一种三电极系统及其使用方法与流程

本发明属于电化学技术领域，尤其涉及一种三电极系统及其使用方法。

背景技术：

电分析化学作为现代化学的主流分支，研究两类导体形成的带电界面现象及界面上所发生的变化的科学，通过电化学传感器可以根据测试体系中物质反应所带来的电信号来判断反应的具体情况，研究物质变化的过程。

电化学传感器由两大部分构成，第一部分为凝胶体，即电极表面的修饰，运用生物大分子特异性识别底物或与底物反应的特性，制备可用于电极表面修饰的凝胶或复合膜材料，主要将酶、电子媒介体、交联剂、反应介质、凝胶材料、保护膜层材料、凝胶稳定助剂等组成通过吸附、交联、共价、包埋、共混等方式制备而成；第二部分为传感器的电信号导体，即三电极系统，常见电化学传感器多为三电极组成，包括工作电极(working electrode)、参比电极(reference electrode)、辅助电极(auxiliary electrode，又称对电极counter electrode)。

由于被测凝胶体系中发生反应产生电流，造成了液面电压降和辅助电极的极化，因此工作电极的电位难以准确测定，由此引入参比电极。而参比电极有着非常稳定的电位，且电流不经过参比电极不会引起极化，从而工作电极2的电位可以由参比电极得到，电流则由工作电极-辅助电极回路得到。目前在常规使用过程中的三电极系统，是由单根的工作、参比、辅助电极配合特定支架或者固定板来使用，三电极材料可以根据实际需要而替换，虽然电极易于更换，但是通常的三电极系统的装配不够紧密；因商品化电极表面积的限制，存在着不能提供可调节的恒定量装载的凝胶体(或胶状物、水凝胶、传感器反应层、电极表面修饰层等)贮存空间的问题，无法判断凝胶体的贮存量，以及不能方便地对电极表面进行修饰。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题为提供一种三电极系统及其使用方法，旨在解决现有技术的三电极系统无法调节和获知凝胶的装载量，且工作电极不易拆卸、更换的问题。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的，一种三电极系统，包括：

工作电极、参比电极、辅助电极、内圈套管、外圈套管、工作电极导体线、参比电极导体线及辅助电极导体线，所述内圈套管包括固定连接的内圈上套管和内圈下套管；

所述工作电极为实心圆柱体，所述内圈上套管为空心圆柱体，且外壁设有螺纹，所述内圈上套管包裹所述工作电极的下端，并与所述工作电极可拆卸连接；

所述外圈套管内壁的上部固定有参比电极和辅助电极，下部设有与所述内圈上套管匹配的螺纹，所述外圈套管与所述内圈上套管螺纹连接；

所述外圈套管与所述工作电极间形成槽体；

所述参比电极的两端分别设置有第一绝缘区域以及第二绝缘区域，所述参比电极、所述辅助电极、第一绝缘区域及第二绝缘区域共同构成一个圆环；

所述工作电极与所述工作电极导体线连接，所述参比电极与所述参比电极导体线连接，所述辅助电极与所述辅助电极导体线连接；

所述内圈下套管的底部设有指针，所述外圈套管的底边设有与所述指针对应的刻度盘，用户通过所述指针所指的刻度，确定所述槽体的装载量。

进一步地，所述内圈下套管的形状为正六边形。

进一步地，所述内圈上套管及所述外圈套管的螺纹为正螺纹。

进一步地，所述第一绝缘区域和/或所述第二绝缘区域为间隙。

进一步地，所述第一绝缘区域和/或所述第二绝缘区域为绝缘介质。

本发明还提供了一种三电极系统的使用方法，包括以下步骤：

a.确定凝胶的需求量；

b.根据所述需求量，旋转所述内圈下套管，所述内圈下套管通过所述内圈上套管带动所述工作电极旋转，以调节所述外圈套管与所述工作电极间形成槽体的装载量，同时观察所述指针所指刻度；

