CN106290512A - 修饰电极及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种修饰电极，包括玻碳电极和修饰层，所述修饰层为壳聚糖分散的氮掺杂多孔碳和原位生长石墨烯材料制成，所述修饰层包覆在所述玻碳电极上；及其制备方法和应用。这种壳聚糖分散氮掺杂混合碳材料合成简单方便，对环境污染小，分散性好。并且本测定方法线性范围较宽，吸附量大，选择性好，灵敏度较高。

Description

修饰电极及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及电化学分析技术领域，尤其是一种修饰电极，及其制备方法和在检测胭脂红、日落黄、柠檬黄方面的应用。
背景技术
胭脂红、日落黄、柠檬黄是一种人工合成偶氮类色素，广泛存在于果汁饮料、碳酸饮料、配制酒、糖果、糕点等食品中。敏感人群若体内含有阿司匹林、安息香酸等药物时，这种合成色素摄入体内会引发过敏、哮喘等疾病。若摄入量过多，更是会导致儿童多动症、运动神经毒性、生殖毒性、甚至诱发癌症。因此，为了食品安全以及身体健康，准确的检测胭脂红、日落黄、柠檬黄的含量的研究具有极其重要意义。
目前已经有多种技术测定胭脂红、日落黄、柠檬黄的含量，如可见分光光度测定法、荧光发射光谱法、高效液相色谱法、高效液相色谱质谱联用以及电化学方法等，但存在仪器价格昂贵、操作复杂、电极材料难以制备、灵敏度不高、检测分析速度慢等缺点。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种修饰电极，结构新颖巧妙，具有很好的导电性、稳定性和选择性。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：一种修饰电极，包括玻碳电极和修饰层，所述修饰层为壳聚糖分散的氮掺杂多孔碳和原位生长石墨烯材料制成，所述修饰层包覆在所述玻碳电极上。
一种如上所述修饰电极的制备方法，包括以下步骤：
⑴、壳聚糖分散的氮掺杂多孔碳和原位生长石墨烯材料的制备：取1.25-1.50mg壳聚糖溶于5ml含1%乙酸溶液中，缓慢加入氮掺杂多孔碳和原位生长石墨烯2.5-3.0 mg，超声2h，得到0.5 mg/mL的壳聚糖分散的氮掺杂多孔碳和原位生长石墨烯材料；
⑵、电极的处理：将玻碳电极先用0.3µm的三氧化二铝悬浊液在打磨布上处理，再用0.05µm的三氧化二铝悬浊液在打磨布上抛光成镜面，最后用乙醇、二次水超声清洗，用高纯氮气吹干；
⑶、N-PC-G/CS修饰电极的制备：取5µL0.5mg/mL的N-PC-G/CS 分散液滴涂到打磨好的玻碳电极表面，空气中自然干燥。
一种如上所述修饰电极在测定胭脂红、日落黄、柠檬黄的含量的应用。
进一步地，该测定的具体方法包括以下步骤：
a. 用微量移液枪分别将一定量的胭脂红(PR)、日落黄(SY)、柠檬黄(TT)溶液准确移入含有4mL 0.1mol/L的硫酸溶液中，以权利要求2所述电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂电极为对电极；实验在CHI660B电化学工作站上进行，其附属的计算机软件供作实验数据的采集和处理；在0.1~1.0V电位范围内进行循环伏安扫描和差示脉冲扫描，记录稳定的循环伏安图和差示脉冲伏安图；
b. 以权利要求1所述的修饰电极为工作电极建立三电极体系，共同插入分别含有胭脂红、日落黄、柠檬黄的硫酸溶液中，随着浓度的增大，氧化峰电流增加，可得胭脂红、日落黄、柠檬黄线性关系曲线；同时按照相关灵敏度的测定原则，测定其三者的检出限；
测定PR、SY、TT的最佳条件为：支持电解质选用0.1mol/LH2SO4；差示脉冲法测得三种物质的浓度均在一定范围内与氧化峰电流呈良好的线性关系：
PR的线性范围为3.0×10-8-8.0×10-6mol/L，线性方程为Ipa1= 0.304-9.149c (μA, μM, R = 0.9928)，Ipa2= -10.753-1.1776c (μA, μM, R = 0.9995)检出限为1.10×10-8mol/L；
SY的线性范围为4.0×10-8-4.0×10-6mol/L，线性方程为Ipa1= 0.0007-4.203c (μA, μM, R = 0.9972)，Ipa2= 6.181-11.786c (μA, μM, R = 0.9976)检出限为1.70×10-8 mol/L；
