CN111239215A - 一种磷掺杂多孔碳微球作为氯硝柳胺类氧化酶传感器的制备方法 - Google Patents

一种磷掺杂多孔碳微球作为氯硝柳胺类氧化酶传感器的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磷掺杂多孔碳微球作为氯硝柳胺类氧化酶传感器的制备方法，以木糖为碳源，引入F127模板剂和硫酸，水热反应后得到前置物，将干燥后的前置物和磷酸活化，最后在惰性气体保护下的管式炉中煅烧制备磷掺杂多孔碳微球；制备的磷掺杂多孔碳微球和超纯水按1mg/mL的比例超声分散后，在玻碳电极上滴涂5μL的分散液，烘干后，进行电化学检测，修饰电极对氯硝柳胺显示出良好的电催化活性和类氧化酶反应。该修饰电极能实现对氯硝柳胺的高效，灵敏，选择性检测，并可成功应用于测定稻田水中氯硝柳胺的含量；本发明制备的电化学传感器具有传感器材料制备成本低、操作简单、快速高效、灵敏度高等优点。

Description

一种磷掺杂多孔碳微球作为氯硝柳胺类氧化酶传感器的制备 方法
技术领域
本发明属于电化学传感器技术领域，具体涉及一种磷掺杂多孔碳微球作为氯硝柳胺类氧化酶传感器的制备方法。
背景技术
氯硝柳胺是一种杀鳗剂，也是一种灭螺剂，为水杨酰胺类衍生物。在农业上主要用于杀灭稻田中的福寿螺，同时在公共卫生防治方面，用于杀灭钉螺(血吸虫的中间宿主)。它也用于商业养鱼塘，可以在鱼塘换新水之前杀死和清除不想要的鱼.但是氯硝柳胺对于鱼类毒性很大，同时长期使用会给陆生和水生植物造成了一定的危害。因此，建立一种灵敏和选择性的测定氯硝柳胺的方法，特别是农业、环境或食品中氯硝柳胺的浓度，仍是一个巨大的挑战。
传感器由于能实现连续、快速、现场、在线活体检测与分析，并且还具有便携性、可行性、特异性、简便性、灵敏性、高效性、低成本等优点已广泛应用于环境监测与控制、生物制药与临床医学、食品安全与生物发酵等相关及类似领域。在电化学传感领域中，差分脉冲伏安法被认为是最灵敏的农药残留痕量检测方法之一。在相关报道中，国外Masoumeh等(M.Ghalkhani and S.Shahrokhian,Electrochemistry Communications,2010,66-69)人首次使用碳纳米颗粒(9～18nm)分散在壳聚糖溶液中再修饰玻碳电极测定了氯硝柳胺，其中检出限为7.7 nM。但是，我们不能知道碳纳米颗粒的具体形貌，孔隙结构以及表面基团。之后国外Eda等 (E.Dede,
Figure BDA0002374343610000011
Salam and Y.Dilgin,Electrochimica Acta,2014,20-26)人使用一次性铅笔石墨电极再次测定了氯硝柳胺，检出限为15nM。此外，基于单壁碳纳米管和多壁碳纳米管分别修饰电极检测氯硝柳胺，所表现出都是两个线性关系，分别是0.023～5.4μM和6.5～19μM 以及0.023～3.3μM和5.4～26.3μM，检测限分别是15nm和7.7nm。而电化学还原氧化石墨烯修饰电极检测氯硝柳胺在0.02～23.1μM之间浓度和电流呈良好的线性关系。在最新的报道中，国内Zhang等(Z.Zhang,Y.Yao,J.Xu,Y.Wen,J.Zhang and W.Ding,Applied Clay Science, 2017,57-66)人用羧基功能化石墨烯溶液有效的分散了坡缕石(10mg/mL)，并用这种复合纳米传感器对氯硝柳胺进行了敏感测定，检测限低至4.6nm。但是综合上述报道，这些碳材料多各成方法复杂，价格昂贵，不利于推广。因此，有必要寻找性能优良、导电性好的低成本材料来制备高效、灵敏的新型电化学传感器。
发明内容
本发明提出了一种磷掺杂多孔碳微球作为氯硝柳胺类氧化酶传感器的制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。本发明的技术方案是这样实现的：
一种磷掺杂多孔碳微球作为氯硝柳胺类氧化酶传感器的制备方法，所述氯硝柳胺类氧化酶传感器为磷掺杂多孔碳微球修饰电极，步骤如下：
步骤一：修饰材料的制备
