一种适用于脑内抗坏血酸检测的抗生物污染电极及其制备方法

本发明属于脑化学传感领域，具体涉及一种适用于脑内抗坏血酸检测的抗生物污染电极及其制备方法。

背景技术：

1、作为脑内重要的神经化学物质，抗坏血酸广泛参与神经递质合成、胶原蛋白合成、免疫调控以及氧化应激等关键生理环节，其浓度变化与脑的生理和病理过程密切相关。因此，对抗坏血酸的精准测量具有重大意义，有利于人类从分子水平揭示脑的化学本质。

2、具有高时空分辨的电化学方法是目前进行活体脑内抗坏血酸检测的主流方法之一。该方法主要利用碳纤维电极，结合控制电位型的电化学测量技术，在特定的电位下实现抗坏血酸的检测。但是，该方法的分析选择性受到限制，主要因为脑内共存的大量神经化学物质可能在一定的电位下发生电极反应，干扰抗坏血酸的检测。为实现分析选择性，目前的普遍策略是在碳纤维表面原位生长外加催化剂，或者利用表面物理化学技术将外加催化剂修饰在碳纤维电极表面，通过催化抗坏血酸的电化学氧化，实现分析选择性。然而，该策略面临外加催化活性层不稳定的问题。例如，表面生长法制备的催化剂会因为物质空间分布不均导致批次性能差异大；物理滴涂法修饰的催化活性层与碳纤维的界面吸附作用弱，易引发催化活性层的开裂和脱落；化学交联、电化学沉积法修饰的催化活性层的性能易受工艺参数影响而重现性不佳。

3、电化学检测脑内的抗坏血酸等神经化学分子所面临的另一个问题是电极的生物污染。电极植入脑组织后，蛋白质等生物大分子会在电极表面发生非特异性吸附，从而占据电极的活性位点，阻碍目标分子向电极表面的物质传递和电子转移，从而降低分析灵敏度，导致体内测量的电流值无法用体外的校准曲线进行准确定量。

4、因此，亟须解决电化学检测脑内抗坏血酸等生物活性物质所面临的上述两个技术问题：1.依赖不稳定的外加催化活性层实现分析选择性；2.电极的生物污染。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的之一在于针对当前技术领域存在的上述技术问题，提供一种用于脑内抗坏血酸检测的抗生物污染电极。该电极一方面无需外加催化活性层，自身即对抗坏血酸的电化学氧化具有稳定的催化能力，从而实现分析选择性，另一方面又凭借表面的水凝胶涂层而抵抗蛋白质等大分子的吸附所产生的生物污染。

2、本发明目的之二在于提供一种适于脑化学传感的电极制备方法。

3、本发明目的之三在于提供一种该电极的抗生物污染材料的制备及界面原位交联方法。

4、为实现上述目的，本发明采用下述技术方案。

5、1.一种适用于脑内抗坏血酸检测的抗生物污染电极，同时包括下述特征：

6、(1.1)所述电极的活性末端为石墨带；

7、(1.2)所述电极活性末端石墨带的侧面石墨片层膨胀为三维裂隙网络；

8、(1.3)所述电极活性末端的石墨带自身具有催化抗坏血酸电化学氧化的优异能力，无需负载或修饰外加催化活性层即可实现对抗坏血酸的高选择性检测；

9、(1.4)所述电极活性末端的石墨带表面结合有原位交联的三元水凝胶，聚乙烯亚胺–聚乙二醇–聚乙二醇二缩水甘油醚，凭借优异的亲水性实现电极的抗生物污染。

10、根据本发明的实施例，所述电极具有下列附加技术特征：

11、在一些实施例中，所述电极活性末端的石墨带暴露尺寸为：宽70-250 μm，厚25-100 μm，长50-550 μm。据此，可以获得足够的传感信号，也利于水凝胶牢固结合。所述电极的活性末端特指暴露出的石墨带，活性末端的尺寸为石墨带的暴露尺寸，活性末端的绝对尺寸与电极的性能相关。

12、在一些实施例中，所述电极侧面石墨的三维裂隙网络的裂隙宽度为1-12 μm。据此，可以保持电极对抗坏血酸的优异的电催化性能，也可以保障电极与水凝胶的牢固结合。

13、在一些实施例中，所述电极活性末端的侧面石墨的o/c原子比值为0.301-0.407。据此，可以保持电极对抗坏血酸的优异电催化性能。

14、在一些实施例中，所述电极活性末端的侧面石墨的拉曼光谱d/g带积分强度比值为1.18-1.60。据此，可以保持电极对抗坏血酸的优异电催化性能。

15、在一些实施例中，所述三元水凝胶的组分聚乙烯亚胺、聚乙二醇、聚乙二醇二缩水甘油醚的质量比为(1-2):(1-2):(1-2)。据此，可以保持水凝胶层对抗坏血酸的通透性。

