CN104330452A - 一种软材料修饰的丝网印刷电极及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软材料修饰的丝网印刷电极及其制备方法与应用，所述丝网印刷电极包括工作电极、参比电极和对电极三个区域，其工作电极区域是通过在碳基底层上依次涂覆碳纳米管膜层和离子液体-碳纳米管软材料膜层得到的。本发明先将活化后的碳纳米管分散、滴涂在丝网印刷电极工作电极区域的碳基底层上，室温干燥成膜，并将活化后的碳纳米管与离子液体充分研磨制得离子液体-碳纳米管凝胶软材料，再涂覆在碳纳米管修饰的丝网印刷电极膜层上，制得软材料修饰的丝网印刷电极，其制备简单、稳定性强、携带和保存方便，且对双酚A具有特异性的富集效应和电催化性能，灵敏度高，样品无需复杂预处理，适于水体或食品包装材料中双酚A含量的快速检测。

Description

一种软材料修饰的丝网印刷电极及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于电化学传感器技术领域，具体涉及一种用软材料（多壁碳纳米管用离子液体分散形成的凝胶）修饰的丝网印刷电极及其制备方法与应用。

背景技术

双酚 A （bisphenol A，BPA）是生产环氧树脂（EP）和聚碳酸酯（PC）等高分子材料的主要原料，也可用作增塑剂、抗氧剂、涂料及聚氯乙烯（PVC）稳定剂等，广泛存在于塑料制品（如食品包装材料、容器）和环境中。双酚A是一种具有雌激素样活性的内分泌干扰物质，在人体内干扰正常激素分泌，即使摄入量很低也会对生物体生殖系统、生理状况、胚胎发育等造成不良影响，长期暴露将污染环境，同时，双酚A还被认为与心血管、肠道、免疫系统等疾病甚至肿瘤有密切关系，其安全性问题备受各国关注。世界各国纷纷对双酚A的工业使用做出了限制，并于2011年开始禁止生产销售含双酚A的塑料奶瓶，规定了其他食品接触材料中双酚A的迁移限量。因此，建立环境和食品包装材料中痕量双酚A的快速检测方法，对于其危害监控十分必要。

目前应用最多的双酚A检测法是色谱分析法，包括高效液相色谱、液质联用与气质联用等，选择性和检测限较好，但是需要复杂的样品预处理以减小基质效应，且仪器和分析成本高也限制了其在监测应用上的发展。传感分析法与酶联免疫分析法是双酚A快速检测技术研发的重点。近年来，基于电化学、化学发光、SPR原理的双酚A化学生物传感器得到迅速发展，其主要采取^{][[i]][采用}采用纳米材料、分子印迹聚合物和生物分子（适配体、酶）作为信号放大及识别元件，无需大型设备，专属性强、响应快速，避免了免疫分析存在的如免疫试剂制备费时、交叉反应以及稳定性差等问题。其中，电化学传感器以其结构简单、灵敏度高和成本低等特点得到最广泛的认可，电化学传感器一般采用玻碳、碳糊和金等作为固体电极基底，利用层层滴涂或自组装原理进行功能修饰；但此类电极易于受双酚A钝化，测定重现性和稳定性不高，难以批量生产及满足现场检测的需求。所以，提高电极的便携性、稳定性、重现性和灵敏度，是电化学传感器成功用于实际样品中双酚A快速检测的关键。

碳纳米管具有较大比表面积、可为电极转移提供良好通道、孔穴结构更能增强电子转移等特点，是一种比较理想的电极修饰材料，但是碳纳米管极易团聚，不利于其优良特性的发挥，寻找一种既有助于碳纳米管分散又高效温和的修饰剂成为碳纳米管电极修饰材料发展的关键。近年来研究指出，室温下呈液态的离子液体可作为碳纳米管的新型分散剂，离子液体具备高离子导电性、宽电势窗口、促进电子传递等特点，而碳纳米管对有机物具有强吸附亲和性和催化特性，通过二者协同组合产生强的“cation-π”或“π-π”作用及范德华力等非共价相互作用，可有效抑制碳纳米管的团聚和缠绕现象，有利于发挥碳纳米管的电化学优异特性。近期发现，离子液体与碳纳米管在一定临界成胶条件下，可以形成吸附能力很强的凝胶状物质，通过进一步“设计”成复合软材料（soft materials），甚至可以使软材料的物理性能和某些功能修饰转移到其他流体介质或固体基底上，在实际分析应用中具有很大优势，目前已有将其用于多环芳烃和金属离子Bi的固相萃取和固相微萃取吸附剂，其固体修饰电极（玻碳、金、铂基）也开始用于检测生物样品中的金属离子、DNA、葡萄糖等。

