CN110161096A - 一种基于铂-生物质炭纳米复合材料的电化学传感器的制备与木犀草素检测的应用 - Google Patents

一种基于铂-生物质炭纳米复合材料的电化学传感器的制备与木犀草素检测的应用 Download PDF

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Abstract

本发明以面粉为原料，采用活化和碳化两步合成生物质炭材料（BPC），进一步通过水热法负载纳米金属铂（Pt），从而制得铂‑生物质炭纳米复合材料，制得的复合材料具有大的比表面积、高导电性和多孔结构。以N‑己基吡啶六氟磷酸盐为粘合剂，制备了离子液体修饰碳糊电极(CILE)，采用滴涂法将铂‑生物质炭纳米复合材料固定在电极表面制备了相应的修饰电极。以木犀草素为研究对象采用循环伏安法和微分脉冲伏安法对其电化学行为进行了研究，并采用标准加入法检测独一味胶囊中木犀草素的含量，结果令人满意。

Description

一种基于铂-生物质炭纳米复合材料的电化学传感器的制备 与木犀草素检测的应用
技术领域
本发明属于化学修饰电极及药物电化学分析技术领域。具体涉及一种基于铂-生物质炭（Pt-BPC）纳米复合材料的制备及电化学检测木犀草素含量的方法。
背景技术
生物质炭是由生物残体（森林废弃物、农业废弃物、水生植物、油料植物、动物粪便、城市和工业有机废弃物等）在缺氧的情况下，经高温慢热解产生的一类难溶的、稳定的、高度芳香化的、富含碳元素的多孔固体。生物碳材料通过碳化和活化两步产生，因而具有表面积大，孔结构可调，化学、热稳定性高，导电性好等优点。
金属纳米材料具有大的比表面积、优良的导电性、强的吸附性能，好的生物相容性以及高效的电催化活性等特点而被广泛关注。将其引入到电化学生物传感器中时，可通过其对相应底物的电催化反应或是增加生物分子和电活性物质的固载量来放大电化学信号，进一步提高传感器的灵敏度，因而在制备新型传感器方面显示出广阔的应用前景。
木犀草素的结构中含有邻二酚基团，易于发生电化学反应，是一种具有电活性的化合物。木犀草素存在于许多植物中如菊花、金银花、紫苏叶、落花生等，因其在临床上具有止咳、消炎、抗氧化、抗病毒等作用而备受关注。目前，检测木犀草素的方法包括气相色谱、高效液相色谱、分光光度法和毛细管电泳等，这些方法仍存在样品处理繁琐、操作较复杂、灵敏度不高等问题。而电化学方法具有灵敏、简单、快速等优点，可利用电化学检测方法检测木犀草素。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种生物质炭纳米复合材料修饰电极的制备及检测木犀草素含量的方法。
本发明所采用的技术方案如下：
1、一种基于铂-生物质炭（Pt-BPC）纳米复合材料的电化学传感器的制备与木犀草素检测的应用，其特征在于，包括以下步骤：
（1）生物质炭（BPC）的制备
取一定量面粉溶于35 mL去离子水中并搅拌使其形成均匀混合溶液，然后再取一定量KOH溶解于20 mL蒸馏水后逐渐加入上述溶液中，再次搅拌使KOH和面粉溶液充分混合，接着放入烘箱中干燥，待冷却至室温后将所得物在管式炉中以5 ℃/min加热速率加热至一定温度后进行碳化反应，待降到室温将所得固体过滤洗涤干燥后即得BPC；
（2）Pt-BPC纳米复合材料的制备
配置一定浓度的K2PtCl6溶液和BPC混合溶液，超声分散均匀后转移至50 mL聚四氟乙烯反应釜中，于适当温度加热反应，冷却至室温后过滤洗涤干燥即得Pt-BPC纳米复合材料；
（3）离子液体修饰碳糊电极(CILE)的制备
将1.6 g石墨粉和0.8 g N-己基吡啶六氟磷酸盐(HPPF6)混合，用研钵研磨均匀后填入玻璃电极管(Φ=4mm)中并压实，插入铜线作为电极的导线，制得的电极即为离子液体修饰碳糊电极(CILE)，使用前将电极表面在打磨纸上打磨成镜面；
