CN107014878B - 一种碳纳米材料修饰的泡沫镍电极的制备方法以及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明电化学分析检测技术领域，公开了一种碳纳米材料修饰的泡沫镍电极的制备方法，制备方法如下：1)将碳纳米材料添加到有机溶剂中，进行超声处理，得到碳纳米材料悬浊液；2)将泡沫镍电极放置在稀盐酸中浸泡，祛除泡沫镍电极表层的氧化物；3)将碳纳米材料悬浊液均匀的滴涂到通过步骤(2)处理后的泡沫镍电极的表面，然后用红外灯将泡沫镍电极烤干，从而制得碳纳米材料修饰的泡沫镍电极。所述应用通过碳纳米材料修饰泡沫镍电极测得带有黄酒酒龄的电化学信号，结合模式识别方法预测黄酒酒龄。该方法具有制作简单、灵敏度和可靠性高的特点。最主要的是能够重复使用，在提高检测精度的同时进一步降低了检测成本。
Description
技术领域
本发明涉及电化学检测方法，尤其涉及一种碳纳米材料修饰泡沫镍电极的制备方法以及应用。
背景技术
黄酒的标注酒龄是指销售包装标签上标注的酒龄，以勾兑酒的酒龄加权平均计算，且其中所标注酒龄的基酒不低于50％.
在目前市场上，由于缺少有效的监管手段，不法商贩为了谋取高额的利润，经常用低标注酒龄的黄酒冒充高标注酒龄的黄酒，或者在勾兑酒的过程中只应用少量的标注酒龄的基酒。在以往的检测过程中，黄酒标注酒龄的标准判定方法为感官评定法，但是该方法会受到评审员主观意识的影响，且在同一环境下连续工作会造成评审员的感官疲劳。现在的分析技术中，气相色谱质谱联用、高效液相色谱和毛细管电泳技术都曾用来检测黄酒的标注酒龄，但是这些仪器价格非常昂贵，样品预处理过程复杂耗时，且会接触到有毒试剂。最重要的一点是这些仪器只能检测黄酒中单个呈味物质的含量，而黄酒的标注酒龄体现的是黄酒的综合品质，并不是几个黄酒的呈味物质就能表征的。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种碳纳米材料修饰的泡沫镍电极的制备方法以及应用。本发明中应用的泡沫镍电极是一种由金属基体和孔洞组成的复合材料，相比于实体金属电极，具有密度小、比表面积大等特性。泡沫镍电极表面可提供更多的活性反应位点，能够和更多的呈味物质产生响应，获得更大的氧化还原电流。泡沫镍电极响应信号结合模式识别方法，可以对样本的标注酒龄进行定量分析，从而省去了化学分析的步骤，实现了快速的检测。同时，泡沫镍电极信号中包含有多种呈味物质的交互感应信息，可以表征样品的整体品质，从而使检测更加准确。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：一种碳纳米材料修饰的泡沫镍电极的制备方法，通过如下步骤制备得到：
1)将碳纳米材料添加到有机溶剂中，进行超声处理，得到碳纳米材料悬浊液；
2)将泡沫镍电极放置在浓度为3-5mol/L的稀盐酸中浸泡，祛除泡沫镍电极表层的氧化物；
3)将碳纳米材料悬浊液均匀的滴涂到通过步骤(2)处理后的泡沫镍电极的表面，然后用红外灯将泡沫镍电极烤干，从而制得碳纳米材料修饰的泡沫镍电极。
进一步的，所述的步骤1)中，所述碳纳米材料是单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨烯或碳纳米纤维；所述有机溶剂是DMF、乙醇或丙酮；碳纳米材料和有机溶剂的配比关系为1-3mg/mL。
进一步的，所述的步骤2)中，所述泡沫镍电极的孔密度为90-120ppi，ppi(poresper inch)是度量单位，指每英寸长度有多少个孔。
进一步的，所述泡沫镍电极的厚度为1-3mm；泡沫镍电极被裁剪为3mm*20mm、4mm*20mm或5mm*20mm。
进一步的，所述的步骤3)中，在泡沫镍电极的中部涂一圈热熔胶。
进一步的，所述的步骤3)中，所述红外灯的功率为100-150W，工作时离泡沫镍20-30cm，时间在30分钟内。
本发明还提供一种上述制备得到的泡沫镍电极在黄酒酒龄检测中的应用，该应用采用电化学检测方法，该方法具体包括如下步骤：
a)将碳纳米材料修饰的泡沫镍电极作为工作电极连接到电化学工作站的三电极结构中，其中参比电极为Ag/AgCl电极，辅助电极为铂柱电极。
