CN110186966B - 一种检测乳酸浓度的复合材料修饰电极的制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测乳酸浓度的复合材料修饰电极的制备方法及应用。首先通过将金属酞菁与酸化后的碳纳米材料采用超声浸渍法进行负载，合成聚金属酞菁‑碳纳米复合材料，然后采用滴涂法使超声分散均匀的复合材料悬浮液负载在玻碳电极表面，制备聚金属酞菁‑碳纳米复合材料修饰电极。本发明对乳酸表现出优异的电催化活性，具有灵敏度高、稳定性好、抗干扰性强等特点，且检测过程简单高效。

Description

一种检测乳酸浓度的复合材料修饰电极的制备方法及应用

技术领域

本发明属于食品分析检测技术领域，具体涉及到一种检测乳酸浓度的复合材料修饰电极的制备方法及应用。

背景技术

乳酸(2-羟基丙酸)是由丙酮酸在厌氧条件下产生的，广泛存在于各种食物中，呈现酸味，具有很强的防腐保鲜功效，可用在果酒、饮料、肉类、食品、糕点制作、蔬菜(橄榄、小黄瓜、珍珠洋葱)腌制以及罐头加工、粮食加工、水果的贮藏，具有调节pH值、抑菌、延长保质期、调味、保持食品色泽、提高产品质量等作用；乳酸独特的酸味可增加食物的美味，在色拉、酱油、醋等调味品中加入一定量的乳酸，可保持产品中的微生物的稳定性、安全性，同时使口味更加温和，可作为精心调配的软饮料和果汁的首选酸味剂。

目前，乳酸的传统检测方法主要有比色测定法、紫外分光光度法、荧光测定法、质子核磁共振法、离子交换色谱法和离子对反向高效液相色谱法等，但这些方法要么准确度不高，要么检测成本高、步骤繁琐。电化学方法同样可以用来检测乳酸，操作方便，灵敏度高而备受人们青睐。目前，随着生物传感器领域的研究进展，酶的固定吸引了更多研究人员，但酶传感器的稳定性差、再现性低且要求的工作电极电位较高，因此很有必要制备一种非酶乳酸传感器。化学修饰电极是一种常用的电化学传感器，聚金属酞菁-碳纳米复合材料是以碳纳米材料为电子传递基底，有机聚合物为表面修饰层的双层结构，不仅可以增加电子传递速率，提高电极的导电性和催化活性，而且其所固有的功能基团，提高了修饰电极的选择性，稳定性和重复性。

发明内容

针对现有的用于乳酸检测的生物酶传感器稳定性差、再现性低、要求的工作电极电位高等缺点，本发明的目的在于提供一检测乳酸浓度的复合材料修饰电极的制备方法及应用，用电化学传感器代替生物传感器，以金属酞菁-碳纳米材料作为化学电极的修饰剂代替乳酸酶，快速灵敏地实现乳酸的浓度测定，且操作简便、响应灵敏、检测限底、专一性强，具有广阔的应用价值。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

步骤一，聚金属酞菁-碳纳米复合材料的合成：

1)碳纳米材料和质量百分比浓度＜20％的稀硝酸以150ml/g的液固比混合并回流处理，蒸馏水洗涤，抽滤或离心，干燥，得到纯化过的碳纳米材料；

2)将纯化过的碳纳米材料和混酸以100ml/g的液固比混合并超声处理，蒸馏水洗涤，抽滤或离心，真空干燥，得到羧基化碳纳米材料；

3)将金属酞菁以10mg/ml的固液比溶于第一分散液中，得到金属酞菁悬浮液，将羧基化碳纳米材料以1mg/ml的固液比溶于第二分散液中，得到碳纳米材料悬浮液；磁力搅拌下，将金属酞菁悬浮液逐滴加入到碳纳米材料悬浮液中，抽滤，60～80℃条件下干燥1～8h，得到聚金属酞菁-碳纳米复合材料；

步骤二，聚金属酞菁-碳纳米复合材料修饰电极的制备：

4)将质量百分比浓度为5％～10％的nafion溶液与第三分散液混合，体积比为1:10，得到nafion分散液，再将步骤一制备的聚金属酞菁-碳纳米复合材料以0.5～3mg/ml的固液比加入到所述nafion分散液中，超声，得到聚金属酞菁-碳纳米复合材料悬浮液，滴涂在预处理过的玻碳电极表面，得到聚金属酞菁-碳纳米复合材料修饰电极。

