CN106353382A - 用于测量5’‑鸟苷酸二钠浓度的复合材料修饰电极及应用 - Google Patents

用于测量5’‑鸟苷酸二钠浓度的复合材料修饰电极及应用 Download PDF

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张伟林
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Abstract

本发明公开了一种用于测量5’‑鸟苷酸二钠浓度的复合材料修饰电极及应用，本发明首先通过电化学沉积法制备了贵金属纳米粒子修饰电极，然后采用滴涂法将超声分散均匀的碳纳米材料悬浊液负载在贵金属纳米粒子修饰电极表面制备了贵金属/碳纳米复合材料修饰电极。本发明对5’‑鸟苷酸二钠表现出优异的电催化活性，具有灵敏度高、稳定性好等特点，同时，该电极制备过程方便易行，检测过程简单高效。

Description

用于测量5’-鸟苷酸二钠浓度的复合材料修饰电极及应用
技术领域
本发明属于食品分析检测技术领域，具体涉及到一种用于5’-鸟苷酸二钠浓度测定的复合材料修饰电极及其应用。
背景技术
食物风味多种多样，除甜味、苦味、咸味和酸味这四大基本味觉外，还有第五种基本味-鲜味。鲜味是许多食品中常见的一种风味，鲜味剂对蔬菜、肉、禽、乳类、水产类乃至酒类都起着良好的增味作用。5’-鸟苷酸二钠(5’-GMP)是一种常见的鲜味核苷酸，常作为食品添加剂的成分，与谷氨酸钠合用具有很强的协同作用。
目前，5’-GMP的传统检测方法主要有紫外分光光度法、毛细管电泳法、离子交换色谱法和离子对反向高效液相色谱法等，但这些方法要么准确度不高，要么检测成本高、步骤繁琐。电化学方法同样可以用来检测5’-GMP，并且因操作简便、选择性好、灵敏度高等优点而备受人们青睐，研究大多集中与碳糊电极和玻碳电极，但碳糊电极总会出现重复性较差、制作繁琐等缺点，玻碳电极的研究也多局限于单一的修饰材料，因此很有必要制备一种新的稳定的复合材料修饰电极。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于测量5’-鸟苷酸二钠浓度的复合材料修饰电极及应用，本发明能够快速灵敏实现5’-鸟苷酸二钠的浓度测定，且操作简便、响应灵敏，具有广阔的应用价值。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于测量5’-鸟苷酸二钠浓度的复合材料修饰电极，该复合材料修饰电极通过以下方法制备得到：
(1)在麂皮上依次使用第一抛光液和第二抛光液将玻碳电极打磨至镜面，第一抛光液由粒径为300nm的α-Al2O3抛光粉与去离子水按质量体积比(mg/ml)1:1-3混合均匀制得，第二抛光液由粒径为50nm的α-Al2O3抛光粉与去离子水按质量体积比(mg/ml)1:1-3混合均匀制得，之后依次应用无水乙醇和去离子水超声洗涤电极1～2min；然后再将清洗过的玻碳电极置于浓度为0.4～0.8mol/L的稀硫酸溶液中应用循环伏安法活化，直至响应稳定；最后用去离子水将玻碳电极冲洗干净，并晾干备用。
(2)将步骤(1)预处理后的玻碳电极置于贵金属盐溶液中，贵金属盐溶液选自硝酸银溶液、氯铂酸溶液、氯金酸溶液和氯化钯溶液，贵金属盐溶液浓度为1～2mmol/L，溶剂为去离子水；采用电流时间法进行恒电位沉积，制得贵金属纳米粒子修饰电极，电流时间法沉积电位为-0.3～-0.1V，沉积时间为200～300s。