b)取不同酒龄的黄酒样品，每种酒龄的黄酒样品随机取n(n大于等于16小于等于24)个作为测试样品，将pH为2-4的磷酸盐缓冲液分别倒入到所有测试样品中，使所有的测试样品的pH值达到4.5-6，将碳纳米材料修饰的泡沫镍电极依次插入到测试样品中，在电化学工作站多频扫描信号的激励下采集各个测试样品在碳纳米材料修饰的泡沫镍电极上反应的电化学响应信号；
c)提取电化学响应信号的特征值，同时将每种酒龄的黄酒样品的特征值进行权重优化分析，得到不同酒龄的黄酒样品的特征值；
d)以权重优化分析后的不同酒龄的黄酒样品的特征值为自变量通过模式识别方法建立预测模型，将待测黄酒输入到模式识别预测模型，得到待测黄酒的酒龄。
进一步的，所述权重优化分析采用变异系数法。
进一步的，所述的步骤b)中，所述多频扫描信号的表现形式为循环伏安法或计时电流法；电压频率为1Hz、10Hz、100Hz、1000Hz中的至少两种频率；电压幅值范围为-0.5V至+1.5V。
进一步的，所述的步骤c)中，特征值为电化学响应信号中的最大值、最小值、拐点、面积值、最大斜率或最小斜率，其中面积值是指响应信号曲线与横轴所包围区域的面积大小。
进一步的，所述的步骤d)中，所述模式识别方法采用偏最小二乘法、人工神经网络法、支持向量机法或线性回归法。
本发明的有益效果如下：本发明中碳纳米材料修饰泡沫镍电极是以泡沫镍为基底修饰碳纳米材料，泡沫镍的多孔结构使其表面积比其他材料要大很多，在修饰碳纳米材料后，在进一步增强表面积的同时增强了对样品的催化特性，使碳纳米材料修饰泡沫镍电极在电化学反应中能够得到更多的反应黄酒酒龄的响应信号。同时，结合特征值提取和模式识别方法，在不需要对样品进行预处理的情况下，能够精确的检测黄酒的酒龄。与传统仪器相比，降低了检测成本，简化了检测步骤，提高了检测效率。
附图说明
图1是基于SEM表征碳纳米管修饰的泡沫镍电极的电镜图；
图2是基于SEM表征石墨烯修饰的泡沫镍电极的电镜图；
图3是计时电流法扫描电压曲线图；
图4是计时电流法响应曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
实施过程中采用的设备如下：SU8010扫描电子显微镜(HITACHI，日本)；CHI660E电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)；三电极系统：参比电极为Ag/AgCl电极(直径3mm)，辅助电极为铂柱电极(直径2mm)，工作电极为多壁碳纳米管修饰泡沫镍电极和石墨烯修饰泡沫镍电极；SK1200H超声波清洗仪(上海科导超声仪器有限公司)；ACD-6000-U超纯水系统(AQUAPRO，美国)。
磷酸盐缓冲液(PBS，PH＝2-4)，盐酸(HCl，质量分数为37％)，DMF(N,N-Dimethylformamide，上海阿拉丁生化科技股份有)，多壁碳纳米管(>95％，内径:3-5nm，外径：8-15nm，长度：～50μm，上海阿拉丁生化科技股份有)，石墨烯(>95％，上海阿拉丁生化科技股份有)，泡沫镍(90ppi；厚度为1.5mm，苏州佳士得泡沫有限公司)，黄酒实验室用水均为18MΩ的超纯水，所有试验均在室温下进行。
实施例1：
采用多壁碳纳米管修饰的泡沫镍电极的制备是通过以下步骤实现的：
1)将1mg的多壁碳纳米管添加到有机溶剂DFM中，并配比成1mg/ml的悬浊液，然后在超声波清洗仪中，在25度的水温中，超声60分钟，已形成均匀的多壁碳纳米管悬浊液；
2)将质量分数为37％的盐酸稀释为3mol/L的稀盐酸，将市场上购得的50cm*50cm、厚度为1-3mm的泡沫镍裁剪成若干5mm*20mm大小的条状泡沫镍电极。然后随机挑选出1根将其浸泡在稀盐酸溶液中，以便除去泡沫镍表面的氧化物，浸泡时间不少于30分钟，在使用前泡沫镍电极一直保存在稀盐酸溶液中；
3)使用时，从稀盐酸溶液中取出条状泡沫镍电极，用去离子水将其冲洗8-10次后晾干。应用移液枪，在泡沫镍电极一端5mm*5mm(包括该端的端面)的区域上均匀的涂抹多壁碳纳米管悬浊液。将制作好的涂抹有多壁碳纳米管悬浊液的泡沫镍放置在100-150W的红外灯下20-30厘米处，烘烤30分钟后(烘烤时间过短容易造成修饰层的断裂，烘烤时间比较耽误时间)制作成多壁碳纳米管修饰的泡沫镍电极。为了控制工作电极与待测样品的接触面积，在工作电极的另一端空出5mm*5mm(包括该端的端面)的区域作为电极的导线，然后在其他区域上应用热熔胶封住，降低在电化学检测过程中黄酒向上的扩散速度。应用SU8010扫描电子显微镜对电极表面进行了观察，如图1，电极表面被碳纳米管均匀的覆盖，说明了修饰状况良好。
