CN108732219B - 一种检测多环芳烃的电化学传感器制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电化学传感器技术领域，尤其是一种检测多环芳烃的电化学传感器制备方法及其应用，本发明利用表面带正电的纳米金与石墨烯之间强烈的静电作用层层自组装制备了多层纳米金/氧化石墨烯复合材料，再利用巯基与纳米金之间会形成Au‑S键制备了层层自组装巯基β‑环糊精/纳米金/氧化石墨烯修饰电极，以此为工作电极，用于多环芳烃的检测，具有良好的灵敏度和选择性。

Description

一种检测多环芳烃的电化学传感器制备方法及其应用
技术领域
本发明属于电化学传感器技术领域，尤其是一种检测多环芳烃的电化学传感器制备方法及其应用。
背景技术
多环芳烃(PAHs)是指分子中含有两个以上共轭苯环的碳氢化合物，是重要的环境和食品污染物，包括萘、蒽、菲、芘及衍生物等400余种化合物，多环芳烃具有强致癌性，广泛分布在全球各地，多环芳烃性质稳定，生物富集率高，通过食物链摄入后将对人体健康构成极大威胁，因此多环芳烃的污染受到了全世界科学家的广泛关注，20世纪70年代，美国环保署就规定了包括萘的16种多环芳烃优先控制污染物，我国国标GB/T24893-2010中明确规定了采用高效液相色谱法测定动植物油脂多环芳烃的测定方法和含量标准；由于多环芳烃进入动物体后的存在形式不同，当前评价多环芳烃暴露的生物标志物研究得最多的是动物尿液内的羟基多环芳烃，因此，实现对羟基多环芳烃的灵敏性检测对评估环境中的多环芳烃含量及评价多环芳烃的暴露情况具有十分重要的意义。
目前对羟基多环芳烃的检测主要采取高效液相色谱法、高效液相色谱-质谱联用技术、同步荧光光谱法等技术，这些方法检测结果重现性较好，但通常需要在复杂、昂贵的仪器上进行测定，且操作繁琐、耗时长；电化学方法具有设备简单，检测周期短，操作容易等优点，因而具有更广阔的应用前景；虽然羟基多环芳烃含有电化学活性集团羟基，在特定的电位下能被氧化，关于电化学传感技术在羟基多环芳烃分析检测中的研究逐渐被报道，但存在灵敏度不高、选择性不好的缺点。
环糊精分子的内腔具有“外亲水，内疏水”的特性，有选择性地结合多种客体分子，形成不同稳定程度的包结物，据此可以建立一种分析测定羟基多环芳烃的高灵敏度、高选择性检测的电化学方法。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种检测多环芳烃的电化学传感器制备方法，包括以下步骤：
(1)表面带正电纳米金的制备；
a.将0.05ml的2.4×10-2M氯金酸(HAuCl4·4H2O)溶解于4.0ml的0.1M十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)溶液中，快速加入新鲜配制的1.5ml 0.01M NaBH4溶液，剧烈摇晃30秒，25℃下静置2h，得种子液；
b.将0.1ml 0.2M CTAB与0.1ml 2.4×10-2M HAuCl4·4H2O加入到10ml水中混匀，再加入0.6ml 0.10M L-抗坏血酸(L-AA)，待溶液变成无色，加入步骤a的种子溶液40μl，搅拌30秒，静置生长24h，在20000r/min下离心3次去掉多余CTAB，得到表面带正电纳米金。
(2)利用层层自组装技术制备电化学传感器；
a.称取10～20mg氧化石墨烯(GO)超声溶解于10～15mL纯水中，得到浓度为1～2mg/ml的氧化石墨烯溶液，取5～8μl的氧化石墨烯溶液滴加到预处理的电极上，室温真空干燥，得到氧化石墨烯(GO)修饰电极；
