專利名稱：活體伏安分析的專用電極及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能夠滿足生理活性物質(zhì)活體伏安分析的專用電極及其制備方法。
背景技術(shù)：
近些年來，化學(xué)物質(zhì)在生理、病理過程中變化規(guī)律的研究己成為人們廣泛關(guān)注 的前沿問題，這主要是由于化學(xué)物質(zhì)活體實時變化的信息可以直接反映生理和病理 過程中的化學(xué)本質(zhì)。例如，腦內(nèi)葡萄糖和乳酸的變化可以直接反映腦內(nèi)能量代謝過 程；神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺在腦內(nèi)的存在水平及其變化規(guī)律與軀體運動及精神活動等重要 生理現(xiàn)象直接相關(guān)；腦內(nèi)抗壞血酸的存在水平與體內(nèi)自由基的氧化損傷和神經(jīng)肽的 合成緊密相關(guān)。因此，建立能夠適用于生物體內(nèi)化學(xué)物質(zhì)的活體實時的監(jiān)測方法具 有十分重要的生理和病理意義。
微電極活體伏安法由于所使用的電極具有微米或納米級尺寸和對于生物體損 傷較小的特點以及方法本身具有很高的時間和空間分辨率等優(yōu)點，特別適合于生理 活性物質(zhì)的活體實時監(jiān)測。目前，微型電化學(xué)傳感器基本上是利用碳纖維微電極、 碳糊微電極、金屬微電極以及某些修飾電極來建立和發(fā)展生理活性物質(zhì)的檢測方 法。雖然已經(jīng)建立的方法能夠滿足部分生理活性物質(zhì)的活體實時監(jiān)測，但是微電極 活體伏安分析方法的研究仍然存在很大的挑戰(zhàn)性，主要體現(xiàn)在能夠滿足活體伏安分 析目的的電極的制備、方法的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性等方面。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于生理活性物質(zhì)活體實時監(jiān)測用的專用電極及其 制備方法。
本發(fā)明所提供的專用電極按照包括以下步驟的方法制備
1) 制備表面覆蓋碳納米材料的碳纖維；
2) 用步驟l)的碳纖維制備碳纖維微電極；
3) 將步驟2)制備的碳纖維微電極浸入溶液中進(jìn)行超聲清洗；
4) 將步驟3)的碳纖維微電極進(jìn)行電化學(xué)預(yù)處理，即得到本發(fā)明所述的專用電極。
其中，所述步驟l)的表面覆蓋碳納米材料的碳纖維按照如下方法制備首先，將碳纖維和sicu在高溫下反應(yīng)，得到si02覆蓋的碳纖維，再通過鐵酞菁
的高溫裂解，在Si02覆蓋的碳纖維表面生長均勻穩(wěn)定的碳納米材料。(參考文獻(xiàn)
Swa〃2006, 2, 1052-1059和77zeJowma/o/尸/z"/ca/ C%em&^y 5 1999， 703, 4223-4227) 所述的表面覆蓋碳納米材料的碳纖維微電極可按照如下方法制備 將所述步驟1)所得到的碳纖維用導(dǎo)電膠黏附于導(dǎo)電的金屬絲上，并穿入已拉
制好的兩端開口的玻璃毛細(xì)管中，玻璃管前端露出一定長度的碳纖維。然后將玻璃
管前后兩端用絕緣膠封住，并將所制備的電極置于IO(TC下烘1 h，即可得到步驟 2)所述的表面覆蓋碳納米材料的碳纖維微電極。所述的導(dǎo)電的金屬絲具體可為銅絲 或鐵絲。
所述步驟3)中的超聲清洗依次在丙酮、乙醇、1.0 3.0MHNO3溶液、1.0-2.0 M KOH溶液和二次水中進(jìn)行。