实施例2：
石墨烯修饰的泡沫镍电极的制备是通过以下步骤实现的：
1)将1mg石墨烯添加到有机溶剂DFM中，并配比成3mg/ml的悬浊液，然后在超声波清洗仪中，在25度的水温中，超声60分钟，已形成均匀的石墨烯悬浊液；
2)将质量分数为37％的盐酸稀释为5mol/L的稀盐酸，将市场上购得的50cm*50cm泡沫镍裁剪成若干5mm*20mm大小的条状泡沫镍电极。然后随机挑选出一根将其浸泡在稀盐酸溶液中，以便除去泡沫镍表面的氧化物，浸泡时间不少于30分钟，在使用前泡沫镍电极一直保存在稀盐酸溶液中；
3)使用时，从稀盐酸溶液中取出条状泡沫镍电极，用去离子水将其冲洗8-10次后晾干。应用移液枪，在泡沫镍电极一端5mm*5mm(包括该端面)的区域上均匀的涂抹石墨烯悬浊液。将制作好的涂抹有石墨烯悬浊液的泡沫镍放置在100-150W的红外灯下20-30厘米处，烘烤30分钟后(烘烤时间过短容易造成修饰层的断裂，烘烤时间比较耽误时间)制作成石墨烯修饰泡沫镍电极。为了控制工作电极与待测样品的接触面积，在工作电极的另一端空出5mm*5mm(包括该端面)的区域作为电极的导线，然后在其他面积上应用热熔胶封住。应用SU8010扫描电子显微镜对电极表面进行了观察，如图2，电极表面被石墨烯均匀的覆盖，说明了修饰状况良好。
实施例3：
市场中随机选取古越龙山1年陈、3年陈和5年陈的黄酒作为测试样品，将黄酒放置于4度的环境中存放。测试之前将黄酒拿出，并放置于环境中24小时使其达到室温。每种酒龄的黄酒随机16-24个测试样品，本实施例选取18个测试样品，每个样品为50ml，将之盛放在100ml的烧杯内。
下面利用实施例1制备到的多壁碳纳米管修饰的泡沫镍电极检测黄酒酒龄，具体通过以下步骤实现的：
1)将制作好的多壁碳纳米管修饰的泡沫镍电极接入到电化学工作站中作为工作电极，其中参比电极采用电极直径为2mm的饱和Ag/AgCl电极，辅助电极采用电极直径为2mm的铂柱电极。
2)配置pH为2的磷酸盐缓冲液，将磷酸盐缓冲液加到所有测试样品中，使测试样品的pH值达到4.5。将接入到电化学工作站的工作电极缓慢依次伸入到所有测试样品中，应用计时电流法对测试样品进行测量，其中扫描电压的幅值为0-1.5V，步进为0.3V，频率为1Hz、10Hz和100Hz(图3和图4)，本实施例中频率为1Hz、10Hz和100Hz，实际上对1Hz、10Hz、100Hz、1000Hz这四种频率的至少两种进行组合，均可能达到本发明的技术要求，这里不再进行一一举例赘述。
3)应用最大值、最小值、拐点、面积值、最大斜率或最小斜率提取响应特征值，本实施例采用面积法提取响应特征值，面积法是指电化学响应曲线和坐标轴之间的面积。但是由于1Hz的频率最小，求得的面积最大，如果不加权值的话，从1Hz对应曲线求得的面积值在特征之中占有主导地位。采用变异系数法求得每个频率下面积的加权值。其中变异系数法的公式如下：
Sj为工作电极在第j频率下得到特征值的标准差，为工作电极在第j频率下得到特征值的平均值，Vj为工作电极在第j频率下得到特征值的变异系数。
ωj为工作电极在第j频率下得到特征值的权重。
4)以加权后的特征值为x，以黄酒实际酒龄为y，应用偏最小二乘法、人工神经网络法、支持向量机法或线性回归法建立预测模型，本实施例采用偏最小二乘法建立黄酒酒龄的预测模型，采用其他方法也可达到本发明的要求，这些方法都是本领域公知的方法，这里不再赘述。应用10个样品建立训练集，应用8个样品组成测试集。通过应用支持向量机SVM-10F模型对酒龄进行预测。
实施例4：
下面利用实施例2制备到的石墨烯修饰的泡沫镍电极分别检测黄酒酒龄，具体通过以下步骤实现的：
1)将制作好的石墨烯修饰的泡沫镍电极接入到电化学工作站中作为工作电极，其中参比电极采用电极直径为2mm的饱和Ag/AgCl电极，辅助电极采用电极直径为2mm的铂柱电极。
2)配置pH为4的磷酸盐缓冲液，将磷酸盐缓冲液加到每个黄酒样品中，使黄酒的pH值达到4.5。将接入到电化学工作站的工作电极缓慢依次伸入到所有测试样品中，应用计时电流法对黄酒样品进行测量，其中扫描电压的幅值为0-1.5V，步进为0.3V，频率为1Hz、10Hz和100Hz。