以木糖为碳源，引入F127模板剂和硫酸，水热反应后得到前置物，将干燥后的前置物和磷酸活化，最后在惰性气体保护下的管式炉中煅烧制备磷掺杂多孔碳微球；
步骤二：修饰电极的制备
制备的磷掺杂多孔碳微球和超纯水按1mg/mL的比例超声分散后，在玻碳电极上滴涂5 μL的分散液烘干制备磷掺杂多孔碳微球修饰电极；
步骤三：修饰电极对氯硝柳胺的电化学测定
以制备好的磷掺杂多孔碳微球修饰电极为工作电极，铂丝电极为对电极，参比电极为饱和甘汞电极，组成三电极体系，采用磷酸盐缓冲溶液为电解质溶液，利用差分脉冲伏安法检测待测溶液中氯硝柳胺的含量。
在本发明的磷掺杂多孔碳微球作为氯硝柳胺类氧化酶传感器的制备方法中，步骤一中，木糖质量为2～8g，F127模板剂的质量为1～5g，硫酸的体积为0.5～2mL。
在本发明的磷掺杂多孔碳微球作为氯硝柳胺类氧化酶传感器的制备方法中，步骤一中，前置物和磷酸的含量比为1～4:4。
在本发明的磷掺杂多孔碳微球作为氯硝柳胺类氧化酶传感器的制备方法中，步骤一中，惰性气体为N2。
在本发明的磷掺杂多孔碳微球作为氯硝柳胺类氧化酶传感器的制备方法中，步骤三中，磷酸盐缓冲溶液的pH为7，浓度为0.1M。
本发明这种磷掺杂多孔碳微球作为氯硝柳胺类氧化酶传感器的制备方法，具有以下优点：
(1)本发明采用的碳源为木糖具有可再生性、其制备成本低廉、工艺简单、操作简易；
(2)本发明制备的电化学传感器不仅能够成功检测氯硝柳胺，而且还具有灵敏度高(检测下限低可达8.4nM)、选择性强、稳定性好等特点，最后所制备的修饰电极还可用于稻田水中氯硝柳胺含量的测定；
(3)本发明制备的电化学传感器在测定氯硝柳胺时具有类氧化酶特性，区别于传统修饰电极的线性关系。
附图说明
图1为本发明制备的磷掺杂多孔碳微球修饰电极以及玻碳电极在含有20μM氯硝柳胺的 pH＝7的磷酸盐缓冲溶液中的差分脉冲伏安图；
图2为本发明制备的磷掺杂多孔碳微球的扫描电镜图；
图3A：制备的磷掺杂多孔碳微球修饰电极在含有不同浓度的氯硝柳胺在磷酸盐缓冲溶液 (pH＝7)中的线性扫描伏安图；图3B：响应电流和浓度(0.3～100μM)的关系；图3C：响应电流的倒数与浓度的倒数的线性关系；图3D：响应电流与低浓度(0.3～7μM)线性关系；
图4为本发明制备的磷掺杂多孔碳微球修饰电极检测氯硝柳胺的抗干扰情况；
图5为本发明氯硝柳胺电化学传感器的稳定性图；
图6A：制备的氯化锌活化多孔碳微球修饰电极在含有不同浓度的氯硝柳胺在磷酸盐缓冲溶液(pH＝7)中的线性扫描伏安图；图6B：响应电流和浓度之间的关系；图6C：磷掺杂多孔碳微球修饰电极、氯化锌活化多孔碳微球修饰电极与裸电极的差分脉冲伏安图；
图7为本发明分别以木糖和葡萄糖为碳源制备的磷掺杂多孔碳微球修饰电极与裸电极的差分脉冲伏安图；
图8为本发明分别以木糖和蔗糖为碳源制备的磷掺杂多孔碳微球修饰电极与裸电极的差分脉冲伏安图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明保护范围的限定。
一种磷掺杂多孔碳微球作为氯硝柳胺类氧化酶传感器的制备方法，该氯硝柳胺类氧化酶传感器为磷掺杂多孔碳微球修饰电极，制备方法为：修饰材料的制备，以2～8g木糖作为碳源，引入1～5g F127模板剂和0.5～2mL硫酸，水热反应后得到前置物，将干燥后的前置物和磷酸活化，前置物和磷酸的含量比为1～4:4，最后在惰性气体保护下的管式炉中煅烧制备磷掺杂多孔碳微球，惰性气体可以为N2；修饰电极的制备，制备的磷掺杂多孔碳微球和超纯水按 1mg/mL的比例超声分散后，在玻碳电极上滴涂5μL的分散液烘干制备磷掺杂多孔碳微球修饰电极；修饰电极对氯硝柳胺的电化学测定，以制备好的磷掺杂多孔碳微球修饰电极为工作电极，铂丝电极为对电极，参比电极为饱和甘汞电极，组成三电极体系，采用磷酸盐缓冲溶液为电解质溶液，磷酸盐缓冲溶液的pH为7，浓度为0.1M，利用差分脉冲伏安法检测待测溶液中氯硝柳胺的含量。
实施例1
一种利用磷掺杂多孔碳微球修饰电极选择性测定氯硝柳胺的电化学传感器制备方法，包括以下步骤：
步骤1：修饰材料的制备