所述步驟4)的電化學(xué)預(yù)處理可在酸性水溶液或堿性水溶液中進(jìn)行；所述酸性 水溶液具體可為0.5 M的硫酸溶液或0.5 M硝酸溶液；所述堿性水溶液具體可為0.5 ~1.0M的NaOH溶液、0.5~1.0M的KOH溶液或0.5 ~ 1.0 M Ba(OH)2溶液。
所述步驟4)中的電化學(xué)預(yù)處理可采用循環(huán)伏安法、電位階躍法或計時電流法。
所述步驟4)的電化學(xué)預(yù)處理的方法具體可按照下述a)或b)進(jìn)行
a) 將步驟3)的表面覆蓋碳納米材料的碳纖維微電極浸入0.5 M的硫酸溶液 或0.5M硝酸溶液中，先施加+2.0 V的電位極化30 50s，然后施加-1.0 V的 電位極化10 30s，再以0.05-0.2 Vs"的掃描速度在0.0-1.0V的電位范圍內(nèi)循 環(huán)掃描到獲得穩(wěn)定的循環(huán)伏安圖為止；
b) 將步驟3)的表面覆蓋碳納米材料的碳纖維微電極浸入1.0 M的NaOH溶 液、1.0M的KOH溶液或0.5 1.0MBa(OH)2溶液中，施加+1.0 1.5V的電位極 化50 ~ 180 So
利用本發(fā)明的專用電極，還可以制備出一種用于活體實時監(jiān)測生理活性物質(zhì)的 電化學(xué)檢測裝置，其中包括本發(fā)明用于生理活性物質(zhì)監(jiān)測的專用電極、參比電極 和輔助電極。
所述的專用電極和電化學(xué)檢測裝置可用于體外校正和活體實時監(jiān)測生理活性 物質(zhì)；所述體外校正的生理活性物質(zhì)為腎上腺素，所述活體實時監(jiān)測的生理活性物
質(zhì)為抗壞血酸。
碳納米材料由于具有獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)，在很多科學(xué)研究和工業(yè)領(lǐng)域引起人們的廣泛興趣。碳納米材料及其通過各種方法而得到的納米復(fù)合物在電分析化學(xué) 的研究中具有十分重要的應(yīng)用價值，基于碳納米材料及其納米復(fù)合物的電分析化學(xué) 研究正在成為人們廣泛關(guān)注的熱點。
本發(fā)明利用表面覆蓋了均勻穩(wěn)定碳納米材料的碳纖維制備微電極，通過對其進(jìn) 行簡便的預(yù)處理，即可得到對生理活性物質(zhì)具有良好的電化學(xué)催化作用以及滿足生 理活性物質(zhì)活體實時伏安分析的專用電極。該專用電極避免了碳納米材料在碳纖微 表面的人工修飾，因而具有易于重現(xiàn)的優(yōu)點。另外，該專用電極具有很高的選擇性、 較低的檢測限和較好的穩(wěn)定性，能夠滿足生理活性物質(zhì)的活體伏安分析。該發(fā)明所 述的專用電極在神經(jīng)生理學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)等研究中具有廣泛的應(yīng)用前景。


圖1為實施例3和實施例4的專用電極的示意圖；其中，l為銅絲，2為玻璃 毛細(xì)管，3為導(dǎo)電膠，4為實施例1的表面覆蓋碳納米材料的碳纖維。
圖2為實施例5的電化學(xué)檢測裝置對人工腦脊液中腎上腺素的伏安圖。 圖3為實施例6的電化學(xué)檢測裝置對大鼠腦中抗壞血酸的活體伏安圖。
具體實施例方式
實施例l、表面覆蓋碳納米材料的碳纖維的制備
