CN106483173A - 一种细菌纤维素石墨烯复合物修饰玻碳电极的制备方法及其在检测亚硝酸盐中的应用 - Google Patents

一种细菌纤维素石墨烯复合物修饰玻碳电极的制备方法及其在检测亚硝酸盐中的应用 Download PDF

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Abstract

一种细菌纤维素石墨烯复合物修饰玻碳电极的制备方法及其在检测亚硝酸盐中的应用，木粗杆菌在合适的固体培养基中培养；将培养好的木粗杆菌从固体培养基上取出适量放入液体培养基培养数天后上层白色固体物质即为细菌纤维素；将细菌纤维素取出后切块并用超纯水煮沸清洗残余培养基至块状物接近透明；超纯水继续清洗数次至溶液pH接近中性；细菌纤维素冷冻干燥备用；取适量细菌纤维素和石墨烯氧化物不同比例分散在一定体积比的超纯水/乙醇中溶液中超声分散即得不同比例的细菌纤维素石墨烯复合物混合液；取适量细菌纤维素纤维素石墨烯的混合液中，滴涂在清洁的玻碳电极表面；自然风干后作为工作电极与铂金丝及饱和甘汞电极组成三电极体系。

Description

一种细菌纤维素石墨烯复合物修饰玻碳电极的制备方法及其 在检测亚硝酸盐中的应用
技术领域
本发明涉及一种细菌纤维素石墨烯复合物修饰玻碳电极的制备方法和在检测水体中亚硝酸盐含量的应用方法，属于细菌纤维素石墨烯复合物修饰玻碳电极的制备技术领域，还属于检测水体中亚硝酸盐含量的方法技术。
背景技术
亚硝酸盐常用于肥料和食品加工行业，可通过食物转移到水中或人体内。研究表明：若过量摄入亚硝酸盐将对人体产生毒害作用严重时甚至可引起癌变。因此，对水中亚硝酸盐的实时检测是非常重要的。用于检测亚硝酸盐的方法有很多，其中电化学法操作简单，不需要持续添加化学试剂且灵敏度高，是检测亚硝酸根的常用方法之一。要想获得较宽的检测限和较高的灵敏度，电极和电极修饰材料的选择尤为重要。解决这一问题的办法之一就是选择高效经济的纳米复合材料修饰的玻碳电极。
碳质材料一直是常用的模板材料，如石墨烯、碳纳米管等。纤维素也属于碳质材料的一种，分为植物纤维素和动物纤维素，前者主要来自秸秆、棉花、木材中,后者多来源于细菌和一些海洋生物。细菌纤维素具有类似碳纳米管的结构，具有较大的比表面积，能作为纳米复合物模板材料，且细菌纤维素较其他碳质材料廉价。若能制备细菌纤维素的复合物电极修饰材料，不仅可以新型的电催化模板材料，还能实现亚硝酸盐的实时检测。
发明内容
本发明首要目的是提出一种方便检测的碳纳米管状秸秆纤维素-二硫化钼纳米复合物修饰玻碳电极的制备方法。
实现本发明目的的技术解决方案是：一种细菌纤维素石墨烯复合物修饰玻碳电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）分别称取10~30克D-葡萄糖、2~10克酵母粉、2~10克蛋白胨、1~2克柠檬酸、3~10克硫酸镁、1~5克氯化钠、2~5克磷酸一氢钠、0.2~1.0克磷酸钾及体积分数为1~5%的乙醇，配置成木醋杆菌培养基；
（2）将木醋杆菌静置培养2~5天后移入100~500毫升的木醋杆菌培养基中，25~30℃下继续培养，得到细菌纤维素膜；
（3）将步骤（2）得到的细菌纤维素膜切割成小块，得到小块的细菌纤维素；
（4）将步骤（3）得到的小块的细菌纤维素在超纯水中煮沸至培养基残余物基本去除；
（5）将经步骤（4）处理后的细菌纤维素在0.05~0.2摩尔/升的氢氧化钠溶液中煮沸2~5次；
（6）用超纯水清洗步骤（5）所得的细菌纤维素至pH接近中性即得透明状细菌纤维素；
（7）将步骤（6）所得的细菌纤维素冷冻干燥后称重备用；
（8）分别称取步骤（7）的所得的细菌纤维素和石墨烯氧化物；
