一种新型微量钾离子传感器的研究

郎璐婷，左月明*，荆小院，杨威

(1.山西农业大学 工学院，山西 太谷 030801； 2.山西农业大学 生命科学院，山西 太谷 030801)



一种新型微量钾离子传感器的研究

郎璐婷1，左月明1*，荆小院2，杨威1

(1.山西农业大学 工学院，山西 太谷 030801； 2.山西农业大学 生命科学院，山西 太谷 030801)

[目的]钾的精确测定是临床诊断和营养分析的关键，为了解决钾离子的定量检测问题，[方法]本文采用巯基乙胺修饰丝网印刷金电极表面并绑定4-氨基二苯并-18-冠-6的方法，研制出一种电流型传感器。在电压范围为-0.3～0.6 V，阶跃次数为1以及脉冲宽度为200 s时进行电流计时测定。[结果]结果表明，180 s后传感器电流稳定，而且该电流与1×10-5～1×10-4mol·L-1范围内的钾离子浓度呈良好的线性关系，显著性检验概率p值小于0.000 1，决定系数为0.998 1。[结论]通过电化学循环伏安法对传感器电极制作过程的表征研究表明，该方法不但可显著改善电极的可逆性及导电性，有利于提高传感器的灵敏度，而且有利于微型钾离子传感器的制作。

钾离子； 丝网印刷金电极； 4-氨基二苯并-18-冠-6； 电流计时法

钾离子在生物体中起着至关重要的作用。在活细胞中，适宜的钾浓度的维持是必要的，它影响着许多生理活动，如防止肌肉萎缩，影响酶的活化和细胞的凋亡、平衡pH值和调节血压等[1～4]。钾离子浓度的异常可能引起多种疾病，如爱迪生氏病、肾上腺疾病、心脏病、糖尿病、癌症和艾滋病等[5～7]。在植物体中，钾离子的多或少也会影响植物的新陈代谢以及对其他离子的吸收能力。所以钾离子含量也是诊断植物离子含量过程中的一个重要指标。可见钾的精确测定是临床诊断和营养分析的关键，本文所研究的新型传感器正是为了解决钾离子的定量检测问题。

到目前为止，离子色谱法、离子选择性电极法、火焰原子吸收光谱法、电化学分析法和表面等离子体共振法已用于钾的检测[8～12]。然而，这些传统的方法不但需要较多的被测液样，而且过程复杂、耗时。因此，研制实时、方便、经济且快速的钾离子检测方法成为研究关键。

本研究利用冠醚的空穴对离子具有很好选择性的化学原理，采用4-氨基二苯并-18-冠-6修饰金电极，考察了钾离子在该电极上的电化学行为。与其他检测方法相比，4-氨基二苯并-18-冠-6修饰丝网印刷金电极具有简便、灵敏度高、响应时间短、选择性好、稳定性好等优点，且该电极所需的被测样液较少，有利于电极的微型化制作。

1 试验过程

1.1 试验试剂及仪器设备

主要试剂：4-氨基二苯并-18-冠-6，购置于南京大唐医药科技有限公司；巯基乙胺、25%戊二醛，Sigma-Aldrich公司生产；KCl(氯化钾)、NaCl(氯化钠)、NaH2PO4(磷酸二氢钠)、Na2HPO4(磷酸氢二钠)、K3[Fe(CN)6](铁氰化钾)、K4[Fe(CN)6](亚铁氰化钾)、C2H5OH(乙醇)，上海阿拉丁试剂有限公司生产；4-氨基二苯并-18-冠-6，南京大唐医药科技有限公司生产。试验中所用到的各种类化学试剂均为分析纯(AR级)，并用高压灭菌后的超纯水配制所有溶液。

主要仪器设备：DS250BT型丝网印刷电极，西班牙DropSens公司生产；CHI760C电化学工作站，上海辰华仪器有限公司生产；GSP-9270MBE型隔水式恒温培养箱，上海博讯实业有限公司医疗设备厂生产；BSA124S型电子分析天平，德国Sartorius公司生产；NW30VM型超纯水机，力康生物医疗科技控股有限公司生产；PB-10型pH酸度计，德国Sartorius公司生产。

1.2 传感器电极

试验使用的DS250BT型丝网印刷电极，为三电极体系，形状结构如图1所示。该电极由金工作电极、银参比电极以及铂对电极构成，可作为一次性使用电极，结构简单、制作容易且易于批量生产。但有文献报道[13]，经过适当处理的电极，也可多次重复使用。

