比率型电化学传感器及其制备方法和应用

摘要

本发明公开了一种比率型电化学传感器及其制备方法和应用，包括将聚硫堇/玻碳电极于含有环糊精的缓冲溶液中进行电聚合的步骤。本发明将聚硫堇/玻碳电极于含有环糊精的缓冲溶液中进行电聚合，制备一种新的比率型电化学传感器进行吡虫啉检测，在检测过程中，聚硫堇起到内在参照元素的作用，提供内在的校正，同时，利用聚环糊精对吡虫啉良好的选择性和富集性，制备出具有较高的灵敏度的电化学传感器，同时该传感器具有抗干扰能力强、性能稳定、成本低、制备简单等优点。

权利要求

1.一种比率型电化学传感器的制备方法，其特征在于，包括将聚硫堇/玻碳电极于含有环糊精的缓冲溶液中进行电聚合的步骤；

其中，缓冲溶液中环糊精的浓度为40-60μmol/L。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，环糊精包括β-环糊精、α-环糊精和γ-环糊精中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其中，缓冲溶液的pH值为4-8；和/或，其中，缓冲溶液选自磷酸盐缓冲溶液、醋酸盐缓冲溶液、三羟甲基氨基甲烷盐酸盐缓冲溶液和碳酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液中的一种或多种。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其中，所述缓冲溶液为磷酸盐缓冲溶液；和/或，磷酸盐缓冲溶液的浓度为0.08-0.12mol/L。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其中，电聚合条件包括：聚合电位为(-2.0)V至(+

2.5)V；和/或，聚合圈数为4-10圈；和/或，聚合速率为50mV/s-150mV/s。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其中，聚硫堇/玻碳电极为通过将玻碳电极置于含有硫堇的缓冲溶液中进行电聚合制备得到。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其中，制备聚硫堇/玻碳电极的缓冲溶液中硫堇的浓度为3-8mmol/L；和/或，缓冲溶液的pH为4-6。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其中，制备聚硫堇/玻碳电极的电聚合条件包括：聚合电位为(-0.4)V至(+0.4)V；和/或，聚合圈数为25-40圈；和/或，聚合速率为50mV/s-

150mV/s。

9.一种比率型电化学传感器，其特征在于，通过权利要求1-8任一项所述的制备方法制备得到。

10.权利要求9所述的比率型电化学传感器在检测吡虫啉中的应用。

说明书

比率型电化学传感器及其制备方法和应用

技术领域

[0001] 本发明涉及电化学传感器，具体地，涉及比率型电化学传感器及其制备方法和应用。

背景技术

[0002] 特定分析物的定量测定在生命科学到环境监测的各种应用中至关重要。随着近年来对微量元素分析越来越多的关注，简单，经济高效，灵敏的传感器的发展越来越受到重视。电化学传感器可以将化学或生物信息转换为具有高灵敏度，良好选择性和快速反应的电信号，从而在生命，环境，食品，制药和工业监测领域得到广泛的应用。由于几乎所有的特殊物质都可以根据自身或电化学探针的当前信号来确定，电流传感器成为最广泛使用的电化学传感器之一。

[0003] 除了灵敏度和选择性外，准确度和可靠性也是制备的电化学传感器的重要特性。通常电化学传感器使用单个电流信号确定分析物。检测到的信号对固有或外在因素敏感，如分析物浓度，仪器效率和环境条件，特别是痕量检测，这可能导致不同检测电极上初始背景电流的差异。另一方面，难以确认观察到的信号变化是否是由于上述因素或分析物感测的变化引起的。

[0004] 为了克服这个限制，提出了比率型电化学传感器，即通过采用不同电位的两个电流信号的比率作为检测信号的比例测量。一个电流信号用作分析物的特定识别信号，而另一个用作具有恒定响应的参考信号。因此，这两个信号的比率可以为上述因素提供内置校正，并实现更准确可靠的分析。