丝网印刷电极（SPCE）是一种将工作电极、参比电极和对电极同时集成在厘米级别的平面型电极上，可使采样量大为缩小。与常规固体电极相比，丝网印刷电极制作简单、价格低廉，而且易于微型化、集成化，便于携带、保存以及批量生产，是较容易实现商品化的可抛弃式电极，为生物和环境分析领域的现场快速检测提供了新工具。印刷电极的修饰技术和材料性能是决定其分析应用效果的核心关键。本发明提供了一种离子液体-碳纳米管软材料修饰的丝网印刷电极及制备方法与其在双酚A含量快速检测上的应用，所制备的双酚A微型电化学传感器具有体积小、成本低、集成化和便携性的特点，且检测限低，适于大批量生产和现场检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种软材料修饰的丝网印刷电极及其制备方法与应用，采取物理涂覆法将离子液体-碳纳米管凝胶软材料修饰到微型化、集成化的丝网印刷电极工作区域基底上，基于软材料、多壁碳纳米管以及离子液体的多方位协同作用，实现了检测信号的有效放大与实际样品的选择性、重现性测定，可制备成电化学传感器用于检测双酚A的含量。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种软材料修饰的丝网印刷电极，包括工作电极、参比电极（银）和对电极（碳）三个区域，其工作电极区域是通过在碳基底层上依次涂覆碳纳米管膜层和离子液体-碳纳米管软材料膜层得到的。

所述碳纳米管为多壁碳纳米管；所述离子液体-碳纳米管软材料为稳定的凝胶态，其涂覆量控制在0.014-0.028 mg/mm²。

所述丝网印刷电极的制备方法具体包括如下步骤：

1）将20 mg碳纳米管溶于8 mL活化溶液中，超声5 h后，8000 rpm离心5 min，去除上清液后加入二次水洗涤直至pH为7，60 ^°C真空干燥后研磨待用；

2）将1 mg活化后的碳纳米管加入到乙醇和二次水的混合溶剂中，超声分散20 min，得到浓度为1 mg/mL的碳纳米管分散液；

3） 将1 mg活化后的碳纳米管分散在20 μL疏水性离子液体中，使碳纳米管维持临界成胶浓度，在玛瑙研钵中充分研磨20 min，直至形成均相的凝胶态，得到离子液体-多壁碳纳米管凝胶软材料；

4）将3 μL步骤2）制得的碳纳米管分散液滴涂在洁净的丝网印刷电极工作电极区域的碳基底层上，室温干燥成膜，制得碳纳米管修饰的印刷电极膜层；

5）按0.014-0.028 mg/mm²的量将步骤3）制得的离子液体-碳纳米管软材料涂覆在步骤4）制得的碳纳米管修饰的丝网印刷电极膜层上，室温保存3 h即得离子液体-碳纳米管软材料修饰丝网印刷电极。

步骤1）所述活化溶液为体积比为1:3的HNO₃-H₂SO₄混合酸溶液；

步骤2）所述混合溶剂中乙醇和二次水的体积比为1:1；

步骤3）所述疏水性离子液体为疏水性咪唑类离子液体，如1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐。

所述软材料修饰的丝网印刷电极可用于水体或食品包装材料中双酚A含量的快速检测，其检测条件如下：测定介质为0.1 mol/L磷酸盐缓冲溶液（pH=7）；搅拌富集140 s；电位扫描范围0-0.8 V。测定方法：1、循环伏安法，扫描速度100 mV/s；2、方波伏安法，阳极化扫描，扫描速度110 mV/s；记录双酚A的氧化峰电流值I作为响应信号，根据双酚A标准溶液浓度与响应电流I的关系绘制标准曲线，用于计算实际样品中双酚A定量。

