒层厚度为20nm。
[0058] 性能测试
[0059] 1.采用循环
伏安法测定电化学传感器对多巴胺的选择性
[0060] 采用线性扫描
循环伏安法测定在pH为7.0的
磷酸盐缓冲溶液（PBS）中（所含抗坏血酸浓度为10mmol/L，多巴胺浓度为0.1mmol/L），在相对于多巴胺浓度为100倍的抗坏血酸存在下，分别测定由实施例1-3制得的电化学传感器对多巴胺的检测选择性。
[0061] 采用实施例1的电化学传感器的检测结果见图3，其中，b、d分别是导电基底（未附着复合膜）和修饰电极在空白溶液，即缓冲溶液中的循环伏安曲线，而a为修饰电极在多巴胺和主要干扰物抗坏血酸共存溶液中的循环伏安曲线，c为导电基底（未附着复合膜）在多巴胺和主要干扰物抗坏血酸共存溶液中的循环伏安曲线。
[0062] 采用实施例2的电化学传感器的检测结果见图5，其中，a为修饰电极在多巴胺和主要干扰物抗坏血酸共存溶液中的循环伏安曲线，b为导电基底（未附着复合膜）在多巴胺和主要干扰物抗坏血酸共存溶液中的循环伏安曲线。
[0063] 在图3和图5中，抗坏血酸氧化峰位于+0.25V，多巴胺的氧化峰位于+0.585V，二者相距约300mV，可见该电化学传感器对多巴胺呈良好响应，多巴胺的氧化峰与抗坏血酸氧化峰不相重叠，说明选择性较好。
[0064] 2.采用计时电流法测定电化学传感器对多巴胺的检测限
[0065] 采用计时电流法分别测定由实施例1-3制得的电化学传感器对多巴胺的检测限。
[0066] 以实施例1为例，采用实施例1的电化学传感器的检测结果如图4所示，随着多巴胺浓度增加，氧化峰也呈现依次增强，对nM级的多巴胺浓度该电化学传感器仍有较好的-8 -6 -8响应，检测限达到1×10 mol/L，接近体液中多巴胺浓度水平（10 -10 mol/L），线性范围为-8 -6
5×10 mol/L-1×10 mol/L。
[0067] 由上述实施例1-3和性能测试的结果可知本发明提供的电化学传感器能够在高浓度抗坏血酸存在下，对低浓度的多巴胺有选择性响应，并且灵敏度高，响应快速，可用于多巴胺的实时监测。
