基于二维二氧化锰纳米片的全固态钾离子选择性电极测定血钾浓度

杨成 宋彩侨 张亚旗 曲瑶

摘 要 以二维二氧化锰（MnO2）纳米片为离子-电子转换层（固体接触层），以玻碳电极为基底，以含有缬氨霉素作为离子载体的聚合物膜为离子选择性膜，构建了全固态K+选择性电极。由于MnO2纳米片具有快速充放电的特性，以其作为离子-电子转导层可有效提高离子-电子转换效率、降低K+选择性电极的电阻，在水层测试和抗干扰实验中表现出良好的性能，提高了电极电位响应速度及稳定性。此全固态K+选择性电极对K+的线性响应范围为1.0×105～1.0×102 mol/L，检出限为6.3×106 mol/L。将此全固态K+选择性电极用于实际血清样品中K+的测定，结果令人满意，可实现血钾的快速、准确检测。

关键词 二氧化锰纳米片; 钾离子选择性电极; 全固态选择性电极; 血钾浓度

1 引 言

钾（K）是人体不可缺少的重要元素，正常人血清中K+浓度在3.5～5.5 mmol/L之间。K+的主要生理作用是维持体内的酸碱平衡、参与能量代谢、维持神经系统和肌肉的正常生理功能[1]。K+是细胞内液的主要阳离子，体内98%的K+存在于细胞内。心肌和神经肌肉都需要有相对恒定的K+浓度维持正常的应激性。血清K+（血钾）浓度过高时，对心肌有抑制作用，可使心跳在舒张期停止; 血钾浓度过低，能使心肌兴奋，可使心跳在收缩期停止[2]。 血钾水平是现代医学电解质检测的最重要指标之一[3，4]，尤其是抢救危重病人时更需要简单、快速、准确的床边检测方法。常见的K+检测方法有重量法、离子色谱法、火焰光度法、原子吸收法和离子选择性电极法等[5]。临床上，通常采用基于液接离子选择性电极的血气分析仪和生化分析仪检测K+浓度，由于机器体积较大，限制了在高危病人急救过程中的使用[6]。

基于全固态离子选择性电极的电化学检测方法，有望构建类似于血糖仪的迷你型血钾测定仪，以实现床边检测。离子选择性电极（ISE）是一类利用膜电势测定溶液中特定离子活度的电化学传感器，测定含待测离子的溶液时，敏感膜和溶液的相界面上产生与此离子的活度直接相关的膜电势，膜电势与待测离子活度之间的关系符合能斯特方程，从而实现对待测离子活度的测定。离子选择性电极具有原理简单、操作简便、选择性好、响应迅速、检测成本低廉等优点，在临床诊断[6]和环境检测[7] 等领域得到了广泛应用。传统的液接离子选择性电极有内充液及内参比电极，限制了离子选择性电极的应用。全固态离子选择性电极（All solid-state ISE）以离子-电子转换层即固体接触层代替内参比电极及内充液，具有易制备、易保存、易携带、易小型化等优点[8]。1971年，Cattrall等[9]报道了第一代全固态离子选择性电极，即涂丝电极，由于导电基底与离子选择性膜之间缺乏有效的离子-电子转换，导致响应电位稳定性较差。为了解决这一问题，研究者在聚合物离子选择性膜和固体导电基底之间增加了具有离子-电子转导特性的固体接触层，有效提高了离子-电子转换效率，增加了响应电位的稳定性。

导电聚合物如聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺等具有较大的氧化还原电容，可作为固体接触层[10，11]，但在较宽的电势窗内，电活性导致标准电势不稳定[12]，且光照、O2、CO2、pH值等因素也可能影响电位的稳定性[13]。多孔碳、富勒烯、碳纳米管、石墨烯等碳基纳米材料因具有优良的导电性、大的比表面积和稳定的化学特性，成为新型的固体接触层材料[14]，此类材料的应用可有效减小响应电位的漂移，提高电位的稳定性[15，16]，并且可与导电聚合物构成复合纳米材料，用于固体接触层，但是部分碳基材料的合成成本较高。发展新型固体接触层材料是目前全固态离子选择性电极的研究重点，作为固体接触层材料必须满足以下3个特性：具有可逆的离子-电子响应的转换; 具有良好的疏水性，以消除水层的干扰; 具有优良的化学稳定性，无副反应发生[12，16]。