优选的，所述回流处理的温度为120～180℃，时间为6～10h。

优选的，超声处理过程保持循环水，控制水温30～40℃。

优选的，所述真空干燥的温度为60～80℃，时间为8～12h。

优选的，所述磁力搅拌的温度为30～50℃，时间为3～5h。

优选的，所述混酸为质量百分比浓度98％的浓硫酸和质量百分比浓度65％的浓硝酸按体积比3:1混合得到的混合物。

优选的，所述第一分散液和第二分散液为乙醇或丙酮。

优选的，所述第三分散液为二甲基甲酰胺。

优选的，所述金属酞菁为酞菁钴、酞菁铜、酞菁铁中的任意一种。

优选的，所述碳纳米材料为碳纳米管、碳纳米球、石墨烯中的一种或多种。

上述的一种聚金属酞菁-碳纳米复合材料修饰电极在测定乳酸溶液浓度中的应用；所述的应用具体为：将聚金属酞菁-碳纳米复合材料修饰电极作为工作电极、银电极或氯化银电极作为参比电极、铂柱电极作为辅助电极构成三电极系统，置于含有乳酸的缓冲溶液中，所述的缓冲溶液选自0.1～0.2mol/L的磷酸盐溶液或柠檬酸盐溶液，pH为4.0；

将未知浓度的乳酸溶液采用电化学富集240s，然后采用线性扫描伏安法对未知浓度的乳酸溶液进行测量，测量电位为-0.65～0.25V，扫速为100mV/s，得到聚金属酞菁-碳纳米复合材料修饰电极响应曲线的峰值电流；

将峰值电流代入聚金属酞菁-碳纳米复合材料修饰电极对乳酸检测的电流-浓度拟合曲线i＝0.1379c+0.0572，得到乳酸溶液的浓度，其中浓度c的单位是μmol/L，峰电流i的单位是μA。

进一步地，采用计时库伦法测量聚金属酞菁-碳纳米复合材料修饰电极表面的电活性面积和扩散系数；采用干扰成分滴定法测量聚金属酞菁-碳纳米复合材料修饰电极具备的抗干扰能力；使用聚金属酞菁-碳纳米复合材料修饰电极测定同一检测环境下乳酸溶液的峰值电流，连续测量7～14天，峰值电流的变化范围为13.5％～21.5％，说明复合材料修饰电极具备良好的稳定性。

本发明的有益效果是：

1、采用本发明制备的一种检测乳酸浓度的复合材料修饰电极，能够代替传统酶电极对乳酸进行催化检测，非酶电化学传感器比生物酶传感器的稳定性和重复性更好，且抗干扰能力强，能够实现对乳酸的专一性检测；

2、聚金属酞菁-碳纳米复合材料修饰电极比单一材料修饰电极的检测灵敏度更高，既保留了聚合物金属酞菁稳定的形态结构，又保留了碳纳米材料自身优异的催化性能；

3、金属酞菁是含有四个吡咯分子的大环化合物，其大环由8个N原子和8个C原子交替连接而成，由于共轭作用形成含有18个π电子的大π体系，具有较大的共轭区域，本发明中的聚金属酞菁-碳纳米复合材料的合成步骤，能够借助于碳纳米材料的结构特点，利用金属酞菁聚合物与碳纳米材料复合后产生的协同作用，大大提高复合材料电催化活性位点数量，加快电催化乳酸的动力学过程，从而获得了更加的电催化性能。