[0005] 吡虫啉(1-(6-氯-3-吡啶基甲基)-N-硝基咪唑二茚-2-亚基胺，吡虫啉)是一种全身性接触和氯烟酸新烟碱类杀虫剂。由于吡虫啉毒性低，杀虫效果好，吡虫啉已广泛应用于农田。然而，吡虫啉的广泛使用导致其在水果和蔬菜中残留，对自然环境和人类健康造成潜在的危害。因此，有必要开发灵敏和快速测定吡虫啉的方法。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供一种比率型电化学传感器及其制备方法和应用，将聚硫堇/玻碳电极于含有环糊精的缓冲溶液中进行电聚合，制备一种新的比率型电化学传感器进行吡虫啉检测，在检测过程中，聚硫堇起到内在参照元素的作用，提供内在的校正，同时，利用聚环糊精对吡虫啉良好的选择性和富集性，制备具有较高的灵敏度的电化学传感器。

[0007] 为了实现上述目的，本发明提供了一种比率型电化学传感器的制备方法，包括将聚硫堇/玻碳电极于含有环糊精的缓冲溶液中进行电聚合的步骤。

[0008] 本发明还提供一种比率型电化学传感器，通过前文所述的制备方法制备得到。

[0009] 本发明还提供一种根据前文所述的比率型电化学传感器在检测吡虫啉中的应用。

[0010] 通过上述技术方案，本发明将聚硫堇/玻碳电极于含有环糊精的缓冲溶液中进行电聚合，制备一种新的比率型电化学传感器进行吡虫啉检测，在检测过程中，聚硫堇起到内在参照元素的作用，提供内在的校正，同时，利用聚环糊精对吡虫啉良好的选择性和富集性，制备出具有较高的灵敏度的电化学传感器，同时该传感器具有抗干扰能力强、性能稳定、成本低、制备简单等优点。

[0011] 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

[0012] 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：

[0013] 图1(A)是聚硫堇/玻碳电极的扫描电镜图；

[0014] 图1(B)是聚环糊精/聚硫堇/玻碳电极的扫描电镜图；

[0015] 图2(A)是检测例2中的循环伏安曲线图；

[0016] 图2(B)是检测例2中的交流阻抗图；

[0017] 图3(A)是检测例3中聚环糊精/聚硫堇/玻碳电极的差示脉冲曲线图；

[0018] 图3(B)是检测例3中聚环糊精/聚硫堇/玻碳电极的线性校准曲线图；

[0019] 图4(A)是检测例3中未修饰聚硫堇的电极的差示脉冲曲线图；

[0020] 图4(B)是检测例3中未修饰聚硫堇的电极的线性校准曲线图；

[0021] 图5是检测例4中聚环糊精/聚硫堇/玻碳电极的选择性试验；

[0022] 图6(A)是检测例7中同根电极测不同浓度的吡虫啉的响应信号图；

[0023] 图6(B)是检测例7中不同根电极测同一浓度吡虫啉的响应信号图。

具体实施方式

[0024] 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。

[0025] 在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

[0026] 为了实现上述目的，本发明提供了一种比率型电化学传感器的制备方法，包括将聚硫堇/玻碳电极于含有环糊精的缓冲溶液中进行电聚合的步骤。

[0027] 在上述技术方案中，聚硫堇/玻碳电极指的是聚硫堇修饰的玻碳电极。其中，聚硫堇/玻碳电极可通过多种方式制备，只要是聚硫堇修饰的玻碳电极，即可实现本发明。

[0028] 在上述技术方案中，比率型电化学传感器，是指通过采用不同电位的两个电流信号的比率作为检测信号的比例测量。一个电流信号用作分析物的特定识别信号，而另一个用作具有恒定响应的参考信号。因此，这两个信号的比率可以为上述因素提供内置校正，并实现更准确可靠的分析。