本发明的显著优点在于：

1.本发明采用多壁碳纳米管和疏水性离子液体形成凝胶软材料，在物理制备过程中，离子液体与多壁碳纳米管之间可通过“cation-π”或“π-π”作用及范德华力产生强相互作用，从而将多壁碳纳米管从其堆积束中剥离并包围起来，避免其再次缠绕团聚，有利于多壁碳纳米管大比表面积和良好的电子传递性能的充分发挥，同时本发明软材料修饰的丝网印刷电极通过多壁碳纳米管的大比表面积和催化性，以及离子液体与双酚A的非共价相互作用力，协同发挥出软材料优异的萃取吸附性能，可有效增加双酚A在电极表面的富集和电子传递速率，用于丝网印刷电极修饰时，对双酚A具有明显的富集效应和电催化性能，可实现灵敏和特异性的快速检测。

2.本发明制备软材料采用咪唑类离子液体，相比于其他离子液体，其具有合成工艺简单、成本低、环境友好以及宽的电化学窗口和稳定性等性质，尤其是其与双酚A分子之间具有强的静电力、氢键力以及π-π等非共价相互作用，使修饰后的丝网印刷电极传感器具备离子液体、碳纳米管和软材料多方位的协同效应，对双酚A的检测具有选择性好和灵敏度高的特点。

3.本发明所制备的双酚A传感电极具有体积小、集成化和稳定性强的特点，成本低，易于携带和保存，适于成批加工和现场测定。结合方波伏安法对实际样品进行检测，其检测方法的线性范围在9.0×10^-8～1.0×10^-5 mol L^-1，检测限为3.7×10^-8 mol/L（S/N=3，相当于8.4 μg/kg），检测时间仅需142 s；电极测定重复性和批间重现性好，选择性和准确度好，使用方便，室温下易于长期保存（两个月以上），可以适应现场快速检测的需求；且本发明检测方法与高效液相色谱法测定的结果具有一致性，而样品无需复杂预处理，操作简便，检测速度更快，检测成本更加低廉，便于检验部门的推广和应用。 

附图说明

图1为本发明实施例制备的离子液体-碳纳米管软材料（MWNTs-IL）与活化后的多壁碳纳米管（MWCNTs）的拉曼光谱图。

图2为双酚A在未修饰丝网印刷电极（SPCE）(a)和本发明实施例制备的软材料修饰丝网印刷电极（MWNTs-IL/SPCE）(b)的循环伏安图。

图3为本发明离子液体-碳纳米管软材料修饰的丝网印刷电极检测不同浓度双酚A的方波伏安图，图中曲线从上到下（a→g）依次代表双酚A的浓度为0，0.09，0.5，3.0，5.0，9.0，10.0 μmol/L。

图4为方波伏安法测定时双酚A氧化峰电流与浓度的线性关系。

具体实施方式

为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。

实施例1：软材料修饰丝网印刷电极的制备

一种软材料修饰的丝网印刷电极，包括工作电极（碳或碳基修饰层）、参比电极（银）和对电极（碳）三个区域，其工作电极区域是通过在碳基底层上依次涂覆碳纳米管膜层和离子液体-碳纳米管软材料膜层得到的。

所述丝网印刷电极的制备方法具体包括如下步骤：

1）将20 mg多壁碳纳米管溶于8 mL活化溶液（体积比为1:3的HNO₃-H₂SO₄混合酸溶液）中，超声5 h后，8000 rpm离心5 min，去除上清液后加入二次水洗涤直至pH为7，60 ^°C真空干燥后研磨，得到活化后的多壁碳纳米管；

2）将1 mg活化后的多壁碳纳米管加入到1 mL、体积比为1:1的乙醇和二次水的混合溶剂中，超声分散20 min，得到浓度为1 mg/mL的多壁碳纳米管分散液；

3）另将1 mg活化后的多壁碳纳米管与20 μL 1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体混合，使碳纳米管维持临界成胶浓度，在玛瑙研钵中充分研磨20 min，直至形成均相的凝胶态，得到离子液体-多壁碳纳米管凝胶软材料；

4）将3 μL步骤2）制得的多壁碳纳米管分散液滴涂在洁净的丝网印刷电极工作电极区域的碳基底层上（直径3 mm），室温干燥成膜，制得碳纳米管修饰的印刷电极膜层；

5）按0.014 mg/mm²的量将步骤3）制得的离子液体-碳纳米管软材料涂覆在步骤4）制得的碳纳米管修饰的丝网印刷电极膜层上，室温保存3 h即得软材料修饰丝网印刷电极。