（4）修饰电极的制备
采用滴涂法将一定量的Pt-BPC纳米复合材料分散液滴在CILE表面，室温晾干即得Pt-BPC/CILE。
2、根据权利书要求1所述的制备方法，步骤（1）中面粉和KOH的量均为5 g，管式炉中碳化反应的条件为700 ℃下反应2 h。
3、根据权利书要求1所述的制备方法，步骤（2）中K2PtCl6溶液的配置方法为称取20mg K2PtCl6溶解于20 mL蒸馏水，BPC分散液的浓度为2 mg/mL，水热反应的条件为180 ℃下加热12 h。
4、根据权利书要求1所述的制备方法，步骤（1）和（2）中干燥的条件都为80 ℃下12h。
5、根据权利书要求1所述的制备方法，步骤（4）中Pt-BPC纳米复合材料分散液的体积为8 μL，浓度是1.5 mg/mL。
6、基于Pt-BPC纳米复合材料的电化学传感器应用，主要用于木犀草素的含量检测，其特征在于，包括以下步骤：
（1）配制木犀草素标准溶液和独一味胶囊样品溶液；
（2）以Pt-BPC/CILE为工作电极，铂丝为对电极，银/氯化银为参比电极，通过微分脉冲伏安法检测不同浓度的木犀草素标准溶液，记录氧化峰电流值与其浓度的关系并建立标准曲线；
（3）对步骤（1）制备的样品溶液进行测定，进一步采用标准加入法将木犀草素标准溶液加入到上述样品溶液中，测定回收率。
7、根据权利要求6所述的检测木犀草素含量的方法，其特征在于，上述步骤（1）中所述的1×10-3 mol/L木犀草素标准溶液的配制方法为称取0.0286 g槲皮素，用少量乙醇溶解，再用蒸馏水定容至100 mL容量瓶，然后取1 mL标准溶液再用9 mL PBS（pH=3.0）逐级稀释到不同浓度（100，10，1.0，0.1，0.01，0.001 μmol/L）。
8、根据权利要求6所述的检测槲皮素含量的方法，其特征在于，上述步骤（1）中样品溶液的配制方法为将5粒独一味胶囊去壳后取内充物用5 mL乙醇超声数小时，取上层澄清液用PBS（pH=3.0）稀释2倍备用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明以铂-生物质炭纳米复合材料为修饰电极，增大了电极的表面积和导电性，有效提高电极的传感性能，将其用于木犀草素含量的测定中具有良好的选择性和灵敏度。
附图说明
图1 不同放大倍率下BPC(A)和Pt-BPC (B)的SEM图。
图2 pH 3.0 PBS中5.0×10-6 mol/L的木犀草素在(a) CILE和(b) Pt-BPC/CILE上的循环伏安图，扫速为100 mV/s。
图3 5.0×10-6 mol/L的木犀草素在Pt-BPC/CILE上不同pH值缓冲溶液中(pH从a到f依次为2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0, 7.0)的循环伏安图，扫速为100 mV/s。
图4 5.0×10-6 mol/L的木犀草素在Pt-BPC/CILE上不同扫速下(扫速从a到k依次为30, 50, 80, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800 mV/s)的循环伏安图。
图5 不同浓度木犀草素在Pt-BPC/CILE上的微分脉冲伏安曲线：（A）从a到f浓度依次为0.008, 0.010, 0.016, 0.1, 0.2, 0.4 mol/L；（B）从a到l浓度依次为0.8, 1.0,2.0, 4.0, 6.0, 8.0, 10, 30, 50, 70, 100, 300 mol/L。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制于本发明的范围。
例1 纳米材料的SEM