（9）将步骤（8）称取的两种物质分散在超纯水/乙醇混合液中超声分散，即得不同比例的细菌纤维素石墨烯复合物混合液，将细菌纤维素石墨烯复合物混合液滴涂在清洁的玻碳电极表面，室温下干燥，得到细菌纤维素石墨烯复合物修饰玻碳电极。
步骤（1）中，培养液的体积为2~5升；
步骤（2）中，25~30℃下培养的天数为7~15天；
步骤（3）中，细菌纤维素的小块体积为1~5立方厘米；
步骤（4）中，煮沸时间为1~2小时；
步骤（5）中，煮沸时间为每次10~30分钟；
步骤（7）中，所述的冷冻干燥时间为24~48小时；
步骤（8）中，所称细菌纤维素和石墨烯氧化物的质量分别为0.5~2.0毫克和0.5~1.0毫克，石墨烯氧化物是用改进的hummer法制备的；
步骤（9）中，超纯水/乙醇混合液中超纯水与乙醇混合液的体积比为4:1~5:1，或超纯水与乙醇的体积比为3：1~6：1，并保持总体积在0.8~1.2毫升，超声时间为30~60分钟；滴涂的细菌纤维素石墨烯复合物混合液的体积为4~10微升。
一种细菌纤维素石墨烯复合物修饰玻碳电极在检测水体中亚硝酸盐含量的应用方法，其特征在于，检测的操作过程如下：
a)准备细菌纤维素石墨烯复合物修饰玻碳电极；
b)将步骤a) 中准备的细菌纤维素石墨烯复合物修饰玻碳电极与铂金丝及饱和甘汞电极组成三电极体系；
c)将步骤b)组成的三电极体系置于含有不同浓度亚硝酸根的硝酸溶液中，以循环伏安法确定细菌纤维素石墨烯复合物对亚硝酸根的催化性能；
d)将三电极体系放入置于磷酸缓冲溶液中，滴加入不同浓度亚硝酸钠溶液，以恒电位法分别测得不同浓度的亚硝酸钠溶液对应的响应电流值，并制得亚硝酸根浓度与响应电流的线性关系图；
e) 通过采用含有与步骤d)相同的亚硝酸根浓度的磷酸缓冲溶液制成的所述线性关系图，获得待测磷酸缓冲溶液中亚硝酸根离子的浓度值。
步骤c)中，循环伏安法的电位范围为-0.5~1.5伏特。
步骤d)中，恒电位法的电位范围为0.5~1.2 伏特。
相对于现有技术，本发明取得了以下有益效果：
（1）步骤（3）保持细菌纤维素的体积在1~5立方厘米，可以使得细菌纤维素得到充分的清洁，从而或得具有较高纯度和结构均一的纳米管状产物。
（2）步骤（9）的体积比为4:1~5:1，所得的细菌纤维素石墨烯氧化物才能具有优良的电化学性能，从而或得较宽的检测限。
本发明制得的细菌纤维素石墨烯复合物，具有优异的电催化水中亚硝酸盐的性能，且成本较低。在0.1 mol dm-3的磷酸缓冲溶液中，能够检测的亚硝酸根离子的浓度范围为0.5~4590 μmol dm-3。
综上所述，本发明涉及一种细菌纤维素纤维素石墨烯复合物制备及其应用。包括如下步骤：木粗杆菌在合适的固体培养基中培养一定时间；将培养好的木粗杆菌从固体培养基上取出适量放入液体培养基培养数天后上层白色固体物质即为细菌纤维素；将细菌纤维素取出后切块并用超纯水煮沸清洗残余培养基至块状物接近透明；继续使用一定浓度的氢氧化钠溶液煮沸清洗数次；超纯水继续清洗数次至溶液pH接近中性；所得细菌纤维素冷冻干燥备用；取适量细菌纤维素和石墨烯氧化物不同比例分散在一定体积比的超纯水/乙醇中溶液中超声分散即得不同比例的细菌纤维素石墨烯复合物混合液；取适量细菌纤维素纤维素石墨烯的混合液中，滴涂在清洁的玻碳电极表面；自然风干后作为工作电极与铂金丝及饱和甘汞电极组成三电极体系。结果证明细菌纤维素纤维素石墨烯复合物检测亚硝酸盐方便快速，灵敏度高，检测浓度范围宽。
附图说明
图1为本发明实施例1的细菌纤维素图片。
图2为本发明实施例2的细菌纤维素石墨烯复合物扫描电镜图。
图3为本发明实施例3的细菌纤维素石墨烯复合物在不含（实线）及含（虚线）亚硝酸根的磷酸缓冲溶液中的循环伏安图。
图4是本发明涉及的细菌纤维素石墨烯修饰电极的安培响应曲线。