附图说明

图1为多壁碳纳米管酸化前后的扫描电镜图；

图2为聚酞菁钴-多壁碳纳米管修饰电极的透射电镜图；

图3为裸电极(a)和聚酞菁钴-多壁碳纳米管修饰电极(b)在5mmol/L[Fe(CN)6]^3-/4-(含0.1mol/L KCl)溶液中的电化学阻抗谱图；

图4为不同电极在100μmol/L乳酸溶液中循环伏安法检测效果对比图；

图5为聚酞菁钴-多壁碳纳米管修饰电极在pH为2～6时对乳酸检测的循环伏安对比图；

图6为聚酞菁钴-多壁碳纳米管修饰电极上乳酸还原峰峰电位与pH值的关系；

图7为聚酞菁钴-多壁碳纳米管修饰电极在扫描速度为20～240mV/s时对乳酸检测的循环伏安扫描图；

图8为聚酞菁钴-多壁碳纳米管修饰电极上乳酸还原峰峰电流与扫速的关系；

图9为聚酞菁钴-多壁碳纳米管修饰电极测定乳酸时的峰电流随富集时间的变化趋势图；

图10为聚酞菁钴-多壁碳纳米管修饰电极在乳酸浓度为1×10^-5～2.4×10^-4mol/L范围时的线性扫描伏安图；

图11为聚酞菁钴-多壁碳纳米管修饰电极上乳酸还原峰峰电流与其浓度关系标准曲线；

图12为聚酞菁钴-多壁碳纳米复合材料修饰电极的抗干扰曲线；

图13为聚酞菁钴-多壁碳纳米复合材料修饰电极的稳定性测试图。

具体实施方式

下面的实施实例可以使本专业普通技术人员更全面地理解本发明，但是本发明并不局限于此。

实施例1

制备用于乳酸浓度测定的聚酞菁钴-多壁碳纳米管复合材料修饰电极，包括以下步骤：

(1)多壁碳纳米管的纯化处理：称量1g多壁碳纳米管，并倒入体积为150mL的质量百分比浓度15％的稀硝酸中并混合均匀，然后溶液超声分散40min，将溶液倒入250mL锥形瓶，缓慢升温至160℃，恒温回流8h，反应结束后，用蒸馏水进行稀释，6000r/min离心洗涤，固体置于80℃条件下干燥，获得纯化过的多壁碳纳米管。

(2)多壁碳纳米管的羧基化处理：取步骤(1)纯化后的多壁碳纳米管，加入60ml浓硫酸和浓硝酸组成的混酸(3:1，v/v)中，在室温下超声3h，超声过程中保持循环水，控制水温30℃左右，然后将混合液在搅拌的情况下缓慢倒入盛有400ml去离子水的烧杯中，静置冷却至室温，并依次用6000、8000、10000r/min离心洗涤，反复几次，直到滤液为中性，将固体用去离子水冲下到培养皿中，置于干燥箱内80℃真空干燥8h，得到羧基化多壁碳纳米管(MWCNTs-COOH)。

(3)聚酞菁钴-多壁碳纳米管复合材料的制备：称取150mg酞菁钴加入15mL乙醇中，超声使其溶解，称取50mg由步骤(2)得到的MWCNTs-COOH加入50mL乙醇中超声分散，形成MWCNTs-COOH乙醇悬浮液，将相应的酞菁钴溶液滴加到MWCNTs-COOH乙醇悬浮液，30℃磁力搅拌5h，然后进行抽滤，所得固体再用蒸馏水淋洗至中性，在70℃条件下干燥4h制得聚酞菁钴-多壁碳纳米管复合材料。

(4)玻碳电极预处理：在麂皮上依次使用粒径为300nm和50nmα-Al₂O₃抛光粉的糊状抛光液将玻碳电极打磨至镜面，糊状抛光液中抛光粉与去离子水的质量体积比(mg/ml)为1:1，之后依次应用无水乙醇和去离子水中超声洗涤电极1min，然后再将清洗过的玻碳电极置于0.5mol/L稀硫酸溶液中，在-0.5～1.2V电位区间以100mV/s的扫速进行循环伏安活化，直至响应稳定，最后用去离子水将玻碳电极冲洗干净，并晾干备用。

(5)在对玻碳电极修饰之前，电极需在1mmol/L K₃[Fe(CN)₆]溶液中(含0.1mol/LKCl)进行循环伏安扫描以验证电极可逆性，其中循环电位区间设为-0.2～0.8V，扫速设为60mV/s。如果[Fe(CN)₆]^3-/4-在GCE上的氧化还原反应峰电位差△Ep约为64mV，说明电极表面已达到清洁和活化的要求，去离子水冲洗电极晾干备用。

(6)将步骤(3)制备的聚酞菁钴-多壁碳纳米管复合材料加入到二甲基甲酰胺溶液中，复合材料与二甲基甲酰胺溶液的质量体积比(mg/ml)为2；超声40min，得到分散混合均匀的悬浮液，将10μL悬浮液滴涂在步骤(5)预处理过的电极表面，在红外灯下15cm处烤20min，得到聚酞菁钴-多壁碳纳米管复合材料修饰电极。

