一种用于植入电化学生物传感器的参比电极的制备方法与流程

1.本发明涉及一种用于植入电化学生物传感器的参比电极的制备方法。


背景技术：

2.作为电化学生物传感器的核心部件之一，参比电极的性能直接影响着生物传感器的稳定性、灵敏度和使用寿命。
3.现有的植入式电化学生物传感器的参比电极都是银/氯化银电极，特别是，用在植入式持续葡萄糖监测系统的参比电极，例如美敦力的guardian、德康的dexcom g6和雅培糖尿病护理的freestyle libre和freestyle libre 2。
4.银/氯化银电极已经广泛应用在各种医疗器械上，例如心电图机的电极，人体的皮肤可以非常有效地阻止银离子进入体内，且银/氯化银电极与皮肤短暂的接触不会产生不良影响。但是，当用作植入式持续葡萄糖监测系统的参比电极时，皮肤的保护作用不复存在，在这种环境下，长时间与人体组织的直接接触（通常是7~14天），银离子可以直接进入体内。为了最大限度地降低或消除银离子进入体内的风险，所有的植入式电化学生物传感器均涂上了一层半透膜/生物相容性膜来阻断银/氯化银电极与人体组织的直接接触，同时尽可能地减少银离子的渗出。
5.针对银/氯化银电极的潜在毒性，特别是银离子的毒性，亟待开发一种低毒或无毒且可用于植入式电化学生物传感器的参比电极。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的不足，本发明在于提供一种用于植入电化学生物传感器的参比电极的制备方法，由该方法所制备的铁氰化钴电极具有优越的电化学性能，其可以用作植入式电化学生物传感器的参比电极。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种用于植入电化学生物传感器的参比电极的制备方法，包括如下步骤：a）、铁氰化物电极的制备：a1）、将基体电极在氯化金属盐和氯化钾的混合溶液中电解，得到电解基体电极；其中，所述氯化金属盐的浓度为0.1~2mmol/l，所述氯化钾的浓度为0.01~0.2mol/l，电解电压为-0.9~-1.5v；a2）、将步骤a1）中的所述电解基体电极移入含有铁氰化钾的醋酸钠缓冲溶液中，并以2~20mv/s的扫描速度从-0.8v扫描至0.5v；其中，所述铁氰化钾的浓度为0.5~10mmol/l；a3）、将步骤a2）中的经扫描后的电解基体电极进行干燥，进而得到铁氰化物电极前体；b）、铁氰化物电极的熟化：b1）、将制备的所述铁氰化物电极前体放入氯化钠溶液中，并在0~0.75v的电压之
间以2~20mv/s的速度进行循环扫描；b2）、将步骤b1）中的经扫描后的铁氰化物电极前体取出，经冲洗后进行干燥，进而得到铁氰化物电极。
8.作为优选，所述基体电极包括玻碳电极、印刷碳电极、金属电极或印刷金属电极。
9.作为优选，所述氯化金属盐包括氯化钴、氯化铜、氯化锌、氯化铁、氯化铬、氯化钛、氯化锰、氯化镍、氯化铝、氯化银、氯化锡或氯化铟。
10.作为优选，在步骤a1）中，所述氯化金属盐的浓度为0.5~1.2mmol/l，所述氯化钾的浓度为0.05~0.12mol/l。
11.作为优选，在步骤a1）中，电解电压为-1.0~-1.2v。
12.作为优选，在步骤a2）中，所述铁氰化钾的浓度为1~5mmol/l。
13.作为优选，在步骤a2）中，扫描速度为5~15mv/s。
14.作为优选，在步骤b1）中，所述氯化钠的浓度为0.05~0.5mol/l。
15.作为优选，在步骤b1）中，扫描速度为5~15mv/s。
16.作为优选，步骤a3）和步骤b2）的干燥环境相同，温度为22~30℃，相对湿度为45~90%，干燥时间为30~120min。
17.综上所述，本发明具有以下有益效果：1、本发明以铁氰化物作为植入式电化学生物传感器的参比电极材料，具有极其稳定的电极电位；2、本发明中的铁氰化物在其氧化还原反应过程中只释放或吸收碱金属离子，对人体无毒副作用。
附图说明
18.图1为铁氰化钴电极在1.0mol/l的氯化钠溶液中的循环伏安图，电位扫描速度：1、100mv/s，2、50mv/s，3、20mv/s，4、5mv/s；图2为铁氰化钴电极在25℃时的氧化还原电位与钠离子浓度的关系；图3为铁氰化钴电极的电位在pbs缓冲溶液中的稳定性；图4为带有铁氰化钴参比电极和带有银/氯化银参比电极的动态血糖仪的植入实验结果。
具体实施方式
19.为了寻找可以替代银/氯化银的参比电极材料，同时保有银/氯化银电极作为参比电极的一个最突出的特点-电极电位的高度稳定性。我们通过研究发现普鲁士蓝类物质（铁氰化物）特别适合作为植入式电化学生物传感器的参比电极材料。除了具有极其稳定的电极电位外，它不像银/氯化银电极那样在氧化还原反应过程中释放出银离子，铁氰化物（以铁氰化钴为例）在其氧化还原反应过程中只释放或吸收碱金属离子（m