碳纖維(T650-35,直徑為7〃m) (Fabric Development Inc.)。將碳纖維置入l 100 'C的高溫爐中，并將SiCU通入300 mL/min氬氣和40 mL/min氫氣的混合氣流20 min 注入含常壓氧氣的高溫爐中，通過利用SiCU與碳纖維的反應(yīng)，在碳纖微的表面生成 Si02的薄層。將所制得的碳纖維和O.l ~ 0.3 g鐵酞菁(FeC32N8H^)分別置于同一個石 英玻璃管中，在Ar/H2(體積比為l:l l:2，流速為20 ~40 cm3/min)的氣氛下，對于 碳纖微和鐵酞菁進(jìn)行不同的加熱處理。對于碳纖微的熱處理是在溫度為800 ~ 1100 C下加熱2 ~ 15 min，對于鐵酞菁的熱處理是在溫度為500 ~ 60(TC下加熱2 ~ 15 min。 隨后控制兩者的溫度均為800 ~ 1 IO(TC加熱20 ~ 30 min，即可得到表面覆蓋碳納米 材料的碳纖維。所用碳纖維的直徑對該發(fā)明所述的專用電極的電化學(xué)催化性能無明 顯影響。(參考文獻(xiàn)Sma〃 2006, 2, 1052-1059和77ze Jow"a/ 0/尸/i"/ra/ O em/^o; 5 1999， 703, 4223-4227)
實施例2、表面覆蓋碳納米材料的碳纖維微電極的制備用導(dǎo)電膠將1 ~ 2 cm的實施例1的表面覆蓋碳納米材料的碳纖維微黏附于5 ~ 10cm銅絲上，并將其穿入已拉制好的兩端開口的玻璃毛細(xì)管中(內(nèi)徑為1.5 mm， 長度為10cm)，細(xì)端開口內(nèi)徑為30 50pm，這端露出的碳纖微的長度為1 mm左 右。玻璃管的粗端露出銅絲。玻璃管的兩端開口用絕緣膠封住后，所制備的電極置 于IO(TC下烘1 h，即得表面覆蓋碳納米材料的碳纖維微電極。
實施例3、用于生理活性物質(zhì)活體伏安分析專用電極的制備方法一
1) 將實施例2制備的表面覆蓋碳納米材料的碳纖維電極依次在丙酮、乙醇、 1.0~3.0MHNO3、 1.0 2.0MKOH溶液和二次水中超聲。超聲強(qiáng)度為20 W/cm2， 超聲頻率為50kHz，超聲作用的方式為每間隔15s超聲工作20s，超聲的時間為2 ~ 5 min;
2) 將步驟1)碳纖維電極在0.5M的硫酸溶液中進(jìn)行電化學(xué)活化，即首先在電 極上施加+2.0V的電位極化30 50s，然后施加-1.0V的電位極化10-30 s。所得 到的電極再經(jīng)過以0.05 ~ 0.2 Vs"的掃描速度在0.0-1.0 V的電位范圍內(nèi)的循環(huán)掃 描到，直至得到穩(wěn)定的循環(huán)伏安圖為止。所制備的用于生理活性物質(zhì)活體伏安分析 專用電極的示意圖如圖l所示。
實施例4、用于生理活性物質(zhì)活體伏安分析專用電極的制備方法二
1) 將實施例2制備的表面覆蓋碳納米材料的碳纖維電極依次在丙酮、乙醇、 1.0~3.0MHNO3、 1.0 2.0MKOH溶液和二次水中超聲。超聲強(qiáng)度為20 W/cm2， 超聲頻率為50kHz，超聲作用的方式為每間隔15s超聲工作20s，超聲的時間為2 5 min;
2) 將步驟l)碳纖維電極在0.5 1.0MNaOH溶液中進(jìn)行電化學(xué)活化，即在電 極上施加+1.0 ~+1.5 V的電位，極化50 ~ 180 s。所制備的用于生理活性物質(zhì)活體 伏安分析專用電極的示意圖如圖1所示。
實施例5、生理活性物質(zhì)的體外電化學(xué)檢測
生理活性物質(zhì)的體外電化學(xué)檢測裝置包括實施例3的專用電極為工作電極， 自制的Ag/AgCl(內(nèi)充液為人工腦脊液)為參比電極，鉑絲為輔助電極。參比電極的 制備見文獻(xiàn)J"fl/;^'ca/ C/ em!'^7 2007, 79, 6559-6565。將此三電極置入一定濃度的生 理活性物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)溶液中并與電化學(xué)工作站和數(shù)據(jù)采集裝置相連接，記錄生理活性 物質(zhì)的伏安圖。該電化學(xué)工作站和數(shù)據(jù)采集裝置可采用目前各種常用的設(shè)備，比如 電化學(xué)工作站BAS 100B/W和與之相連接的計算機(jī)系統(tǒng)。