CN111122676A

CN111122676A - 一种基于铂-金-生物质炭纳米复合材料的电化学传感器的制备与槲皮素检测的应用

Info

Publication number: CN111122676A
Application number: CN201811287380.6A
Authority: CN
Inventors: 孙伟; 刘娟; 翁文举; 罗贵铃; 殷春晓; 牛燕燕; 张书尧; 龚雨彤; 李光九
Original assignee: Hainan Normal University
Current assignee: Hainan Normal University
Priority date: 2018-10-31
Filing date: 2018-10-31
Publication date: 2020-05-08
Anticipated expiration: 2038-10-31
Also published as: CN111122676B

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铂‑金纳米合金（Pt‑Au），从而制得铂‑金‑生物质炭纳米复合材料（Pt‑Au‑BPC）。以N‑己基吡啶六氟磷酸盐为粘合剂和修饰剂，制备了离子液体修饰碳糊电极(CILE)，采用滴涂法将Pt‑Au‑BPC固定在CILE表面制备了相应的修饰电极（Pt‑Au‑BPC/CILE）。以槲皮素为检测对象采用循环伏安法和示差脉冲伏安法对其电化学行为进行了研究，建立了相应的电化学检测方法并用于检测银杏叶片样品中槲皮素的含量，结果令人满意。

Description

一种基于铂-金-生物质炭纳米复合材料的电化学传感器的制备与槲皮素检测的应用

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-金-生物质炭（Pt-Au-BPC）纳米复合材料的制备及检测槲皮素含量的方法。

背景技术

生物质是一种天然丰富的资源，以生物质为原料直接生产碳材料具有成本低，环境友好，适合大规模生产的优点。生物质衍生的碳（也称为生物炭）是由生物残体在缺氧的情况下，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。已报道含碳材料可以从生物质获得，例如稻壳，麦秆，椰子壳，小麦粉，柚子皮和蛋清等。所合成的生物碳材料通过碳化和活化产生，导致具有表面积大，孔结构可调，化学、热稳定性高，电子导电性好等优点。

合金是由两种或两种以上的金属或金属氧化物所组成的具有金属特性的物质，由于合金中两种金属元素的协同作用而使合金的性能大大增加。合金纳米材料具有比表面积大、表面自由能高、催化性好、良好的生物相容性等特殊的性能，因而可以增加生物材料固定的稳定性和有效保持固定生物材料的活性，可用作构建生物传感器的活性界面，并可改进生物分子与基体电极之间的电子传导能力，实现生物分子与基体电极之间的直接电子转移。目前合金纳米材料的合成方法主要有溶液还原法、水热法、凝胶溶胶法、电化学还原法、光化学还原法等。由于水热法反应条件适中、操作简单，所以本发明采用水热法来合成合金纳米材料。

槲皮素是一种具有多种生物活性的黄酮类化合物，广泛存在于苹果、洋葱、银杏等植物的花、叶、果实中，具有降血压、降血脂、抗菌、抗癌及增强抵抗力等作用。目前检测槲皮素的方法主要有高效液相色谱法、毛细管电泳法，光度法，电化学法等。电化学分析具有选择性好、灵敏度高、价格低廉、耗时少、适用较宽的动态范围和快速响应等优点，已用于电活性药物的高灵敏检测。由于槲皮素具有电活性，因此本发明采用电化学分析的方法来进行研究。

发明内容

本发明所采用的技术方案如下。

1、一种基于铂-金-生物质炭（Pt-Au-BPC）纳米复合材料的电化学传感器的制备与槲皮素检测的应用，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碳化反应几小时，待降到室温将所得固体过滤洗涤干燥后即得BPC。

（2）Pt-Au-BPC纳米复合材料的制备。

称取一定量的氯金酸(HAuCl₄)和氯铂酸钾(K₂PtCl₆)，溶解于25 mL蒸馏水后加入一定量的BPC，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一段时间，冷却至室温后过滤洗涤干燥即得Pt-Au-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-Au-BPC纳米复合材料滴在CILE表面，室温晾干即得Pt-Au-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，管式炉的条件为700 ℃下碳化反应2 h。

