CN106525938A - 一种用于没食子酸浓度测定的复合材料修饰电极及应用 - Google Patents

一种用于没食子酸浓度测定的复合材料修饰电极及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于测量没食子酸浓度的复合材料修饰电极,本发明首先通过循环伏安法制备了金属纳米修饰电极,然后采用循环伏安法在金属纳米修饰电极表面沉积聚氨基酸膜制备了聚氨基酸/金属纳米复合材料修饰电极,并将获得的复合材料修饰电极用于没食子酸的测定。本发明对没食子酸表现出优异的电催化活性,具有灵敏度高、准确性好等特点;同时,该电极制备便捷、廉价,具有应用广阔前景。

Description

一种用于没食子酸浓度测定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没食子酸浓度测定的复合材料修饰电极及应用。
背景技术
没食子酸又称“五倍子酸”、“棓酸”,是广泛存在于掌叶大黄、大叶桉、山茱萸等植物中的一种天然多酚类化合物,在酒类、茶叶等饮品中均有一定含量。没食子酸不仅具有较强的抗氧化作用,还具有抗炎、抗突变、抗病毒、抗肿瘤等多种生物学活性,因此建立一种快速准确、高灵敏度测定没食子酸的方法具有重要的现实意义。
目前,没食子酸的检测方法主要有分光光度法、薄层色谱法、高效液相色谱法、毛细管电泳法和电化学分析法等。其中,光谱法耗时费力,灵敏度较差,线性范围窄;色谱法操作繁琐且成本高,需要较复杂和昂贵的仪器设备。电化学分析法因具有灵敏度高、选择性好、线性范围宽、操作简便等优点而备受关注,但是基于单一材料的电化学修饰电极在检测没食子酸时往往不能发挥出其最佳催化活性,如碳纳米材料修饰电极就有稳定性较差的缺点,因此很有必要制备出一种性能优异并且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,提供一种用于没食子酸浓度测定的复合材料修饰电极及应用。本发明能够快速直接对没食子酸进行测定,且操作简便、响应灵敏,具有广阔的实用价值。
本发明目的是通过以下技术解决方案来实现的:一种用于测量没食子酸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)将金属盐加入浓度为0.05~0.2mol/L的硫酸钠水溶液中,配制浓度为0.01~0.02mol/L的金属盐溶液,金属盐选自硫酸铜、硝酸银、氯铂酸和氯金酸;将步骤1预处理后的玻碳电极置于金属盐溶液中,采用循环伏安法进行电化学沉积,制得金属纳米修饰电极,循环伏安法沉积电位为-1.5~0V,扫描速度为10~60mV/s,循环圈数为6~16圈。
(3)将氨基酸加入浓度为0.1~0.2mol/L、pH值为6~7.5的磷酸盐缓冲液中,配制浓度为0.01~0.02mol/L的氨基酸溶液,氨基酸选自谷氨酸、赖氨酸、苏氨酸和丝氨酸;将金属纳米修饰电极置于氨基酸溶液中,采用循环伏安法进行电化学沉积,制得聚氨基酸/金属纳米复合材料修饰电极,循环伏安法沉积电位为-0.8~2V,扫描速度60~180mV/s,循环圈数为6~16圈。
一种上述的复合材料修饰电极在测量没食子酸溶液浓度中的应用;所述应用具体为:将聚氨基酸/金属纳米复合材料修饰电极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,置于含有没食子酸的待测缓冲液中,缓冲液选自磷酸盐或Tris盐溶液,磷酸盐溶液和Tris盐溶液的浓度为0.1~0.2mol/L,并用氢氧化钠水溶液或稀硫酸微调pH值至3~4.5,没食子酸先通过电化学富集,富集电位为-1~-0.5V,富集时间180~280s;然后应用差分脉冲伏安法测定该没食子酸溶液的氧化峰峰电流,低电位为-0.1~0.1V,高电位为0.9~1.1V;将该氧化峰峰电流值代入公式i=0.1569c+0.4766中,得到没食子酸溶液的浓度;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,本发明用于没食子酸测定的聚氨基酸/金属纳米复合材料修饰电极比单一聚氨基酸材料修饰电极效果更好。聚氨基酸薄膜自身具有优良的催化性能,纳米金属的加入进一步增强了电极导电性、催化性和生物相容性等性能。因此该复合材料修饰电极实现了对没食子酸高效灵敏、稳定便捷的测定,在提高响应电流信号的同时也降低了氧化电位。
附图说明
图1为Cu/GCE制备过程中的循环伏安图;
图2为PGA/Cu/GCE制备过程中的循环伏安图;
图3为Cu/GCE的扫描电镜图;
图4为PGA/Cu/GCE的扫描电镜图;
图5为不同电极在100μmol/L没食子酸溶液中循环伏安法检测效果对比图;
图6为PGA/Cu/GCE电极在磷酸盐缓冲液pH值为2~8时检测没食子酸的循环伏安图;
图7为PGA/Cu/GCE电极在扫描速度5~200mV/s时检测没食子酸的线性扫描伏安图;