圖2為利用上述電化學(xué)檢測裝置對腎上腺素的體外伏安響應(yīng)圖。循環(huán)伏安的條 件為掃描范圍為-0.1 +0.3V(w.Ag/AgCl)，掃描速率為10mV/s，腎上腺素的濃 度為50pM。結(jié)果表明，所制備的專用電極在人工腦脊液中對于腎上腺素產(chǎn)生穩(wěn)態(tài) 的電流響應(yīng)，此電流響應(yīng)可以用于該物質(zhì)的體外測定和校正動物體內(nèi)腎上腺素的濃 度。
實施例6、大鼠腦內(nèi)抗壞血酸的活體伏安監(jiān)測
生理活性物質(zhì)的電化學(xué)檢測裝置包括實施例4的專用電極為工作電極，自制 的Ag/AgCl(內(nèi)充液為人工腦脊液)為參比電極，鉑絲為輔助電極。參比電極的制備 見文獻(xiàn)J"a/^/cfl/ 0 em& r;; 2007, 79， 6559-6565 。 將此三電極植入大鼠的腦組織中 并于電化學(xué)檢測裝置和數(shù)據(jù)采集裝置相連接。電化學(xué)工作檢測裝置站和數(shù)據(jù)采集裝 置可采用目前各種常用的設(shè)備，比如電化學(xué)工作站BAS 100B/W和與之相連接的計 算機(jī)系統(tǒng)。
圖3為利用上述檢測裝置對大鼠腦中抗壞血酸的活體伏安響應(yīng)圖。采用活體循 環(huán)伏安的條件為掃描范圍為-0.25 ~ +0.2 V (w. Ag/AgCl)，掃描速度為10 mV/s。 結(jié)果表明，本發(fā)明中所制備的專用電極對大鼠腦內(nèi)的抗壞血酸產(chǎn)生明顯的電流響 應(yīng)，據(jù)此可以實時監(jiān)測動物腦內(nèi)抗壞血酸的濃度。在大鼠腦內(nèi)中存在多種電化學(xué)活 性的物種，這些物種可能會在電極上產(chǎn)生電流信號，進(jìn)而干擾本方法的測定。本發(fā) 明所述的專用電極由于表面具有碳納米材料而實現(xiàn)了其對于抗壞血酸的優(yōu)良電催 化和選擇性測定。本發(fā)明中所制備的專用電極對于抗壞血酸的選擇性通過在腦內(nèi)微 灌注抗壞血酸氧化酶的實驗得到了進(jìn)一步的驗證。其中，腦內(nèi)微灌注抗壞血酸氧化 酶的實驗方法按照文獻(xiàn)C4"a(K/ca/0^m/WA72007， 79,6559-6565)中描述的方法進(jìn) 行。
權(quán)利要求
1、一種微電極的制備方法，包括以下步驟1)制備表面覆蓋碳納米材料的碳纖維；2)用步驟1)的碳纖維制備碳纖維微電極；3)將步驟2)制備的碳纖維微電極浸入溶液中進(jìn)行超聲清洗；4)將步驟3)的碳纖維微電極進(jìn)行電化學(xué)預(yù)處理，即得到所述的微電極。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟l)中的表面覆蓋碳納米材料的碳纖維按照如下方法制備:首先將碳纖維和SiCU在高溫下反應(yīng)，得到Si02覆蓋的碳纖維，再通過鐵酞菁的高溫裂解，在Si02覆蓋的碳纖維表面生長均勻穩(wěn)定的碳納米材料。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述步驟2)中的碳纖維微 電極按照如下方法制備:將所述步驟1)所得到的碳纖維用導(dǎo)電膠黏附于導(dǎo)電的金 屬絲上，并穿入己拉制好的兩端開口的玻璃毛細(xì)管中，然后將玻璃管前后兩端用絕 緣膠封住，并將所制備的電極置于10(TC下烘lh，即得到碳纖維微電極。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于所述超聲清洗依次在丙 酮、乙醇、1.0 3.0MHNCV溶液、1.0 2.0MKOH溶液和二次水中進(jìn)行。