CN109828010B - 检测氯离子的电化学传感器的制备方法及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及分析检测技术领域，具体涉及一种检测氯离子的电化学传感器的制备方法及其检测方法。为解决现有氯离子电化学传感器检测电极依赖贵重金属和已有的电极线性范围较窄、灵敏度较低的问题。本发明采用的制备方法的步骤为：1）3D‑GN的制备；2）工作电极的制备；通过将3D‑GN/CPE置于pH 6.0的0.1M PBS中进行平衡得到稳定的循环伏安（CV）曲线，再放入待测液中孵化1min，用差分脉冲伏安法（DPV）进行测试，利用标准曲线进行定量分析。

Description

检测氯离子的电化学传感器的制备方法及其检测方法

技术领域

本发明涉及分析检测技术领域，具体涉及一种检测氯离子的电化学传感器的制备方法及其检测方法。

背景技术

氯离子广泛存在于人体、动植物以及自然环境中。作为环境中分布最广泛的阴离子之一，氯离子对人们的生产生活有着非常广泛的影响。在很多领域中，氯离子的浓度都是重要参数。例如：在工农业生产中，氯离子的浓度影响到生产管路的腐蚀以及植物的生长；在医疗方面，人的血液、尿液以及汗液中氯离子的浓度是诊断包括致死性囊性纤维化在内的许多疾病的重要指标；在食品工业中，测定氯离子的浓度对食品的加工生产工艺、产品质量控制有指导作用。因此，亟需建立灵敏度高、特异性好、响应速度快、检测成本低的氯离子检测新方法。

传统的氯离子浓度的检测方法如滴定法、比色法、离子色谱等，存在检测耗时长、过程繁琐、仪器昂贵等缺点，难以应用于氯离子的大规模快速检测。电化学检测方法以其简单、快捷的特点成为目前最具潜力的快速检测方法之一。

然而，目前已有的氯离子电化学传感器主要存在以下问题：

第一，检测电极依赖贵重金属，无论是离子选择电极还是丝网印刷电极都需要修饰金、银等贵重金属，其昂贵的成本使其难以大规模生产应用；

第二，已有的电极线性范围较窄、灵敏度较低，不适宜在不同领域、不同样品中氯离子浓度进行测定。

因此，开发无需贵金属、线性范围宽、灵敏度高的电化学传感器是氯离子大规模快速检测的重要途径和策略。

目前，已有报道证实碳糊电极对氯离子的效果，但是其仍然没有摆脱依赖贵重金属以及检出限较高的缺陷。而三维石墨烯以层状的石墨烯结构、多孔、高导电性以及大的比表面积使其成为最具潜力的电极材料。因此，开发三维石墨烯修饰碳糊电极，构建新型的氯离子电化学传感器，能够为氯离子的快速检测提供技术支持。

利用三维石墨烯修饰碳糊电极构建灵敏度高、选择性好、线性范围宽、可重复使用、无贵金属的氯离子电化学传感器未见报道。

发明内容

有鉴于此，本发明为解决现有氯离子电化学传感器检测电极依赖贵重金属和已有的电极线性范围较窄、灵敏度较低的问题，提供一种检测氯离子的新型电化学传感器。

为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种检测氯离子的电化学传感器的制备方法，其特征在于：所述的制备方法的步骤为：

1)3D-GN的制备

将氧化石墨烯(GO)超声分散在去离子水中配置成2-5mg/mL的前驱液，取10-40mL加入50mL反应釜中，120-180℃水热反应6-12h，反应结束后，用去离子水清洗制备的三维石墨烯水凝胶，于-80℃超低温冰箱中预冻2-12h后，于冷冻干燥机中干燥12-24h，即得到具有三维多孔结构三维石墨烯气凝胶3D-GN；

2)工作电极的制备

取1.5mg冻干后的3D-GN与18.5mg石墨粉、8μL液体石蜡混合，置于玛瑙研钵研磨，均匀后装填入内径为3mm的聚四氟乙烯电极管中压实，于称量纸上打磨至表面光滑，制备得到三维石墨烯修饰碳糊电极(3D-GN/CPE)。

电化学传感器用于检测氯离子的检测方法为：

将3D-GN/CPE置于pH 6.0的0.1M PBS中进行平衡得到稳定的循环伏安(CV)曲线，再放入待测液中孵化1min，用差分脉冲伏安法(DPV)进行测试，利用标准曲线进行定量分析。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

本发明涉及的氯离子电化学传感器灵敏度可达0.2mM，线性范围为0.5～1000mM，重复使用100次后峰电流仍为90～110％，且选择性好、制备方法简单。

附图说明

图1是氧化石墨烯(GO)放大a)200倍和b)1000倍、三维石墨烯(3D-GN)放大200倍c)和1000倍d)的扫描电镜图；

图2是500mM Cl^-在二维石墨烯纳米片修饰/碳糊电极(GN/CPE)、裸碳糊电极(CPE)、裸玻碳电极(GCE)和三维石墨烯修饰碳糊电极(3D-GN/CPE)上的DPV测试曲线；