3)应用最大值提取响应特征值，由于在不同电位下得的响应电流大小差值较大，从而在低电位下得到的小电流信号需要加上一个权值，如果不加权值的话，大电流在特征之中占有主导地位，所以，采用变异系数法求得每个电位下响应电流的加权值，加权同时和实施例3中的相同。
4)以加权后的特征值为x，以黄酒实际酒龄为y，应用偏最小二乘法、人工神经网络法、支持向量机法或线性回归法建立预测模型，本实施例采用偏最小二乘法建立黄酒酒龄的预测模型，应用10个样品建立训练集，应用8个样品组成测试集。通过应用支持向量机SVM-LOO模型对酒龄进行预测。
实施例3和实施例4的结果表明：SVM-LOO的训练集结果要好于SVM-10F，R2＝0.9990；SVM-10F的测试集结果要好于SVM-LOO，R2＝0.9938，但是无论SVM-10F还是SVM-LOO，基于预测集和测试集的结果均高于0.99(如表一所示)。以上述结果说明，碳纳米颗粒修饰镍泡膜电极结合支持向量机能够很好的预测黄酒的酒龄。
表一：偏最小二乘回归模型对酒龄的预测结果
Claims (6)
1.一种用于黄酒酒龄检测的碳纳米材料修饰的泡沫镍电极的制备方法，其特征在于，通过如下步骤制备得到：
1）将碳纳米材料添加到有机溶剂中，进行超声处理，得到碳纳米材料悬浊液；所述碳纳米材料是单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨烯或碳纳米纤维；所述有机溶剂是DMF、乙醇或丙酮；碳纳米材料和有机溶剂的配比关系为1-3mg/mL；
2）将孔密度为90-120ppi的泡沫镍电极放置在浓度为3-5mol/L的稀盐酸中浸泡，去除泡沫镍电极表层的氧化物；
3）在通过步骤2）处理后的泡沫镍电极中部涂一圈热熔胶，将碳纳米材料悬浊液均匀的滴涂到热熔胶一侧的泡沫镍电极表面，然后用红外灯将泡沫镍电极烤干，从而制得碳纳米材料修饰的泡沫镍电极；所述的步骤3）中，所述红外灯的功率为100-150W，工作时离泡沫镍20-30cm，时间不超过30分钟。
2.一种权利要求1所述的制备方法制备的泡沫镍电极在黄酒酒龄检测中的应用，其特征在于，所述应用使用电化学检测方法，具体步骤如下：
a）将碳纳米材料修饰的泡沫镍电极作为工作电极连接到电化学工作站的三电极结构中，其中参比电极为Ag/AgCl电极，辅助电极为铂柱电极；
b）取不同酒龄的黄酒样品，每种酒龄的黄酒样品随机取n个作为测试样品，n大于等于16小于等于24，将pH为2-4的磷酸盐缓冲液分别倒入到所有测试样品中，使所有的测试样品的pH值达到4.5-6，将碳纳米材料修饰的泡沫镍电极依次插入到测试样品中，在电化学工作站多频扫描信号的激励下采集各个测试样品在碳纳米材料修饰的泡沫镍电极上反应的电化学响应信号；
c）提取电化学响应信号的特征值，同时将每种酒龄的黄酒样品的特征值进行权重优化分析，得到不同酒龄的黄酒样品的特征值；
d）以权重优化分析后的不同酒龄的黄酒样品的特征值为自变量通过模式识别方法建立预测模型，将待测黄酒输入到模式识别预测模型，得到待测黄酒的酒龄。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述权重优化分析采用变异系数法。
4.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述的步骤b）中，所述多频扫描信号的表现形式为循环伏安法或计时电流法；电压频率为1 Hz、10Hz、100 Hz、1000Hz中的至少两种频率；电压幅值范围为0-1.5V。
5.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述的步骤c）中，特征值为电化学响应信号中的最大值、最小值、拐点、面积值、最大斜率或最小斜率，其中面积值是指响应信号曲线与坐标轴所包围区域的面积大小。
6.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述的步骤d）中，所述模式识别方法采用偏最小二乘法、人工神经网络法、支持向量机法或线性回归法。
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