CN109613087B - 冬瓜和牛奶制备用于铅离子检测的电化学传感器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种冬瓜和牛奶制备用于铅离子检测的电化学传感器的方法，属于电化学传感技术领域。通过将冬瓜水热处理、冷冻干燥后得到冬瓜气凝胶，再与牛奶充分接触后在管式炉中高温加热碳化，得到氮掺杂的碳材料；将该氮掺杂的碳材料磨成粉末后，溶于1.0wt％的萘酚‑异丙醇溶液，经超声处理后得到分散均匀的悬浮液，将悬浮液修饰于玻碳电极上构成工作电极，并与对电极Pt丝、参比电极Ag/AgCl电极、电解质0.1M，pH＝4.5的醋酸‑醋酸钠缓冲溶液组成电化学传感器。本发明克服了现有技术中汞膜电极安全性低以及制备过程繁琐的问题，实现了提高铅离子检测的安全性，降低检测成本，同时使得操作更加方便，绿色环保的目的。

Description

冬瓜和牛奶制备用于铅离子检测的电化学传感器的方法
技术领域
本发明属于电化学传感技术领域，特别是涉及一种冬瓜和牛奶制备用于铅离子检测的电化学传感器的方法。
背景技术
由于这些离子的毒性，快速扩散性和生物累积性，重金属离子排放引起的水环境污染受到了极大关注。其中，铅离子(Pb2+)是环境健康中最危险的污染物之一，因为Pb2+被列入世界卫生组织(WHO)规定的“公共卫生关注的十种有害物质”清单。一般来说，来自各种污染源的Pb2+会被引入水体，富含在水生生物中并进一步人体沿着食物链中，即使在痕量水平也会对人类健康构成严重威胁。众所周知，摄入Pb2+会损害正常神经系统并对肾脏造成严重伤害，导致身体不适，如癌症，脑病，烦躁，精神病和肌肉麻痹。因此，探索一种可以精确监测不同介质中Pb2+的含量的分析方法有着重要意义。到目前为止，不同的分析技术包括原子荧光光谱，表面增强拉曼散射光谱，电感耦合等离子体质谱和电化学方法已被用于检测Pb2 +。其中，电化学方法因其高灵敏度，可靠性，简单性和快速性而被认为在Pb2+定量方面具有吸引力。特别是，微分脉冲阳极溶出伏安法已被广泛认为是一种成熟的工具，因为它可以在电极表面积累金属离子并进一步从电极表面剥离，产生与目标浓度相关的电流信号。
合适的电极材料被认为是实现高灵敏度检测的关键部分。在过去的二十年中，汞膜因其显着的剥离性能而被广泛用于灵敏电化学传感器的开发。然而矛盾的是，汞是一种危险的金属，因此基于汞膜的传感器的连续使用受到了限制。最近，铋膜电极作为制造伏安法传感器的候选者已经受到了相当多的关注。基于铋膜的传感器的有利特性体现在铋的低毒性，与多种金属离子熔融合金的形成，定义良好的剥离行为，优异的信号背景比和宽线性范围等这些特征上。另外，铋膜电极可以通过沉积在各种电极基板上来制备，例如一些贵金属，丝网印刷电极，玻碳电极，石墨烯和碳纳米管修饰电极。尽管这些铋膜电极表现出改善的电化学信号，但新的电极基板仍被需要，用来构建用于敏感检测重金属离子的新型电化学传感平台。
现有技术中存在的主要问题是：1.对于经常用来检测重金属的汞膜电极，汞是一种危险的金属，因此基于汞膜的传感器的连续使用受到了限制；2.传统材料的制备过程繁琐，成本较高，生物质衍生的碳材料制备方法简单。
因此亟需一种低成本、安全性高的铅离子检测方法来克服现有技术中存在的高危险性和高成本的技术问题，同时通过有效合成氮掺杂材料，从而增强电化学性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冬瓜和牛奶制备用于铅离子检测的电化学传感器的方法，以实现提高铅离子检测的安全性，降低检测成本，同时使得操作更加方便，绿色环保的目的。