），通常是钠离子或钾离子，其反应方程式如下：
基于此，本发明设计了一种用于植入电化学生物传感器的参比电极的制备方法，包括如下步骤：a）、铁氰化物电极的制备：a1）、将基体电极在氯化金属盐和氯化钾的混合溶液中电解10~60s，得到电解基体电极；其中，氯化金属盐的浓度为0.1~2mmol/l，氯化钾的浓度为0.01~0.2mol/l，电解电压为-0.9~-1.5v；基体电极包括玻碳电极、印刷碳电极、金属电极或印刷金属电极；a2）、将步骤a1）中的电解基体电极移入含有铁氰化钾的醋酸钠缓冲溶液中，并以2~20mv/s的扫描速度从-0.8v扫描至0.5v；其中，铁氰化钾的浓度为0.5~10mmol/l，醋酸钠的浓度为0.02~0.5mol/l，ph为4~5.5；a3）、将步骤a2）中的经扫描后的电解基体电极进行干燥，进而得到铁氰化物电极前体；其中，干燥温度为22~30℃，相对湿度为45~90%，干燥时间为30~120 min；b）、铁氰化物电极的熟化：b1）、将制备的铁氰化物电极前体放入氯化钠溶液中，并在0~0.75v的电压之间以2~20mv/s的速度循环扫描20~60min；其中，氯化钠的浓度为0.01~1mol/l；b2）、将步骤b1）中的经扫描后的铁氰化物电极前体取出，经冲洗后进行干燥，进而得到铁氰化物电极；其中，干燥温度为22~30℃，相对湿度为45~90%，干燥时间为30~120min。
20.在上述的技术方案中，氯化金属盐包括氯化钴、氯化铜、氯化锌、氯化铁、氯化铬、氯化钛、氯化锰、氯化镍、氯化铝、氯化银、氯化锡或氯化铟。
21.在优选的实施方式中，在步骤a1）中，氯化金属盐的浓度为0.5~1.2mmol/l，氯化钾的浓度为0.05~0.12mol/l；电解时间为20~40s，电解电压为-1.0 ~-1.2v。
22.在优选的实施方式中，在步骤a2）中，铁氰化钾的浓度为1~5mmol/l，醋酸钠的浓度为0.1~0.2mol/l；扫描速度为5~15mv/s。
23.在优选的实施方式中，在步骤b1）中，氯化钠的浓度为0.05~0.5mol/l；扫描速度为5~15mv/s。
24.具体实施例：实施例s1：（1）铁氰化钴电极的制备：将玻碳电极在1mmol/l的氯化钴和0.1mol/l的氯化钾中电解30s，电解电压为-1.2v，得到电解基体电极；用水冲洗电解基体电极，并将其移入含有铁氰化钾的0.1mol/l的醋酸钠缓冲溶液中，且铁氰化钾的浓度为5mmol/l，缓冲溶液的ph为4.5，然后以10mv/s的速度从-0.8v缓慢扫描至0.5v；若需要制备更厚的铁氰化钴电极，以上操作可反复2~8次；然后将经扫描后的电解基体电极在严格控制的环境中进行干燥，其中，干燥温度为25℃，相对湿度为65%，干燥时间为60min；（2）铁氰化钴电极的熟化：将制备的铁氰化钴电极前体放入0.1mmol/l的氯化钠溶液中，并在0~0.75v的电压之间以10mv/s的速度循环扫描 30min；然后，将经扫描后的铁氰化钴电极前体取出，用水冲洗后，在严格控制的环境中进行干燥，进而得到铁氰化钴电极；其中，干燥温度为25℃，相对湿度为65%，干燥时间为60min。
25.实施例s2~s5和对比例s6：工艺参数与s1相同，区别之处在于调整了氯化金属盐及其浓度，具体如下表1所示：
如图1所示，铁氰化钴电极在1.0mol/l的氯化钠溶液中呈现出性能优越的氧化还原特性，其循环伏安图表现出典型的表面电化学特征，且具有高度可逆性的氧化还原物质的所有特征，这就为它作为参比电极创造了条件。
26.另外，经研究发现，如图2所示，铁氰化钴的氧化还原电位（电极电位）是由钠离子的浓度（活度）决定的；在0.001~1mol/l之间，铁氰化钴的电极电位与钠离子的浓度呈现出如下典型的能斯特关系，如方程式1所示：在低电解质浓度下，室温为25℃时，方程式1可以简化为方程式2：这与铁氰化钴电极在25℃时的电极电位与钠离子的浓度的实验结果e=0.3885 0.0059log[na

]一致。
[0027]
植入式银/氯化银参比电极和植入式铁氰化钴的电极电位都是由体液（如组织液或血液）中的某种离子的浓度决定的。银/氯化银参比电极的电极电位是由氯离子决定的，而铁氰化钴的电极电位是由钠离子决定的。氯离子和钠离子在血液和组织液中的浓度基本保持不变，使得两者在用作植入式电化学生物传感器的参比电极时，能够提供一个比较稳定的参比电位。
[0028]
作为植入式参比电极，最重要的是，它能够在测试期间具有稳定的参比电位性能。为此，我们在pbs缓冲溶液中测试了铁氰化钴的电极电位的稳定性。如图3所示，在长达30天的连续测试中，铁氰化钴的电极电位的最大波动只有1.3%，完全满足作为植入式电化学生物传感器的参比电极的要求。
[0029]
在此基础上，我们将带有铁氰化钴参比电极的葡萄糖生物传感器和带有银/氯化
银参比电极的葡萄糖生物传感器应用于动态血糖仪中（葡萄糖生物传感器的制作参考中国专利cn113325058a，将它们植入同一个受体中，在连续20天的测试中，这两个葡萄糖生物传感器对葡萄糖监测的结果高度吻合，如图4所示。
[0030]
综上所述，铁氰化钴电极具有优越的电化学性能，可以把它用作植入式电化学生物传感器的参比电极。例如，当用作动态血糖仪的参比电极时，与以银/氯化银电极为参比电极的动态血糖仪相比较，两者的结果保持高度一致。
[0031]
需要说明的是，本技术所涉及到的扫描均为电位扫描。
[0032]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。