图1(a)是未经过纯化处理和羧基化处理的多壁碳纳米管，图1(b)是纯化处理和羧基化处理之后的多壁碳纳米管，去除了多壁碳纳米管中的杂质后，碳管管壁更加光滑。

图2是聚酞菁钴-多壁碳纳米管的扫描电镜图；复合材料保持了多壁碳纳米管原有的一维结构，多壁碳纳米管起到载体作用，为电子传递基底，聚酞菁钴为表面修饰层，包覆在多壁碳纳米管的管壁上。

图3为裸电极(a)和聚酞菁钴-多壁碳纳米管修饰电极(b)在5mmol/L[Fe(CN)6]^3-/4-(含0.1mol/LKCl)溶液中的电化学阻抗谱图；频率范围设置为0.01～10⁵Hz，其中Nyquist图谱高频部分半圆直径反应电荷传递电阻R_ct的大小，由曲线b得[Fe(CN)6]^3-/4-在聚酞菁钴-多壁碳纳米管修饰电极上的电荷交换电阻明显小于曲线a中的裸电极，说明修饰电极比裸电极具有更好的导电性，同时也表明修饰材料已成功地固定在电极表面。

图4为裸电极(a)和聚酞菁钴-多壁碳纳米管修饰电极(b)在100μmol/L乳酸磷酸盐缓冲液中循环伏安法检测效果对比图；其中，裸电极响应电流微弱，并且对乳酸没有催化作用，聚酞菁钴-多壁碳纳米管修饰电极不仅响应电流明显增大，而且出现了乳酸的催化峰。

图5为在不同pH磷酸盐缓冲液条件下，采用循环伏安法优化聚酞菁钴-多壁碳纳米管修饰电极检测乳酸时的最佳pH值，图6清晰地表明乳酸催化峰电位和溶液pH的关系：E＝-0.06469pH+0.1469,R²＝0.9971，其中R²＝0.9971，斜率-64.69mV/pH与理论值-58.6mV/pH近似相等，这说明乳酸在电极上表现为等质子等电子参与的电化学反应过程；实验在含100μmol/L乳酸且pH为2～6的磷酸盐缓冲液进行，通过对比不同pH时的还原峰电流、峰电位和峰形等因素，选取pH＝4时作为乳酸检测时的最佳pH值。

如图7所示，采用循环伏安法优化聚酞菁钴-多壁碳纳米管修饰电极检测乳酸时的扫描速度，实验在120～240mV/s扫速下进行，乳酸的还原峰电流随着扫描速度的增大而增大，由图8可以看到两者呈线性关系，线性方程为：

i_p＝0.1402v(mV/s)+3.1008

其中R²＝0.9927，说明乳酸在聚酞菁钴-多壁碳纳米管修饰电极上的电催化过程主要受吸附控制，将检测过乳酸溶液后的电极再置于空白缓冲液中循环扫描第一圈会发现残留的峰，也说明聚酞菁钴-多壁碳纳米管修饰电极对乳酸有吸附作用。考虑到检测时间不能太长、峰形稳定、电极消耗等因素，选自100mV/s作为检测时的最佳扫描速度。

电催化过程主要受吸附控制的电化学过程，当溶液中被检测物浓度较低时，富集是提高检测灵敏度的一种方法，可以适当调整富集时间。对于50μmol/L的乳酸，实验采取开路富集的方法得到的峰电流有明显的提高，如图9所示，在0s-300s的富集时间区间内，随着富集时间的延长，氧化峰电流增加缓慢，当富集时间超过240s时，峰电流逐渐降低，可能是电极在待测溶液中长时间富集破坏了电极表面的纳米修饰材料，并且会产生自身损耗导致修饰电极的稳定性下降，所以选取240s作为最佳富集时间。

上文已说明乳酸的电催化过程中电子转移数与质子参与数相同。由图7可以看出，乳酸的电催化峰电位随着扫描速度的增加不断增加，且为不可逆反应，扫描速度在20-240mV/s范围内，乳酸的峰电位(E_p)与扫描速度的对数(logv)之间呈线性关系：