图3是3D-GN/CPE使用循环伏安法(CV)、差分伏安脉冲法(DPV)、线性扫描伏安法(LSV)和方波伏安扫描法(SWV)对500mM的Cl^-测试液的电化学曲线；

图4是不同电极在含0.1M KCl的5.0mM[Fe(CN)₆]^3-/4-溶液中的电化学阻抗(EIS)曲线a)与CV曲线b)；

图5是a)不同电极计时库仑分析法(CC)测试0.1mM K₃[Fe(CN)₆]溶液曲线和b)电荷相对于T^1/2的曲线图；

图6是a)CPE和b)3D-GN/CPE测试500mM的不同阴离子与阳离子的DPV曲线图；

图7是a)200mM的Cl^-与200mM的SO₄ ^2-,NO₃ ^-,Mg²⁺,K⁺,Br^-,I^-混合测试液在3D-GN/CPE上的峰电流值与b)3D-GN/CPE检测200mM Cl^-、Br^-、I^-的DPV曲线图；

图8是3D-GN/CPE对500mM的Cl^-测试液重复测试峰电流图；

图9是3D-GN/CPE和CPE孵化时间为0s、30s、60s、90s和120s以及在pH为6.0、6.5、7.0、7.5和8.0条件下对500mM的Cl^-测试DPV曲线图；

图10是(a)3D-GN/CPE与CPE测试Cl^-的标准曲线、(b)3D-GN/CPE与(c)CPE测试不同浓度的Cl^-的DPV图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一：

一种检测氯离子的电化学传感器的制备方法的步骤为：

1)3D-GN的制备

将氧化石墨烯(GO)超声分散在去离子水中配置成3.5mg/mL的前驱液，取30mL加入50mL反应釜中，120℃水热反应6h，反应结束后，用去离子水清洗制备的三维石墨烯水凝胶，于-80℃超低温冰箱中预冻2h后，于冷冻干燥机中干燥12h，即得到具有三维多孔结构三维石墨烯气凝胶3D-GN；

2)工作电极的制备

取1.5mg冻干后的3D-GN与18.5mg石墨粉、8μL液体石蜡混合，置于玛瑙研钵研磨，均匀后装填入内径为3mm的聚四氟乙烯电极管中压实，于称量纸上打磨至表面光滑，制备得到三维石墨烯修饰碳糊电极(3D-GN/CPE)。

实施例二：

一种检测氯离子的电化学传感器的制备方法的步骤为：

1)3D-GN的制备

将氧化石墨烯(GO)超声分散在去离子水中配置成5mg/mL的前驱液，取40mL加入50mL反应釜中，150℃水热反应8h，反应结束后，用去离子水清洗制备的三维石墨烯水凝胶，于-80℃超低温冰箱中预冻7h后，于冷冻干燥机中干燥18h，即得到具有三维多孔结构三维石墨烯气凝胶3D-GN；

2)工作电极的制备

取1.5mg冻干后的3D-GN与18.5mg石墨粉、8μL液体石蜡混合，置于玛瑙研钵研磨，均匀后装填入内径为3mm的聚四氟乙烯电极管中压实，于称量纸上打磨至表面光滑，制备得到三维石墨烯修饰碳糊电极(3D-GN/CPE)。

实施例三：

一种检测氯离子的电化学传感器的制备方法的步骤为：

1)3D-GN的制备

将氧化石墨烯(GO)超声分散在去离子水中配置成2mg/mL的前驱液，取10mL加入50mL反应釜中，180℃水热反应12h，反应结束后，用去离子水清洗制备的三维石墨烯水凝胶，于-80℃超低温冰箱中预冻12h后，于冷冻干燥机中干燥24h，即得到具有三维多孔结构三维石墨烯气凝胶3D-GN；

2)工作电极的制备

取1.5mg冻干后的3D-GN与18.5mg石墨粉、8μL液体石蜡混合，置于玛瑙研钵研磨，均匀后装填入内径为3mm的聚四氟乙烯电极管中压实，于称量纸上打磨至表面光滑，制备得到三维石墨烯修饰碳糊电极(3D-GN/CPE)。

本发明电化学传感器用于检测氯离子的检测方法为：

将3D-GN/CPE置于pH 6.0的0.1M PBS中进行平衡得到稳定的循环伏安(CV)曲线，再放入待测液中孵化1min，用差分脉冲伏安法(DPV)进行测试，利用标准曲线进行定量分析。