与石墨烯相比，过渡金属二硫化物MoS2、WS2及MnO2等类石墨烯的二维纳米材料具有相似的二维结构，并以其优异的机械和电子性能成为碳基2D纳米材料的替代品，引起了广泛关注[17]。其中，二维MnO2具有结构多样、比表面积大、快速充放电及循环性能优良等特性，被用作超级电容器的电极材料，且具有前驱体的资源丰富、成本低、合成方法简单等优点[18～20]。将二维MnO2纳米材料作为全固态离子选择性电极的固体接触层，可望加快电子-离子的转换速率，提高全固态K+选择性电极的稳定性。

本研究以缬氨霉素为中性载体，以二维MnO2纳米片作为离子选择性电极的固体接触层，构建全固态K+选择性电极。此电极灵敏度高、稳定性好、抗干扰特性强，用于血钾浓度的测定，效果良好。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

CHI660B电化学工作站（上海辰华仪器有限公司）; Zennium E电化学工作站（德国Zahner公司）; HitachiS-4800扫描电子显微镜（SEM，日本日立公司）; SOLAN969原子吸收光谱仪（美国热电公司）; Millipore Direct-Q纯水处理系统（美国Millipore公司）。

聚氯乙烯（PVC）、2-硝基苯辛醚（o-NPOE，98%）、四[3，5-双（三氟甲基）苯基]硼酸钠（NaTFPB，98%）、四氫呋喃（THF，99.5%，在使用前进行重蒸处理），购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司; 缬氨霉素（Valinomycin，生化试剂，上海生工生物工程股份有限公司）; 四水合氯化锰（MnCl2·4H2O，分析纯）、H2O2（分析纯），购自天津市大茂化学试剂厂; 四甲基氢氧化铵（TMA·OH，分析纯，天津光复精细化工研究所）; 无水乙醇（分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司）; KCl（优级纯）、NaCl（分析纯）、醋酸锂（LiOAc，分析纯），购自上海国药集团有限公司。实验用水为超纯水（18.2 MΩ·cm）。

2.2 实验方法

2.2.1二维MnO2纳米片的合成及表征 （1） 二维MnO2纳米片根据文献[21]的方法合成。0.12 mol MnCl2·4H2O溶解在4 mL超纯水中，加入8 mL 0.24 mol/L TMA·OH溶液和3.0% （w/V） H2O2。将得到的深棕色悬浮液在室温下剧烈搅拌，以10000 r/min离心5 min，用水和甲醇分别离心洗涤沉淀3次，最后分散于水中，得到含量为2 mg/mL的MnO2纳米片的分散液。（2） 取少量合成得到的MnO2纳米片涂在导电胶上，将导电胶固定在样品台上，在扫描电镜（Hitachi S-4800）下观察MnO2纳米片的形貌，加速电压为5.0 kV。

2.2.2 全固态钾离子选择性电极的制备 （1）将200 mg膜组分（1.0%（w/V） 缬氨霉素、0.6%（w/V） NaTFPB、32.8 % （w/V） PVC和65.6% （w/V） o-NPOE）溶解在1.6 mL THF中，获得K+选择膜溶液。（2）将玻碳电极依次使用粒径为0.3和0.05 μm的Al2O3打磨抛光，依次于超纯水、乙醇、超纯水中各超声清洗5 min，用氮气吹干，备用。（3）将20 μL含MnO2纳米片的分散液均匀滴涂到玻碳电极表面，自然晾干。（4）将100 μL K+选择性膜溶液以每次10 μL涂覆在负载有MnO2纳米片固体接触层的玻碳电极和空白电极之上，待溶剂完全挥发后滴加下一滴，最终获得相应的有和无MnO2纳米片为转导层的全固态K+选择性电极。分别记为：极GC/K+-ISM和电极GC/MnO2/K+-ISM。后续测试中，如未特殊说明，则所制备的K+选择性电极在使用前均已在1 mmol/L KCl溶液中活化24 h。

2.2.3 电势测定 在室温下，采用CHI 660B电化学工作站研究基于二维MnO2纳米片制备的电极GC/MnO2/K+-ISM的K+电势响应。以全固态离子选择性电极与传统的双液接外参比电极（Hg/Hg2Cl2/饱和KCl溶液/0.1 mol/L LiOAc）构成检测回路系统，所构成的原电池结构为：Hg/Hg2Cl2/饱和KCl溶液/0.1 mol/L LiOAc/样品溶液/聚合物K+选择性膜/MnO2纳米片/玻碳电极。在此电极检测体系中，E为离子选择性电极电势，EPB为离子选择性膜-溶液界面产生的电势总和，即相界电势，Econst为指示电极中除去相界的其它所有电势，则E=EPB+Econst。 在热力学平衡条件下，进一步可以推导出公式（1）和（2），即离子选择性电极电位与待测溶液中的目标离子活度之间满足能斯特方程。