(3)将碳纳米材料加入到分散液中，碳纳米材料选自碳纳米管、碳纳米球、石墨烯和富勒烯，分散液选自二甲基甲酰胺(DMF)、十二烷基硫酸钠(SDS)、乙醇和丙酮，碳纳米材料与分散液的质量体积比(mg/ml)为1-6:2；超声40～60min，得到分散混合均匀的悬浮液，将悬浮液滴涂在步骤(2)制备的贵金属纳米粒子修饰电极表面，碳纳米材料悬浮液滴涂量为8～14μL；在红外灯下10～15cm处烤60～90min，即得贵金属/碳纳米复合材料修饰电极。
一种上述复合材料修饰电极在测量5’-鸟苷酸二钠浓度中的应用。所述应用具体为：将贵金属/碳纳米复合材料修饰电极作为工作电极、银电极或氯化银电极作为参比电极、铂柱电极作为辅助电极构成三电极系统，置于含有5’-鸟苷酸二钠的待测缓冲液中，缓冲液选自磷酸盐水溶液或醋酸盐水溶液，磷酸盐水溶液和醋酸盐水溶液的浓度为0.1～0.2mol/L，并用氢氧化钠水溶液或稀硫酸微调pH值至2.5～4，5’-鸟苷酸二钠先通过电化学富集，富集电位为0.3～0.8V，富集时间为200～400s；然后应用线性扫描伏安法测定该待测缓冲液的氧化峰峰电流，低电位为0.5～0.7V，高电位为1.4～1.6V，扫描速度为60～180mV/s；将该氧化峰峰电流值代入公式i＝0.6921c+2.0290，得到鸟苷酸二钠溶液的浓度，其中浓度c的单位是μmol/L，峰电流i的单位是μA。
本发明的有益效果是，本发明用于5’-GMP测定的贵金属/碳纳米复合材料修饰电极比单一碳纳米材料修饰电极效果更好。贵金属纳米材料具有增强电极导电性、催化性和生物相容性等优点；碳纳米材料不仅催化性能优异，而且其导电性能够大大加快电极电子转移速率。因此该修饰电极对5’-GMP表现出了更好的催化效果，不仅显著提高了响应电流信号，而且增强了电极稳定性和重复性等性能，实现了对5’-GMP浓度便捷高效的测定。
附图说明
图1为SMWCNT/GCE的扫描电镜图；
图2为Au/SMWCNT/GCE的扫描电镜图；
图3为GCE(a)和Au/SMWCNT/GCE(b)在5mmol/L[Fe(CN)6]3-/4-(含0.1mol/L KCl)溶液中的电化学阻抗谱图；
图4为不同电极在100μmol/L 5’-GMP溶液中循环伏安法检测效果对比图；
图5为Au/PABSA/GCE电极在pH为2～9时对5’-GMP检测的循环伏安对比图；
图6为Au/PABSA/GCE电极上5’-GMP氧化峰峰电流与pH值的关系；
图7为Au/PABSA/GCE电极在扫描速度为20～380mV/s时对5’-GMP检测的循环伏安扫描图；
图8为Au/PABSA/GCE电极在5’-GMP浓度为1×10-5～6×10-4mol/L范围时的线性扫描伏安图；
图9为Au/PABSA/GCE电极上5’-GMP氧化峰峰电流与其浓度关系标准曲线。
具体实施方式
碳纳米材料是指分散相尺度至少有一维小于100nm的碳材料，具有许多异常的力学、电学和化学性能。碳纳米材料自身对5’-GMP具有优异的催化活性。经研究发现，贵金属纳米材料比表面积大、导电性能优良，对很多电活性物质具有较强的催化活性。贵金属纳米材料的加入可以进一步增大响应电流值。为充分发挥上述两种材料的优势，发明人制备了一种新的用于5’-GMP检测的贵金属/碳纳米复合材料修饰电极，发现其催化性能要优于碳纳米材料单独对电极修饰时的性能。
下面的实施实例可以使本专业普通技术人员更全面地理解本发明，但是本发明并不局限于此。
实施例1
制备用于5’-鸟苷酸二钠浓度测定的金纳米/羧基化多壁碳纳米管复合材料修饰电极(Au/PABSA/GCE)，包括以下步骤：