图1 金电极结构图Fig.1 Structure of Gold electrode

1.3 电极预处理

金电极表面可能存在氧化物及其他干扰试验的污染物，故需对金电极进行表面预处理。首先用超纯水冲洗2次，然后将金电极平放并连接于电化学工作站，吸取150 μL 0.5mol/L的硫酸溶液均匀滴加在金电极表面。采用循环伏安法(Cyclic voltammetry)扫描(电压参数设置为-0.3～0.6 V)，直至稳定的循环伏安图出现。[Fe(CN)6]3-/4-溶液为测试过程中使用的支持电解液，全部测试在室温下进行。([Fe(CN)6]3-/4-溶液由4 mmol/L K4[Fe(CN)6] 、4 mmol·L-1K3[Fe(CN)6] 、0.4 mmol·L-1KCl、10 mmol·L-1PBS溶液配制而成)。

1.4 电极的制备

吸取50 μL 10 mmol·L-1巯基乙胺乙醇溶液均匀地滴加于丝网印刷金电极表面，在密闭潮湿的培养皿中静置2 h取出，以防电极表面有未结合的巯基乙胺，若有则需用乙醇和超纯水仔细清洗2次[14]。然后取2.5%戊二醛溶液滴加于修饰巯基乙胺之后的金电极表面，静置于37 ℃恒温湿盒中1 h，取出后用PBS和超纯水各清洗2次[15]。最后吸取50 μL 10 mmol·L-1有机冠醚(4-氨基二苯并-18-冠-6)溶液，滴加于金电极表面，静置于37 ℃恒温湿盒中1 h，之后将电极置于4 ℃冰箱中保存备用。

1.5 测试方法

本研究通过多次测试与比较，为了考察不同浓度的钾离子溶液在金电极表面的电化学特性，选用电流计时法，同时建立金电极经过180 s络合之后电流的变化值(与未滴加钾离子溶液时的电流值相比较)与待测溶液钾离子浓度之间的关系模型，从而实现钾离子浓度的测量。电流计时法的电压设置为-0.3～0.6 V，阶跃次数为1次，脉冲宽度为200 s，采样速度为1 mV·s-1。

另外，本试验共使用3片金电极进行了3次重复，并采用了同一片电极依次叠加测试不同钾离子浓度溶液的方法，即将所测的钾离子溶液由低到高浓度依次叠加在电极表面，每一次新的叠加都要将上一次滴加的溶液清洗，并用电流计时法测量。这样叠加就等同于金电极表面络合的钾离子量依次增长。此方法可以减少重新修饰金电极带来的误差，因为在不同时间与条件下修饰电极，化学键反应结合的数量可能不同。

2 试验结果分析与讨论

2.1 电极活化前后对比表征

在电极预处理过程中，金电极的活化特性由循环伏安曲线(如图2所示)的还原峰电流值(Ipc)、氧化峰电流值(Ipa)、氧化峰和还原峰电位的差值(△Ep)及氧化峰与还原峰电流比值的绝对值(|Ipa/Ipc|)来表征。

图2 电极活化前后循环伏安曲线的比较Fig.2 Comparison of cyclic voltammolograms of electrodes

由图2可见，经过硫酸活化之后的金电极，其氧化峰电流值Ipa(50.49 μA)比裸电极(39.87 μA)明显增大，氧化峰和还原峰的电位差值△Ep(76.00 mV)也明显减小，|Ipa/Ipc|的值也接近于1(如表1所示)。

由表1可见，活化后的Ipa(氧化峰)和Ipc(还原峰)值明显比活化前增大，而△Ep(电位差)明显比活化前减小，并且活化后氧化峰和还原峰比值的绝对值也更接近于1。这说明金电极经活化后，可逆性明显改善，导电性也明显增强。并且增大氧化峰和还原峰的电流值，有利于提高传感器的灵敏度。

2.2 表征电极的修饰过程

表1 活化前后电极的特征参数对比

Table 1 Charateristic parameters of electrodes

参数Parameter电极Electrode测量值/μA(n=3)Measuredvalue相对标准偏差/%RelativestandarddeviationIpa/μA△Ep/mV|Ipa/Ipc|裸金电极39.87±1.503.8活化后金电极50.49±1.312.6裸金电极137.7±3.722.7活化后金电极76.00±2.042.7裸金电极1.06±0.011.2活化后金电极1.02±0.0040.4

表2 电极修饰巯基乙胺后的特征参数

Table 2 Characteristic parameters of electrode modified with cysteamine

参数Parameter测量值/μA(n=3)Measuredvalue相对标准偏差/%RelativestandarddeviationIpa/μA68.37±0.260.4△Ep/mV62.2±2.23.5|Ipa/Ipc|0.97±0.022.4

图3 电极表面修饰示意图Fig.3 Schematic diagram for electrode surface

2.3 钾离子浓度与传感器电流关系模型的建立

如前所述，对每片修饰后的金电极(即传感器)进行叠加测试，即对络合了不同浓度的钾离子电极进行电流计时法扫描，并记录180 s时的电流。这样每片金电极可获得络合后的电流值与相应的钾离子浓度值共10组数据。重复3次共可获得30组数据，结果如表3和图4所示。