b.将步骤a中制备的修饰电极置于步骤(1)制备的正电纳米金中，自组装2～4h，用纯水冲洗，室温真空干燥，再置于1～2mg/ml的氧化石墨烯溶液中自组装2～4小时，用纯水冲洗，室温真空干燥，制得的修饰电极置于(1)制备的正电纳米金中自组装2～4小时，重复2～5次，制得基于层层自组装技术构建的纳米金/氧化石墨烯修饰电极({GO-Au}n)；
c.将步骤b纳米金/氧化石墨烯修饰电极置于浓度为10～20mg/ml巯基环糊精(SH-β-CD)溶液中，40-60℃下反应1-4h，制得层层自组装巯基β-环糊精/纳米金/氧化石墨烯修饰电极({GO-Au}n-SH-β-CD)，以该修饰电极为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂片电极为辅助电极，构成了电化学传感器。
所述步骤a中预处理的电极为玻碳电极、金电极、石墨电极、金盘电极、ITO玻璃电极、丝网印刷碳电极、丝网印刷金膜电极中的任一种。
上述方法制备的电化学传感器用于多环芳烃的检测，包括以下步骤：
a.以巯基β-环糊精/纳米金/氧化石墨烯作为工作电极、饱和甘汞电极为参比电极，铂片电极为辅助电极，分别以多环芳烃α-羟基萘、1-羟基芘为待测样品，加入0.01mol/L磷酸二氢钠-磷酸氢二钠(PBS)作为底液，采用1M的盐酸或氢氧化钠调节待测溶液的pH值为5.0～6.0，采用差分脉冲伏安法测定氧化峰的峰电流密度，根据加入的不同浓度羟基多环芳烃标准溶液与峰电流密度呈现良好的线性关系得到标准曲线；
b.以巯基β-环糊精/纳米金/氧化石墨烯作为工作电极、饱和甘汞电极为参比电极，铂片电极为辅助电极，在待测样品中加入0.01mol/L磷酸二氢钠-磷酸氢二钠(PBS)作为电解液，采用1M的盐酸或氢氧化钠调节待测溶液的pH值为5.0～6.0，采用差分脉冲伏安法测定氧化峰的峰电流密度，带入步骤a得到的线性方程中，得到待测样品中多环芳烃的浓度。
所述步骤a中，以α-羟基萘作为待测样品，其线性范围为2.0×10-9～4.0×10- 7mol/L，线性方程为I(μA)＝-0.05789C(10-9mol/L)+0.0027，线性相关系数R2＝0.9925，检出限为8.0×10-10mol/L。
所述步骤a中，以1-羟基芘作为待测样品，其线性范围为1.0×10-9～8.0×10- 7mol/L，线性方程为I(μA)＝-0.06485C(10-9mol/L)－0.0324，线性相关系数R2＝0.9984，检出限为9.0×10-10mol/L。
有益效果
由于氧化石墨烯表面带有羟基、羧基等集团而带负电，本发明利用表面带正电的纳米金与石墨烯之间强烈的静电作用层层自组装制备了多层纳米金/氧化石墨烯({GO-Au}n)复合材料，再利用巯基与纳米金之间会形成Au-S键制备了层层自组装巯基β-环糊精/纳米金/氧化石墨烯({GO-Au}n-SH-β-CD)修饰电极，以此为工作电极，对多环芳烃α-羟基萘、1-羟基芘表现出较高的灵敏度和选择性。
该电化学传感器具有较高灵敏度和选择性的主要原因有①氧化石墨烯和纳米金可提高电子传递速度；②多层自组装复合材料为立体结构，可增加电极的比表面积，有利于β-环糊精分子的富集；③β-环糊精分子内腔对羟基多环芳烃有选择性地包合，可提高分析的灵敏度及选择性。
本发明可测定动物尿液、植物油脂中的羟基多环芳烃的浓度。
附图说明：
图1为巯基β-环糊精/纳米金/氧化石墨烯修饰电极结构示意图。
具体实施方式
下面结核具体的实施方式来对本发明的技术方案做进一步的限定，但要求保护的范围不仅局限于所作的描述。
实施例1
实施案例：基于层层自组装技术构建新型电化学传感器及其对多环芳烃的检测，其具体步骤为：
(1)表面带正电纳米金的制备