TT的线性范围为5×10-8-1.5×10-5mol/L，线性方程为Ipa1= 0.0527-1.4443c (μA, μM, R = 0.9934)，Ipa2= -5.4897-0.721c (μA, μM, R = 0.9970)检出限为3.60×10-8 mol/L；
c. 结合上述线性方程，对未知浓度的PR、SY、TT的混合液样品进行测定，计算出各化合物的浓度；将未知浓度的PR、SY、TT的混合液样品加入电解池中，以步骤（2）所述电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂柱为对电极；实验在CHI660D电化学综合测试仪上进行，其附属的计算机软件供作实验数据的采集和处理；在0~1.0 V电位范围内进行差示脉冲扫描，在不同峰电位处分别测得不同的化合物的Ipa值；将所测得的Ipa值分别代入上述所得的线性方程中，计算得胭脂红、日落黄、柠檬黄各自浓度。
对于该修饰电极测定样品含量，检测物质在电极表面主要是一个吸附过程，并且有相应的出峰位置，而对于其他干扰物质无电流响应信号或者出峰位置与检测物质不一致，所以可用于检测胭脂红、日落黄、柠檬黄的含量。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：这种壳聚糖分散氮掺杂混合碳材料合成简单方便，对环境污染小，分散性好。并且本测定方法线性范围较宽，吸附量大，选择性好，灵敏度较高。
这种壳聚糖分散的氮掺杂混合碳材料分散性好，并未破坏氮掺杂多孔碳和原位生长石墨烯材料原有的结构，并且具有很好的导电性、稳定性和选择性，能分别测定胭脂红(PR)、日落黄(SY)、柠檬黄(TT)的含量。
附图说明
图1所示为本发明的氮掺杂多孔碳和原位生长石墨烯纳米材料的扫描电子显微镜图片。
图2所示为氮掺杂多孔碳和原位生长石墨烯纳米材料的透射电子显微镜图片。
图3所示为胭脂红(PR)在不同电极上的循环伏安图，其中，a为裸玻碳电极，b为壳聚糖修饰电极，c为壳聚糖功能化的多孔碳材料修饰电极，d为壳聚糖功能化的氮掺杂多孔碳材料修饰电极，e为壳聚糖功能化的氮掺杂多孔碳和石墨烯材料修饰电极，扫速为50mV/s。
图4所示为日落黄(SY)在不同电极上的循环伏安图。
图5所示为柠檬黄(TT)在不同电极上的循环伏安图。
图6所示为不同浓度下的胭脂红(PR)差示脉冲伏安图。
图7所示为不同浓度下的日落黄(SY)差示脉冲伏安图。
图8所示为不同浓度下的柠檬黄(TT)差示脉冲伏安图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为市售。
本发明的氮掺杂多孔碳和原位生长石墨烯材料可采用现有技术，如：N-DopedGraphene Natively Grown on Hierarchical Ordered Porous Carbon for EnhancedOxygen Reduction Adv. Mater. 2013, 25, 6226–6231.
一种修饰电极，包括玻碳电极和修饰层，所述修饰层为壳聚糖分散的氮掺杂多孔碳和原位生长石墨烯材料制成，所述修饰层包覆在所述玻碳电极上。
上述修饰电极的制备方法，包括：
(1)取1.25mg壳聚糖溶于5ml含1%乙酸溶液中，缓慢加入氮掺杂多孔碳和原位生长石墨烯2.5 mg，超声2h，得到0.5 mg/mL的壳聚糖分散的氮掺杂多孔碳和原位生长石墨烯材料。
(2)取5µL0.5mg/mL的N-PC-G/CS分散液滴涂到打磨好的玻碳电极表面，空气中自然干燥
（一）实验所使用的仪器和试剂：
实验过程中使用的水均为二次蒸馏水（简称二次水），实验所用的试剂均为分析纯。
仪器：型号为CHI660B电化学分析仪（上海辰华仪器公司）用于安培时间-电流曲线和循环伏安实验；石英管加热式自动双重纯水蒸馏器（SZ-93，上海亚荣生化仪器厂）用于制备二次蒸馏水；电子天平（上海良平仪器仪表有限公司）用于称量药品；SK-G05123K管式炉（天津中环测试电炉有限公司）用于氮掺杂多孔碳和原位生长石墨烯的制备；超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）；JSM-6701F 扫描电子显微镜（SEM，日本）和FEI-Tecnai G2TF20透射电子显微镜（TEM, 美国）用于形貌表征；三氧化二铝打磨粉（0.30μm, 0.05μm，上海辰华仪器试剂公司）用于处理玻碳电极（GCE）；银氯化银电极（Ag/AgCl-6.0，武汉高仕睿联科技有限公司）为参比电极；铂柱为对电极。