[0029] 通过上述技术方案，本发明将聚硫堇/玻碳电极于含有环糊精的缓冲溶液中进行电聚合，制备一种新的比率型电化学传感器进行吡虫啉检测，在检测过程中，聚硫堇起到内在参照元素的作用，提供内在的校正，同时，利用聚环糊精对吡虫啉良好的选择性和富集性，制备出具有较高的灵敏度的电化学传感器，同时该传感器具有抗干扰能力强、性能稳定、成本低、制备简单等优点。

[0030] 在上述技术方案中，环糊精可以在较宽范围内选择，为了制备出具有较高的灵敏度、抗干扰能力强和性能稳定的电化学传感器，优选地，环糊精包括β-环糊精、α-环糊精和γ-环糊精中的一种或多种。

[0031] 在上述技术方案中，缓冲溶液中环糊精的浓度可在较宽范围内选择，为了制备出具有较高的灵敏度、抗干扰能力强和性能稳定的电化学传感器，优选地，缓冲溶液中环糊精的浓度为40-60μmol/L。

[0032] 在上述技术方案中，缓冲溶液的pH值可在较宽范围选择，为了制备出具有较高的灵敏度、抗干扰能力强和性能稳定的电化学传感器，优选地，缓冲溶液的pH值为4-8。

[0033] 其中，缓冲溶液的种类可在较宽范围内选择，为了制备出具有较高的灵敏度、抗干扰能力强和性能稳定的电化学传感器，更进一步地，缓冲溶液选自磷酸盐缓冲溶液、醋酸盐缓冲溶液、三羟甲基氨基甲烷盐酸盐缓冲溶液和碳酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液中的一种或多种。

[0034] 在上述技术方案中，为了制备出具有较高的灵敏度、抗干扰能力强和性能稳定的电化学传感器，优选地，所述缓冲溶液为磷酸盐缓冲溶液

[0035] 在上述技术方案中，磷酸盐缓冲溶液的浓度可在较宽范围内选择，为了制备出具有较高的灵敏度、抗干扰能力强和性能稳定的电化学传感器，优选地，磷酸盐缓冲溶液的浓度为0.08-0.12mol/L。

[0036] 在上述技术方案中，电聚合条件可在较宽范围内选择，为了制备出具有较高的灵敏度、抗干扰能力强和性能稳定的电化学传感器，优选地，聚合电位为(-2.0)V至(+2.5)V。

[0037] 在上述技术方案中，电聚合的圈数可在较宽范围内选择，为了制备出具有较高的灵敏度、抗干扰能力强和性能稳定的电化学传感器，优选地，聚合圈数为4-10圈。

[0038] 在上述技术方案中，聚合速率可在较宽范围内选择，为了制备出具有较高的灵敏度、抗干扰能力强和性能稳定的电化学传感器，优选地，聚合速率为50mV/s-150mV/s。

[0039] 在上述技术方案中，聚硫堇/玻碳电极可通过多种方式制备得到，为了制备出具有较高的灵敏度、抗干扰能力强和性能稳定的电化学传感器，优选地，聚硫堇/玻碳电极为通过将玻碳电极置于含有硫堇的缓冲溶液中进行电聚合制备得到。

[0040] 在上述技术方案中，制备聚硫堇/玻碳电极的缓冲溶液中硫堇的浓度可在较宽范围内选择，为了制备出适合制备电化学传感器的聚硫堇/玻碳电极，对电化学传感器提供准确、灵敏的校正，优选地，制备聚硫堇/玻碳电极的缓冲溶液中硫堇的浓度为3-8mmol/L。

[0041] 在上述技术方案中，制备聚硫堇/玻碳电极的缓冲溶液的pH可在较宽范围内选择，为了制备出适合制备电化学传感器的聚硫堇/玻碳电极，对电化学传感器提供准确、灵敏的校正，优选地，缓冲溶液的pH为4-6。

[0042] 在上述技术方案中，制备聚硫堇/玻碳电极的电聚合条件可在较宽范围内选择，为了制备出适合制备电化学传感器的聚硫堇/玻碳电极，对电化学传感器提供准确、灵敏的校正，优选地，聚合电位为(-0.4)V至(+0.4)V。