图5是本发明涉及的亚硝酸根浓度与响应电流图。
具体实施方式
结合具体实施例进一步说明细菌纤维素石墨烯复合物的制备。
实施例1：
（1）分别称取10克D-葡萄糖，5克酵母粉，5克蛋白胨，1克柠檬酸，5克硫酸镁，2克氯化钠，3克磷酸一氢钠，0.5克磷酸钾及2%的乙醇（体积分数），配置成木醋杆菌培养基2升；
（2）将木醋杆菌静置培养2天后移入250毫升的液体培养基中，30℃下继续培养7天；
（3）将步骤（2）得到的细菌纤维素膜切割成1立方厘米的小块；
（4）将步骤（3）得到的细菌纤维素小块在超纯水中煮沸1.5小时至培养基残余物基本去除；
（5）步骤（4）得到的细菌纤维素在0.2摩尔/升的氢氧化钠溶液中煮沸3次，每次30分钟；
（6）用超纯水清洗步骤（5）所得的细菌纤维素至pH接近中性即得透明状细菌纤维素，如图1所示；
（7）将步骤（6）所得的细菌纤维素冷冻干燥48小时后称重备用；
（8）分别称取0.5毫克步骤（7）的所得的细菌纤维素和0.5毫克用改进的hummer法制备的石墨烯氧化物；
（9）将步骤（8）称取的两种物质分散在4：1的超纯水/乙醇混合液中超声分散即得质量比为1：1的细菌纤维素石墨烯复合物混合液。
实施例2：
（1）分别称取10克D-葡萄糖，5克酵母粉，5克蛋白胨，1克柠檬酸，5克硫酸镁，2克氯化钠，3克磷酸一氢钠，0.5克磷酸钾及2%的乙醇（体积分数），配置成木醋杆菌培养基2升；
（2）将木醋杆菌静置培养2天后移入250毫升的液体培养基中，28℃下继续培养7天；
（3）将步骤（2）得到的细菌纤维素膜切割成1立方厘米的小块；
（4）将步骤（3）得到的细菌纤维素小块在超纯水中煮沸2小时至培养基残余物基本去除；
（5）步骤（4）得到的细菌纤维素在0.1摩尔/升的氢氧化钠溶液中煮沸3次，每次30分钟；
（6）用超纯水清洗步骤（5）所得的细菌纤维素至pH接近中性即得透明状细菌纤维素；
（7）将步骤（6）所得的细菌纤维素冷冻干燥36小时后称重备用；
（8）分别称取0.5毫克步骤（7）的所得的细菌纤维素和0.5毫克用改进的hummer法制备的石墨烯氧化物；
（9）将步骤（8）称取的两种物质分散在4：1的超纯水/乙醇混合液中超声分散即得质量比为1：1的细菌纤维素石墨烯复合物混合液。
所得的细菌纤维素石墨烯复合物的形貌如图2扫描电镜图所示。
结合具体实施例进一步说明本发明中细菌纤维素石墨烯复合物电极催化水中亚硝酸根的方法。
实施例3
将实施例2制备的三电极体系放入置于不含及含有1、2、4 毫摩尔/升亚硝酸钠的0.1mol dm-3磷酸缓冲溶液中，以循环伏安法确定细菌纤维素石墨烯对亚硝酸盐的催化性能，其循环伏安图如图3所示。
图3为细菌纤维素石墨烯复合物修饰玻碳电极在不含及含有1、2 、4 毫摩尔/升亚硝酸钠的0.1毫摩尔/升磷酸缓冲溶液中循环伏安图。从图中可以看出：当该复合物修饰玻碳电极从磷酸缓冲溶液移入到含有亚硝酸钠的溶液后，在0.9 V附近出现了一个氧化峰，且随着亚硝酸根浓度的增加该峰的电流增加。这个结果表明：亚硝酸根在细菌纤维素石墨烯复合物修饰玻碳电极发生了还原反应，转变为了无毒的硝酸根离子。
结合具体实施例进一步说明本发明中细菌纤维素石墨烯复合物电极检测水中亚硝酸根的方法。
实施例4
将实施例2制备的三电极系统置于0.1摩尔/升磷酸缓冲溶液中，滴加0.05~10毫摩尔/升不等浓度的亚硝酸钠溶液，以恒电位法分别测得不同浓度的亚硝酸钠溶液对应的响应电流值，并制得亚硝酸根浓度与响应电流的线性关系图（图4）；
从图4中可以看出：细菌纤维素石墨烯复合物修饰玻碳电极对0.05毫摩尔/升的亚硝酸根都能产生响应。图5是对图4的亚硝酸浓度与响应电流做的图。从图中可以看出：在0.5 至4590 毫摩尔/升的范围内都保持良好的线性关系。