本发明所采用的技术方案是，提供一种冬瓜和牛奶制备用于铅离子检测的电化学传感器的方法，包括以下步骤：
S1，将新鲜的冬瓜去除外皮，软浆和种子，得到白色的冬瓜果肉，切成块状，置于不锈钢高压反应釜中，灌入去离子水封禁反应釜，在烘箱中水热180℃处理10小时，得到冬瓜水凝胶；
S2，将S1中获得的冬瓜水凝胶放入烧杯，加入一定量的超纯水，并用密封纸封口；再将烧杯浸入60℃的水浴锅中，保持48小时，去除水热反应产生的可溶性杂质，然后在室温下自然冷却；
S3，将S2中自然冷却后的冬瓜水凝胶放入-80℃的冰箱冷却，然后将冷却后的冬瓜水凝胶在压强小于1Pa、温度为-44℃的条件下，经过真空冷冻干燥处理24小时，得到棕色低密度的冬瓜气凝胶；
S4，将S3中得到的冬瓜气凝胶完全浸泡于装有牛奶的烧杯里，保持1h，使牛奶和冬瓜气凝胶充分接触；得到的固体产物在烘箱中经过70℃处理12小时，使之干燥；
S5，将S4中得到的产物置于管式炉中，氮气饱和条件下在700℃-900℃下加热碳化2小时，加热碳化后得到氮掺杂的碳材料；
S6，将S5中得到的碳材料用球磨机磨成粉末，溶于1.0wt％的萘酚-异丙醇溶液中，超声处理12小时得到分散均匀的悬浮液；
S7，将玻碳电极GCE依次用1.0μm、0.3μm和0.05μm粒径的氧化铝抛光粉打磨2min，使电极表面抛光，每次打磨后用二次蒸馏水冲洗干净；打磨后的电极依次在硝酸溶液、无水乙醇和去离子水中各用超声波处理2min，得到干净的镜面电极，室温下用高纯氮气吹干；
S8，取分散均匀的悬浮液5μL，修饰于玻碳电极上，萘酚-异丙醇溶剂在红外灯下蒸发，构成工作电极；与对电极Pt丝、参比电极Ag/AgCl电极、电解质浓度为0.1M且pH＝4.5的醋酸-醋酸钠缓冲溶液组成电化学传感器。
进一步地，所述S7中的硝酸溶液是浓硝酸和去离子水按体积比为1:1的比例配制而得。
本发明的有益效果是：
1.电化学传感器用于检测铅离子时，宽线性范围，低检出限，好的选择性和稳定性。检出限可达0.2μg L-1(S/N＝3)，低于世界卫生组织提出的饮用水允许值10μg L-1。
2.使用的原料冬瓜和牛奶来源广泛，价格低廉，绿色环保。
3.材料的制备方法可控易操作，无二次污染。
4.成本低廉，利用电化学工作站分析即可，不需要复杂昂贵的大型设备。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是利用生物质牛奶和冬瓜制备铅离子检测的电化学传感器的流程图；
图2A是基于生物质相互交联的纳米棒的扫描电子显微镜图像；
图2B是氮掺杂的基于生物质相互交联的纳米棒的扫描电子显微镜图像；
图3是基于生物质相互交联的纳米棒和氮掺杂的基于生物质相互交联的纳米棒的拉曼光谱图；
图4是基于生物质相互交联的纳米棒和氮掺杂的基于生物质相互交联的纳米棒的X射线光电子能谱光谱图；
图5是铋膜玻碳电极(BFE)，BCN修饰的铋膜电极(BCN/BFE)，NBCN-700修饰的铋膜电极(NBCN-700/BFE)，NBCN-900修饰的铋膜电极(NBCN-900/BFE)和NBCN修饰的铋膜电极(NBCN/BFE)对50μg L-1Pb2+的DPASV曲线图；
图6A是不同pH值条件下NBCN/BFE对于Pb2+检测的影响曲线图；
图6B是不同富集电位下NBCN/BFE对于Pb2+检测的影响曲线图；
图6C是不同富集时间下NBCN/BFE对于Pb2+检测的影响曲线图；
图6D是不同的铋离子浓度NBCN/BFE对于Pb2+检测的影响曲线图；
图7A是NBCN/BFE对不同浓度铅离子的DPASV图；
图7B是NBCN/BFE的电流与Pb2+浓度之间的线性关系图；