试剂：壳聚糖（上海晶纯试剂有限公司），胭脂红、日落黄、柠檬黄（西格玛奥尔德里奇精细化工产品 sigma），高纯氮气（纯度为99.99%, O2≤0.01%）。
（二）一种基于N-PC-G/CS/GCE的传感器，其制备和检测胭脂红、日落黄、柠檬黄的包括以下的步骤：
实施例1
本发明检测胭脂红、日落黄、柠檬黄修饰电极的制备，其具体步骤为：
(1) 氮掺杂多孔碳和原位生长石墨烯材料的制备：用双模版法氮掺杂多孔碳和原位生长石墨烯，其中用聚苯乙烯微球，三嵌段高分子表面活性剂(F127)和酚醛树脂分别作为硬模版、软模板和碳前驱体。F127和酚醛树脂通过有机自组装的过程在聚苯乙烯微球的孔隙中形成二维的介孔结构，随后酚醛树脂经过热交联的过程进一步固化并且用丙酮和环己烷的混合液洗去剩余的聚苯乙烯微球得到多孔酚醛树脂。然后与三聚氰胺与石墨化的氮化碳混合研磨，加热到900℃制备出氮掺杂多孔碳和原位生长石墨烯材料。
(2) 壳聚糖功能化的氮掺杂多孔碳和原位生长石墨烯材料的制备：取1.25mg壳聚糖溶于5ml含1%乙酸溶液中，缓慢加入氮掺杂多孔碳和原位生长石墨烯2.5 mg，超声2h，得到0.5 mg/mL的壳聚糖分散的氮掺杂多孔碳和原位生长石墨烯材料。
(3) 电极的处理：将玻碳电极先用0.3 µm的三氧化二铝悬浊液在打磨布上处理，再用0.05µm的三氧化二铝悬浊液在打磨布上抛光成镜面，最后用乙醇、二次水超声清洗，用高纯氮气吹干。
(4) N-PC-G/CS修饰电极（N-PC-G/CS/GCE）的制备：取5µL0.5mg/mL的N-PC-G/CS分散液滴涂到打磨好的玻碳电极表面，空气中自然干燥。
实施例2
本发明对检测胭脂红、日落黄、柠檬黄的修饰电极的性能测试：
（1）不同修饰电极检测亚硝酸钠对比：
a. 用微量移液枪分别将一定量的胭脂红(PR)、日落黄(SY)、柠檬黄(TT)溶液准确移入含有4mL 0.1mol的硫酸溶液中，以权利要求2所述电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂电极为对电极；实验在CHI660B电化学工作站上进行，其附属的计算机软件供作实验数据的采集和处理；在0.1~1.0V电位范围内进行循环伏安扫描和差示脉冲扫描，记录稳定的循环伏安图和差示脉冲伏安图；
b. 以壳聚糖功能化的氮掺杂多孔碳和原位生长石墨烯材料的修饰电极为工作电极建立三电极体系，共同插入分别含有胭脂红、日落黄、柠檬黄的硫酸溶液中，随着浓度的增大，氧化峰电流增加，可得胭脂红、日落黄、柠檬黄线性关系曲线；同时按照相关灵敏度的测定原则，测定其三者的检出限；
测定PR、SY、TT的最佳条件为：支持电解质选用0.1mol/LH2SO4；差示脉冲法测得三种物质的浓度均在一定范围内与氧化峰电流呈良好的线性关系：
PR的线性范围为3.0×10-8-8.0×10-6mol/L，线性方程为Ipa1= 0.304-9.149c (μA, μM, R = 0.9928)，Ipa2= -10.753-1.1776c (μA, μM, R = 0.9995)检出限为1.10×10-8mol/L；
SY的线性范围为4.0×10-8-4.0×10-6mol/L，线性方程为Ipa1= 0.0007-4.203c (μA, μM, R = 0.9972)，Ipa2= 6.181-11.786c (μA, μM, R = 0.9976)检出限为1.70×10-8 mol/L；
TT的线性范围为5×10-8-1.5×10-5mol/L，线性方程为Ipa1= 0.0527-1.4443c (μA, μM, R = 0.9934)，Ipa2= -5.4897-0.721c (μA, μM, R = 0.9970)检出限为3.60×10-8 mol/L；
