基本信息
- 项目名称：
- 组合式超微三电极系统的研制及其应用
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 以微米级碳纤维为电极材料，通过电化学刻蚀技术制备纳米级碳纤维电极，同时制备微米级 Ag/AgCl 参比电极和铂丝辅助电极，组装在注射针头内，构建超微三电极系统。通过扫描电化学显微镜，电化学等技术表征纳米级碳纤维电极，并优化组合式超微三电极体系。最后通过化学修饰技术功能化纳米级碳纤维电极，应用于生物样品的在体检测研究。
- 详细介绍：
- 本文采用电化学刻蚀技术制备纳米级碳纤维超微电极，构建组合式超微三电极系统，并通过化学修饰的方法将其应用于生物样品的活体在线检测研究。以碳纤维（φ = 15 μm）为电极材料制作电极，在8.0 mmol/L NaOH溶液中在1.75 V电化学刻蚀获得纳米级尖端后，电沉积电泳漆，烘烤使电泳漆收缩，再经多次绝缘、烘烤获得纳米级导电电极尖端。通过扫描电化学显微镜表征，该碳纤维电极尖端直径为 300 nm。同时，利用直径 100 μm的Ag丝在HCl溶液中电解制备微米级Ag/AgCl参比电极，直径 20 μm 的Pt丝经绝缘、烘烤露出尖端制备微米级辅助电极。将该三电极组装进内径 0.5 mm 的针头内组成超微三电极系统。该系统在 0.2 mmol/L K3[Fe(CN)6]溶液中表现出灵敏稳定的循环伏安法响应，表现出较好的测定能力。进一步通过电化学活化，构建 Nafion/胆碱双层膜化学修饰超微碳纤维电极，应用于微体积的多巴胺和抗坏血酸混合样品的同时测定，体现出该组合式超微三电极在生物样品活体在线分析方面的潜力。
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撰写目的和基本思路
- 超微电极是电化学研究中新发展起来的一个领域。相比于常规电极，超微电极具有传质速率高、时间常数小、IR 降低、信噪比高、电流密度高等优良特性，已逐渐引起电化学家和电分析化学家的关注，并在纳米生物传感器，单细胞分析，微量、痕量检测，电化学动力学研究，电催化反应电极材料等众多领域显示出了巨大的潜在应用性。本文旨在研究组合式超微三电极系统的制备方法及探索其在生物活体在线检测的潜力。
科学性、先进性及独特之处
- 超微电极系统由于具有尺寸微小、灵敏度高等特点，不仅有利于活体在线，更具有常规电极无可比拟的优点，在生物医学领域有广泛的应用前景。 本文研究了纳米级碳纤维电极的制作技术，并结合微米级的参比电极和对电极，构建了组合式的超微三电极系统。该系统使用方便、测量稳定性较好，而且解决了以往超微电极的测定环境不一，信号偏离真实值的问题，为将电化学方法更好运用于生物活体在线测定提供技术支持。
应用价值和现实意义
- 超微电极系统在化学、生命科学等领域中受到极大重视，特别是对于生物活体在线检测，经过简单修饰后的组合式三电极可以做到在体、局部、即时测定多种生物体内微量的化学物质，如儿茶酚胺，抗坏血酸等，在病理学、药理学、生物学和检验检疫等方面有广泛的应用价值。
学术论文摘要
- 本文采用电化学刻蚀技术制备纳米级碳纤维超微电极，构建组合式超微三电极系统，并通过化学修饰的方法将其应用于生物样品的活体在线检测研究。以碳纤维（φ = 15 μm）为电极材料制作电极，在8.0 mmol/L NaOH溶液中在1.75 V电化学刻蚀获得纳米级尖端后，电沉积电泳漆，烘烤使电泳漆收缩，再经多次绝缘、烘烤获得纳米级导电电极尖端。通过扫描电化学显微镜表征，该碳纤维电极尖端直径为 300 nm。同时，利用直径 100 μm的Ag丝在HCl溶液中电解制备微米级Ag/AgCl参比电极，直径 20 μm 的Pt丝经绝缘、烘烤露出尖端制备微米级辅助电极。将该三电极组装进内径 0.5 mm 的针头内组成超微三电极系统。该系统在 0.2 mmol/L K3[Fe(CN)6]溶液中表现出灵敏稳定的循环伏安法响应，表现出较好的测定能力。进一步通过电化学活化，构建 Nafion/胆碱双层膜化学修饰超微碳纤维电极，应用于微体积的多巴胺和抗坏血酸混合样品的同时测定，体现出该组合式超微三电极在生物样品活体在线分析方面的潜力。
获奖情况