E_p(V)＝0.1565-0.0386logv

对于不可逆的电极反应过程，峰电位(E_p)与扫描速度的对数(logv)应该遵守方程：

其中T＝298K，F为法拉第常数，数值为96485C/mol，α是电催化过程中的转移系数，n_α是反应过程中的电子转移数，2.303RT/2αn_αF为Tafel方程的斜率。由上述线性方程的斜率可知，2.303RT/2αn_αF＝0.0386，推出：αn_α＝0.98。根据大多数电极表面反应过程的电子转移系数都在0.25-0.75之间，所以推出n_α＝2。综上，乳酸在修饰电极上的电化学反应电子数为2，质子数为2。推测聚酞菁钴由于共轭作用形成含有18个π电子的大π体系，较大的共轭结构与羧基化多壁碳纳米管通过ππ相互作用复合，发挥协同增效作用，在聚酞菁钴-多壁碳纳米管的催化下，电极表面的反应可能为：

用计时库伦法(CC)直接测得电化学反应所消耗的电量，以聚酞菁钴-多壁碳纳米管修饰电极为工作电极，用CC法测定1.0×10^-3mol/L的K₃[Fe(CN)₆](含有0.1mol/L的KCl)溶液，可得Q-t^1/2线性方程为:

Q(C)＝-2.13×10^-6+1.47×10^-4t^1/2

由Cottrell方程计算:

Q(C)＝2nFAC₀D₀ ^1/2t^1/2/π^1/2

其中，n为反应中电子转移数，F为法拉第常数，数值为96485C/mol，C₀为K₃[Fe(CN)₆]的初始物质浓度，D₀为K₃[Fe(CN)₆]的扩散系数，数值为D₀＝7.6×10^-6cm²/s，可求得电极活化面积A＝0.49cm²，修饰电极的电活性表面积为基体电极的7倍，因此羧基化碳纳米管作为电子传递基底，既起到了支撑聚酞菁钴、发挥协同增效的作用，又扩大了修饰电极的电活性面积。

在上述实验条件下，采用线性扫描伏安法在-0.65～0.25V电位区间内对已知浓度梯度为1×10^-5～2.4×10^-4mol/L的乳酸溶液进行定量测定，实验结果如图10所示，在此范围内，乳酸浓度越大，对应的催化峰电流值就越大，通过一系列峰电流值与浓度的一一对应关系绘制出反映峰电流与浓度关系的标准曲线，图11显示乳酸峰电流大小与其浓度表现出良好的线性关系，线性方程为i＝0.13787c+0.05722，其中浓度c的单位是μmol/L，峰电流i的单位是μA，线性相关系数R²＝0.9981，检测限为1×10^-6mol/L(S/N＝3)。

根据上述获得的线性方程，即可实现对未知浓度的乳酸溶液样品进行浓度测定。将未知浓度的50mL乳酸溶液加入电解池中，三电极体系为基础，以本发明制备的修饰电极作为工作电极，银/氯化银电极为参比电极，铂柱电极为辅助电极。实验在CHI660E电化学工作站上进行，其附属的计算机软件进行实验参数设置和数据获取，在-0.65～0.25V电位范围内以100mV/s扫速进行线性伏安扫描，将在乳酸溶液中获得的还原峰峰电流i带入线性方程i＝0.13787c+0.05722，即可得到该乳酸溶液的浓度。

图12是采用电流-时间法测量聚酞菁钴-多壁碳纳米复合材料修饰电极的抗干扰能力，设定电压为-0.1V，采用传统三电极系统，缓冲溶液为0.1mol/L的磷酸盐溶液，调节pH为4，当缓冲液中不含乳酸时，电流响应为3.2μA，在磁力搅拌条件下，向磷酸盐缓冲液中滴加1ml浓度为100μmol/L的乳酸，响应电流立刻上升为6.7μA，继续向缓冲液中滴加10倍浓度的抗坏血酸、尿酸、多巴胺，和100倍浓度的Na⁺、Cl^-，电流响应值出现微弱的波动，稳定后的电流并没有上升，说明干扰物质对修饰电极的响应电流几乎没有影响，之后，再次向缓冲液中滴加1ml浓度为100μmol/L的乳酸，电极的响应电流再次上升，说明聚酞菁钴-多壁碳纳米管修饰电极具备良好的抗干扰能力，聚酞菁钴-多壁碳纳米管复合材料对乳酸的催化具备专一性；

图13是使用聚酞菁钴-多壁碳纳米复合材料修饰电极测定同一检测环境下乳酸溶液的峰值电流，连续测量14天，响应电流下降17.5％，说明聚酞菁钴-多壁碳纳米管修饰电极具备良好的稳定性。