图8为PGA/Cu/GCE电极在没食子酸浓度为1×10-6~2×10-4mol/L范围时的差分脉冲伏安图;
图9为PGA/Cu/GCE电极上没食子酸氧化峰峰电流与其浓度梯度标准曲线。
具体实施方式
金属纳米材料独特的纳米结构使其在具有大比表面积的同时对很多电活性物质表现出较强的催化活性,并具有制备简单、导电性能优良等优点;氨基酸聚合物薄膜修饰电极由于制备简单、稳定性好、选择性和灵敏度高等优点而发展迅速,其中电聚合制备而成的聚谷氨酸膜导电性能优良,具有三维空间结构的特征,并且带有大量的氨基和羧基,为制备多功能的电化学传感器提供了便利条件。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没食子酸检测的聚氨基酸/金属纳米复合材料修饰电极,实验发现其催化性能要优于氨基酸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
制备用于没食子酸测定的聚谷氨酸/铜纳米复合材料修饰电极(Cu/PGA/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(含有0.1mol/LKCl)中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0.01mol/L硫酸铜溶液(含有0.1mol/L硫酸钠)中,采用循环伏安法进行电沉积。在-1.5~0V电位区间内,以20mV/s的扫描速度扫描10圈,制得铜纳米修饰电极(Cu/GCE),沉积过程如图1所示。
(4)Cu/GCE置于0.01mol/L谷氨酸(用浓度为0.1mol/L且pH值为7的磷酸盐缓冲液配制)溶液中,采用循环伏安法进行电沉积。在-0.8~2V电位区间内,以100mV/s的扫描速度扫描12圈,制得聚谷氨酸/铜纳米复合材料修饰电极(Cu/PGA/GCE),沉积过程如图2所示。去离子水冲洗吸附在电极表面未反应的物质,晾干备用。
步骤(3)中通过固定聚谷氨酸沉积12圈,在6~16圈铜纳米沉积圈数中优化出最佳圈数为10圈;步骤(4)中通过固定铜纳米沉积10圈,在6~16圈聚谷氨酸沉积圈数中优化出最佳圈数为12圈。优化过程在100μmol/L没食子酸磷酸盐缓冲液中进行。
图3和图4分别为Cu/GCE和PGA/Cu/GCE电极的扫描电镜图。观察图3发现纳米铜已成功地沉积在GCE表面,但纳米铜颗粒大小不是很均匀,且表现出一定团聚性;而在图4中,能够观察到聚谷氨酸膜已成功沉积在Cu/GCE表面,PGA在发挥自身催化性能的同时,也改善了纳米铜颗粒的大小及分散均匀性。
图5为不同电极在100μmol/L没食子酸溶液中循环伏安法检测对比图。其中,GCE和Cu/GCE电极循环伏安图上没有对应没食子酸的氧化峰的出现,说明没食子酸在这两种电极上均没有发生氧化还原反应,但Cu/GCE整体响应电流要远远大于GCE。PGA/GCE和PGA/Cu/GCE电极循环伏安图上均出现了没食子酸的氧化峰,但PGA/Cu/GCE峰电流要稍大于PGA/GCE,这说明相较于单一材料PGA/GCE修饰电极,PGA/Cu/GCE复合材料修饰电极对没食子酸具有更加优异的催化性能。
如图6所示,循环伏安法优化PGA/Cu/GCE检测没食子酸时的pH值。没食子酸溶液用pH为2~8,浓度为0.1mol/L的磷酸盐缓冲液配制,观察发现随着pH增大,没食子酸对应氧化峰峰电流减小且峰形变差。另外考虑到峰电位不能过大,故选自pH=3作为没食子酸检测的最优pH值。
如图7所示,线性扫描伏安法优化PGA/Cu/GCE检测没食子酸时的扫描速度。实验在5~200mV/s扫速下进行,考虑到扫速不能过慢,且峰形稳定等因素,选自100mV/s作为检测时的最佳扫描速度。
循环伏安法优化PGA/Cu/GCE检测没食子酸时的富集电位和富集时间。通过比较-1~0.3V富集电位区间内没食子酸氧化峰峰电流和峰形,得到-0.8V作为最佳富集电位;通过比较0~360s富集时间区间内没食子酸氧化峰大小,发现当时间大于240s后,峰电流基本不再变化甚至有所降低,故选自240s作为最佳富集时间。
在上述最佳实验条件下,采用差分脉冲伏安法在0~1V电位区间内对浓度梯度为1×10-6~2×10-4mol/L的没食子酸进行定量测定,实验结果如图8所示。在一定范围内,没食子酸浓度越大,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显示没食子酸氧化峰峰电流大小与其浓度呈现良好的线性关系,线性方程为i=0.1569c+0.4766,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=0.9994,检测限为3×10-7mol/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没食子酸溶液样品进行浓度测定。将未知浓度的50mL没食子酸溶液加入电解池中,三电极体系为基础,以本发明制备的聚谷氨酸/铜纳米复合材料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0~1V电位范围内进行差分脉冲伏安扫描,将在没食子酸溶液中获得的峰电流i带入线性方程i=0.1569c+0.4766,即可得到该没食子酸溶液的浓度。
