CN108845008B - 一种直接电子传递型的苯酚类传感器及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种直接电子传递型的苯酚类传感器及其制备方法和应用。本发明包括一表面修饰含氮基团和含氧基团后的玻碳电极；基团之间的协同作用和静电效应达到增大电子传递效率的效果。由于本发明修饰后玻碳电极表面同时有含氮基团和含氧基团，这些基团之间可以形成氢键，因为这些氢键使电极上的基团有序的结合在一起，就如给电子的传递搭建了一个很好的桥梁，进而可以加速电子的传递，增强电信号的响应；另一方面，带不同属性电荷的基团之间可以形成静电效应，此效应和氢键有异曲同工之妙，亦可增强电信号的响应。

Description

一种直接电子传递型的苯酚类传感器及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于电化学传感器的制备和应用于环境污染物的检测领域，具体涉及电化学方法通过电子传递由化学信号转化为电信号直接检测苯酚类物质的传感器的制备方法及应用。
背景技术
对苯二酚(HQ)，儿茶酚(CC)和间苯二酚(RC)是二羟基苯的三种异构体。它们广泛用于染料工业，医药，化妆品，抗氧化剂，杀虫剂和橡胶等领域。但这些有机物可能会损害人体健康，破坏环境，因此美国环境保护署把它视为首先考虑的环境污染物。因此，区分和检测这些有机物质的浓度非常重要。近年来，已经将高效液相色谱(HPLC)，分光光度法，色谱法，化学发光法和电化学法等多种技术用于检测和鉴定这些有机物。由于HPLC具有高效率和高灵敏度，广泛应用于分析领域，但成本昂贵且测试时间长。分光光度检测是基于材料的特定波长，但很难区分材料的异构体。化学发光检测灵敏度高，操作方便，但其检出限高，难以区分化学反应条件相似的异构体。由于电化学方法简单，方便，维护费用低，选择性高，灵敏度高，检测范围广，因此比其他方法更引人们关注。到目前为止，用来修饰玻碳电极(GCE)检测二羟基苯异构体的材料有很多，如碳材料，双金属纳米结构材料，掺杂石墨材料，金属氧化物和硫化物等。虽然采用上述电极可以获得较低的检测限和较宽的检测范围，但检测时操作复杂且易脱离，严重限制了检测的稳定性和灵敏度。因此，已经开发了直接修饰玻碳电极表面相关基团的活化电极。氨化，硫酸活化和磷酸盐缓冲溶液(PBS)活化是三种主要形式。这些方法大大简化了修饰过程。另外，在电极表面改性的一些含氧基团和含氮基团可以提高电极的电子转移效率。因此，探索新的活化方法至关重要。
本发明主要研制了一种基于电化学方法复合活化玻碳电极的新方法，以复合活化的方式来增多电极表面基团的种类，并且增强其基团之间的相互作用，进而可以达到以高效，高灵敏度和低检测限的特点同时检测HQ,CC和RC。
发明内容
本发明的一个目的是针对现有技术的不足或者高成本，提供了一种直接电子转移型检测苯酚类物质的电化学传感器。
本发明直接电子传递型的苯酚类传感器，包括一表面修饰含氮基团和含氧基团后的玻碳电极；
所述的含氮基团为伯氨基团、仲氨基团、或其他含氮基团中的一种或多种；
所述的含氧基团为羟基、羧基或其他含氧基团的一种或多种；
基团之间的协同作用和静电效应达到增大电子传递效率的效果。
本发明的另一个目的是提供上述苯酚类传感器的制备方法，该方法制备过程简单，易控制，具体如下：
使用氨化剂对玻碳电极材料采用电化学方法进行阳极和阴极极化，使电极表面修饰上氨基基团；然后再将修饰氨基后的电极使用PBS活化剂采用电化学方法进行阳极和阴极极化，使电极表面修饰上含氧基团，将其作为苯酚类传感器的信号转换元件，得到所需的苯酚类传感器。
所述的氨化剂为氨基甲酸铵等氨化试剂；
所述的PBS活化剂为K2HPO4/NaH2PO4(pH＝7.0)；
所述的氨基基团修饰条件：室温下在0.1M的氨基甲酸铵溶液中分别阳极+1.1V极化20min，阴极-1V极化15min；
所述的含氧基团修饰条件：室温下在0.1M的PBS溶液中分别阳极+1.7V极化20min，阴极-1V极化15min。