图1为本实施例制备的离子液体-碳纳米管软材料（MWNTs-IL）与活化后的多壁碳纳米管（MWCNTs）的拉曼光谱图。从图1可以看出，MWNTs-IL中多壁碳纳米管的G带(~1567 cm^-1；C-C键的切向伸缩振动)和D带(~1330 cm^-1；不规则碳)的G/D比例为1.1，而活化后的MWCNTs中的G/D比例为1.0，表明离子液体成功分散并修饰了多壁碳纳米管，有效移除了碳质杂质。

实施例2：软材料修饰丝网印刷电极的电化学实验

采用电化学方法将实施例1制得的离子液体-碳纳米管软材料修饰丝网印刷电极（MWNTs-IL/SPCE）用于检测双酚A，其具体步骤如下：

在室温（25 °C）下，将软材料修饰的丝网印刷电极插入4 mL磷酸盐缓冲溶液（PBS，0.1 mol/L，pH=7）中，采用循环伏安法以0~0.8 V的电位扫描30圈，直至循环伏安曲线稳定；然后加入一定量的双酚A溶液，磁力搅拌富集140 s，富集后溶液静置2 s，在0~0.8 V电位区间内采取循环伏安法记录响应信号；以未修饰的丝网印刷电极（SPCE）作为对照，在相同条件下进行检测。另采用方波伏安法记录软材料修饰的丝网印刷电极对浓度依次为0，0.09，0.5，3.0，5.0，9.0，10.0 μmol/L的双酚A的响应信号。每次测定完毕后，用PBS缓冲溶液（0.1 mol/L，pH=7）冲洗电极表面，以去除附着在电极表面的电化学反应产物。

图2为10 μM 双酚A在未修饰丝网印刷电极（a）和本实施例软材料修饰的丝网印刷电极（b）上的循环伏安图。从图2中可以看出，修饰后的丝网印刷电极对双酚A具有明显的电化学氧化响应增敏效果。通过电极修饰层中凝胶软材料优异的萃取吸附性能，以及咪唑类离子液体与MWCNTs复合后优异的特性，协同增加了电极的有效表面积，促进了电极界面电子传递，对双酚A表现出良好的富集与电催化作用。

图3为用本实施例软材料修饰的丝网印刷电极检测不同浓度双酚A的方波伏安图。图4为采用方波伏安法测定时双酚A氧化峰电流与浓度的线性关系。从图3、图4可见，氧化峰电流i随着双酚A浓度的加大呈线性增加，线性浓度范围在9.0×10^-8～1.0×10^-5 mol L^-1，达到三个数量级。

采用软材料修饰的丝网印刷电极对5.0×10^-8 mol L^-1的双酚A标准溶液进行方波伏安法平行测定，测得空白标准偏差σ为0.016（n=6），根据三倍信噪比方法测得方法检测限为3.7×10^-8 mol/L（S/N=3；相当于8.4 μg/kg）。将该电极重复使用10次测定的日内相对标准偏差（RSD）在2.10%；另制备六个电极平行测定的批间重现性（RSD）为4.03％；室温下可以长期保存（至少两个月），显示出良好的稳定性和重现性。

实施例3：软材料修饰的丝网印刷电极用于实际样品中双酚A的检测

采用实施例1制备的软材料修饰的丝网印刷电极，分别对自来水和塑料容器进行检测，并将测定结果与采用高效液相色谱法（依据商检标准SNT 2282-2009）得到的结果进行对比，具体样品预处理与测定步骤如下：

1. 自来水：取市政自来水（福州市闽侯大学城），用0.22μm的滤膜过滤后直接用于分析。以修饰后的丝网印刷电极为三电极系统，采用实施例2的循环伏安法与条件先将电极进行活化处理；再在10 mL电解池中，移取入适量自来水样品或者自来水加标样品（最终含0.228 mg/kg或2.054 mg/kg双酚A），用0.1 mol/L磷酸盐缓冲溶液调节pH 为7.0；然后插入活化后的丝网印刷修饰电极进行搅拌富集后，采取方波伏安法阳极化扫描，测定相应的氧化峰电流值，标准曲线法定量并分别测定回收率。