16、在一些实施例中，所述电极活性末端表面的三元水凝胶的水接触角不大于10°。据此，可以保持水凝胶层的优异抗生物污染能力。

17、在一些实施例中，所述电极还包括导电连接件，所述导电连接件与活性末端电连接。所述导电连接件可以是导线、导电带、导电片或导电箔等本领域常用的导电连接形式，例如，铜丝、银丝、金丝、铜带或铝带。

18、在一些实施例中，所述电极还包括绝缘封装材料，所述绝缘封装材料包裹所述导电连接件及其与所述活性末端的电连接处。所述绝缘封装材料可以由绝缘胶、绝缘膜、绝缘涂层或绝缘外壳等本领域常用的形式构成，例如，环氧树脂、聚二甲基硅氧烷、丙烯酸树脂或玻璃毛细管。

19、进一步地，上述技术方案1所述电极由下述技术方案2制备。

20、2.一种适用于脑内抗坏血酸检测的抗生物污染电极的制备方法，包括如下步骤：

21、(2.1)选取厚度为25-100 μm的石墨纸作为电极材料，对其进行微切割得到宽70-250 μm的石墨带。

22、(2.2)将上述石墨带的一端与导电连接件进行导电连接并用绝缘材料封装导电连接件及其电连接处，对前端暴露的石墨带进行微切割使其暴露长度为150-550 μm。

23、(2.3)将步骤(2.2)所得电极依次置于异丙醇、乙醇和水中，在频率80 khz、功率80-160 w的条件下超声清洗30-180 s。

24、(2.4)对步骤(2.3)所得电极进行真空干燥，具体参数为温度45-55 ℃、真空度≤-0.09 mpa、时间30-60 min。

25、(2.5)将步骤(2.4)所得电极浸入0.1-2.0 mol/l的naoh溶液中，施加1-30 ma的恒电流，活化处理3-30 s。

26、(2.6)将步骤(2.5)所得电极置于水中清洗3次，进行步骤(2.4)所述真空干燥，制得电极的活性末端。

27、具体地，所述步骤(2.1)和(2.2)中，微切割采用不锈钢、碳钢或钨钢刀片，其刃口厚度≤3 μm，单侧刃口角度为15-25°。

28、具体地，所述步骤(2.5)在三电极体系中进行，以所得电极为工作电极，以铂电极为对电极，以银/氯化银电极为参比电极。

29、在一些实施例中，步骤(2.2)所述导电连接可以采用本领域常规方式实现，例如导电胶粘接、焊接、导电浆料印刷或压接等，只要能使所述导电连接件与所述活性末端形成稳定的电连接即可。

30、进一步地，上述三元水凝胶的制备及界面原位交联方法，包括如下步骤：

31、(2.7)将聚乙烯亚胺、聚乙二醇和聚乙二醇二缩水甘油醚按照质量比(1–2):(1–2):(1–2)溶于水中，得到三元水凝胶前驱体溶液。

32、(2.8)将步骤(2.6)所得电极的活性末端浸没于上述水凝胶前驱体溶液中，在40-55 ℃、1-30 r/min的条件下恒温振荡反应1-5 h，使水凝胶前驱体溶液吸附于基底材料并发生预交联而形成初步网络结构，得到复合材料。

33、(2.9)将步骤(2.8)所得复合材料置于25±2 ℃、50%-80% rh环境中，静置1-5 h，使交联反应持续进行，令水凝胶的交联网络不断完善，得到复合材料。

34、(2.10)对步骤(2.9)所得复合材料进行真空干燥，具体参数为温度45-55 ℃、真空度≤-0.09 mpa、时间6-24 h，最终完成三元水凝胶的完全交联及其与活性末端的牢固结合。

35、需要说明的是，本发明的主要改进在于电极的石墨带活性末端及其表面水凝胶层，前文所述电极的导电连接件、导电连接方式和绝缘封装材料均为本领域常规技术手段，本领域技术人员可根据实际应用场景进行常规选型，本发明对此不作特殊限定。

36、与现有技术相比，本发明至少具备下述有益效果：

37、1.本发明的技术路线简单，通过恒电流活化在石墨表面产生三维裂隙网络、含氧官能团和结构缺陷，赋予石墨自身对抗坏血酸优异的电催化活性，打破了现有技术使用外加催化活性层的局限。

38、2.本发明提供的石墨带电极及其制备方法，增加了脑化学传感领域可用的电极类型。

39、3.本发明提供的三元水凝胶的原位交联方法，可根据需要更换基底材料，在抗生物污染及相关技术领域具有应用前景。

40、4.本发明提供的电极及其制备方法，实现了抗坏血酸的分析选择性和抗生物污染的两种性能的结合，具有脑化学传感领域的科研及临床应用价值。

41、本发明的上述及其他有益效果，将结合下文附图说明和具体实施方式予以清晰体现。