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一所述的方法，其特征在于所述步驟4)的電化學(xué) 預(yù)處理在酸性水溶液或堿性水溶液中進(jìn)行；所述酸性水溶液為0.5 M的硫酸溶液或 0.5 M硝酸溶液；所述堿性水溶液為0.5 ~ 1.0 M的NaOH溶液、0.5 ~1.0 M的KOH 溶液或0.5 ~ 1.0 M Ba(OH)2溶液。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一所述的方法，其特征在于所述步驟4)中的電化 學(xué)預(yù)處理可采用循環(huán)伏安法、電位階躍法或計時電流法；其中，電化學(xué)預(yù)處理的方法優(yōu)選按照下述a)或b)進(jìn)行a) 將所述步驟3)的表面覆蓋碳納米材料的碳纖維微電極浸入0.5 M的硫酸 溶液或0.5M硝酸溶液中，先施加+2.0 V的電位極化30 50s，然后施加-1.0 V 的電位極化10 30s，再以0.05 0.2Vs"的掃描速度在0.0-1.0V的電位范圍內(nèi) 循環(huán)掃描到獲得穩(wěn)定的循環(huán)伏安圖為止；b) 將所述步驟3)的表面覆蓋碳納米材料的碳纖維微電極浸入1.0M的NaOH 溶液、1.0M的KOH溶液或0.5 1.0MBa(OH)2溶液中，施力卩+1.0 1.5V的電位 極化50- 180 So
7、 按照權(quán)利要求1-6中任一所述的方法制備的微電極。
8、 一種電化學(xué)檢測裝置，其中包括權(quán)利要求7所述的微電極、參比電極和 輔助電極。
9、 權(quán)利要求7所述的微電極或權(quán)利要求8所述的電化學(xué)檢測裝置在體外校正 或活體實時監(jiān)測生理活性物質(zhì)中的應(yīng)用。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的應(yīng)用，其特征在于所述體外校正的生理活性物質(zhì) 為腎上腺素，所述活體實時監(jiān)測的生理活性物質(zhì)為抗壞血酸。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種活體伏安分析的專用電極及其制備方法。該專用電極的制備方法，包括以下步驟1)制備表面覆蓋碳納米材料的碳纖維；2)制備碳纖維微電極；3)將步驟2)制備的碳纖維電極浸入溶液中進(jìn)行超聲清洗；4)將步驟3)的碳纖維電極進(jìn)行電化學(xué)預(yù)處理，即得到所述的專用電極。同時，應(yīng)用本發(fā)明的專用電極制備了一種可用于體外校正或活體實時監(jiān)測生理活性物質(zhì)的電化學(xué)檢測裝置，其中包括本發(fā)明用于生理活性物質(zhì)監(jiān)測的專用電極、參比電極和輔助電極。以該發(fā)明的專用電極制備的電化學(xué)檢測裝置，能夠滿足生理活性物質(zhì)的活體伏安分析，在神經(jīng)生理學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)等研究中具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號G01N27/327GK101581690SQ20081011162
公開日2009年11月18日 申請日期2008年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月15日
發(fā)明者玲 向, 戴黎明, 毛蘭群 申請人:中國科學(xué)院化學(xué)研究所