一种复合电极及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于电化学生物传感器
技术领域
，具体涉及一种复合电极及其制备方法与应用。背景技术
随着社会发展、生活节奏加快，人们各方面的压力越来越大，加之移动互联网产品的快速发展，民众的睡眠问题越来越严重，并且向年轻化、广泛化方向发展。
神经递质和激素水平在很大程度上决定了睡眠质量的好坏，与睡眠相关的神经递质和激素主要有多巴胺、5-羟色胺和褪黑素。睡眠质量差，很可能是这三种激素的含量出现了异常，具体来说：
多巴胺(Dopamine)，化学式C8H11NO2，是一种儿茶酚类神经递质，可调控中枢神经系统的多种生理功能，多巴胺还具有兴奋作用，人体中多巴胺分泌过少，会出现疲乏、嗜睡、情绪低落等问题，多巴胺分泌过多会出现失眠、情绪易激动等症状。
5-羟色胺(5-hydroxytryptamine)，化学式C10H12N2O，又名血清素，是一种抑制性神经递质，体内缺乏5-羟色胺会引起睡眠不佳，入睡难、易醒、睡眠时间短等问题。
褪黑素(Melatonin)，化学式C13H16N2O2，又称为松果体素，是由脑松果体分泌的激素之一。褪黑素的分泌具有明显的昼夜节律，白天分泌受抑制，晚上分泌活跃。褪黑素可以改善睡眠，能缩短睡前觉醒时间和入睡时间，改善睡眠质量。
睡眠是不可或缺的生命需要，睡眠质量的好坏与人类健康密切相关，长期睡眠质量差会导致免疫力下降、引发多种疾病，对健康危害很大，因此，设计一种同时检测上述三种物质的方法很有必要。
检测激素的方法有很多，如高效液相色谱法、分光光度法、化学发光法、质谱法和近红外光谱法等，但这些方法普遍存在操作集成度低、仪器昂贵笨重、现场检测不便、检测经济成本高、检测时间/人力成本高等问题。相比其它检测方法，电化学分析方法灵敏度高、分析速度快，并且仪器设备简单，易于微型化和集成化，有助于实现现场检测和在线实时监测。
但是，多巴胺、5-羟色胺和褪黑素的氧化电位相近，在一般电极上很难区分，也就是说，通常电极不能同时检测多巴胺、5-羟色胺和褪黑素。
发明内容
本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种复合电极，通过导电基体、聚苯胺/石墨烯复合层和金-铂双金属纳米颗粒之间的协同作用，提升了上述复合电极的稳定性，以及对激素的检测灵敏度，还能够分离多巴胺、5-羟色胺和褪黑素的氧化峰，进而能够实现对多巴胺、5-羟色胺和褪黑素的单独检测，或同时检测。
本发明还提出一种上述复合电极的制备方法。
本发明还提出一种上述复合电极在检测激素中的应用。
本发明还提出一种包含上述复合电极的检测传感器。
本发明还提出一种包含上述检测传感器的检测系统。
根据本发明的一个方面，提出了一种复合电极，包括：
导电基体；
聚苯胺/石墨烯复合层；所述聚苯胺/石墨烯复合层包覆于所述导电基体表面；
金-铂双金属纳米颗粒；所述金-铂双金属纳米颗粒沉积于所述聚苯胺/石墨烯复合层表面。
根据本发明的一种优选(具体)的实施方式，至少具有以下有益效果：
(1)本发明采用的聚苯胺/石墨烯复合层中，石墨烯和聚苯胺均具有特殊的电学性能，修饰至导电基体表面后，一方面可增加复合电极的电导率，另一方面聚苯胺/石墨烯复合层本身可作为活性物质，提升复合电极对激素的检测灵敏度。
(2)本发明采用的金-铂双金属纳米颗粒中，金和铂分别具有催化活性，两者共沉积后，进一步提升了复合电极的催化活性；同时，相较于单金属形成的纳米颗粒，金-铂双金属纳米颗粒的抗毒性强(被污染、失效的几率小)，因此可实现多次循环使用，节约了成本。
(3)金-铂双金属纳米颗粒以纳米颗粒状存在于聚苯胺/石墨烯复合层表面，颗粒粒径小且未团聚，因此可增加复合电极的比表面积。