本发明的又一个目的是提供上述苯酚类传感器的应用方法，具体是将苯酚类传感器的信号转换元件(即表面修饰含氮基团和含氧基团后的玻碳电极)作为工作电极(WE)，铂片电极为对电极(CE)，Ag/AgCl电极为参比电极(RE)，将三电极放入调节pH至7后的待检测溶液中，若溶液含有苯酚类物质，则在接触表面修饰含氮基团和含氧基团后的玻碳电极时会发生氧化反应，在反应中会有电子的转移，这些电子会被传感器所感应，然后转化为电信号，通过电流的变化获取苯酚含量。
上述待检测溶液采用磷酸缓冲溶液调节pH至7。
本发明的有益效果：
由于本发明修饰后玻碳电极表面同时有含氮基团和含氧基团，这些基团之间可以形成氢键，因为这些氢键使电极上的基团有序的结合在一起，就如给电子的传递搭建了一个很好的桥梁，进而可以加速电子的传递，增强电信号的响应；另一方面，带不同属性电荷的基团之间可以形成静电效应，此效应和氢键有异曲同工之妙，亦可增强电信号的响应。
附图说明
图1为此传感器的工作原理示意图。
图2为此传感器信号转换元件在含有20mM K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6的0.1M的KCl溶液中探究其电极表面的有效面积和阻抗。其中A为传感器电极与其他不同电极的CV对比图，C为A的局部放大图，B为传感器电极与其他不同电极的电化学阻抗对比图，D为B的局部放大图。
图3为三种不同修饰电极用循环伏安法分别以50mV/s的扫速在pH＝7的磷酸缓冲溶液中同时检测100μM的HQ,CC和RC的CV图。
图4为通过不同扫速(30-300mV/s)对此传感器的动力学研究。其中A为不同扫速的CV图，B为HQ，CC和RC的氧化峰电流与扫速的关系图。
图5为不同电解液的酸碱度(4.6-8.82)对传感器检测苯酚的影响。其中A为不同酸碱度下的CV图，B为苯酚的氧化峰电流与pH的关系，C为苯酚的氧化峰电位与pH的关系。
图6为探究苯酚的浓度和氧化峰电流的关系。其中A，C，E为改变单一苯酚类物质控制其他物质的浓度下的CV图，B,D,F为对应苯酚的氧化峰电流与浓度的关系。G为同时检测三种苯酚的CV图，H为不同苯酚的氧化峰电流与浓度的关系。
图7为探究Na+,K+Ca2+,Mg2+,Zn2+,Cu2+,Pb2+,H2O2对传感器检测苯酚的影响。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步的分析。
图1为本发明传感器的工作原理示意图。
实施例1
苯酚传感器信号转换元件的制备步骤如下：
(1)将玻碳电极表面先依次通过0.3μm和0.05μm的Al2O3打磨为镜面，然后依次分别在乙醇和去离子水中超声洗涤8分钟取出在N2下吹干备用。
(2)将上述电极放置在0.1M的氨基甲酸铵溶液中用安培法在+1.1V下阳极极化20分钟，再在-1V下阴极极化15分钟。然后放在PBS(pH＝7)溶液中用同样的方法+1.7V下阳极极化20分钟，再在-1V下阴极极化15分钟。得复合活化电极即苯酚传感器信号转换元件。
实施例2
电极的表面面积和阻抗的研究具体步骤如下：
(1)配制含有20mM K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6的0.1M的KCl溶液，作为氧化探针测试电极的表面积。用循环伏安法测试电极在-0.2V–0.6V之间，如图2A和C。通过Randles-Sevcik方程可以得到电极的表面积：
IP＝2.69×105AD1/2n3/2v1/2C
其中Ip为氧化峰电流，A为电极表面积，D为7.6×10-6cm2·s-1，n为传递电子的数量(n＝1)，C为探针的浓度，v为扫描速率(v＝20mV s-1)。
(2)配制含有20mM K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6的0.1M的KCl溶液，作为测试阻抗的标液，用交流阻抗测试电极的阻抗。如图2B和D。
实施例3
实施例1传感电极与其他修饰玻碳电极的对比，具体步骤如下：