式（2）中，Εθ=Εconst-RTnFlnαorg，R、T、F分别为气体常数、绝对温度、法拉第常数; n为离子电荷数; αaq和αorg为在样品溶液中和离子选择性膜相中的待测离子的活度。

2.2.4 电化学阻抗测试和计时电位测定 使用德国札纳（Zahner）电化学工作站， 在0.1 mol/L KCl溶液中测试电化学阻抗谱（EIS），频率范围为0.1 MHz～10 mHz，激励振幅为20 mV。 使用CHI 660B电化学工作进行计时电位谱图的测定，电解质溶液为0.1 mol/L KCl溶液，施加+1 nA恒电流 60 s，随后施加-1 nA恒电流 60 s。

2.2.5 水层测试 使用CHI 660B电化学工作站在室温下研究基于二维MnO2纳米片的制备的电极GC/MnO2/K+-ISM的水层测试。将电极于0.1 mol/L KCl溶液中测试，待电势稳定36 min后，取出电极，置于0.1 mol/L NaCl溶液中，保持66 min待电势稳定后，将其再次转移至0.1 mol/L KCl溶液中，保持36 min。

2.2.6 抗干扰性测试 （1）将GC/MnO2/K+-ISM电极置于0.1 mol/L的KCl溶液中并置于黑箱中，打开光源，记录1500 s内电势变化; 关闭光源，记录瞬时电势变化及之后1800 s的电势变化。（2）向溶液中持续通入N220 min， 将气体转换为O2持续20 min，记录电势变化。（3）向溶液中持续通入N2 20 min，将气体转换为CO2持续1200 s，记录电势变化。

2.2.7 测定血钾浓度 将50 μL山羊血清加入10 mL纯水中，待电位稳定后，记为Ex; 加入50 μL 0.1 mol/L标准K+溶液，記测量电位为Es。将ΔΕ=Εx-Es代入公式（3），计算山羊血钾浓度。

3 结果与讨论

3.1 检测机理

与常规离子选择性电极相比，全固态离子选择性电极是以离子-电子转换层（即固体接触层）替代内参比电极及内充液。离子选择性聚合物膜与溶液之间主要以离子的形式传导，固体接触层与导电基底之间通过电子的形式进行电荷传导，而离子-电子转换发生在固体接触层与离子选择性膜之间的界面。双电层电容材料类似于不对称电子电容器，一边是有离子选择性膜中透过的K+携带的正电荷，另一边是在固体接触层中的电子，

电势的大小取决于双电层的电荷总量。双电层电容型的固体接触层材料需具有较大的电容，最有效的途径是增大固体接触层与离子选择性膜之间的接触面积[12，22]。

本研究以MnO2纳米片为固体接触层，构建了以玻碳电极为基底，以TFPB为离子交换剂，以含有缬氨霉素为离子载体的聚合物膜的全固态K+选择性电极，电极构成如图1所示。

3.2 MnO2纳米片的表征

如图2所示，合成的MnO2纳米材料为褶皱片状，形态均匀，层间不黏连，有较大的有效比表面积。片状材料易形成堆积，导致有效面积降低，合成的二维MnO2纳米片呈褶皱片状，层间存在支撑，使得层间不会密堆积，二维材料的大比表面积特性得以保持。由于存在大量通道，涂覆的离子选择性膜可与MnO2纳米片充分接触，可有效利用MnO2纳米片的大电容特性，降低水层存在的可能性。合成的MnO2纳米片可满足检测机理所需要的双电层电容型固体接触层材料的特点。

3.3 钾离子响应

采用电位法考察了K+选择性电极在不同浓度K+溶液中的电位响应，将选择性电极分别置于102～108mol/L的KCl溶液中，测定电极的电位响应，结果如图3所示。根据IUPAC的建议[23]，通过作图法（如图3B所示）求得检出限为6.3×106mol/L，此结果与以MoS2纳米花作为离子-电子转导层的离子选择性电极的结果[24]相近; 响应线性范围为1.0×105～1.0×102mol/L，工作曲线方程为E （mV）=51.85C （mol/L）+163.3（R2=0.994）。