a种子溶液的制备：0.05ml的2.4×10-2M氯金酸(HAuCl4·4H2O)溶解于4.0ml的0.1M十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)溶液中，快速加入新鲜配制的1.5ml 0.01M NaBH4溶液，剧烈摇晃30秒，25℃下静置2h；b生长溶液的制备：0.1ml 0.2M CTAB与0.1ml 2.4×10-2MHAuCl4·4H2O混匀于10ml水中，快速加入0.6ml 0.10M L-抗坏血酸(L-AA)，待溶液变成无色，加入(a)制备的种子溶液40μl，搅拌30秒，静置生长24小时，在20000转/分下离心3次去掉多余CTAB，采用zeta电势分析仪测定所制备纳米金的zeta电势为44mV。
(2)电化学传感器的制备
a.称取10mg氧化石墨烯(GO)超声溶解于10mL纯水中，得到浓度为1mg/ml的氧化石墨烯溶液，取5μl的氧化石墨烯溶液滴加到预处理的玻碳电极上，室温真空干燥，得到氧化石墨烯(GO)修饰电极；b.将步骤a制得的修饰电极置于正电纳米金中，自组装2h，用纯水冲洗，室温真空干燥，再置于1mg/ml的氧化石墨烯溶液中自组装2h，用纯水冲洗，室温真空干燥，制得的修饰电极置于(1)制备的正电纳米金中自组装2小时，重复2次，制得基于层层自组装技术构建的纳米金/氧化石墨烯修饰电极({GO-Au}n)；c.将步骤b制得的层层自组装纳米金/氧化石墨烯修饰电极置于浓度为10mg/ml巯基环糊精(SH-β-CD)溶液中，50℃下反应2h，制得层层自组装巯基β-环糊精/纳米金/氧化石墨烯修饰电极({GO-Au}n-SH-β-CD)；以该修饰电极为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂片电极为辅助电极，构成了电化学传感器，实验在PAR2273电化学综合测试系统上进行，实验方法采用差分脉冲伏安法测定氧化峰的峰电流密度，初始电位为-0.2V，终止电位为0.8V，电位增量为0.004V，脉冲宽度为0.2s，采样宽度为0.0167s，脉冲周期为0.5s，静置时间为30s；峰电流密度与羟基多环芳烃浓度成线性关系，线性关系如下：
羟基多环芳烃α-羟基萘的线性范围为2.0×10-9～4.0×10-7mol/L，线性方程为
I(μA)＝-0.05789C(10-9mol/L)+0.0027，线性相关系数R2＝0.9925，检出限为8.0×10-10mol/L；
羟基多环芳烃1-羟基芘的线性范围为1.0×10-9～8.0×10-7mol/L，线性方程为
I(μA)＝-0.06485C(10-9mol/L)-0.0324，线性相关系数R2＝0.9984，检出限为9.0×10-10mol/L；
(3)分析测定实际羟基多环芳烃的含量
结合常见的羟基多环芳烃α-羟基萘、1-羟基芘标准品的线性关系，对实际待测样品进行测定，在待测样品中加入0.01mol/L磷酸二氢钠-磷酸氢二钠(PBS)作为底液，采用1M的盐酸或氢氧化钠调节样品pH值为5.0-6.0，采用层层自组装巯基β-环糊精/纳米金/氧化石墨烯修饰玻碳电极({GO-Au}n-SH-β-CD)为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂片电极为辅助电极，实验在PAR2273电化学综合测试系统上进行，采用脉冲伏安法测定氧化峰的峰电流密度，初始电位为-0.2V，终止电位为0.8V，电位增量为0.004V，脉冲宽度为0.2s，采样宽度为0.0167s，脉冲周期为0.5s，静置时间为30s。测定多环芳烃的峰电流密度，带入上述线性方程，可求算待测溶液中多环芳烃的浓度。
在此有必要指出的是，以上实施例和试验例仅限于对本发明的技术方案做进一步的阐述和理解，不能理解为对本发明的技术方案做进一步的限定，本领域技术人员作出的非突出实质性特征和显著进步的发明创造，仍然属于本发明的保护范畴。

Claims (5)