图7C是NBCN/BFE在不同的干扰离子存在时对于Pb2+的DPASV响应柱状图；
图7D是五个不同的NBCN/BFE对于50μg L-1Pb2+的DPASV响应曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是利用生物质冬瓜和牛奶分别作为主要的碳源和氮源，合成一种新型的氮掺杂的碳材料，并用于灵敏的电化学铅离子传感器的构建。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
一、冬瓜和牛奶制备用于铅离子检测的电化学传感器的方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
S1：将新鲜的冬瓜去除外皮，软浆和种子，得到白色的冬瓜果肉，切成大约8cm3(2×2×2cm3)的块状，置于不锈钢高压反应釜中，灌入去离子水封禁反应釜，在烘箱中水热180℃处理10小时，得到冬瓜水凝胶；
S2：将S1中获得的冬瓜水凝胶放入烧杯，加入一定量的超纯水，并用密封纸封口。再将烧杯浸入60℃的水浴锅中，保持48小时，去除水热反应产生的可溶性杂质，然后在室温下自然冷却；
S3：将S2中自然冷却后的冬瓜水凝胶放入-80℃的冰箱冷却，然后将冷却后的冬瓜水凝胶在压强小于1Pa、温度为-44℃的条件下，经过真空冷冻干燥处理24小时，得到棕色低密度的冬瓜气凝胶；
S4：将冬瓜气凝胶完全浸泡于装有牛奶的烧杯中，保持1h，使牛奶和冬瓜气凝胶充分接触。得到的固体产物在烘箱中70℃处理12小时，使之干燥；
S5：将S4中得到的产物置于管式炉中，氮气饱和条件下在700℃-900℃下加热碳化2小时，加热碳化后得到氮掺杂的碳材料；
S6：将S5中得到的碳材料用球磨机磨成粉末，溶于1.0wt％的萘酚—异丙醇溶液中，超声处理12小时得到分散均匀的悬浮液；
S7：将玻碳电极GCE依次用1.0μm、0.3μm和0.05μm粒径的氧化铝抛光粉打磨2min，使电极表面抛光，每次打磨后用二次蒸馏水冲洗干净。打磨后的电极依次在硝酸溶液、无水乙醇和去离子水中各用超声波处理2min，得到干净的镜面电极，室温下用高纯氮气吹干；其中硝酸溶液是浓硝酸与去离子水按体积比1:1配制所得；
S8：取分散均匀的悬浮液5μL，修饰于玻碳电极上，萘酚-异丙醇溶剂在红外灯下蒸发，构成工作电极；与对电极Pt丝、参比电极Ag/AgCl电极、电解质浓度为0.1M且pH＝4.5的醋酸-醋酸钠缓冲溶液组成电化学传感器。
二、电化学检测
配制含有硝酸铋和硝酸铅的标准溶液，所用的水均为高纯水，电阻率大于18.4MΩcm，采用的硝酸铋和硝酸铅均为优级纯；
首先取分散均匀的悬浮液(NBCN/Nafion--isopropyl-alcohol)5μL，修饰在干净的玻碳电极表面，萘酚-异丙醇溶剂在红外灯下蒸发，作为工作电极；Pt丝作为对电极；Ag/AgCl(饱和KCl)电极作为参比电极；形成三电级体系。如图6A、图6B、图6C和图6D所示，根据不同pH值、不同富集点位、不同富集时间及不同铋离子浓度条件下NBCN/BFE对于Pb2+检测的影响曲线图，选择如下数值进行检测。三电极体系浸入含一定浓度的铋离子和铅离子的电解质0.1M，pH＝4.5的醋酸-醋酸钠(HAc-NaAc)缓冲溶液中，在搅拌的同时，施加-1.2V的电位，沉积富集360s。在电位不变的情况下静止15s，用微分脉冲伏安法从-1.0V正向扫描到-0.2V，测试Pb2+浓度与铅离子溶出峰电流的强度关系并记录扫描曲线，该过程中金属会被氧化并出现起氧化峰(铅在-0.6V左右)。对工作电极施加0.3V的电位使铋和未被氧化的金属离子清除掉，完成铋膜电极的更新。差分脉冲阳极溶出伏安法的各项参数分别为：电位范围为-1.0V—-0.2V，阶跃电位为0.005V，振幅为0.08V，脉冲周期为0.2s。对参数进行优化，铋离子浓度为200～2200μg/L，NaAc-HAc缓冲溶液的pH值为3～6，沉积时间为60～480s，沉积电位范围为-1.4～-0.9V。优化后的最佳参数为最佳pH值为4.5，沉积电位为-1.2V，富集时间为360s，铋离子浓度为1400μg/L。