c.当所述指针当前所指刻度对应的装载量等于所述凝胶的需求量时，停止旋转操作；

d.向所述槽体中加入所述凝胶，当加入的凝胶的液面与所述槽体的顶面平齐时停止添加；

e.将所述三电极系统放入溶液中，进行实验。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明的三电极系统，包括：工作电极、参比电极、辅助电极、内圈套管、外圈套管、工作电极导体线、参比电极导体线及辅助电极导体线，内圈套管包括固定连接的内圈上套管和内圈下套管。工作电极为实心圆柱体，内圈上套管为空心圆柱体，且外壁设有螺纹，内圈上套管包裹工作电极的下端，并与工作电极可拆卸连接。外圈套管内壁的上部固定有参比电极和辅助电极，下部设有与内圈上套管匹配的螺纹，外圈套管与内圈上套管螺纹连接，外圈套管与工作电极间形成槽体。内圈下套管的底部设有指针，外圈套管的底边设有与该指针对应的刻度盘，用户通过指针所指的刻度，确定槽体的装载量。用户可以通过旋转内圈下套管，以调节槽体的装载量，并通过读取指针对应的刻度，获知当前槽体的装载量，同时该工作电极方便拆卸和更换，克服了传统的三电极系统无法调节和获知凝胶的装载量，且工作电极不易拆卸、更换的问题，让使用该三电极系统进行实验更加准确、高效。

附图说明

图1是本发明实施例提供的三电极系统的俯视图；

图2是本发明实施例提供的三电极系统的主视图；

图3是本发明实施例提供的三电极系统的仰视图；

图4是本发明实施例提供的三电极系统中工作电极、内圈上套管、内圈下套管及工作电极导体线的主视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至图4所示，为本发明实施例提供的一种三电极系统，包括外圈套管1、工作电极2、参比电极3、辅助电极4、内圈套管、工作电极导体线7、参比电极导体线8及辅助电极导体线9，内圈套管包括固定连接的内圈上套管5和内圈下套管6。

工作电极2为实心圆柱体，内圈上套管5为空心圆柱体，且外壁设有螺纹，内圈上套管5包裹工作电极2的下端，并与工作电极2可拆卸连接。

外圈套管1内壁的上部固定有参比电极3和辅助电极4，下部设有与内圈上套管5匹配的螺纹，外圈套管1与内圈上套管5螺纹连接。

外圈套管1与工作电极2间形成槽体；

参比电极3的两端分别设置有第一绝缘区域10以及第二绝缘区域11，参比电极3、辅助电极4、第一绝缘区域10及第二绝缘区域11构成一个圆环，参比电极3的第一端与第一绝缘区域10的第一端连接，参比电极3的第二端与第二绝缘区域11的第一端连接，辅助电极4的第一端与第一绝缘区域10的第二端连接，辅助电极4的第二端与第二绝缘区域11的第二端连接。

工作电极2与工作电极导体线7连接，参比电极3与参比电极导体线8连接，辅助电极4与辅助电极导体线9连接。

内圈下套管6的底部设有指针12，外圈套管1的底边设有与该指针对应的刻度盘13，用户通过指针所指的刻度，确定槽体的装载量。

其中，内圈下套管6的形状可以是正六边形，内圈上套管5及外圈套管1的螺纹为正螺纹。

第一绝缘区域10可以但不限于包括：间隙或绝缘介质。

第二绝缘区域11可以但不限于包括：间隙或绝缘介质。

本发明中三电极系统是通过工作电极2与辅助电极4组成回路流通电流，而因参比电极3稳定的电势电位，可为工作电极2提供稳定的相对电位差，故工作电极2与参比电极3组成一个高阻抗电位监测回路，监测回路无实际明显电流通过但可以反馈外加电路的电压和电路等相关信息，来便于调整工作电压。