(4)复合电极对激素的检测灵敏度以及是否可分辨多种激素，与复合电极的电导率、比表面积和催化活性相关，其中电导率高，表明传质快，因此可分辨多种氧化电位接近的激素的氧化峰；比表面积大，则可发生催化反应的位点越多，因此电化学信号较强，有利于提升检测灵敏度；催化活性较强，表明催化速率较快，电极的相应速度快，同样可提升电化学信号强度，也有利于分辨多种激素的氧化峰；此外，催化还具有特异性，检测特定种类的激素需特定种类的催化剂；
综上，本发明中，复合电极的各部分相互支持，不仅可单独检测多巴胺、5-羟色胺和褪黑素中的任一种，还可同时检测、分辨上述三种激素。
在本发明的一些实施方式中，所述导电基体，材质为金、铜、镍和玻碳中的至少一种。
在本发明的一些优选的实施方式中，所述导电基体，材质为金。
在本发明的一些实施方式中，所述金-铂双金属纳米颗粒，指纳米颗粒中含有金和铂两种金属元素，上述两种金属元素的存在方式可以是合金，也可以是两种金属单质的混合物，还可以是上述两种存在形式的二次混合。
在本发明的一些实施方式中，所述金-铂双金属纳米颗粒，粒径在20nm～200nm之间。
在本发明的一些实施方式中，所述复合电极，电荷转移电阻≤2.26Ωcm2
在本发明的一些优选的实施方式中，所述复合电极，在以0.1M KCl为支撑电解质的2mM[Fe(CN)6]3-/4-溶液中，电荷转移电阻为2.26Ωcm2。
所述[Fe(CN)6]3-/4-溶液，是指在溶液中，会发生[Fe(CN)6]4-和[Fe(CN)6]3-之间的转化反应。
所述0.1M KCl为支撑电解质的2mM[Fe(CN)6]3-/4-溶液中，包含浓度为0.1M的KCl、2mM的K3[Fe(CN)6]和2mM的K4[Fe(CN)6]。
根据本发明的再一个方面，提出了一种复合电极的制备方法，包括以下步骤：
S1.采用电沉积法，在所述导电基体表面设置所述聚苯胺/石墨烯复合层；
S2.采用电沉积法，在步骤S1所得材料表面沉积所述金-铂双金属纳米颗粒，即得所述复合电极。
根据本发明的一种优选的实施方式的制备方法，至少具有以下有益效果：
本发明提供的制备方法，仅通过电化学沉积法即可得到复合电极，简单、易行、高效。
在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，所述电沉积法，沉积液中包括石墨烯和苯胺。
在本发明的一些优选的实施方式中，步骤S1中，所述电沉积法，沉积液中还包括酸。
在本发明的一些优选的实施方式中，步骤S1中，所述电沉积法，沉积液中还包括氯化氢(HCl)和硫酸(H2SO4)中的至少一种。
所述酸的作用是，在所述苯胺聚合过程中，提供掺杂质子，使其聚合生成半氧化态，进而提升所述聚苯胺的导电性能。
在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，所述电沉积法，沉积液的制备步骤包括：
D1.先将所述石墨烯粉末加入第一分散剂中，超声30min，形成均匀分散、浓度在0.5mg/mL～2mg/mL之间的石墨烯分散液；
D2.按照每100μL石墨烯分散液，加入5～50mL浓度为0.08M的HCl溶液的比例添加HCl溶液，超声3h，形成均匀的悬浮液；
D3.取10mL步骤D2所得悬浮液并加入50μL～100μL苯胺，超声30min，即得所述沉积液。
在本发明的一些实施方式中，步骤D1中，所述第一分散剂为去离子水、甲醇、无水乙醇、异丙醇、N-甲基甲酰胺和二甲基甲酰胺中的至少一种。
在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，所述电沉积法，是循环伏安法、恒电流和恒电位方法中的至少一种。
在本发明的一些优选的实施方式中，当步骤S1中，所述电沉积法采用所述循环伏安法时，扫描速度为25mV/s～100mV/s，扫描电位为-0.3V～0.7V，循环圈数为15～25圈。
在本发明的一些实施方式中，当步骤S1中，所述电沉积法采用所述循环伏安法时，所述循环伏安法，在三电极体系中进行，具体的，以所述导电基体为工作电极，商用Ag/AgCl为参比电极，铂片为对电极。