表3 传感器对不同K+浓度的电流响应

Table 3 Responsive currents of sensor to different K+concentrations

络合的K+量/(mmol·L-1)K+amountofcomplexation叠加K+浓度/(mmol·L-1)SuperimposedK+concentration络合180s之后电流值/pA(n=3)Currentvalueafter180scomplex相对标准偏差/%Relativestandarddeviation0.010.01261.86±6.912.60.020.01361.72±4.641.30.030.01443.37±5.861.30.040.01546.44±4.120.80.050.01666.61±9.411.40.060.01732.54±10.801.50.070.01855.97±13.451.60.080.01932.51±6.450.70.090.011065.44±8.670.80.100.011161.12±11.491.0

图4 K+浓度与传感器电流之间的关系Fig.4 The relationship of sensor’s currents vs. K+ concentrations

由表3可知，获得的传感器对钾离子检测的灵敏高、重复性好。由图4可以看出，当钾离子浓度处于0.01～0.1 mmol·L-1时，经过180 s络合之后的电流值与钾离子浓度大小呈近似的线性关系。线性回归方程为：

y=9 975.52x+154.10

(1)

式中：x为络合钾离子的量；y为络合180 s之后的电流值。

该方程决定系数为R2=0.998 1。这表明，利用金电极与钾离子络合180 s之后的电流值可以很好的预测溶液中钾离子的含量。另外，该有机冠醚类传感器的选择性(即对干扰离子的抗干扰性)也较好[22～24]。

3 结论

(1)金电极修饰巯基乙胺后，其Ipa(氧化峰)和Ipc(还原峰)值比裸金电极及活化后的电极有明显增大，Ipa(氧化峰)和Ipc(还原峰)的△Ep(电位差)明显减小，并且氧化峰与还原峰电流比值的绝对值(|Ipa/Ipc|)也更接近于1。这使传感器的可逆性及导电性有所增强，有利于传感器灵敏度的提高及微型钾离子传感器的制作。

(2)当钾离子浓度为0.01～0.1 mmol·L-1范围内时，传感器电流值的变化与对应的待测钾离子浓度呈现较好的线性关系。决定系数为0.9981，显著性p值小于0.0001，模型极其显著，能够较精确的预测待测溶液中钾离子的浓度。

(3)试验中制备的传感器不仅灵敏度高、使用简便，而且制备简单、所需样液少。有利于检测溶液中的微量钾离子，具有一定的应用前景。

[1]L Liu，Y Shao，J Peng，et al．A molecular rotor-based fluorescent probe for selective recognition of hybrid G-quadruplex and as a K+sensor[J].Anal.Chem.,2014,86(3)：1622-1631.

[2]Z Chen，Y Huang，X Li，et al．Colorimetric detection of potassium ions using aptamer-functionalized gold nanoparticles[J].Anal.Chim.Acta，2013，787(13)：189-192.

[3]Z Chen，J Guo，S Zhang，et al．A one-step electrochemical sensor for rapid detection of potassium ion based on structure-switching aptamer[J].Sens.Actuat.B,2013,188(2)：1155-1157.

[4]H He，M A Mortellaro，M J Leiner，et a1．A fluorescent sensor with high selectivity and sensitivity for potassium in water[J]. J. Am. Chem.Soc.,2003,125(6)：1468-1469.

[5]K M Modesto，J E Mφller，W K Freeman，et al．Pellikka Safety of exercise stress testing in patients with abnormal concentrations of serum potassium[J].Am.J.Cardiol.，2006，97(8)：1247-1249.

[6]G F Michaud，S A Strickberger．Should an abnormal serum potassium concentration be considered a correctable cause of cardiac arrest[J]. J.Am.Coll.Cardiol.，2001，38(4)：1224-1225.

[7]X Zhou，F Su，Y Tian，et al. A new highly selective fluorescent K+sensor[J]. J. Am. Chem.Soc.，2011，133(46)：18530-18533.

[8]B S Yu，L H Nie，S Z Yao，et al．Ion chromatographic study of sodium，potassium，and ammonium in human body fluids with bulk acoustic wave detection[J].J.Chromatogr.B，1997，693(1)：43-49.

[9]S Kim，H Kim，K H Noh，et al．Potassium ion-selective membrane electrodes based on 1，3-alternate calyx [4] crown-5-azacrown-5 [J].Talanta，2003，61(5)：709-716.

[10]A de Jesus，M M Silva，M G R Vale，et al．The use of microemulsion for determination of sodium and potassium in biodiesel by flame atomic absorption spectrometry[J].Talanta，2008，74(5)：1378-1384.