工作电极2是纯度为99.99％的金圆柱体，圆表面直径10mm，总高7mm，外露5mm，最下端2mm被内圈套管包裹。内圈套管采用的材料是聚甲醛(POM，polyoxymethylene)，分为两部分，总高16mm，其中包裹工作电极2的内圈上套管5总高11mm，为空心圆柱体，直径6mm，外表是螺距为0.5mm的正螺纹5，螺纹总高5mm，其最上端包裹工作电极2；内圈下套管6为不带螺纹的正六边形柱体，总对角长度22mm，单边棱长11mm，内圆直径14mm。工作电极导体线7，是总长为43mm，直径为1.5mm的铜圆柱体，其作为工作电极2的导体线直接与工作电极2相接。通过旋转内圈下套管6，并观察内圈下套管6底部指针12所应外圈套管1底部的刻度盘12的刻度，即可得知三电极系统的被测凝胶体(水凝胶、传感器固定酶层、传感器酶反应层、传感器电子媒介体反应层、传感器电流响应层、传感器保护膜层、电极表面修饰层等)的装载量。

外圈套管1内壁的上部固定有参比电极3和辅助电极4。辅助电极4整体为圆环体形状，外圆是半径8mm，内圆是半径6mm，高2mm，其中圆环体截出30°的扇形面积，以圆心点为射线端点向30°扇形圆环两侧各减少1mm距离作为实际辅助电极4圆环体尺寸，圆环体材料为纯度99.99％的银，表面有氯化银涂层，与辅助电极4相接的是总长为43mm，直径为1.5mm的铜圆柱体，辅助电极导体线9。参比电极3是30°扇形面积形状的圆环体，外圆是半径8mm，内圆是半径6mm，高2mm，其材料为纯度99.99％的银，表面有氯化银涂层，同时下端有辅助电极导体线9直接与辅助电极4相接作为导体线，其具体为总长为43mm，直径为1.5mm的铜圆柱体。除具体说明的材料外，所有金属外包裹的塑料绝缘材料均默认为聚甲醛。

本实施例中三电极系统的使用方法，包括以下步骤：

a.确定凝胶的需求量；

b.根据凝胶的需求量，旋转内圈下套管6，内圈下套管6通过内圈上套管5带动工作电极2旋转，以调节外圈套管1与工作电极2间形成槽体的装载量，同时观察内圈下套管6底部指针12所指刻度；

c.当指针12当前所指刻度对应的装载量等于凝胶的需求量时，停止旋转操作；

d.向槽体中加入凝胶，当加入的凝胶的液面与槽体的顶面平齐时停止添加；

e.将三电极系统放入溶液中，进行实验。

以下为本实施例中三电极系统的三个应用实例。

实例1

(1)称取150mg聚环氧乙烷(PEO)粉末，溶于1ml磷酸盐缓冲液(PBS，0.01mol·L^-1，pH＝7.4)中，涡旋振荡器上振荡3min，待形成胶状物时加入4mg葡萄糖氧化酶(GOD)和10mg的铁氰化钾(K3Fe(CN)6)粉末，涡旋振荡器上振荡5min，待所加入物质都溶解完后，制成特性均匀的凝胶，放置入4℃冰箱保存待用。

(2)取本实施例的三电极系统，本实验需要三电极系统装载39.5μL的凝胶，旋转内圈下套管6并观察指针所指刻度，以将槽体的装载量调节为39.5μL，用移液枪吸取上述制备凝胶，缓慢添加到槽体中，使其均匀覆盖电极至完全装满该槽体停止，室温晾干成膜后，放置4℃冰箱保存待用。

(3)取20，40，60···，220μL的1mol·L^-1葡萄糖标准母液转入11个10mL容量瓶中，再加去PBS缓冲液(0.01mol·L^-1，pH＝7.4)定容至10mL，即得2，4，6，···，22mmol·L^-1等不同浓度葡萄糖标准测试溶液，使用电化学工作站研发检测上述三电极系统上的被测凝胶。

(4)传感器在2-22mmol·L^-1的范围内具有较好的氧化还原性、线性度和一致性，符合临床正常血液浓度4-11mmol·L^-1的检测范围，可以检测血液中葡萄糖浓度。