[0043] 在上述技术方案中，制备聚硫堇/玻碳电极的电聚合中聚合圈数可在较宽范围内选择，为了制备出适合制备电化学传感器的聚硫堇/玻碳电极，对电化学传感器提供准确、灵敏的校正，优选地，聚合圈数为25-40圈。

[0044] 在上述技术方案中，制备聚硫堇/玻碳电极的电聚合中聚合速率可在较宽范围内选择，为了制备出适合制备电化学传感器的聚硫堇/玻碳电极，对电化学传感器提供准确、灵敏的校正，优选地，聚合速率为50mV/s-150mV/s。

[0045] 本发明还提供一种比率型电化学传感器，通过前文所述的制备方法制备得到。该比率型电化学传感器可对吡虫啉进行检测，在检测过程中，聚硫堇起到内在参照元素的作用，提供内在的校正，同时，利用聚环糊精对吡虫啉良好的选择性和富集性，本发明提供的电化学传感器具有较高的灵敏度，同时该传感器具有抗干扰能力强、性能稳定的优点。

[0046] 本发明还提供一种根据前文所述的比率型电化学传感器在检测吡虫啉中的应用。

[0047] 本发明提供的比率型电化学传感器可对吡虫啉进行检测，在检测过程中，聚硫堇起到内在参照元素的作用，提供内在的校正，同时，利用聚环糊精对吡虫啉良好的选择性和富集性，本发明提供的电化学传感器具有较高的灵敏度，同时该传感器具有抗干扰能力强、性能稳定的优点。

[0048] 以下将通过实施例对本发明进行详细描述。电化学工作站型号为CHI660E，购自上海辰华仪器公司；扫描电镜为SEM，Hitachi S-4800，10KV；PHS-3CT型酸度计购自上海大普仪器有限公司；KQ-50B超声分散仪购自昆山市超声仪器有限公司；FA2004B电子天平购自上海越平科学仪器有限公司；三电极体系包括玻碳电极(GCE，直径3mm)为工作电极，铂丝电极作为对电极，饱和甘汞电极为参比电极。

[0049] 硫堇(TH)，购自阿拉丁试剂有限公司；β-环糊精(β-环糊精)，购自山东滨州智源生物科技有限公司；吡虫啉(IMI)、噻虫啉(THI)、阿克泰(THIM)、氯化钾、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠购自上海凌峰化学试剂有限公司，实验用水为二次蒸馏水；其他为常规市售化学试剂。

[0050] 制备例1：聚硫堇/玻碳电极的制备

[0051] 将打磨好的玻碳电极浸入含5mmol/L硫堇的pH为5.0浓度为0.1mol/L的磷酸盐缓冲溶液中，在-0.4V-+0.4V的电位范围内循环伏安扫描30圈，扫描速度为100mV·s-1，即得到聚硫堇/玻碳电极。

[0052] 采用扫描电子显微镜对传感器的表面形貌进行表征。如图1(A)所示，电聚合硫堇后，可观察到玻碳电极表面覆盖一层均匀的片状膜，这表明聚硫堇已被修饰到玻碳电极表面。

[0053] 实施例1

[0054] 将制备例1中得到的聚硫堇/玻碳电极浸入含50μmol/Lβ-环糊精的pH＝6.0，浓度为0.1mol/L的磷酸盐缓冲溶液中，在(-2.0V)至(+2.5V)的电位范围内循环伏安扫描8圈，扫描速度为100mV·s-1，即得到聚环糊精/聚硫堇/玻碳电极。

[0055] 实施例2

[0056] 将制备例1中得到的聚硫堇/玻碳电极浸入含40μmol/Lα-环糊精的pH＝4.0，浓度为0.08mol/L的醋酸盐缓冲溶液中，在(-2.0V)至(+2.5V)的电位范围内循环伏安扫描4圈，扫描速度为50mV/s，即得到聚环糊精/聚硫堇/玻碳电极。