[11]X Fan，H Li，J Zhao，et al．A novel label-free fluorescent sensor for the detection of potassium ion based on DNAzyme[J].Talanta，2012，89(2)：57-62.

[12]H Chen，Y S Gal，S H Kim，et al．Potassium ion sensing using a self-assembled calix[4]crown monolayer by surface plasmon resonance[J].Sens.Actuat.B,2008，133(2)：577-581.

[13]Dechtrirat D，Gajovic-Eichelmann N，Wojcik F，et al．Electrochemical displacement sensor based on ferrocene boronic acid tracer and immobilized glycan for saccharide binding proteins and E.coli[J]．Biosensors and Bioelectronics，2014，58(8)：1-8．

[14]许媛媛，边超，陈绍风，等．基于微机电系统技术和纳米金白组装膜的安培型免疫传感器研究[J]．分析化学，2006，34(5)：608-612．

[15]许媛媛，边超，陈绍风，等．基于MEMS和A蛋白自组装膜抗体定向固定技术的安培型免疫传感器[J]．中国科学：E辑，2006，36(2)：210-221．

[16]Shervedani R K，Bagherzadeh M．Electrochemical impedance spectroscopy as a transduction method for electrochemical recognition of zirconium on gold electrode modified with hydroxamated self-assem bled m onolayer[J]．Sensors and A ctuators B：Chenfical，2009，139(2)：657-664.

[17]工珂，江德臣，刘宝红，等．无标记型免疫传感器的原理及应用[J]．分析化学，2005，33(3)：411-416．

[18]Yael L，Liron A，Robert S，et a1．Immobilization strategies to Brucella particles onoptical fibers for use in chemiluminescence immunosensors[J]．Talanta，2009，80(1)：338-345．

[19]周卓晟．检测细菌内毒素的酶联免疫吸附法及免疫传感器法的研究[D]．武汉：华中科技大学，2010．

[20]朱延松，侯冬岩，邵会波，等．电流滴定法对两种短链分子自组装膜的研究[J]．分析化学，2007，35(2)：201-205．

[21]Shervedani R，Bagherzadeh M，Mozaffari S A，et a1．Determination of dopamine in the presence of high concentration ofascorbicacid by using gold cysteamineself-assembled monolayers as ananosensor[J]．Sensors and Actuators B：Chemical，2006，115(2)：614-621.

[22]程鹏飞，焦书燕，徐括喜，等．基于手性冠醚的对映选择性识别研究进展[J]．有机化学，2013，33(2)：280-287．

[23]郭晓静，褚良银，蔡璐，等．冠醚的离子识别功能及在分离中的应用[J]．南京工业大学学报(自然科学版)，2013，35(6)：120-126．

[24]王志强，陈嘉勋，蔡大川，等．重金属离子识别材料的研究进展[J]．广州化工，2016，44(2)：3-5．

(编辑：李晓斌)

A new galvanometric sensor for detection of trace potassium ion in aqueous solution

Lang Luting1*, Zuo Yueming1, Jing Xiaoyuan2, Yang Wei1

(1.CollegeofEngineering，ShanxiAgriculturaluniversity，Taigu030801，China， 2.CollegeofLifeScience，ShanxiAgriculturaluniversity，Taigu030801，China)

[Objective]The accurate determination of potassium is the key to clinical diagnosis and nutrition analysis, in order to solve the problem of the quantitative detection of potassium ion.[Methods]a new amperometric sensor was developed by using mercapto-ethylamine to decorate the surface of screen-printed gold electrodes and binded with 4-amino two benzene and-18- crown-6. [Results]Determination of potassium-ion's content by chronoamperometry indicated that current of sensor wou;d be stable and had a linear relationship with the coefficient of determination was 0.9981 and significance test probability p value less than 0.000 1，when potassium was within the range of 1×10-5～1×10-4M and the chronoamperometry parameters were set to 1 step(-0.3～0.6 V)and 200 s width of pulse. [Conclusion]The study on characterization of making sensor's electrodes through Cyclic Voltammetry showed that this method would be able to not only improve the reversibility and electrical conductivity of electrodes so as to improve the sensitivity but also help to make the micro potassium-ion sensor.

Potassium Ion， Screen-printed electrode， 4-amino diphenyl-18-crown-6， Chronoamperomety

2016-04-25

2016-07-20

郎璐婷(1992-)，女(汉)，山西晋城人，硕士研究生，研究方向：传感器与测控技术

*通讯作者：左月明，教授，博士生导师。Tel：15835437586；E-mail：zuoyueming@163.com

高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20121403110002)；山西省回国留学人员资助项目(2013-061)

S223.2+3

A

1671-8151(2016)11-0832-05