(1)玻碳电极预处理：在麂皮上依次使用粒径为300nm和50nmα-Al2O3抛光粉的糊状抛光液将玻碳电极打磨至镜面，糊状抛光液中抛光粉与去离子水的质量体积比(mg/ml)为1:1-3，之后依次应用无水乙醇和去离子水中超声洗涤电极1min，然后再将清洗过的玻碳电极置于0.5mol/L稀硫酸溶液中，在-0.5～1.2V电位区间以100mV/s的扫速进行循环伏安活化，直至响应稳定，最后用去离子水将玻碳电极冲洗干净，并晾干备用。
(2)在对玻碳电极修饰之前，电极需在1mmol/L K3[Fe(CN)6]溶液中(含0.1mol/LKCl)进行循环伏安扫描以验证电极可逆性，其中循环电位区间设为-0.2～0.8V，扫速设为60mV/s。如果[Fe(CN)6]3-/4-在GCE上的氧化还原反应峰电位差△Ep约为64mV,说明电极表面已达到清洁和活化的要求，去离子水冲洗电极晾干备用。
(3)预处理后的玻碳电极置于1.2mmol/L氯金酸(含有0.1mol/L硝酸钾)溶液中，采用电流时间法进行恒电位沉积。在-0.2V恒电位下沉积240s，制得金纳米修饰电极(Au/GCE)。
(4)将5mg SMWCNT加入5mL DMF分散剂中，超声50min，得到分散混合均匀的黑色悬浮液，并取10μL滴涂在Au/GCE修饰电极表面，红外灯下12cm烤70min晾干即得Au/SMWCNT/GCE复合材料修饰电极。
步骤(3)中通过固定10μL碳纳米管悬浮液滴涂量，在60～420s纳米金恒电位沉积时间中优化出最佳沉积时间为240s；步骤(4)中通过固定240s纳米金恒电位沉积时间，在5～20μL碳纳米管悬浮液滴涂量中优化出最佳滴涂量为10μL。优化过程在100μmol/L 5’-GMP磷酸盐缓冲液中进行。
图1和图2分别为SMWCNT/GCE和Au/SMWCNT/GCE电极的扫描电镜图。可以看到在图1中，碳纳米管成功地沉积在GCE表面，而在图2中，明显观察到有纳米金颗粒掺杂在碳纳米管中。
图3为GCE(a)和Au/SMWCNT/GCE(b)在5mmol/L[Fe(CN)6]3-/4-(含0.1mol/L KCl)溶液中的电化学阻抗谱图。频率范围设置为0.1～106Hz，其中Nyquist图谱高频部分半圆直径反应电荷传递电阻Rct的大小，由曲线b得[Fe(CN)6]3-/4-在Au/SMWCNT/GCE只有35Ω的电荷交换电阻，通过对比曲线a，说明复合材料修饰电极比裸电极具有更好的导电性，同时也表明修饰材料已成功地固定在电极表面。
图4为不同电极在100μmol/L 5’-GMP磷酸盐缓冲液中循环伏安法检测效果对比图。其中，GCE和Au/GCE电极响应电流均比较微弱，并且对5’-GMP没有催化作用，SMWCNT/GCE和Au/SMWCNT/GCE不仅响应电流明显增大，而且均出现了5’-GMP的氧化峰。通过对比SMWCNT/GCE和Au/SMWCNT/GCE的氧化峰大小，表明Au/SMWCNT/GCE对5’-GMP氧化催化性能更加优异。
如图5所示，循环伏安法优化Au/SMWCNT/GCE检测5’-GMP时的pH值，图6清晰地表明5’-GMP氧化峰电流值和溶液pH的关系。实验在含100μmol/L 5’-GMP且pH为2～9的磷酸盐缓冲液进行，通过对比不同pH时的氧化峰大小，选取pH＝3时作为5’-GMP检测时的最佳pH值。
如图7所示，循环伏安法优化Au/SMWCNT/GCE检测5’-GMP时的扫描速度。实验在20～380mV/s扫速下进行，考虑到检测时间不能太长、峰形稳定、电极消耗等因素，选自100mV/s作为检测时的最佳扫描速度。