实例2

(1)称取0.018603g二茂铁，在4mL离心管中用1mL丙酮溶解并定容至，得到二茂铁丙酮溶液；称取1g壳聚糖和1g冰醋酸，溶于50mL超纯水中，制得壳聚糖冰醋酸溶液；在壳聚糖冰醋酸溶液中加入葡萄糖氧化酶、辣根过氧化物酶制得壳聚糖酶混溶液。

(2)取本实施例的三电极系统，本步骤需要三电极系统装载40μL二茂铁丙酮溶液，旋转内圈下套管6并观察指针所指刻度，以将槽体的装载量调节为40μL，吸取二茂铁丙酮溶液缓慢添加到槽体中，使其均匀覆盖电极至完全装满该槽体停止，室温晾干成膜后，放置4℃冰箱保存待用。

(3)取本实施例的三电极系统，本步骤需要三电极系统装载40μL壳聚糖酶混溶液，旋转内圈下套管6并观察指针所指刻度，以将槽体的装载量调节为40μL，吸取壳聚糖酶混溶液缓慢添加到槽体中，使其均匀覆盖电极至完全装满该槽体停止，室温晾干成膜后，放置4℃冰箱保存待用。

(4)取20，40，60···，220μL的1mol·L^-1葡萄糖标准母液转入11个10mL容量瓶中，再加去PBS缓冲液(0.01mol·L^-1，pH＝7.4)定容至10mL，即得2，4，6，···，22mmol·L^-1等不同浓度葡萄糖标准测试溶液，使用电化学工作站研发检测上述三电极系统上的被测凝胶。

(5)传感器在2-22mmol·L^-1的范围内具有较好的氧化还原性、线性度和一致性，符合临床正常血液浓度4-11mmol·L^-1的检测范围，可以检测血液中葡萄糖浓度。

实施例3

(1)称取0.5g琼脂糖粉末与49.5g去离子水加热，得到琼脂糖溶液后放置于室温下自然冷却至40℃，制得琼脂糖凝胶待用。

(2)取上述1mL琼脂糖凝胶与36mg铁氰化钾和3.2mg葡萄糖氧化酶混合均匀制得被测凝胶。

(3)将工作电极2在上述被测凝胶中浸泡5min，取出后于空气中静置15min，得到固定有葡萄糖氧化酶和铁氰化钾的工作电极，然后将该工作电极2装入本实施例的三电极系统中。

(4)取20，40，60···，220μL的1mol·L^-1葡萄糖标准母液转入11个10mL容量瓶中，再加去PBS缓冲液(0.01mol·L^-1，pH＝7.4)定容至10mL，即得2，4，6，···，22mmol·L^-1等不同浓度葡萄糖标准测试溶液，使用电化学工作站研发检测上述三电极系统上的被测凝胶。

(5)传感器在2-22mmol·L^-1的范围内具有较好的氧化还原性、线性度和一致性，符合临床正常血液浓度4-11mmol·L^-1的检测范围，可以检测血液中葡萄糖浓度。

本实施例的三电极系统及其使用方法，包括：工作电极、参比电极、辅助电极、内圈套管、外圈套管、工作电极导体线、参比电极导体线及辅助电极导体线，内圈套管包括固定连接的内圈上套管和内圈下套管。工作电极为实心圆柱体，内圈上套管为空心圆柱体，且外壁设有螺纹，内圈上套管包裹工作电极的下端，并与工作电极可拆卸连接。外圈套管内壁的上部固定有参比电极和辅助电极，下部设有与内圈上套管匹配的螺纹，外圈套管与内圈上套管螺纹连接，外圈套管与工作电极间形成槽体。内圈下套管的底部设有指针，外圈套管的底边设有与该指针对应的刻度盘，用户通过指针所指的刻度，确定槽体的装载量。用户可以通过旋转内圈下套管，以调节槽体的装载量，并通过读取指针对应的刻度，获知当前槽体的装载量，同时该工作电极方便拆卸和更换，克服了传统的三电极系统无法调节和获知凝胶的装载量，且工作电极不易拆卸、更换的问题，让使用该三电极系统进行实验更加准确、高效。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。