实施例2

制备用于乳酸浓度测定的聚酞菁铁-石墨烯复合材料修饰电极，包括以下步骤：

(1)石墨烯纯化处理：称量0.2g石墨烯，并倒入体积为30mL的稀硝酸中并混合均匀，然后溶液超声分散30min，将溶液倒入100mL三口烧瓶，缓慢升温至120℃，恒温回流10h，反应结束后，用蒸馏水进行稀释，并用漏斗进行抽滤，固体置于70℃条件下干燥，获得纯化过的石墨烯。

(2)石墨烯羧基化处理：秤取0.15g步骤(1)纯化过的石墨烯，加入40ml浓硫酸和浓硝酸组成的混酸(3:1，v/v)，在室温下超声2h，超声过程中保持循环水，控制水温35℃左右，然后将混合液在搅拌的情况下缓慢倒入盛有200ml去离子水的烧杯中，静置冷却至室温，并用漏斗进行抽滤，将固体继续用去离子水洗涤、离心4次，直到滤液为中性，将固体用去离子水冲下到培养皿中，置于干燥箱内70℃真空干燥10h，得到羧基化石墨烯。

(3)聚酞菁铁-石墨烯复合材料的制备：称取酞菁铁100mg加入10mL丙酮中，超声使其溶解，称取步骤(2)处理过的30mg羧基化石墨烯加入30mL丙酮中超声分散，形成羧基化石墨烯的丙酮悬浮液，将相应的酞菁铁溶液滴加到羧基化石墨烯的丙酮悬浮液，50℃磁力搅拌3h，然后进行抽滤，所得固体再用蒸馏水淋洗至中性，在60℃条件下干燥5h制得聚酞菁铁-碳纳米管复合材料。

(4)玻碳电极预处理：在麂皮上依次使用粒径为300nm和50nmα-Al₂O₃抛光粉的糊状抛光液将玻碳电极打磨至镜面，糊状抛光液中抛光粉与去离子水的质量体积比(mg/ml)为1:2，之后依次应用无水乙醇和去离子水中超声洗涤电极2min，然后再将清洗过的玻碳电极置于0.5mol/L稀硫酸溶液中，在-0.5～1.2V电位区间以80mV/s的扫速进行循环伏安活化，直至响应稳定，最后用去离子水将玻碳电极冲洗干净，并晾干备用。

(5)在对玻碳电极修饰之前，电极需在1mmol/L K₃[Fe(CN)₆]溶液中(含0.15mol/LKCl)进行循环伏安扫描以验证电极可逆性，其中循环电位区间设为-0.2～0.8V，扫速设为70mV/s。如果[Fe(CN)₆]^3-/4-在GCE上的氧化还原反应峰电位差△Ep约为64mV，说明电极表面已达到清洁和活化的要求，去离子水冲洗电极晾干备用。

(6)将步骤(3)制备的聚酞菁铁-石墨烯复合材料加入到二甲基甲酰胺溶液中，复合材料与二甲基甲酰胺溶液的质量体积比(mg/ml)为0.5；超声50min，得到分散混合均匀的聚酞菁铁-石墨烯悬浮液，将悬浮液滴涂在步骤(5)预处理过的电极表面，复合材料悬浮液滴涂量为20μL；在红外灯下10cm处烤10min，即得聚酞菁铁-石墨烯复合材料修饰电极。

用实施例2制备的聚酞菁铁-石墨烯复合材料修饰电极用实施例1所示的方法测量已知浓度的乳酸溶液的峰电流，再将该峰电流值代入公式i＝0.13787c+0.05722，得到的乳酸溶液的浓度与其实际浓度一致；且操作简便、响应灵敏。

用计时库伦法(CC)直接测得电化学反应所消耗的电量，以聚酞菁铁-石墨烯复合材料修饰电极为工作电极，用CC法测定1.0×10^-3mol/L的K₃[Fe(CN)₆](含有0.1mol/L的KCl)溶液，计算得到修饰电极的扩散系数为8.9×10^-6cm²/s，活化面积A＝0.59cm²，修饰电极的电活性表面积为基体电极的8.4倍。

采用电流-时间法测量聚酞菁铁-石墨烯复合材料修饰电极的抗干扰能力，测定时发现10倍的抗坏血酸、尿酸、多巴胺，100倍的Na⁺、Cl^-对修饰电极的响应电流几乎没有影响，说明聚酞菁铁-石墨烯复合材料修饰电极具备良好的抗干扰能力；