循环伏安法优化Au/SMWCNT/GCE检测5’-GMP时的富集电位和富集时间。通过比较0～0.8V富集电位区间内5’-GMP氧化峰峰电流和峰形，得到0.6V作为最佳富集电位；通过比较0～420s富集时间区间内5’-GMP氧化峰峰电流大小，发现当时间大于330s后，峰电流基本不再变化甚至有所降低，故选自330s作为最佳富集时间。
在上述实验条件下，采用线性扫描伏安法在0.6～1.5V电位区间内对已知浓度梯度为1×10-5～6×10-4mol/L的5’-GMP溶液进行定量测定，实验结果如图8所示。在一定范围内，5’-GMP浓度越大，对应的氧化峰电流值就越大，通过一系列峰电流值与浓度的一一对应关系绘制出反映氧化峰峰电流与浓度关系的标准曲线，图9显示5’-GMP峰电流大小与其浓度表现出良好的线性关系，线性方程为i＝0.6921c+2.0290，其中浓度c的单位是μmol/L，峰电流i的单位是μA，线性相关系数R＝0.9987，检测限为1.5×10-6mol/L(S/N＝3)。
根据上述获得的线性方程，即可实现对未知浓度的5’-GMP溶液样品进行浓度测定。将未知浓度的50mL 5’-GMP溶液加入电解池中，三电极体系为基础，以本发明制备的修饰电极作为工作电极，银/氯化银电极为参比电极，铂柱电极为辅助电极。实验在CHI660E电化学工作站上进行，其附属的计算机软件进行实验参数设置和数据获取，在0.6～1.5V电位范围内以100mV/s扫速进行线性伏安扫描，将在5’-GMP溶液中获得的氧化峰峰电流i带入线性方程i＝0.6921c+2.0290，即可得到该5’-GMP溶液的浓度。
实施例2
制备用于5’-鸟苷酸二钠浓度测定的金纳米/羧基化多壁碳纳米管复合材料修饰电极(Au/PABSA/GCE)，包括以下步骤：
(1)玻碳电极预处理：在麂皮上依次使用粒径为300nm和50nmα-Al2O3的糊状抛光液将玻碳电极打磨至镜面，之后依次应用无水乙醇和去离子水中超声洗涤电极90s，然后再将清洗过的玻碳电极置于0.6mol/L稀硫酸溶液中，在-0.6～1.3V电位区间以120mV/s的扫速进行循环伏安活化，直至响应稳定，最后用去离子水将玻碳电极冲洗干净，并晾干备用。
(2)预处理后的玻碳电极置于1.5mmol/L氯金酸(含有0.05mol/L硝酸钾)溶液中，采用电流时间法进行恒电位沉积。在-0.15V恒电位下沉积280s，制得金纳米修饰电极(Au/GCE)。
(3)将5mg SMWCNT加入10mL DMF分散剂中，超声45min，得到分散混合均匀的黑色悬浮液，并取14μL滴涂在Au/GCE修饰电极表面，红外灯下10cm烤60min晾干即得Au/SMWCNT/GCE复合材料修饰电极。
用该实施例制备的复合材料修饰电极用实施例1所示的方法测量已知浓度的鸟苷酸二钠溶液的氧化峰峰电流，再将该氧化峰峰电流值代入公式i＝0.6921c+2.0290，得到的鸟苷酸二钠溶液的浓度与其实际浓度一致；且操作简便、响应灵敏。
实施例3
制备用于5’-鸟苷酸二钠浓度测定的金纳米/羧基化多壁碳纳米管复合材料修饰电极(Au/PABSA/GCE)，包括以下步骤：
(1)玻碳电极预处理：在麂皮上依次使用粒径为300nm和50nmα-Al2O3的糊状抛光液将玻碳电极打磨至镜面，之后依次应用无水乙醇和去离子水中超声洗涤电极2min，然后再将清洗过的玻碳电极置于0.7mol/L稀硫酸溶液中，在-0.6～1.5V电位区间以140mV/s的扫速进行循环伏安活化，直至响应稳定，最后用去离子水将玻碳电极冲洗干净，并晾干备用。