[0057] 实施例3

[0058] 将制备例1中得到的聚硫堇/玻碳电极浸入含60μmol/Lγ-环糊精的pH＝8.0，浓度为0.12mol/L的三羟甲基氨基甲烷盐酸盐缓冲溶液中，在(-2.0V)至(+2.5V)的电位范围内循环伏安扫描10圈，扫描速度为150mV/s，即得到聚环糊精/聚硫堇/玻碳电极。

[0059] 实施例4

[0060] 按照实施例1的方法制备聚环糊精/聚硫堇/玻碳电极，不同的是，聚硫堇/玻碳电极通过以下方法制备：将打磨好的玻碳电极浸入含3mmol/L硫堇的pH＝4.0，浓度为0.08mol/L的磷酸盐缓冲溶液中，在(-0.4)V至(+0.4)V的电位范围内循环伏安扫描25圈，扫描速度为50mV·s-1，即得到聚硫堇/玻碳电极。

[0061] 实施例5

[0062] 按照实施例1的方法制备聚环糊精/聚硫堇/玻碳电极，不同的是，聚硫堇/玻碳电极通过以下方法制备：将打磨好的玻碳电极浸入含8mmol/L硫堇的pH为6.0浓度为0.08mol/L的磷酸盐缓冲溶液中，在(-0.4)V至(+0.4)V的电位范围内循环伏安扫描40圈，扫描速度为150mV·s-1，即得到聚硫堇/玻碳电极。

[0063] 检测例1

[0064] 采用扫描电子显微镜对实施例1至实施例5中的聚硫堇/玻碳电极的表面形貌进行表征。实施例1中制得的聚硫堇/玻碳电极的表面形貌图如图1(B)所示，与图1(A)相比，聚环糊精/聚硫堇/玻碳电极的表面变得更加粗糙，说明聚环糊精/聚硫堇/玻碳电极的成功制备。同理，实施例2至实施例5中聚环糊精/聚硫堇/玻碳电极与实施例1中聚环糊精/聚硫堇/玻碳电极的电子显微镜扫描结果保持一致。

[0065] 检测例2：电化学表征

[0066] 记录裸玻碳电极，聚硫堇/玻碳电极，聚环糊精/玻碳电极，实施例1中制备的聚环糊精/聚硫堇/玻碳电极在含5.0×10-6mol/L吡虫啉的磷酸盐缓冲溶液中的电化学行为，如图2(A)所示，分别对应曲线a、b、c、d。在裸玻碳电极上(-1.0)V和0.3V处出现了吡虫啉的一对氧化还原峰，在玻碳电极上修饰聚硫堇后，在(-0.25)V和(-0.15)V处出现了聚硫堇的一对可逆氧化还原峰，对比c和a，修饰了聚环糊精的玻碳电极对吡虫啉的响应信号明显的高于裸玻碳电极，表明改性了的环糊精对吡虫啉显示出良好富集性。

[0067] 图2(B)为裸玻碳电极，聚硫堇/玻碳电极，聚环糊精/玻碳电极，聚环糊精/聚硫堇/玻碳电极的交流阻抗图，分别对应曲线a、b、c、d。

[0068] 如图2(B)与裸玻碳电极相比，聚硫堇/玻碳电极的电化学阻抗谱图半圆部分半径减小，直线部分斜率增大，表明修饰聚硫堇增大了电子从电解质溶液到达电极表面的传导速率。与c相比，聚环糊精/聚硫堇/玻碳电极电化学阻抗谱图半圆半径减小，斜率增大，表明成功的制备了聚环糊精/聚硫堇/玻碳电极。

[0069] 检测例3：线性检测

[0070] 采用差示脉冲循环伏安法记录实施例1中制备的聚环糊精/聚硫堇/玻碳电极在浓度为4.0×10-8mol/L，7.0×10-8mol/L，1.0×10-7mol/L，4.0×10-7mol/L，7.0×10-7mol/L，-6 -6 -6 -51.0×10 mol/L，4.0×10 mol/L，7.0×10 mol/L，1.0×10 mol/L的吡虫啉的差示脉冲曲线，分别对应图3(A)中的a、b、c、d、e、f、g、h、i，记录在上述浓度下吡虫啉与聚硫堇的峰电流比值。