Claims (5)

1.一种细菌纤维素石墨烯复合物修饰玻碳电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）分别称取10~30克D-葡萄糖、2~10克酵母粉、2~10克蛋白胨、1~2克柠檬酸、3~10克硫酸镁、1~5克氯化钠、2~5克磷酸一氢钠、0.2~1.0克磷酸钾及体积分数为1~5%的乙醇，配置成木醋杆菌培养基；
（2）将木醋杆菌静置培养2~5天后移入100~500毫升的木醋杆菌培养基中，25~30℃下继续培养，得到细菌纤维素膜；
（3）将步骤（2）得到的细菌纤维素膜切割成小块，得到小块的细菌纤维素；
（4）将步骤（3）得到的小块的细菌纤维素在超纯水中煮沸至培养基残余物基本去除；
（5）将经步骤（4）处理后的细菌纤维素在0.05~0.2摩尔/升的氢氧化钠溶液中煮沸2~5次；
（6）用超纯水清洗步骤（5）所得的细菌纤维素至pH接近中性即得透明状细菌纤维素；
（7）将步骤（6）所得的细菌纤维素冷冻干燥后称重备用；
（8）分别称取步骤（7）的所得的细菌纤维素和石墨烯氧化物；
（9）将步骤（8）称取的两种物质分散在超纯水/乙醇混合液中超声分散，即得不同比例的细菌纤维素石墨烯复合物混合液，将细菌纤维素石墨烯复合物混合液滴涂在清洁的玻碳电极表面，室温下干燥，得到细菌纤维素石墨烯复合物修饰玻碳电极。
2.根据权利要求1所述的一种细菌纤维素石墨烯复合物修饰玻碳电极的制备方法，其特征在于，
步骤（1）中，培养液的体积为2~5升；
步骤（2）中，25~30℃下培养的天数为7~15天；
步骤（3）中，细菌纤维素的小块体积为1~5立方厘米；
步骤（4）中，煮沸时间为1~2小时；
步骤（5）中，煮沸时间为每次10~30分钟；
步骤（7）中，所述的冷冻干燥时间为24~48小时；
步骤（8）中，所称细菌纤维素和石墨烯氧化物的质量分别为0.5~2.0毫克和0.5~1.0毫克，石墨烯氧化物是用改进的hummer法制备的；
步骤（9）中，超纯水与乙醇的体积比为3：1~6：1，并保持总体积在0.8~1.2毫升，超声时间为30~60分钟；滴涂的细菌纤维素石墨烯复合物混合液的体积为4~10微升。
3.一种细菌纤维素石墨烯复合物修饰玻碳电极在检测亚硝酸盐中的应用，其特征在于，检测的操作过程如下：
a)准备细菌纤维素石墨烯复合物修饰玻碳电极；
b)将步骤a) 中准备的细菌纤维素石墨烯复合物修饰玻碳电极与铂金丝及饱和甘汞电极组成三电极体系；
c)将步骤b)组成的三电极体系置于含有不同浓度亚硝酸根的硝酸溶液中，以循环伏安法确定细菌纤维素石墨烯复合物对亚硝酸根的催化性能；
d)将三电极体系放入置于磷酸缓冲溶液中，滴加入不同浓度亚硝酸钠溶液，以恒电位法分别测得不同浓度的亚硝酸钠溶液对应的响应电流值，并制得亚硝酸根浓度与响应电流的线性关系图；
e) 通过采用含有与步骤d)相同的亚硝酸根浓度的磷酸缓冲溶液制成的所述线性关系图，获得待测磷酸缓冲溶液中亚硝酸根离子的浓度值。
4.根据权利要求3所述的一种细菌纤维素石墨烯复合物修饰玻碳电极在检测亚硝酸盐中的应用，其特征在于，
步骤c)中，循环伏安法的电位范围为-0.5~1.5伏特。
5.步骤d)中，恒电位法的电位范围为0.5~1.2 伏特。
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