(1)为了检测S5中加热碳化的温度对本发明铅离子检测的影响，将步骤5中的加热温度分别选取为700℃、800℃和900℃，各自得到对应温度下的氮掺杂碳材料，并分别标记为NBCN-700、NBCN和NBCN-900。
如图5所示，由于铅和铋之间熔融合金的形成使得Pb2+的还原容易发生，所有铋膜电极都显示出明确且尖锐的DPASV响应。与铋膜玻碳电极(BFE)(c1)相比，BCN修饰的铋膜电极(BCN/BFE)(c2)，NBCN-700修饰的铋膜电极(NBCN-700/BFE)(c3)，NBCN-900修饰的铋膜电极(NBCN-900/BFE)(c4)和NBCN修饰的铋膜电极(NBCN/BFE)的剥离信号得到了极大的改善，可见碳纳米材料的良好电子传导性改善了BFE/溶液界面处的电荷转移效率。
此外，NBCN/BFE，NBCN-700/BFE和NBCN-900/BFE的响应比BCN/BFE分别高了209.2％，188.1％和108.0％，表明N原子的掺杂增强剥离性能。其中，NBCN/BFE产生了最高和最尖锐的剥离峰值。这可以归结为两个方面。NBCN中的N原子可以提供高活性表面积和高密度的EDS，这将有利于金属离子在电极上的电子转移。此外，NBCN上的大量官能团有利于金属离子在电极表面的吸附。由此可见，氮气饱和条件下在800℃下进行加热碳化得到的氮掺杂的碳材料，即氮掺杂的基于生物质相互交联的纳米棒(NBCN)更有利于铅离子的检测，换句话说，NBCN/BFE为检测Pb2+提供了先进的高性能电化学传感平台。
后文中均选择NBCN(即800℃加热碳化得到的氮掺杂的基于生物质相互交联的纳米棒)作为本发明中检测Pb2+的电极修饰物。
(2)为了对比，根据与煅烧温度为800℃的氮掺杂碳材料类似的实验步骤合成了基于生物质的碳纳米材料，但没有浸入牛奶中。即S3中得到的冬瓜气凝胶不进行S4的处理，直接进行800℃下煅烧2小时，再进行S6的处理，得到不掺氮的材料，最终得到基于生物质相互交联的纳米棒(BCN)。具体对比说明如图2至图4。
如图2A和图2B所示，基于生物质相互交联的纳米棒(BCN)(图2A)和氮掺杂的基于生物质相互交联的纳米棒(NBCN)(图2B)的扫描电子显微镜(SEM)图像显示存在明确的网络结构，其由直径为～20nm的交联纳米棒组成。然而，可以在NBCN上观察到相对粗糙的表面，这是由于NBCN内存在N物种。与BCN相比，NBCN的相对粗糙的表面可以提供更有活性的表面积，这将有助于电化学分析。
如图3所示，BCN(a)和NBCN(b)的拉曼光谱均显示两个强带位于～1350cm-1的D带和～1595cm-1处的G带，这分别与碳无序的结构缺陷和sp2C原子的E2g面内振动相关；
D和G带的相对强度比(ID/IG)通常用作评价样品缺陷程度的指标。经过计算，NBCN的ID/IG值为2.1，高于BCN的ID/IG值1.27，表明NBCN表面存在较高密度的边缘平面样缺陷位置(EDS)。