将预处理的玻碳电极放置在0.1M的氨基甲酸铵溶液中用安培法在+1.1V下阳极极化20分钟，再在-1V下阴极极化15分钟，得氨化电极。再将另一根预处理玻碳电极放置在PBS(pH＝7)溶液中用同样的方法+1.7V下阳极极化20分钟，再在-1V下阴极极化15分钟，得PBS活化电极。将这两种电极与实施例1电极用循环伏安法分别以50mV/s的扫速在pH＝7的磷酸缓冲溶液中同时检测100μM的HQ，CC和RC。如图3。
实施例4
电极表面的动力学研究，具体步骤如下：
改变不同的扫速(30，50，100，150，200，250，300mV/s)在pH＝7的磷酸缓冲溶液(PBS)中同时检测100μM的HQ,CC和RC，用循环伏安法测试电流信号的变化CV图，如图4A。为了研究电极表面的控制类型，做出了扫速与氧化峰电流的关系图，如图4B。
实施例5
探究电极检测的pH环境，具体步骤如下：
配制不同pH的磷酸缓冲溶液(pH为4.6-8.82)，将电极放在不同pH的电解液里在50mV/s的扫速下同时检测100μM的HQ，CC和RC。用循环伏安法做出不同pH的电解液环境中苯酚峰电流的变化，如图5A。作图比较苯酚的氧化峰电流和电位与pH的关系，如图5B和C。
实施例6
苯酚传感器检测HQ，CC和RC的浓度变化规律，具体步骤如下：
(1)首先控制两种苯酚类物质在100μM的浓度下改变另一种物质的浓度，分别为1，5，10，20，50，100，200，300，500，1000μM，以50mV/s的扫速在pH＝7的磷酸缓冲溶液中用制备的苯酚传感器检测浓度与氧化峰电流的关系，如图6A，C和E。根据所测试的CV图的电流响应作浓度与氧化峰电流的标准回归曲线图，如图6B，D和F。
(2)用苯酚传感器同时检测HQ，CC和RC，同时改变三种物质的浓度(1，5，10，20，50，100，200，300，500，1000μM)，以50mV/s的扫速在pH＝7的磷酸缓冲溶液中同时检测三种苯酚类物质，绘制CV图，如图6G。再作浓度变化和氧化峰电流的回归关系图，如图6H。
实施例7
分析其他离子对传感器检测苯酚的干扰，具体步骤如下：
将NaCl，KCl，CaCl2，ZnCl2，MgCl2，CuCl2，PbCl2，H2O2分别溶于pH＝7的磷酸缓冲溶液中使系统浓度达到300μM，用苯酚传感器依次检测这些干扰离子，其表现出的峰电流信号与空白液的峰电流信号做对比，如图7。
上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种同时检测对苯二酚、儿茶酚、间苯二酚的传感器，其特征在于包括一表面修饰含氮基团和含氧基团后的玻碳电极；
所述的含氮基团为伯氨基团、仲氨基团、或其他含氮基团中的一种或多种；
所述的含氧基团为羟基、羧基或其他含氧基团的一种或多种；
采用以下制备方法得到：使用氨化剂对玻碳电极材料采用电化学方法进行阳极和阴极极化，使电极表面修饰上所述含氮基团；然后再将修饰所述含氮基团后的电极使用PBS活化剂采用电化学方法对玻碳电极表面进行阳极和阴极极化，使电极表面修饰上含氧基团，将其作为传感器的信号转换元件；
所述的氨化剂为氨基甲酸铵；
所述的含氮基团修饰条件：室温下在0.1 M的氨基甲酸铵溶液中分别阳极+1.1V极化20min，阴极-1 V极化15 min；
所述的含氧基团修饰条件：室温下在0.1 M的PBS活化剂中分别阳极+1.7V极化20 min，阴极-1 V极化15 min。
2.如权利要求1所述的一种同时检测对苯二酚、儿茶酚、间苯二酚的传感器，其特征在于所述的PBS活化剂为K2HPO4/NaH2PO4，pH=7.0。
3.一种同时检测对苯二酚、儿茶酚、间苯二酚的传感器的应用方法，其特征在于将如权利要求1所述的传感器的信号转换元件作为工作电极，铂片电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极，将三电极放入调节pH至7后的待检测溶液中，若溶液含有对苯二酚、儿茶酚、间苯二酚，则在接触表面修饰含氮基团和含氧基团后的玻碳电极时会发生氧化反应，在反应中会有电子的转移，这些电子会被传感器所感应，然后转化为电信号，通过电流的变化获取对苯二酚、儿茶酚、间苯二酚含量。
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