[0071] 实验结果如图3(B)所示，随着吡虫啉浓度的逐渐增大，吡虫啉与聚硫堇在传感器-8 -5上的峰电流比值逐渐增加，在吡虫啉的浓度为4×10 mol/L-1×10 mol/L范围内，电流比值与吡虫啉浓度呈线性相关。线性回归方程为i吡虫啉/i聚硫堇＝0.04248+83417.06603c(mmol/L)(R2＝0.994)。检出限为1.7×10-8mol/L。之前报道检测吡虫啉的其他方法相比，该传感器对吡虫啉的检测性能较好。

[0072] 用相同的方法记录未修饰聚硫堇的传感器，记录差示脉冲曲线和电流比值，分别对应图4(A)和图4(B)，与修饰了聚硫堇的传感器相比，没有修饰聚硫堇的传感器其线性范围变窄(1.0×10-7mol/L-1.0×10-5mol/L)，线性方程为i(μA)＝9.72×10-72.02041c吡虫啉(μMOL/L)，检出限为6.8×10-8mol/L。

[0073] 检测例4：选择性

[0074] 将含5.0×10-6mol/L吡虫啉(IMI)溶液中分别加入等浓度的噻虫啉(THI)、阿克泰-4 2+ -4 2+ -4 2-(THIM)和5.0×10 mol/L的Mn 、5.0×10 mol/L的Ca 和5.0×10 mol/L的SO4 ，记录实施例1中制备的聚环糊精/聚硫堇/玻碳电极的选择性试验，实验结果如图5所示，噻虫啉、阿克泰、Mn2+、Ca2+、SO42-的加入对于吡虫啉的电流影响很小，可见这些干扰物的存在对目标检测物吡虫啉的电流信号影响不大。

[0075] 检测例5：实际样品分析

[0076] 本实验选取了黄瓜汁和苹果汁通过加标回收法用实施例1中制备的聚环糊精/聚硫堇/玻碳电极进行分析。结果如下表1所示，吡虫啉的回收率在92.2％-102％，相对标准偏差均小于5％，结果令人满意。

[0077] 回收率的计算方法

[0078] 将苹果汁和黄瓜汁当做配制吡虫啉溶液的底液，定量加入吡虫啉溶液，然后检测。将检测得到的电流信号代入到标准方程中，计算出理论浓度，理论浓度和所加入的实际浓度的比值即为回收率。

[0079] 表1

[0080]

[0081] 检测例6：重复性和稳定性

[0082] 取实施例1中制备的5根不同的聚环糊精/聚硫堇/玻碳电极检测同一浓度的吡虫啉，记录i吡虫啉/i聚硫堇的比值，其相对标准偏差为2.56％。表明该传感器重复性较好。

[0083] 取实施例1中制备的同一根聚环糊精/聚硫堇/玻碳电极在4℃的冰箱里恒温保存，15天后电流为初始电流的82.7％，表明该传感器的稳定性良好。

[0084] 检测例7

[0085] 使用实施例1中制备的同一根聚环糊精/聚硫堇/玻碳电极检测不同浓度的吡虫啉的响应信号，记录，并计算计算电流平均值和标准偏差，结果如图6A所示，由此可见，与聚环糊精修饰的玻碳电极相比，聚环糊精和聚硫堇修饰电极显示了更好的稳定性，验证了利用比率传感器更可靠的检测吡虫啉的设想。

[0086] 使用实施例1中制备的不同根聚环糊精/聚硫堇/玻碳电极检测同一浓度吡虫啉的响应信号，使用不同根电极测吡虫啉时，结果如图6(B)所示，由此可见，聚环糊精和聚硫堇修饰电极的稳定性比聚环糊精修饰电极好。

[0087] 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。

[0088] 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。

[0089] 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。