c. 结合上述线性方程，对未知浓度的PR、SY、TT的混合液样品进行测定，计算出各化合物的浓度；将未知浓度的PR、SY、TT的混合液样品加入电解池中，以步骤（2）所述电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂柱为对电极；实验在CHI660D电化学综合测试仪上进行，其附属的计算机软件供作实验数据的采集和处理；在0~1.0 V电位范围内进行差示脉冲扫描，在不同峰电位处分别测得不同的化合物的Ipa值；将所测得的Ipa值分别代入上述所得的线性方程中，计算得胭脂红、日落黄、柠檬黄各自浓度。测定结果如表1所示，加标回收率在95%-105%之间，相对标准偏差(RSD, n=3)低至4%。
表1
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种修饰电极，其特征在于：包括玻碳电极和修饰层，所述修饰层为壳聚糖分散的氮掺杂多孔碳和原位生长石墨烯材料制成，所述修饰层包覆在所述玻碳电极上。
2.一种如权利要求1所述修饰电极的制备方法，包括以下步骤：
⑴、壳聚糖分散的氮掺杂多孔碳和原位生长石墨烯材料的制备：取1.25-1.50mg壳聚糖溶于5ml含1%乙酸溶液中，缓慢加入氮掺杂多孔碳和原位生长石墨烯2.5-3.0 mg，超声2h，得到0.5 mg/mL的壳聚糖分散的氮掺杂多孔碳和原位生长石墨烯材料；
⑵、电极的处理：将玻碳电极先用0.3µm的三氧化二铝悬浊液在打磨布上处理，再用0.05µm的三氧化二铝悬浊液在打磨布上抛光成镜面，最后用乙醇、二次水超声清洗，用高纯氮气吹干；
⑶、N-PC-G/CS修饰电极的制备：取5µL0.5mg/mL的N-PC-G/CS 分散液滴涂到打磨好的玻碳电极表面，空气中自然干燥。
3.一种如权利要求1所述修饰电极在测定胭脂红、日落黄、柠檬黄的含量的应用。
4.如权利要求3所述应用，其特征在于：该测定的具体方法包括以下步骤：
a. 用微量移液枪分别将一定量的胭脂红(PR)、日落黄(SY)、柠檬黄(TT)溶液准确移入含有4mL 0.1mol/L的硫酸溶液中，以权利要求2所述电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂电极为对电极；实验在CHI660B电化学工作站上进行，其附属的计算机软件供作实验数据的采集和处理；在0.1~1.0V电位范围内进行循环伏安扫描和差示脉冲扫描，记录稳定的循环伏安图和差示脉冲伏安图；
b. 以权利要求1所述的修饰电极为工作电极建立三电极体系，共同插入分别含有胭脂红、日落黄、柠檬黄的硫酸溶液中，随着浓度的增大，氧化峰电流增加，可得胭脂红、日落黄、柠檬黄线性关系曲线；同时按照相关灵敏度的测定原则，测定其三者的检出限；
测定PR、SY、TT的最佳条件为：支持电解质选用0.1mol/LH2SO4；差示脉冲法测得三种物质的浓度均在一定范围内与氧化峰电流呈良好的线性关系：
PR的线性范围为3.0×10-8-8.0×10-6mol/L，线性方程为Ipa1= 0.304-9.149c (μA, μM,R = 0.9928)，Ipa2= -10.753-1.1776c (μA, μM, R = 0.9995)检出限为1.10×10-8 mol/L；
SY的线性范围为4.0×10-8-4.0×10-6mol/L，线性方程为Ipa1= 0.0007-4.203c (μA, μM, R = 0.9972)，Ipa2= 6.181-11.786c (μA, μM, R = 0.9976)检出限为1.70×10-8 mol/L；
TT的线性范围为5×10-8-1.5×10-5mol/L，线性方程为Ipa1= 0.0527-1.4443c (μA, μM,R = 0.9934)，Ipa2= -5.4897-0.721c (μA, μM, R = 0.9970)检出限为3.60×10-8 mol/L；
c. 结合上述线性方程，对未知浓度的PR、SY、TT的混合液样品进行测定，计算出各化合物的浓度；将未知浓度的PR、SY、TT的混合液样品加入电解池中，以步骤（2）所述电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂柱为对电极；实验在CHI660D电化学综合测试仪上进行，其附属的计算机软件供作实验数据的采集和处理；在0~1.0 V电位范围内进行差示脉冲扫描，在不同峰电位处分别测得不同的化合物的Ipa值；将所测得的Ipa值分别代入上述所得的线性方程中，计算得胭脂红、日落黄、柠檬黄各自浓度。
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