3、根据权利书要求1所述的制备方法，步骤（2）为中HAuCl₄和K₂PtCl₆的物质的量均为0.061 mmol，BPC的质量为20 mg，加热的条件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-Au-BPC纳米复合材料的量取8μL，浓度是1.5 mg/mL。

6、Pt-Au-BPC纳米复合材料的电化学传感器应用，可以用于检测槲皮素的含量，其特征在于，包括以下步骤：

（1）配制槲皮素标准溶液和样品溶液。

（2）以Pt-Au-BPC/CILE为工作电极，铂丝为对电极，银/氯化银为参比电极，通过示差脉冲伏安法检测不同浓度的槲皮素标准溶液，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槲皮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所述的检测槲皮素含量的方法，其特征在于，上述步骤（1）中所述的槲皮素标准溶液的配制方法为称取0.0302 g槲皮素，用少量乙醇溶解，再用蒸馏水定容至100 mL容量瓶。

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取两片银杏叶片放在玛瑙研钵内仔细研磨，用乙醇定容至10 mL，取上层澄清液1 mL再用乙醇定容至10 mL。

与现有技术相比，本发明的有益效果是。

本发明以铂-金-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，将其用于槲皮素含量的测定，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)、(B)和Pt-Au-BPC (C)、(D)的SEM图。

图2 pH 2.0 PBS中1.0×10^-4 mol/L的槲皮素在(a) CILE和(b) Pt-Au-BPC/CILE上的循环伏安图，扫速为100 mV/s。

图3 1.0×10^-4 mol/L的槲皮素在Pt-Au-BPC/CILE上不同pH值的缓冲溶液中(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 1.0×10^-4 mol/L的槲皮素在Pt-Au-BPC/CILE上不同扫速下(扫速从a到m依次为20, 60, 100, 150, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000 mV/s)的循环伏安图。

图5 不同浓度槲皮素在Pt-Au-BPC/CILE上的示差脉冲伏安曲线(从a到o浓度依次为5.0×10^-8, 1.5×10^-7, 3.0×10^-7, 5.0×10^-7, 1.0×10^-6, 2.0×10^-6, 3.0×10^-6, 4.0×10^-6, 6.0×10^-6, 1.0×10^-5, 1.4×10^-5, 1.8×10^-5, 2.0×10^-5, 2.5×10^-5, 6.0×10^-5 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

修饰电极的SEM

图1显示了不同放大倍数下的扫描电子显微镜（SEM）图像，图1A显示以面粉为原料所合成的BPC表现出蜂窝状开孔海绵微结构。图1B进一步证实了其高度互连的多孔结构图，这有利于Pt和Au纳米粒子的进一步负载。图1C和1D可以看到，颗粒的铂-金纳米材料均匀地分散在生物质炭表面，与1A和1B相比，表面更粗糙，其孔内有很多小颗粒，证明Pt、Au纳米粒子成功地修饰在BPC表面。

例2

槲皮素在修饰电极表面的循环伏安曲线

在0.1 mol/L PBS(pH 2.0)中，研究了1.0×10^-4 mol/L槲皮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)上槲皮素的氧化还原峰电位和峰电流分别为Epa = 0.479V，Epc = 0.420V和Ipa = 10.02 μA，Ipc = -4.89 μA，峰电位差(ΔEp)为59mV。在Pt-Au-BPC/CILE(曲线b)上出现2对氧化还原峰，其中较明显的一对峰的氧化还原峰电位和峰电流分别为Epa = 0.483V，Epc = 0.449V和 Ipa = 22.64 μA，Ipc = -5.07 μA，且峰电位差(ΔEp)为34 mV，分别对应槲皮素B环上3’,4’位的羟基在修饰电极上的氧化还原。槲皮素的5个羟基中，B环上的儿萘酚3’4’-双羟基供电子基团具有较高的电活性，能在较低的电势下被氧化并显示较高的峰电流。而对于另一对氧化峰，据参考文献认为应归属于槲皮素的3-OH的氧化。Pt-Au-BPC/CILE其氧化峰电流约为CILE的2.3倍，这是因为BPC具有多孔结构，有利于Pt和Au纳米粒子的负载，所形成的复合材料具有良好的协同作用，如大的比表面积和提高了导电性，有利于槲皮素的吸附和加快电子转移速率。