使用聚酞菁铁-石墨烯复合材料修饰电极测定同一检测环境下乳酸溶液的峰值电流，连续测量14天，响应电流下降15.3％，说明聚酞菁铁-石墨烯复合材料修饰电极具备良好的稳定性。

实施例3

制备用于乳酸浓度测定的聚酞菁铜-碳纳米球复合材料修饰电极，包括以下步骤：

(1)碳纳米球纯化处理：称量1.5g碳纳米球，并倒入体积为225mL的稀硝酸中并混合均匀，然后溶液超声分散60min，将溶液倒入500mL三口烧瓶，缓慢升温至180℃，恒温回流6h，反应结束后，用蒸馏水进行稀释，并用漏斗进行抽滤或离心，固体置于90℃条件下干燥即可以获得纯化过的碳纳米球。

(2)碳纳米球羧基化处理：秤取1.5g步骤(1)纯化后的碳纳米球，加入100ml浓硫酸和浓硝酸组成的混酸(3:1，v/v)，在室温下超声4h，超声过程中保持循环水，控制水温40℃左右，然后将混合液在搅拌的情况下缓慢倒入盛有500ml去离子水的烧杯中，静置冷却至室温，并用漏斗进行抽滤，并将固体继续用去离子水洗涤、抽滤，反复10次，将固体用去离子水冲下到培养皿中，置于干燥箱内60℃真空干燥12h。

(3)聚酞菁铜-碳纳米球复合材料的制备：称取200mg酞菁铜加入20mL乙醇溶液中，超声使其溶解，称取70mg由步骤(2)处理过的羧基化碳纳米球加入70mL乙醇溶液中超声分散，形成碳纳米球二甲基甲酰胺悬浮液，将相应的酞菁铜悬浮液滴加到碳纳米球二甲基甲酰胺悬浮液，40℃磁力搅拌4h，然后进行抽滤，所得固体再用蒸馏水淋洗至中性，在80℃条件下干燥1h制得聚酞菁铜-碳纳米球复合材料。

(4)玻碳电极预处理：在麂皮上依次使用粒径为300nm和50nmα-Al₂O₃抛光粉的糊状抛光液将玻碳电极打磨至镜面，糊状抛光液中抛光粉与去离子水的质量体积比(mg/ml)为1:3，之后依次应用无水乙醇和去离子水中超声洗涤电极1.5min，然后再将清洗过的玻碳电极置于0.5mol/L稀硫酸溶液中，在-0.5～1.2V电位区间以100mV/s的扫速进行循环伏安活化，直至响应稳定，最后用去离子水将玻碳电极冲洗干净，并晾干备用。

(5)在对玻碳电极修饰之前，电极需在1mmol/L K₃[Fe(CN)₆]溶液中(含0.12mol/LKCl)进行循环伏安扫描以验证电极可逆性，其中循环电位区间设为-0.2～0.8V，扫速设为100mV/s。如果[Fe(CN)₆]^3-/4-在GCE上的氧化还原反应峰电位差△Ep约为64mV,说明电极表面已达到清洁和活化的要求，去离子水冲洗电极晾干备用。

(6)将步骤(3)制备的聚酞菁铜-碳纳米球复合材料加入到二甲基甲酰胺中，复合材料与二甲基甲酰胺的质量体积比(mg/ml)为3；超声60min，得到分散混合均匀的悬浮液，将悬浮液滴涂在步骤(5)预处理过的电极表面，复合材料悬浮液滴涂量为5μL；在红外灯下30cm处烤30min，制得聚酞菁铜-碳纳米球复合材料修饰电极。

用实施例3制备的聚酞菁铜-碳纳米球复合材料修饰电极用实施例1所示的方法测量已知浓度的乳酸溶液的峰电流，再将该峰电流值代入公式i＝0.13787c+0.05722，得到的乳酸溶液的浓度与其实际浓度一致；

用计时库伦法(CC)直接测得电化学反应所消耗的电量，以聚酞菁铜-碳纳米球复合材料修饰电极为工作电极，用CC法测定1.0×10^-3mol/L的K₃[Fe(CN)₆](含有0.1mol/L的KCl)溶液，计算得到修饰电极的扩散系数为6.3×10^-6cm²/s，活化面积为0.38cm²，修饰电极的电活性表面积为基体电极的5.4倍；