如图4所示，BCN(a)和NBCN(b)的X射线光电子能谱(XPS)光谱显示在～284.8eV处的C 1s峰，在～398.7eV处的N 1s峰和在～532.4eV处的O 1s峰。经XPS测定，对于NBCN，C，N和O的相对原子百分比分别为84.43％，2.49％和13.08％，而相应的BCN原子百分比分别为89.47％，0.99％和9.54％。结果表明，在NBCN的制备过程中通过添加牛奶上存在大量的O基和N基的官能团。
由上可知,与未添加牛奶的BCN相比，NBCN有着一个相对粗糙的表面，较多的缺陷位点以及较高的氮含量。在碳纳米材料中掺杂氮原子可以极大的改变材料表面结构，调节其孔道结构以及增强亲水性。因此，通过添加牛奶得到的NBCN将有助于更多的铅离子在电极表面吸附并溶出，因而铅离子检测的性能得到增强。
(3)为了在NBCN/BFE上获得最佳的Pb2+检测性能，结合包括缓冲溶液的pH，沉积电位，沉积时间和Bi3+的浓度的实验因素。通过在不同实验条件下对50μg L-1Pb2+的检测，得到了最佳的实验参数包括0.1M pH 4.5乙酸盐缓冲溶液，-1.2V的沉积电位，360s的沉积时间和1400μgL-1的Bi3+浓度。选择所有参数用于随后的DPASV实验，以确保对Pb2+检测的最高DPASV响应。
基于NBCN的Pb2+检测传感器的分析性能通过在优化的实验条件下将不同浓度的Pb2+从0.5μgL-1到120μgL-1添加到0.1M 4.5乙酸盐缓冲溶液中来研究。如图7A所示，NBCN/BFE显示出明确定义的Pb2+剥离峰。随着Pb2+浓度的增加，DPASV响应明显增加，同时剥离峰电位略有正向变化。DPASV响应与NBCN/BFE处的Pb2+浓度之间的线性关系曲线如图7B所示。如图所示，在NBCN/BFE处，Pb2+的DPASV响应在0.5至100μgL-1的浓度范围内线性增加。然而，120μgL-1Pb2+的DPASV响应偏离在0.5至100μgL-1的浓度范围内获得的线性化方程。相应的线性化方程为y＝0.32x+0.024(x：Pb2+/μg L-1的浓度；y：电流/μA)，高相关系数为0.999。计算出检测限为0.2μg/L(S/N＝3)。NBCN/BFE具有出色的检测性能，例如：宽线性范围和低检测限，优于先前的基于铋的电化学传感器，图表1所示。此外，NBCN/BFE的检出限低于世界卫生组织(WHO)提出的饮用水允许值10μgL-1。此外，本文还研究了可能与实际水样中与Pb 2+共存的各种干扰金属离子对50μg L-1Pb 2+的DPASV响应的影响，如图7C所示，结果表明，大多数潜在的金属离子对Pb2+检测没有显著干扰。然而，必须指出的是，随着添加1倍Cu2+离子，DPASV响应显着降低，这可能是因为Cu2+和Bi3+之间存在电极表面位置的竞争阻止了它们在沉积过程中形成金属合金。因此，如果真实水样含有大量的Cu2+，必须采取一些措施，包括添加铁氰化物和稀释，以减少测量前Cu2+的干扰效应。为了评估NBCN/BFE的重复性，对0.1M pH4.5乙酸盐缓冲溶液中的50μg L-1Pb 2+进行了一系列10次重复测量。获得了1.8％的可接受的相对标准偏差(RSD)，这表明NBCN/BFE具有高重复性。通过测量50μgL-1Pb2+在5个NBCN/BFE处的DPASV响应，进一步研究了再现性，如图7D所示。DPASV响应显示没有显着变化，RSD为1.3％，揭示了所设计传感器的可靠再现性。此外，在4℃储存4周后，NBCN/BFE的DPASV响应仍然超过其原始值的95％至50μgL-1Pb2+，显示出优异的稳定性。
表1不同基于铋的电化学生物传感器性能的对比
Figure BDA0001908607050000081