2. 塑料容器（PC材料）：将PC材质塑料水杯（购自福州闽侯某大型超市，n=3）洗净烘干，然后剪碎；称取2.0 g塑料水杯碎片浸泡在200 mL甲醇溶液中超声2小时，取出浸泡液旋蒸至干，用0.1 mol/L磷酸盐缓冲溶液（pH 7.0）溶解后得到待测样品溶液。移取适量待测样品溶液或者其加标样品（含0.228 mg/kg或2.054 mg/kg 双酚A），采用活化后的丝网印刷修饰电极进行搅拌富集与方波伏安法阳极化扫描，测定相应的氧化峰电流值，标准曲线法定量并分别测定回收率。

高效液相色谱（HPLC）对照实验的样品预处理方法同上。HPLC实验条件：固定相：AT LiCHROM C18柱（填充粒径5 μm，柱长20 cm）；等度洗脱模式；流动相：80%甲醇-20%水，流动相流速：1 mL/min；紫外检测器，λ_max=280 nm。

实验结果见表1。

表1 双酚A在水样及塑料容器中的回收率实验（n=3）

由表1可见，本实验采集的市政自来水样品中未测出双酚A残留，PC材质的塑料水杯浸泡液中双酚A检出量在0.064 mg/kg左右。采用修饰后的丝网印刷电极进行实际样品分析，与高效液相色谱法测定双酚A的含量较一致，不存在显著差异，其测定的回收率在79%～105％之间，RSD小于4%，准确度和重现性好；且样品无需复杂预处理，操作简便、快速（检测时间小于2.5 min），线性范围宽、检测限较低，使用成本低廉，应用前景广阔。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围 。

Claims (8)

1. 一种软材料修饰的丝网印刷电极，包括工作电极、参比电极和对电极三个区域，其特征在于：丝网印刷电极的工作电极区域包括碳基底层、碳纳米管修饰层和软材料修饰层；

所述软材料修饰层是由离子液体-碳纳米管软材料形成的复合膜层。

2. 根据权利要求1所述软材料修饰的丝网印刷电极，其特征在于：所述碳纳米管为多壁碳纳米管；所述离子液体-碳纳米管软材料为稳定的凝胶态，其涂覆量控制在0.014-0.028 mg/mm²。

3. 一种制备如权利要求1所述丝网印刷电极的方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）将活化后的碳纳米管分散在乙醇和二次水的混合溶剂中得到碳纳米管分散液；

2）将活化后的碳纳米管和离子液体充分研磨制得离子液体-碳纳米管软材料；

3）将步骤1）制得的碳纳米管分散液滴涂在丝网印刷电极工作电极区域的碳基底层上，室温干燥成膜，制得碳纳米管修饰的印刷电极膜层；

4）将步骤2）制得的离子液体-碳纳米管软材料涂覆在步骤3）制得的碳纳米管修饰的丝网印刷电极膜层上，室温保存，即得离子液体-碳纳米管软材料修饰丝网印刷电极。

4. 根据权利要求3所述丝网印刷电极的制备方法，其特征在于：所述碳纳米管的活化方法为：将碳纳米管溶于活化溶液中，超声5 h后，8000 rpm离心5 min，去除上清液后加入二次水洗涤直至pH为7，60 ^°C真空干燥后研磨待用；

所述活化溶液为体积比为1:3的HNO₃-H₂SO₄混合酸溶液。

5. 根据权利要求3所述丝网印刷电极的制备方法，其特征在于：所述碳纳米管分散液的具体制备方法为：将活化后的碳纳米管加入到乙醇和二次水的混合溶剂中，超声分散20 min，得到浓度为1 mg/mL的碳纳米管分散液；所述混合溶剂中乙醇和二次水的体积比为1:1。

6. 根据权利要求3所述丝网印刷电极的制备方法，其特征在于：所述离子液体-碳纳米管软材料的具体制备方法为：将活化后的碳纳米管分散在疏水性离子液体中，使碳纳米管维持临界成胶浓度，经研钵充分研磨直至形成均相的凝胶态即得；

所述疏水性离子液体为疏水性咪唑类离子液体。

7. 根据权利要求3所述丝网印刷电极的制备方法，其特征在于：步骤3）中碳纳米管分散液的滴涂量为3 μL。

8. 一种如权利要求1所述软材料修饰的丝网印刷电极的应用，其特征在于：用于水体或食品包装材料中双酚A含量的快速检测。