- 1.2010年“中山大学第十一届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛”一等奖 2.2010年“中山大学化学与化学工程学院第一届挑战杯大赛”二等奖 3 2011年广东省“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛”三等奖
鉴定结果
- 属实
参考文献
- 1. 朱加燮, 徐金瑞, 组合式微型三电极体系的制作及应用, 华侨大学学报(自然科学版), 2000, 21, 28-33. 2. 梁汉璞, 赵燕, 张亚利, 焦奎, 纳米微电极研究进展, 青岛大学学报, 2003, 16, 67-73. 3. 古宁宇, 董绍俊, 超微电极的新进展, 大学化学, 2001, 16, 26-31. 4. 杨丽菊, 彭图治, 蒙脱土修饰碳纤维电极的制备及其应用于活体测定脑神经递质, 高等学校化学学报, 2001, 2, 197-200. 5. 何立铭, 段开来, 张晨, 等, 微碳纤电极与细胞量子化分泌的记录方法, 生物物理学报, 2002, 2, 147-155. 6. 孙勤枢, 王宁, 王洪恩, 等, 针式碳纤维微型传感器的制作与单胺类神经递质分析, 济宁医学院学报, 2002, 1, 4-6. 7. 张春光, 徐建军, 陈宜张, 大鼠肾上腺髓质儿茶酚胺分泌的在体伏安法检测, 生理学报, 2000, 52(2), 155-158. 8. 李雷, 李照玉, 万敏, 等, 碳纤维超微盘电极的制备及对单囊泡胞吐动力学的高分辨研究, 分析科学学报, 2009, 4, 378-382. 10. Zhan GXJ, Zhan GWM, Zhou XY, et al., Fabrication, characterization, and potential application of carbon fiber cone nanometer-size electrodes, Anal. Chem., 1996, 68, 3338-3343. 11. Pavel T, Matthew KZ, Richard BK, Elizabeth SB, Gregory SM, Mark W, Characterization of local pH changes in brain using fast-scan cyclic voltammetry with carbon microelectrodes, Anal. Chem., 2010, 82, 892-900. 12. 王赪胤, 陈玉静, 王凤香, 等, 可控电化学沉积制备纳米碳纤维电极, 扬州大学学报(自然科学版), 2004, 7, 6-13.
同类课题研究水平概述
- 碳纤维电极的制备方法有多种，一般包括：火焰熔融法、离子刻蚀法、火焰刻蚀法等。离子刻蚀又称离子束刻蚀，是一种结合物理和化学反应的刻蚀方法。将基片置于阴极，利用辉光产生的离子的直进性和反应单向性对基片进行撞击，由生成物气化而实现刻蚀。该方法能够制备出较细的碳纤维电极，但反应条件苛刻，对设备要求高，通常需要在300 V左右的电压下进行，且对抗蚀剂的耐蚀性要求较高，不适于一般的制备反应。火焰熔融法是将碳纤维电极直接用酒精灯的外焰灼烧0.5 s后制成。虽然该制备方法快速，但是由于电极十分微小，肉眼难于分辨，且0.5 s的时间太短，不易控制，因此该法难以把握灼烧的程度，重现性不佳。 另外，目前的超微电极系统多数采用双电极系统，将工作电极置于测定部位，参比电极置于工作电极附近，或采用其它方法模拟环境电位。这些方法不仅无法保证两电极的测定环境的完全统一，而且在工作电极上难以准确施加电压，导致测定结果出现误差，严重影响对微量目标物质的测定，难于实现生物体系的在体检测。 本文采用电化学刻蚀方法制备碳纤维电极。通过对刻蚀溶液，刻蚀电压，刻蚀时间，绝缘过程等条件的控制，优化了制备的过程，保证该方法的重现性，采用电化学沉积进行绝缘，最大程度上减小了绝缘过程中碳纤维电极的半径的增大，得到理想的纳米级碳纤维尖端。相比于其他方法，如熔融玻璃绝缘法等，该方法具有操作简便、成本低廉、成功率高、重现性好等优点。为了使工作电极与系统中其它电极的测定环境一致，以及施加电压的准确性，本文进一步以该纳米级碳纤维电极为工作电极，微米级Ag/AgCl电极和Pt丝为参比和辅助电极，在细小的针管中实现了组合式超微三电极系统，在维持超微电极优势的基础上解决了上述问题，同时也消除了玻璃外壳易碎可能对生物体造成的潜在危险，为实现生物体系的无损在线检测奠定了基础。