在本发明的一些优选的实施方式中，当步骤S1中，所述电沉积法采用所述恒电流法时，电压设置在-0.1～--0.8V之间，沉积时间在600～2400s之间。
在本发明的一些优选的实施方式中，当步骤S1中，所述电沉积法采用所述恒电位方法时，电流密度在-0.01～--0.1A/cm2之间，沉积时间在600～2400s之间。
采用循环伏安法沉积得到的膜比较薄，并且该方法得到的聚苯胺/石墨烯复合层与所述导电基体之间的附着力较强，也就是所得复合电极的机械强度较高。
在本发明的一些实施方式中，所述制备方法，还包括在步骤S1和步骤S2之间，清洗包覆有所述聚苯胺/石墨烯复合层的导电基体，并烘干；具体的，先将包覆有所述聚苯胺/石墨烯复合层的导电基体以去离子水清洗，之后放置于40℃～60℃烘箱中烘10h。
在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述电沉积法，沉积液中包括氯金酸和氯铂酸。
在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述电沉积法，沉积液中还包括盐，所述盐为氯化钾(KCl)、氯化钠(NaCl)和硫酸钠(Na2SO4)中的至少一种。
步骤S2中，沉积液中，盐的作用是增强所述沉积液的导电性。
在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述电沉积法，沉积液的制备步骤包括：向0.1M～0.5M的KCl溶液中加入0.5mM～2mM的氯金酸溶液和0.5mM～2mM的氯铂酸溶液，搅拌均匀；所述KCl溶液、氯金酸溶液和氯铂酸溶液的体积比为(50～200):1:1。
在本发明的一些实施方式中，步骤S2中，所述电沉积法，为恒电流法、恒电位法和循环伏安法中的至少一种。
在本发明的一些优选的实施方式中，步骤S2中，当所述电沉积法采用所述恒电流法时，沉积电位为-0.2V～-0.5V，沉积时间为180s～360s。
在本发明的一些优选的实施方式中，步骤S2中，当所述电沉积法采用所述恒电位法时，电流密度为-0.02～0.1mA/cm2。
在本发明的一些优选的实施方式中，步骤S2中，当所述电沉积法采用所述循环伏安法时，扫描电位为0.2～-0.4V，扫描速度为25～100mV/s，圈数为3～10圈。
在本发明的一些实施方式中，所述计时电流法，在三电极体系中进行，具体而言，以步骤S1所得包覆有所述聚苯胺/石墨烯复合层的导电基体为工作电极，商用Ag/AgCl为参比电极，铂片为对电极。
在本发明的一些实施方式中，所述制备方法，还包括在沉积所述金-铂双金属纳米颗粒后，以水清洗所述复合电极。
根据本发明的再一个方面，提出了所述复合电极在检测激素中的应用。
根据本发明的一种优选的实施方式的应用，至少具有以下有益效果：
以本发明提供的复合电极检测激素，方法易于操作：特殊的电极结构，可以在复杂环境下实现采样现场的即时检测，无需实验室检测时的复杂处理程序，大大提高了检测效率。
在本发明的一些实施方式中，所述激素为多巴胺、5-羟色胺和褪黑素中的至少一种。
在本发明的一些实施方式中，所述复合电极在检测激素中的应用，包括将所述复合电极制备成检测激素(一种或多种)用的便携式检测传感器件。
一种包括所述复合电极的检测传感器。
在本发明的一些实施方式中，所述检测传感器为便携式检测传感器。
一种包括所述检测传感器的检测系统。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
图1为本发明实施例1所得复合电极的扫描电镜图；
图2为本发明实施例1所得复合电极对多巴胺的差分脉冲伏安曲线图；
图3为本发明实施例1所得复合电极对5-羟色胺的差分脉冲伏安曲线图；
图4为本发明实施例1所得复合电极对褪黑素的差分脉冲伏安曲线图；
图5为本发明实施例1所得复合电极同时检测多巴胺、5-羟色胺和褪黑素的差分脉冲伏安曲线；