(2)预处理后的玻碳电极置于2mmol/L氯金酸(含有0.15mol/L硝酸钾)溶液中，采用电流时间法进行恒电位沉积。在-0.25V恒电位下沉积200s，制得金纳米修饰电极(Au/GCE)。
(3)将10mg SMWCNT加入5mL DMF分散剂中，超声45min，得到分散混合均匀的黑色悬浮液，并取8μL滴涂在Au/GCE修饰电极表面，红外灯下15cm处烤80min晾干即得Au/SMWCNT/GCE复合材料修饰电极。
用该实施例制备的复合材料修饰电极用实施例1所示的方法测量已知浓度的鸟苷酸二钠溶液的氧化峰峰电流，再将该氧化峰峰电流值代入公式i＝0.6921c+2.0290，得到的鸟苷酸二钠溶液的浓度与其实际浓度一致；且操作简便、响应灵敏。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于测量5’-鸟苷酸二钠浓度的复合材料修饰电极，其特征在于，该复合材料修饰电极通过以下方法制备得到：
(1)在麂皮上依次使用第一抛光液和第二抛光液将玻碳电极打磨至镜面，第一抛光液由粒径为300nm的α-Al2O3抛光粉与去离子水按质量体积比(mg/ml)1:1-3混合均匀制得，第二抛光液由粒径为50nm的α-Al2O3抛光粉与去离子水按质量体积比(mg/ml)1:1-3混合均匀制得，之后依次应用无水乙醇和去离子水超声洗涤电极1～2min；然后再将清洗过的玻碳电极置于浓度为0.4～0.8mol/L的稀硫酸溶液中应用循环伏安法活化，直至响应稳定；最后用去离子水将玻碳电极冲洗干净，并晾干备用。
(2)将步骤(1)预处理后的玻碳电极置于贵金属盐溶液中，贵金属盐溶液选自硝酸银溶液、氯铂酸溶液、氯金酸溶液和氯化钯溶液，贵金属盐溶液浓度为1～2mmol/L，溶剂为去离子水；采用电流时间法进行恒电位沉积，制得贵金属纳米粒子修饰电极，电流时间法沉积电位为-0.3～-0.1V，沉积时间为200～300s。
(3)将碳纳米材料加入到分散液中，碳纳米材料选自碳纳米管、碳纳米球、石墨烯和富勒烯，分散液选自二甲基甲酰胺(DMF)、十二烷基硫酸钠(SDS)、乙醇和丙酮，碳纳米材料与分散液的质量体积比(mg/ml)为1-6:2；超声40～60min，得到分散混合均匀的悬浮液，将悬浮液滴涂在步骤(2)制备的贵金属纳米粒子修饰电极表面，碳纳米材料悬浮液滴涂量为8～14μL；在红外灯下10～15cm处烤60～90min，即得贵金属/碳纳米复合材料修饰电极。
2.一种权利要求1所述复合材料修饰电极在测量5’-鸟苷酸二钠浓度中的应用。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，将贵金属/碳纳米复合材料修饰电极作为工作电极、银电极或氯化银电极作为参比电极、铂柱电极作为辅助电极构成三电极系统，置于含有5’-鸟苷酸二钠的待测缓冲液中，缓冲液选自磷酸盐水溶液或醋酸盐水溶液，磷酸盐水溶液和醋酸盐水溶液的浓度为0.1～0.2mol/L，并调pH值至2.5～4，5’-鸟苷酸二钠先通过电化学富集，富集电位为0.3～0.8V，富集时间为200～400s；然后应用线性扫描伏安法测定该待测缓冲液的氧化峰峰电流，低电位为0.5～0.7V，高电位为1.4～1.6V，扫描速度为60～180mV/s；将该氧化峰峰电流值代入公式i＝0.6921c+2.0290，得到鸟苷酸二钠溶液的浓度，其中浓度c的单位是μmol/L，峰电流i的单位是μA。
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