以下对电化学传感器的测试均以实施例三制备的电化学传感器为例：

氧化石墨烯(GO)与三维石墨烯(3D-GN)的扫描电镜图，参见图1：GO呈轻薄的褶皱状，经过水热与冷冻干燥处理后可以形成典型的多孔状的三维石墨烯骨架，孔径为微米级。根据水热反应的还原作用，高温去除氧化石墨烯上的部分氧化基团后，石墨烯片层重叠或者结合，形成多孔三维石墨烯的基本骨架，产生了较大的比表面积，增加了待测物的识别位点及传质作用。

Cl^-在不同修饰电极上的电化学测试曲线，参见图2可知，Cl^-在GCE上没有明显的电化学氧化峰，相比之下，CPE可以对Cl^-有较好的响应，表明CPE较GCE更适合Cl^-的检测。在使用3D-GN对CPE进行修饰之后，得到的3D-GN/CPE对Cl^-的响应电流达到了CPE上的1500倍左右，检测信号被显著放大。在使用GN对CPE进行修饰后得到的GN/CPE对Cl^-也明显响应，推测原因在于3D-GN/CPE以其多孔的三维结构对Cl^-的传质作用大幅提升。总体而言，3D-GN/CPE在对Cl^-的检测方面明显优于GN/CPE与GCE。

不同测试技术对Cl^-电化学响应信号的影响，参见图3：4种测试方法得到的Cl^-电流峰值基本相同，Cl^-的响应电位基本在0.1V左右。其中LSV与CV的基线不够平稳，而DPV与SWV相比DPV的电流峰值略高，为了提升检测的灵敏性，所以选用了DPV对Cl^-进行测试。

不同电极的电化学阻抗(EIS)曲线与循环伏安(CV)曲线，参见图4：a.GCE；b.CPE；c.GN/CPE和d.3D-GEN/CPE。EIS前段的半圆形代表了电子在电极上的转移阻抗。通过CPE与GCE比较发现，CPE前段曲线半径更大，说明CPE较GCE而言，电导率更差。然而在加入7.5％的3D-GN后，借助3D-GN良好的导电性与多孔结构，得到的3D-GN/CPE前段曲线半径近乎消失。在此基础上，与GN/CPE比较，3D-GN/CPE在低频区的斜率较高，表明制备3D-GN/CPE较GPE与GN/CPE有更强的导电性。此外，通过CV曲线可以得到类似的结论，CPE的氧化峰与还原峰电位差(Ep)大约在550mV,远高于GCE(120mV)，表明CPE上的电子转移速度更慢。加入3D-GN或GN后Ep大约都在120mV左右。同时加入3D-GN或者GN后峰电流明显提升，且3D-GN/CPE明显大于GN/CPE。结合EIS考虑，电极的电催化活性顺序为：3D-GN/CPE>GN/CPE>GCE。

不同电极的计时库仑曲线和电荷(Q)相对于T^1/2的曲线图，参见图5：(A)GCE；(B)CPE；(C)GN/CPE和(D)3D-GEN/CPE。通过比较b)图中曲线的斜率，由公式：

其中，n：反应的电子数(n＝1)；f：法拉第常数(96485c/mol)；d₀：扩散系数(d₀＝7.6×10^-6cm²/s)；C₀：K₃Fe(CN)₆的浓度(C₀＝10^-7mol/cm³)；t：时间(s)；Q_dl：双电层电量(C)；Q_ads：法拉第电量(C)。GCE、CPE、3D-GN/CPE和GN/CPE的拟合曲线斜率分别为3.34、167.19、116.48、251.57C/s^1/2。按斜率计算，有效面积分别为0.11、0.17、3.88、8.38cm²，可以看出GN/CPE与3D-GN/CPE有效表面积较CPE和GCE明显增大，这表明有效面积增大有利于提高其对Cl^-检测的灵敏性。此外，3D-GN/CPE导电性强于GN/CPE，但是其表面积仅为后者的一半，这可能是因为3D-GN/CPE中的石墨烯片层重叠所导致的。

不同阴离子与阳离子在CPE和3D-GN/CPE上的DPV曲线图，参见图6：3D-GN/CPE在分别对不同阳离子的含氯测试液测试时均可对测试液中Cl^-进行测试，NaCl、KCl与MgCl₂中在0.05V电位处均出现了氧化峰。而NaCl、NaNO₃与Na₂SO₄在3D-GN/CPE上进行测试时，只有NaCl在0.05V处出现了氧化峰，而NaNO₃与Na₂SO₄在0.4V处有一个较宽的氧化峰。这表明3D-GN/CPE不仅可以对NaCl中的氯离子浓度进行检测，而且同时也可以测试例如KCl与MgCl₂等含氯盐溶液中的氯离子浓度，对不含Cl^-的盐溶液在0.05V处没有响应。此外，3D-GN/CPE在对NaBr与NaI进行测试发现，NaBr会在-0.1V处出现氧化峰，而NaI则会在0.3～0.4V处出现氧化峰。CPE的测试结果与3D-GN/CPE相同，但是3D-GN/CPE比CPE的峰电流更高，表明修饰三维石墨烯后，电信号显著增强。