实施例2
制备用于没食子酸测定的聚谷氨酸/铜纳米复合材料修饰电极(Cu/PGA/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0.015mol/L硫酸铜溶液(含有0.05mol/L硫酸钠)中,采用循环伏安法进行电沉积。在-1.5~0V电位区间内,以30mV/s的扫描速度扫描12圈,制得铜纳米修饰电极(Cu/GCE)。
(3)Cu/GCE置于0.015mol/L谷氨酸(用浓度为0.15mol/L且pH值为6的磷酸盐缓冲液配制)溶液中,采用循环伏安法进行电沉积。在-0.8~2V电位区间内,以80mV/s的扫描速度扫描10圈,制得聚谷氨酸/铜纳米复合材料修饰电极(Cu/PGA/GCE)。去离子水冲洗吸附在电极表面未反应的物质,晾干备用。
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没食子酸溶液的氧化峰峰电流,再将该氧化峰峰电流值代入公式i=0.1569c+0.4766,得到的没食子酸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
制备用于没食子酸测定的聚谷氨酸/铜纳米复合材料修饰电极(Cu/PGA/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0.02mol/L硫酸铜溶液(含有0.15mol/L硫酸钠)中,采用循环伏安法进行电沉积。在-1.5~0V电位区间内,以40mV/s的扫描速度扫描14圈,制得铜纳米修饰电极(Cu/GCE)。
(3)Cu/GCE置于0.02mol/L谷氨酸(用浓度为0.2mol/L且pH值为6.5的磷酸盐缓冲液配制)溶液中,采用循环伏安法进行电沉积。在-0.8~2V电位区间内,以120mV/s的扫描速度扫描14圈,制得聚谷氨酸/铜纳米复合材料修饰电极(Cu/PGA/GCE)。去离子水冲洗吸附在电极表面未反应的物质,晾干备用。
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没食子酸溶液的氧化峰峰电流,再将该氧化峰峰电流值代入公式i=0.1569c+0.4766,得到的没食子酸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)

1.一种用于测量没食子酸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)将金属盐加入浓度为0.05~0.2mol/L的硫酸钠水溶液中,配制浓度为0.01~0.02mol/L的金属盐溶液,金属盐选自硫酸铜、硝酸银、氯铂酸和氯金酸;将步骤1预处理后的玻碳电极置于金属盐溶液中,采用循环伏安法进行电化学沉积,制得金属纳米修饰电极,循环伏安法沉积电位为-1.5~0V,扫描速度为10~60mV/s,循环圈数为6~16圈。
(3)将氨基酸加入浓度为0.1~0.2mol/L、pH值为6~7.5的磷酸盐缓冲液中,配制浓度为0.01~0.02mol/L的氨基酸溶液,氨基酸选自谷氨酸、赖氨酸、苏氨酸和丝氨酸;将金属纳米修饰电极置于氨基酸溶液中,采用循环伏安法进行电化学沉积,制得聚氨基酸/金属纳米复合材料修饰电极,循环伏安法沉积电位为-0.8~2V,扫描速度60~180mV/s,循环圈数为6~16圈。
2.一种权利要求1所述的复合材料修饰电极在测量没食子酸溶液浓度中的应用。
3.根据权利要求2所述的应用,其特征在于,将聚氨基酸/金属纳米复合材料修饰电极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,置于含有没食子酸的待测缓冲液中,缓冲液选自磷酸盐或Tris盐溶液,磷酸盐溶液和Tris盐溶液的浓度为0.1~0.2mol/L,并调pH值至3~4.5,没食子酸先通过电化学富集,富集电位为-1~-0.5V,富集时间180~280s;然后应用差分脉冲伏安法测定该没食子酸溶液的氧化峰峰电流,低电位为-0.1~0.1V,高电位为0.9~1.1V;将该氧化峰峰电流值代入公式i=0.1569c+0.4766中,得到没食子酸溶液的浓度;其中浓度c的单位是μmol/L,峰电流i的单位是μA。
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