采用电流-时间法测量聚酞菁铜-碳纳米球复合材料修饰电极的抗干扰能力，测定时发现10倍的抗坏血酸、尿酸、多巴胺，100倍的Na⁺、Cl^-对修饰电极的响应电流几乎没有影响，说明聚酞菁铜-碳纳米球复合材料修饰电极具备良好的抗干扰能力；

使用聚酞菁铜-碳纳米球复合材料修饰电极测定同一检测环境下乳酸溶液的峰值电流，连续测量8天，响应电流下降8.5％，说明聚酞菁铜-碳纳米球复合材料修饰电极具备良好的稳定性。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种检测乳酸浓度的复合材料修饰电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，聚金属酞菁-碳纳米复合材料的合成：

1）碳纳米材料和质量百分比浓度＜20%的稀硝酸以150ml/g的液固比混合并回流处理，蒸馏水洗涤，抽滤或离心，干燥，得到纯化过的碳纳米材料；

2）将纯化过的碳纳米材料和混酸以100 ml/g的液固比混合并超声处理，蒸馏水洗涤，抽滤或离心，真空干燥，得到羧基化碳纳米材料；

3）将金属酞菁以10mg/ml的固液比溶于第一分散液中，得到金属酞菁悬浮液，将羧基化碳纳米材料以1mg/ml的固液比溶于第二分散液中，得到碳纳米材料悬浮液；磁力搅拌下，将金属酞菁悬浮液逐滴加入到碳纳米材料悬浮液中，抽滤，60~80℃条件下干燥1~8 h，得到聚金属酞菁-碳纳米复合材料；所述磁力搅拌的温度为30~50℃，时间为3~5 h；

步骤二，聚金属酞菁-碳纳米复合材料修饰电极的制备：

4）将质量百分比浓度为5%~10%的nafion溶液与第三分散液混合，体积比为1:10，得到nafion分散液，再将步骤一制备的聚金属酞菁-碳纳米复合材料以0.5~3 mg/ml的固液比加入到所述nafion分散液中，超声，得到聚金属酞菁-碳纳米复合材料悬浮液，滴涂在预处理过的玻碳电极表面，得到聚金属酞菁-碳纳米复合材料修饰电极；

所述金属酞菁为酞菁钴、酞菁铜、酞菁铁中的任意一种；所述碳纳米材料为碳纳米管、碳纳米球、石墨烯中的一种或多种。

2. 根据权利要求1所述的一种检测乳酸浓度的复合材料修饰电极的制备方法，其特征在于，所述回流处理的温度为120~180℃，时间为6~10 h。

3.根据权利要求1所述的一种检测乳酸浓度的复合材料修饰电极的制备方法，其特征在于，步骤一中的所述超声处理过程保持循环水，控制水温30~40℃。

4. 根据权利要求1所述的一种检测乳酸浓度的复合材料修饰电极的制备方法，其特征在于，所述真空干燥的温度为60~80℃，时间为8~12 h。

5.根据权利要求1所述的一种检测乳酸浓度的复合材料修饰电极的制备方法，其特征在于，所述混酸为质量百分比浓度98%的浓硫酸和质量百分比浓度65%的浓硝酸按体积比3:1混合得到的混合物；所述第一分散液和第二分散液为乙醇或丙酮；第三分散液为二甲基甲酰胺。

6.一种利用权利要求1所述的制备方法得到的聚金属酞菁-碳纳米复合材料修饰电极在测定乳酸溶液浓度中的应用。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，将聚金属酞菁-碳纳米复合材料修饰电极作为工作电极、银电极或氯化银电极作为参比电极、铂柱电极作为辅助电极构成三电极系统，置于含有乳酸的缓冲溶液中，所述的缓冲溶液选自0.1~0.2mol/L的磷酸盐溶液或柠檬酸盐溶液，pH为4.0；

将未知浓度的乳酸溶液采用电化学富集240s，然后采用线性扫描伏安法对未知浓度的乳酸溶液进行测量，测量电位为-0.65~0.25V，扫速为100mV/s，得到聚金属酞菁-碳纳米复合材料修饰电极响应曲线的峰值电流；

将峰值电流代入聚金属酞菁-碳纳米复合材料修饰电极对乳酸检测的电流-浓度拟合曲线i =0.1379c+0.0572，得到乳酸溶液的浓度，其中浓度c的单位是μmol/L，峰电流i的单位是μA。

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