共存离子的干扰图及共存卤素离子的DPV曲线图，参见图7：通过比较发现，加入SO₄ ^2-,NO₃ ^-,Mg²⁺或者K⁺后Cl^-在3D-GN/CPE上的峰电流并未有明显变化，而加入Br^-或者I^-后则没有Cl^-响应。在此基础上，进一步研究了Br^-与I^-在3D-GN/CPE上干扰Cl^-响应的规律。发现Cl^-与Br^-在电极上都有响应，电位分别在0.05V与-0.1V，而I^-在0.3～0.4V出现非尖锐的氧化峰。当Cl^-测试液中存在Br^-或者I^-时，3D-GN/CPE上只在0.1V处Br^-响应电位或者I^-响应电位处出现氧化峰。当测试液中三种离子共存时，在3D-GN/CPE上只会出现I^-响应电位处的氧化峰。这种现象说明在卤族离子混合溶液中，3D-GN/CPE上会以离子还原性的大小，即I^->Br^->Cl^-的规律，对溶液中还原性最强的离子进行响应，从而干扰Cl^-的检测。

重复使用3D-GN/CPE测试Cl^-的峰电流图，参见图8：通过对3D-GN/CPE反复使用，发现Cl^-在3D-GN/CPE上的响应电流有轻微减弱的迹象，但是波动的幅度没有超过5％。并且在使用同一支电极进行近100次测试中，波动幅度稳定在10％以内。结合30天的测试数据发现，虽然电流值略有波动，但是第30天测试结果与第1天的测试结果比较，峰电流值仍与Cl^-浓度呈良好的线性关系。表明只要测试前进行校准，3D-GN/CPE便可对Cl^-进行长期稳定的检测。

不同孵化时间及pH值对Cl^-在3D-GN/CPE和CPE上的峰电流值的影响，参见图9：3D-GN/CPE在对Cl^-测试中，测试结果随孵化时间的变化波动较小，性能稳定，说明Cl^-在电极表面可以快速响应。同时对CPE进行了相同的测试，结果与3D-GN/CPE相似，表明CPE与3D-GN/CPE可以对Cl^-进行快速检测。对pH的研究表明，pH在6.0～8.0的范围内，峰电位没有明显移动，峰电流也很少发生变化。因此，pH在6.0～8.0的范围内对Cl-的测定影响不大。这表明3D-GN/CPE比较适合在不同pH的样品中对Cl^-进行快速选择性检测。在实际测试中，对大规模快速检测中不同的pH条件和孵化时间有较强的适应性，对样品制备与实际测试的操作要求较低。

不同浓度Cl^-在3D-GN/CPE和CPE上的DPV曲线图及标准曲线，参见图10：在3D-GN/CPE与CPE对Cl^-的检测中，随着Cl^-浓度的增加，其峰电位逐渐降低。Cl^-在3D-GN/CPE及CPE上响应的峰电流与其浓度有良好的线性关系，线性范围分别为0.5～1000mM，200～1000mM。与CPE相比较而言，3D-GN/CPE的灵敏度提升了近1500倍。3D-GN/CPE对Cl^-检测的检出限(LOD)为0.2mM，与其他的Cl^-传感器相当，但由于未使用贵金属并能够重复使用，从而大大降低了生产成本，在大规模检测方面有更大的优势。

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。

Claims (2)

1.一种检测氯离子的电化学传感器的制备方法，其特征在于：所述的制备方法的步骤为：

1）3D-GN的制备

将氧化石墨烯GO超声分散在去离子水中配置成2-5mg/mL的前驱液，取10-40mL加入50mL反应釜中，120-180℃水热反应6-12h，反应结束后，用去离子水清洗制备的三维石墨烯水凝胶，于-80℃超低温冰箱中预冻2-12h后，于冷冻干燥机中干燥12-24h，即得到具有三维多孔结构三维石墨烯气凝胶3D-GN；

2）工作电极的制备

取1.5mg冻干后的3D-GN与18.5mg石墨粉、8μL液体石蜡混合，置于玛瑙研钵研磨，均匀后装填入内径为3mm的聚四氟乙烯电极管中压实，于称量纸上打磨至表面光滑，制备得到三维石墨烯修饰碳糊电极3D-GN/CPE。

2.根据权利要求1的制备方法制备的电化学传感器用于检测氯离子的检测方法，其特征在于：所述的检测方法为：

将3D-GN/CPE置于pH 6.0的0.1M PBS中进行平衡得到稳定的循环伏安CV曲线，再放入待测液中孵化1min，用差分脉冲伏安法DPV进行测试，利用标准曲线进行定量分析。

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