图1是不同纳米材料的扫描电子显微镜（SEM）图像，图1A显示以面粉为原料所合成的BPC表现出高度互连的多孔结构图，这个多孔结构有利于电子的快速转移。图1B可以看到，颗粒的铂金属纳米材料均匀地分散在BPC表面，与1A相比，其表面有很多小颗粒，证明铂纳米金属颗粒成功地修饰在BPC表面。
例2 木犀草素在修饰电极表面的循环伏安曲线
在0.1 mol/L PBS (pH 3.0)中，研究了5.0×10-6 mol/L木犀草素在不同修饰电极上的循环伏安曲线，结果如图2所示。在CILE(曲线a)上木犀草素的氧化还原峰电位和峰电流分别为Epa = 0.546 V，Epc = 0.531 V和Ipa = 4.747 μA，Ipc = -3.924 μA，峰电位差(ΔEp)为15 mV。在Pt-BPC/CILE(曲线b)上氧化还原峰电位和峰电流分别为Epa = 0.553V，Epc= 0.529V和Ipa = 8.746 μA，Ipc = -3.924 μA，且峰电位差(ΔEp)为24 mV，Pt-BPC/CILE其氧化峰电流约为CILE的1.84倍，这是因为BPC具有多孔结构，有利于Pt纳米粒子的负载，所形成的复合材料具有良好的协同作用，如大的比表面积和高的导电性，有利于木犀草素的吸附和电子转移。
例3 pH值对木犀草素电化学行为的影响
考察了缓冲溶液pH值对木犀草素电化学行为的影响，在pH 2.0~7.0范围内的循环伏安结果如图3所示。缓冲溶液pH值的变化对木犀草素的氧化还原峰电流和峰电位都有较大影响。随着pH值的增大，氧化还原峰电流逐渐降低，当缓冲液的pH = 3.0时，响应电流最大，因此选择pH 3.0的PBS作为支持电解质。氧化还原峰电位随着pH值的变化均发生负移，这表明木犀草素的电极反应需要有质子参与，其式电位(E0')与pH值呈良好的线性关系，线性回归方程为E0' (V) = -0.067 pH + 0.74 (n=6, γ=0.998)，其斜率为- 67 mV/pH，与理论值-59 mV/pH相近，表明木犀草素的电极反应为等电子等质子参与的氧化还原过程。
例4 扫描速度对木犀草素电化学行为的影响
考察了扫描速度对5.0×10-6 mol/L木犀草素在Pt-BPC/CILE上电化学行为的影响，结果如图4所示。在30~1000 mV/s范围内，随着扫速的增加氧化还原峰电流逐渐增大。氧化还原峰电流与扫速υ呈良好的线性关系，线性回归方程分别为Ipa (μA) = 110.63 υ (V/s) –0.42 (n=10, γ=0.999)和Ipc (μA) = -96.56 υ (V/s) + 2.36（n=10, γ=0.999)，这表明在该扫速范围内电极反应是吸附控制过程。考察了氧化还原峰电位与lnυ的线性关系，线性回归方程分别为Epa (V) = 0.021 lnυ+ 0.578 (n=12, γ=0.991)和Epc (V) = -0.019lnυ+ 0.504 (n=12, γ=0.991)。根据Laviron’s公式可计算出电子转移系数(α)、电子转移数(n)和电子传递系数(ks)分别为0.59，2.2和6.3 s-1。
例5 工作曲线
在最佳实验条件下，用微分脉冲伏安法对不同浓度的木犀草素进行了电化学检测，结果如图5所示。木犀草素的氧化峰电流值随其浓度的增加而增大，氧化峰电流与木犀草素的浓度在0.008~0.400 μmol/L（图5A）和0.8~300.0 μmol/L（图5B）的范围内呈良好的线性关系，线性回归方程分别为Ipa (μA) = 6.647 C (μmol/L) + 3.023 (n=6, γ=0.997)和Ipa(μA) = 1.167 C (μmol/L) + 8.741 (n=11, γ=0.990)，检出限为2.6 nmol/L (3σ)。