例3

pH值对槲皮素电化学行为的影响

考察了缓冲溶液pH值对槲皮素电化学行为的影响，在pH 2.0~7.0范围内的循环伏安图如图3所示。缓冲溶液pH值的变化对槲皮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 = 2.0时，响应电流最大，因此选择pH 2.0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，这表明槲皮素的电极反应需要有质子参与，其式电位(E^0')与pH值呈良好的线性关系，线性回归方程为E⁰'(V) = -0.049 pH + 0.56 (n=6, γ=0.998)，其斜率为- 49 mV/pH，与理论值- 59 mV/pH相近，表明槲皮素的电极反应为等电子等质子参与的氧化还原过程。

例4

扫描速度对槲皮素电化学行为的影响

考察了扫描速度对1.0×10^-4 mol/L槲皮素在Pt-Au-BPC/CILE上电化学行为的影响，结果如图4所示。在20~1000 mV/s范围内，随着扫速的增加氧化还原峰电流逐渐增大，且峰电位差逐渐增加。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) = 213.87 υ (V/s) + 2.11 (n=12, γ=0.998)和Ipc (μA) = -123.84 υ (V/s) -2.49（n=12, γ=0.995)，这表明在该扫速范围内电极反应是吸附控制过程，这与复合材料的多孔结构易于吸附待分析目标有关。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) = 0.020 lnν + 0.624 (n=12, γ=0.991)和Epc (V) = -0.027 lnν+ 0.411 (n=12, γ=0.990)。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(k_s)分别为0.43，2.2和0.76。

例5

工作曲线

在最佳实验条件下，用示差脉冲伏安法对不同浓度的槲皮素进行了电化学检测，结果如图5所示。槲皮素的氧化峰电流值随其浓度的增加而增大，氧化峰电流与槲皮素的浓度在0.15~6.0 μmol/L和10.0~60.0 μmol/L的范围内呈良好的线性关系，线性回归方程分别为Ipa (μA) = 1.756 C (μmol/L) + 32.868 (n=6, γ=0.990)和Ipa (μA) = 2.174 C (μmol/L) + 1.241 (n=6, r=0.991)，检出限为0.05 μmol/L (3σ)。

例6

槲皮素含量的检测

将本方法用于银杏叶片中槲皮素含量的测定，实验方法如下：取两片银杏叶片放入研钵中研磨后定容至10 mL，取上层清液1 mL再用乙醇定容至10 mL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98.6%~106.40%，结果比较满意。

表1 银杏叶片中槲皮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

1.一种基于铂-金-生物质炭（Pt-Au-BPC）纳米复合材料的电化学传感器的制备与槲皮素检测的应用，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碳化反应几小时，待降到室温将所得固体过滤洗涤干燥后即得BPC；

（2）Pt-Au-BPC纳米复合材料的制备

称取一定量的氯金酸(HAuCl₄)和氯铂酸钾(K₂PtCl₆)，溶解于25 mL蒸馏水后加入一定量的BPC，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一段时间，冷却至室温后过滤洗涤干燥即得Pt-Au-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

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，管式炉的反应条件为700 ℃下碳化反应2 h。

3.根据权利书要求1所述的制备方法，步骤（2）中HAuCl₄和K₂PtCl₆的物质的量均为0.061 mmol，BPC的质量为20 mg，加热条件为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-Au-BPC纳米复合材料的量取8 μL，浓度是1.5 mg/mL。

6.Pt-Au-BPC纳米复合材料的电化学传感器应用，用于检测槲皮素的含量，其特征在于，包括以下步骤：

（1）配制槲皮素标准溶液和样品溶液；

（2）以Pt-Au-BPC/CILE为工作电极，铂丝为对电极，银/氯化银为参比电极，通过示差脉冲伏安法检测不同浓度的槲皮素标准溶液氧化峰电流值与其浓度的关系并建立标准曲线；

7.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）中所述的槲皮素标准溶液的配制方法为称取0.0302 g槲皮素，用少量乙醇溶解，再用蒸馏水定容至100 mL容量瓶。

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取两片银杏叶片放在玛瑙研钵内仔细研磨，用乙醇定容至10 mL，取上层澄清液1 mL再用乙醇定容至10 mL。