图6为本发明实施例1和对比例所得复合电极同时检测多巴胺、5-羟色胺和褪黑素的差分脉冲伏安曲线；
图7为金和本发明实施例1所得复合电极的交流阻抗图谱。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例制备了一种复合电极，具体过程为：
S1.以聚苯胺/石墨烯复合层修饰导电基体：
S1a.制备第一沉积液：先将石墨烯粉末加入甲醇溶液中，超声30min，形成均匀分散、浓度为1mg/mL的石墨烯分散液；
按每100μL石墨烯分散液，加入10mL浓度为HCl溶液(0.08M)的比例添加HCl溶液，超声3h，形成均匀的悬浮液；
再取10mL上述悬浮液并加入70μL苯胺(分析纯的液体苯胺)，超声30min，得第一沉积液；
S1b.沉积聚苯胺/石墨烯复合层：采用三电极体系，以平面金(导电基体)为工作电极，商用Ag/AgCl为参比电极，铂片为对电极，在第一沉积液中，通过循环伏安法，在扫描速度为50mV/s，扫描电位为-0.3V～0.7V，循环15圈，将获得的中间电极，用去离子水洗净后放入60℃烘箱中烘10h，得聚苯胺/石墨烯复合层修饰的导电基体；
S2.金-铂双金属纳米颗粒修饰步骤S1所得电极：
S2a.配置第二沉积液：在0.1M的KCl溶液中加入1mM的氯金酸溶液和1mM的氯铂酸溶液，搅拌均匀，得第二沉积液；KCl溶液、氯金酸溶液和氯铂酸溶液的体积比为100:1:1；
S2b.沉积金-铂双金属纳米颗粒：采用三电极体系，将S1中制得的电极作为工作电极，商用Ag/AgCl为参比电极，铂片为对电极，通过计时电流法，在第二沉积液中，在步骤S1所得电极表面沉积金-铂双金属纳米颗粒；沉积电位为-0.2V，沉积时间为240s，电沉积完毕后用去离子水冲洗干净得到复合电极。
实施例2
本实施例制备了一种复合电极，具体与实施例1的区别为：
(1)步骤S1b中，循环20圈。
实施例3
本实施例制备了一种复合电极，具体与实施例1的区别为：
(1)步骤S2b中，沉积电位为-0.3V，沉积时间为180s。
实施例4
本实施例制备了一种复合电极，具体与实施例4的区别为：
(1)步骤S1a中，石墨烯分散液的浓度为2mg/mL；
(2)步骤S2a中，氯金酸和氯铂酸的浓度均为0.5mM。
对比例1
本对比例制备了一种复合电极，与实施例1的区别在于：
(1)不包括步骤S2，即直接以步骤S1所得产物为复合电极。
对比例2
本对比例制备了一种复合电极，与实施例1的区别在于：
(1)步骤S2a中，不添加氯铂酸。
对比例3
本对比例制备了一种复合电极，与实施例1的区别在于：
(1)步骤S2a中，不添加氯金酸。
对比例4
本对比例制备了一种复合电极，与实施例1的区别在于：
(1)步骤S1a中，不包括苯胺溶液，即直接以超声3h后形成的悬浮液为第一沉积液。
试验例
本试验例测试了实施例和对比例制备的复合电极的性能。
本试验例的第一方面，测试了实施例1所得复合电极的形貌性能，测试方法为扫描电镜，测试结果如图1所示。
图1结果说明，实施例1所得复合电极表面，金-铂双金属纳米颗粒在复合电极上分布均匀，没有出现团聚现象；实施例2～4所得复合电极的形貌与实施例1所得复合电极的形貌相似。
本试验例的第二方面，检测了实施例1所得复合电极对单独种类的多巴胺、5-羟色胺或褪黑素的响应性能，测试方法为差分脉冲伏安法，具体为以实施例1所得复合电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，Pt片为对电极，在0.1M的磷酸缓冲溶液(pH为7.0)中，分别添加适当浓度的多巴胺、5-羟色胺或褪黑素溶液，选用差分脉冲伏安法进行扫描，测定其峰电流的变化曲线。
图2为本发明实施例1所得复合电极分别检测浓度为1μM、3μM、5μM、7μM、10μM、15μM、20μM、30μM、50μM、70μM、100μM、150μM、200μM和300μM多巴胺溶液的差分脉冲伏安曲线；