3.4 電化学阻抗测试

电极GC/K+-ISM和GC/MnO2/K+-ISM的电化学阻抗谱见图4。相对于电荷转移电阻Rct（高频区半圆直径）[25]，溶液电阻很小且相近，在此体系中可忽略不计; 涂丝电极GC/K+-ISM的Rct（≈0.4 MΩ）大于GC/MnO2/K+-ISM电极（≈0.3 MΩ），说明无MnO2纳米片的电极的内部电荷迁移电阻较大，即电荷转移率较低，不能有效地进行离子与电子之间的信号转换。进一步证明了用MnO2纳米片作为离子-电子转导层，可以提高离子与电子之间的信号转换效率。此外，在低频区，同频率下电极GC/MnO2/K+-ISM的电阻较小，进一步表明MnO2纳米片可有效降低电荷转移电阻[26]。

3.5 水层测试

水层测试是表征全固态K+选择性电极的一个重要指标。若离子选择性膜与二维MnO2纳米片之间存在水层，当由分析离子切换到干扰离子中时，水层的成分会发生变化，即使很小的离子通量也会造成膜扩散控制的电位发生很大漂移[12]。本研究将电极于0.1 mol/L KCl溶液中进行测试，取出并放置于0.1 mol/L NaCl溶液中，最后转移回0.1 mol/L KCl溶液中，并记录整个过程中电极电位随时间的变化曲线，如图5所示。电极GC/MnO2/K+-ISM在切换溶液时，

图5 水层测试GC/MnO2/K+-ISM和GC/K+-ISM电极电位响应图

Fig.5 Water-layer tests of the GC/K+-ISM and GC/MnO2/K+-ISM电位漂移1.00 mV，而涂丝GC/K+-ISM电极显示出显著的电位漂移（20.21 mV）。 此结果表明，MnO2纳米片固态接触层的引入可以有效防止离子选择性膜与导电基底之间水层的形成，从而增强离子选择性电极的稳定性，为实际应用奠定基础。

3.6 抗干扰性测试

光、O2和CO2可能对固态离子选择性电极的稳定性，尤其是以导电聚合物为固体接触层的电极，存在干扰[12]。考察了光、O2和CO2对制备的全固态离子选择性电极的影响，电极电势随时间的变化曲线如图6所示，并未有显著的电位漂移，表明光、O2和CO2并未对此离子选择性电极的检测造成显著影响。原因可能是：（1）MnO2纳米片不是光敏材料，不受光的影响; （2）以MnO2纳米片作为转导层，没有水层的存在，不存在氧化还原活性物质，不会与氧气反应，进而影响膜与导电基底间的界面电位; （3）因为离子选择性膜与MnO2纳米片之间不存在水层的二氧化碳不会与水反应生成碳酸，影响电极的pH值，进而干扰电极的电位稳定性。综上，使用二维MnO2纳米片作为离子-电子转导层的全固态K+选择性电极具有较好的电位稳定性。

3.7 计时电位分析

使用计时电位法进一步验证修饰电极的电位稳定性。分别对GC/MnO2/K+-ISM和GC/K+-ISM施加+1 nA恒定电流60 s，然后施加1 nA的恒定电流60 s，得到的计时电位谱图见图7。计算得出涂丝电极GC/K+-ISM的电位变化速率为（445±0.3） μV/s （n=3）; 当引入固体接触层MnO2纳米片后，GC/MnO2/K+-ISM电极的电位变化速率为（35±0.1） μV/s （n=3）。根据公式ΔE/Δt=1/C，计算得到的电容值为28.6 μF，远大于涂丝电极GC/K+-ISM的电容值（2.25 μF）。因此，固体接触层MnO2纳米片的引入，显著提高了全固态K+选择性电极电位响应的稳定性。

3.8 血钾浓度的检测

采用基于二维MnO2纳米片的全固态K+选择性电极测定血钾浓度。以GC/MnO2/K+-ISM为工作电极，与传统的双液接外参比电极组成电池回路，测量标准系列溶液的电位值。根据3.3节建立的K+响应的工作曲线，由能斯特方程计算得出斜率为51.85 mV/dec。通过标准加入法测量得到山羊血钾浓度为6.59 mmol/L（RSD=4.6%， n=6）。使用原子吸收光谱法测量此山羊血钾浓度为6.41 mmol/L（RSD=2.8%， n=6）。本方法测定结果与原子吸收法相比，相对偏差为1.4%， 表明此电极可用于血钾浓度的检测。

上述结果表明， 以二维MnO2纳米片构建的全固态K+选择性电极，在K+浓度为1.0×105～1.0×102mol/L范围内显示稳定的能斯特响应。以MnO2纳米片为固体接触层的选择性电极无水层的存在，对光、O2和CO2等具有良好的抗干扰能力。

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