例6 药品中木犀草素含量的检测
将本方法用于独一味胶囊中木犀草素含量的测定，实验方法如下：将5粒独一味胶囊去壳后用5 mL乙醇浸泡超声数小时，取上层澄清液用PBS（pH=3.0）稀释2倍后作为样品溶液，以标准加入法测定回收率，结果如表1所示。样品加标回收试验中回收率范围为98.33%~103.75%，结果比较满意。
表1 独一味胶囊中木犀草素的测定和加标回收率
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种基于铂-生物质炭（Pt-BPC）纳米复合材料的电化学传感器的制备与木犀草素检测的应用，其特征在于，包括以下步骤：
（1）生物质炭（BPC）的制备
取一定量面粉溶于35 mL去离子水中并搅拌使其形成均匀混合溶液，然后再取一定量KOH溶解于20 mL蒸馏水后逐渐加入上述溶液中，再次搅拌使KOH和面粉溶液充分混合，接着放入烘箱中干燥，待冷却至室温后将所得物在管式炉中以5 ℃/min加热速率加热至一定温度后进行碳化反应，待降到室温将所得固体过滤洗涤干燥后即得BPC；
（2）Pt-BPC纳米复合材料的制备
配置一定浓度的K2PtCl6溶液和BPC混合溶液，超声分散均匀后转移至50 mL聚四氟乙烯反应釜中，于适当温度加热反应，冷却至室温后过滤洗涤干燥即得Pt-BPC纳米复合材料；
（3）离子液体修饰碳糊电极(CILE)的制备
将1.6 g石墨粉和0.8 g N-己基吡啶六氟磷酸盐(HPPF6)混合，用研钵研磨均匀后填入玻璃电极管(Φ=4mm)中并压实，插入铜线作为电极的导线，制得的电极即为离子液体修饰碳糊电极(CILE)，使用前将电极表面在打磨纸上打磨成镜面；
（4）修饰电极的制备
采用滴涂法将一定量的Pt-BPC纳米复合材料分散液滴在CILE表面，室温晾干即得Pt-BPC/CILE。
2.根据权利书要求1所述的制备方法，步骤（1）中面粉和KOH的量均为5 g，管式炉中碳化反应的条件为700 ℃下反应2 h。
3.根据权利书要求1所述的制备方法，步骤（2）中K2PtCl6溶液的配置方法为称取20 mgK2PtCl6溶解于20 mL蒸馏水，BPC分散液的浓度为2 mg/mL，水热反应的条件为180 ℃下加热12 h。
4.根据权利书要求1所述的制备方法，步骤（1）和（2）中干燥的条件都为80 ℃下12 h。
5.根据权利书要求1所述的制备方法，步骤（4）中Pt-BPC纳米复合材料分散液的体积为8 μL，浓度是1.5 mg/mL。
6.基于Pt-BPC纳米复合材料的电化学传感器应用，主要用于木犀草素的含量检测，其特征在于，包括以下步骤：
（1）配制木犀草素标准溶液和独一味胶囊样品溶液；
（2）以Pt-BPC/CILE为工作电极，铂丝为对电极，银/氯化银为参比电极，通过微分脉冲伏安法检测不同浓度的木犀草素标准溶液，记录氧化峰电流值与其浓度的关系并建立标准曲线；
（3）对步骤（1）制备的样品溶液进行测定，进一步采用标准加入法将木犀草素标准溶液加入到上述样品溶液中，测定回收率。
7.根据权利要求6所述的检测木犀草素含量的方法，其特征在于，上述步骤（1）中所述的1×10-3 mol/L木犀草素标准溶液的配制方法为称取0.0286 g槲皮素，用少量乙醇溶解，再用蒸馏水定容至100 mL容量瓶，然后取1 mL标准溶液再用9 mL PBS（pH=3.0）逐级稀释到不同浓度（100，10，1.0，0.1，0.01，0.001 μmol/L）。
8.根据权利要求6所述的检测槲皮素含量的方法，其特征在于，上述步骤（1）中样品溶液的配制方法为将5粒独一味胶囊去壳后取内充物用5 mL乙醇超声数小时，取上层澄清液用PBS（pH=3.0）稀释2倍备用。
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