图3为本发明实施例1所得复合电极分别检测浓度为1μM、5μM、15μM、50μM、70μM、100μM、200μM和300μM 5-羟色胺溶液的差分脉冲伏安曲线；
图4为本发明实施例1所得复合电极分别检测浓度为1μM、5μM、15μM、30μM、50μM、70μM、100μM、150μM、200μM和300μM褪黑素溶液的差分脉冲伏安曲线；图2～4，的差分脉冲伏安曲线中横坐标E表示电压，单位为伏特(V)，数值以Ag/AgCl为基准；纵坐标j为电流密度。
从图2～4可看出，随着多巴胺(DA)、5-羟色胺(5-HT)和褪黑素(MEL)浓度逐渐增加，峰电流密度逐渐增大，说明本发明制备复合电极对微量多巴胺、5-羟色胺和褪黑素具有优异的响应特性。实施例2～4所得复合电极的性能与实施例所得复合电极的性能相当。
本试验例的第三方面，检测了实施例1所得复合电极对共同测试多巴胺、5-羟色胺和褪黑素的响应性能，共进行了7次梯度检测，待检测溶液中，三种激素的含量如表1中所示，具体方法与本试验例第二方面的差异为：在0.1M的磷酸缓冲溶液(pH为7.0)中，同时包含多巴胺、5-羟色胺和褪黑素，其中多巴胺、5-羟色胺和褪黑素的具体浓度如表1所示。
表1图5中，多巴胺、5-羟色胺和褪黑素的具体浓度
测试编号
1号测试
2号测试
3号测试
4号测试
5号测试
6号测试
7号测试
多巴胺
1μM
3μM
5μM
7μM
15μM
50μM
100μM
5-羟色胺
1μM
3μM
5μM
7μM
15μM
50μM
100μM
5-羟色胺
1μM
3μM
5μM
7μM
15μM
50μM
100μM
测试结果如图5所示，其中横坐标E表示电压，单位为伏特(V)，数值以Ag/AgCl为基准；纵坐标j为电流密度。从图中可以看出：
随着多巴胺、5-羟色胺和褪黑素浓度的增高，差分脉冲曲线的峰位也逐渐提升；
差分脉冲曲线出现了三个明显不同的氧化峰，分别对应多巴胺(DA)、5-羟色胺(5-HT)和褪黑素(MEL)的氧化峰，表示这三种激素在实施例1所得的复合电极上均具有很好的电化学响应性；
并且多巴胺、5-羟色胺和褪黑素的氧化峰电位不同，彼此对测定没有干扰，说明本发明制备的复合电极可以同时检测多巴胺、5-羟色胺和褪黑素；实施例2～4所得复合电极的性能与实施例所得复合电极的性能相当。
综上，本发明建立了同时测定多巴胺、5-羟色胺和褪黑素的电化学新方法。
本试验例的第四方面，测试了实施例1和对比例所得复合电极在检测多巴胺、5-羟色胺和褪黑素这三种激素的效果，测试方法与本试验例第三方面的区别为，工作电极除采用实施例1所得复合电极外，还采用了对比例所得复合电极。
测试结果如图6所示，其中横坐标E表示电压，单位为伏特(V)，数值以Ag/AgCl为基准；纵坐标j为电流密度。图中显示，在检测多巴胺、5-羟色胺和褪黑素这三种激素的效果方面，实施例1所得复合电极对每种激素氧化峰的显示，以及响应强度优于所有对比例所得的复合电极；具体而言，若复合电极中不包括金-铂双金属纳米颗粒则所得复合电极对褪黑素无响应；若以单纯的金纳米颗粒或铂纳米颗粒替代金-铂双金属纳米颗粒，或复合电极中不包括聚苯胺，则所得复合电极虽对上述三种激素均有响应，但响应强度较低；说明本发明提供的复合电极，各部位发生了协同作用，共同提升了复合电极对上述三种激素的响应特性。
本试验例的第五方面，测试了实施例1所得复合电极，以及金的EIS(交流阻抗)图谱，结果如图7所示，其中横坐标为实部阻抗，纵坐标为虚部阻抗。
图7结果显示，金的电荷转移电阻约为15.94Ωcm2，实施例1所得复合电极的电荷转移电阻远低于金的电荷转移电阻，约为2.2Ωcm2。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
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