注：SWASV：方波溶出阳极伏安法；DPASV：差分脉冲阳极溶出伏安法；G：石墨烯；RGO：还原氧化石墨烯；BiF4：四氟化铋；GC/GCE：玻碳电极；xerogel：干凝胶；MPTMS：(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷；BiOCl：氯化氧铋；Engineered MWCNTs：设计的多壁碳纳米管；IPA：异丙醇；carbon thread electrode：碳螺纹电极；CS:壳聚糖；CPE:碳糊电极；NP:纳米粒子；SPCPE:丝网印刷多孔碳电极；
表2电化学传感器自来水与湖水中的铅离子含量检测结果
Figure BDA0001908607050000091
从表2可以看出，在实际样品自来水和湖水样品中，用本发明设计的NBCN/BFE测定得到铅离子的浓度分别为2.18和0μg L-1，而用常规的石墨炉原子吸收光谱法(GF-AAS)得到的结果分别为2.28和0μg L-1，两者结果几乎一致。另外，本文还采用了标准加入法评价了本发明对于实际样品检测的可行性。在自来水样品中，分别加入10，20和30μg L-1铅离子标准溶液后，传感器检测得到结果为12.3，22.45和32.63μg L-1，相应的回收率在100.2％和101.2％之间。同样的，在湖水样品中加入三个不同浓度的铅离子溶液，由本发明的传感器得到的回收率在100.1％和103.2％之间。令人满意的回收率以及与GF-AAS结果一致都表明了NBCN/BFE对于实际样品中Pb2+检测的的巨大潜力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种冬瓜和牛奶制备用于铅离子检测的电化学传感器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将新鲜的冬瓜去除外皮，软浆和种子，得到白色的冬瓜果肉，切成块状，置于不锈钢高压反应釜中，灌入去离子水封禁反应釜，在烘箱中水热180℃处理10小时，得到冬瓜水凝胶；
S2，将S1中获得的冬瓜水凝胶放入烧杯，加入一定量的超纯水，并用密封纸封口；再将烧杯浸入60℃的水浴锅中，保持48小时，去除水热反应产生的可溶性杂质，然后在室温下自然冷却；
S3，将S2中自然冷却后的冬瓜水凝胶放入-80℃的冰箱冷冻，再将冷冻后的冬瓜水凝胶在压强小于1Pa，温度为-44℃的条件下，经过真空冷冻干燥处理24小时，得到棕色低密度的冬瓜气凝胶；
S4，将S3中得到的冬瓜气凝胶完全浸泡于装有牛奶的烧杯里，保持1h，使牛奶和冬瓜气凝胶充分接触；得到的固体产物在烘箱中经过70℃处理12小时，使之干燥；
S5，将S4中得到的产物置于管式炉中，氮气饱和条件下在700℃-900℃下加热碳化2小时，加热碳化后得到氮掺杂的碳材料；
S6，将S5中得到的碳材料用球磨机磨成粉末，溶于1.0wt％的萘酚-异丙醇溶液中，超声处理12小时得到分散均匀的悬浮液；
S7，将玻碳电极GCE依次用1.0μm、0.3μm和0.05μm粒径的氧化铝抛光粉打磨2min，使电极表面抛光，每次打磨后用二次蒸馏水冲洗干净；打磨后的电极依次在硝酸溶液、无水乙醇和去离子水中各用超声波处理2min，得到干净的镜面电极，室温下用高纯氮气吹干；
所述S7中的硝酸溶液是浓硝酸和去离子水按体积比为1:1的比例配制而得；
S8，取分散均匀的悬浮液5μL，修饰于玻碳电极上，萘酚-异丙醇溶剂在红外灯下蒸发，构成工作电极；与对电极Pt丝、参比电极Ag/AgCl电极、电解质浓度为0.1M且pH＝4.5的醋酸-醋酸钠缓冲溶液组成电化学传感器。
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