1.一种检测多环芳烃的电化学传感器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)表面带正电纳米金的制备；(2)利用层层自组装技术制备电化学传感器；
所述步骤(1)具体为：a.将0.05ml的2.4×10-2M氯金酸溶解于4.0ml的0.1M十六烷基三甲基溴化铵溶液中，再加入1.5ml0.01MNaBH4溶液，摇晃30s，于25℃下静置2h，得种子液；b.将0.1ml0.2MCTAB与0.1ml2.4×10-2MHAuCl4·4H2O加入到10ml水中混匀，再加入0.6ml0.10ML-抗坏血酸，待溶液变成无色，加入步骤a的种子液40μl，搅拌30s，静置生长24h，在20000r/min下离心3次，得到表面带正电纳米金；
所述步骤(2)具体为：a.称取10～20mg氧化石墨烯超声溶解于10～15mL纯水中，得到浓度为1～2mg/ml的氧化石墨烯溶液，取5～8μl的氧化石墨烯溶液滴加到电极上，室温真空干燥，得到氧化石墨烯修饰电极；b.将步骤a中制备的修饰电极置于步骤(1)制备的正电纳米金中，自组装2～4h，用纯水冲洗，室温真空干燥，再置于1～2mg/ml的氧化石墨烯溶液中自组装2～4h，用纯水冲洗，室温真空干燥，制得的修饰电极置于(1)制备的正电纳米金中自组装2～4h，重复2～5次，制得基于层层自组装技术构建的纳米金/氧化石墨烯修饰电极；c.将步骤b纳米金/氧化石墨烯修饰电极置于浓度为10～20mg/ml巯基环糊精溶液中，于40-60℃下反应1-4h，制得层层自组装巯基β-环糊精/纳米金/氧化石墨烯修饰电极，以该修饰电极为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂片电极为辅助电极，构成了电化学传感器。
2.如权利要求1所述检测多环芳烃的电化学传感器制备方法，其特征在于，所述步骤a中电极为玻碳电极、金电极、石墨电极、金盘电极、ITO玻璃电极、丝网印刷碳电极、丝网印刷金膜电极中的任一种。
3.如权利要求1～2任一项所述方法制备的电化学传感器用于多环芳烃的检测，其特征在于，包括以下步骤：a.以巯基β-环糊精/纳米金/氧化石墨烯作为工作电极、饱和甘汞电极为参比电极，铂片电极为辅助电极，分别以多环芳烃α-羟基萘、1-羟基芘为待测样品，加入0.01mol/L磷酸二氢钠-磷酸氢二钠作为底液，采用1M的盐酸或氢氧化钠调节待测溶液的pH值为5.0～6.0，采用差分脉冲伏安法测定氧化峰的峰电流密度，根据加入的不同浓度羟基多环芳烃标准溶液与峰电流密度呈现良好的线性关系得到标准曲线；b.以巯基β-环糊精/纳米金/氧化石墨烯作为工作电极、饱和甘汞电极为参比电极，铂片电极为辅助电极，在待测样品中加入0.01mol/L磷酸二氢钠-磷酸氢二钠作为电解液，采用1M的盐酸或氢氧化钠调节待测溶液的pH值为5.0～6.0，采用差分脉冲伏安法测定氧化峰的峰电流密度，带入步骤a得到的线性方程中，得到待测样品中多环芳烃的浓度。
4.如权利要求3所述方法制备的电化学传感器用于多环芳烃的检测，其特征在于，所述步骤a中，以α-羟基萘作为待测样品，其线性范围为2.0×10-9～4.0×10-7mol/L，线性方程为I(μA)＝-0.05789C(10-9mol/L)+0.0027，线性相关系数R2＝0.9925，检出限为8.0×10- 10mol/L。
5.如权利要求3所述方法制备的电化学传感器用于多环芳烃的检测，其特征在于，所述步骤a中，以1-羟基芘作为待测样品，其线性范围为1.0×10-9～8.0×10-7mol/L，线性方程为I(μA)＝-0.06485C(10-9mol/L)－0.0324，线性相关系数R2＝0.9984，检出限为9.0×10- 10mol/L。
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