将6g D-(+)-木糖，3g模板剂F127以及1mL硫酸溶于60mL超纯水中，搅拌8h后，将得到的溶液转移到100mL聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜中，在413K下进行24h的水热处理。冷却至室温后，过滤所得的棕色混合物，用超纯水和乙醇反复洗涤沉淀后，在373K 烘箱中干燥。然后混合磷酸(质量比为磷酸(85％)：前置物＝4:1)，放入烘箱于373K干燥，最后在以N2保护下的管式炉中以1073K煅烧4h，278K/min，得到磷掺杂多孔碳微球(见图2)。
步骤2：修饰电极的制备
称取1mg的木糖衍生的磷掺杂多孔碳微球分散于1mL超纯水里，超声10分钟形成均匀分散稳定的混合溶液，取5μL混合溶液滴涂在玻碳电极表面，然后在红外干燥箱中干燥，得到磷掺杂多孔碳微球修饰电极。
对上述的氯硝柳胺电化学响应，如图1，使用差分脉冲伏安法(DPV)在含有20μM氯硝柳胺的磷酸盐缓冲溶液(0.1M，pH＝7)中，修饰电极对氯硝柳胺在0.144V处出现较强的响应电流，说明该修饰电极对氯硝柳胺具有优异的电催化活性。
该修饰电极对氯硝柳胺的电化学测定，如图3A-D：不同浓度的氯硝柳胺分别加入磷酸盐缓冲溶液(0.1M，pH＝7)中，使用制备的修饰电极，利用差分脉冲伏安法(DPV)对氯硝柳胺进行了测定，开始响应电流随着浓度的增加呈现线性关系，继续增大浓度时，响应电流逐渐偏移线性，慢慢趋于平缓，表明制备的传感器具有类氧化酶特性。该电极对氯硝柳胺有较宽的检测范围(0.3～100μM)、较高的灵敏度和较低的检测限(8.4nM)。
电化学传感器检测氯硝柳胺的性能评估，如图4，制备的修饰电极对氯硝柳胺具有很强的选择性，而且对添加不同浓度的多菌灵、硝酸镉、硝酸铬、硝酸汞、硝酸铅等物质无明显的电化学响应，并且在有干扰物时的响应电流错误率小于5％。
电化学传感器检测氯硝柳胺的稳定性评估，利用上述测试方法，在含有20μM氯硝柳胺的磷酸盐缓冲溶液(0.1M，pH＝7)中，用修饰电极对氯硝柳胺连续进行30次检测，结果见图5。由图5可知，本发明制备的电化学传感器的稳定性较好。
不同浓度的氯硝柳胺在实际样品稻田水中检测分析，如表1所示，将收集的稻田水用磷酸氢二钾和磷酸二氢钾混合成pH＝7。利用制备的修饰电极分别在含有4μM、6μM、8μM的氯硝柳胺的稻田水中进行检测分析，其回收率在96.5％～100.7％之间，表明构建的传感器用于稻田水实际样品检测分析是可行的。
Figure BDA0002374343610000051
表1
实施例2
一种利用氯化锌活化多孔碳微球修饰电极选择性测定氯硝柳胺的电化学传感器制备方法，包括以下步骤：
步骤1：修饰材料的制备
以6g D-(+)-木糖，3g模板剂F127以及1mL硫酸溶于60mL超纯水中，搅拌8h后，将得到的溶液转移到100mL聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜中，在413K下进行24h的水热处理。冷却至室温后，过滤所得的棕色混合物，用超纯水和乙醇反复洗涤沉淀后，在373K 烘箱中干燥。然后混合氯化锌(质量比为氯化锌：前置物＝4:1)，放入烘箱于373K干燥，最后在以N2保护下的管式炉中以1073K煅烧4h，278K/min，得到磷掺杂多孔碳微球。
步骤2：修饰电极的制备
称取1mg的氯化锌活化多孔碳微球分散于1mL超纯水里，超声10分钟形成均匀分散稳定的混合溶液，取5μL混合溶液滴涂在玻碳电极表面，然后在红外干燥箱中干燥，得到氯化锌活化多孔碳微球修饰电极。
该修饰电极对氯硝柳胺的电化学测定，如图6A-B：不同浓度的氯硝柳胺分别加入磷酸盐缓冲溶液(0.1M，pH＝7)中，使用制备的修饰电极，利用差分脉冲伏安法(DPV)对氯硝柳胺进行了测定，分别在浓度为1～7μM和10～100μM呈现线性关系，说明氯化锌活化不具备类氧化酶特性。
对上述的氯化锌活化多孔碳微球修饰电极检测氯硝柳胺电化学响应，如图6C，使用差分脉冲伏安法(DPV)在含有20μM氯硝柳胺的磷酸盐缓冲溶液(0.1M，pH＝7)中，修饰电极对氯硝柳胺在0.14V处出现不明显的响应电流，说明该修饰电极对氯硝柳胺的电催化活性没有磷掺杂多孔碳微球修饰电极强。
实施例3
一种利用葡萄糖衍生的磷掺杂多孔碳微球修饰电极选择性测定氯硝柳胺的电化学传感器制备方法，包括以下步骤：
步骤1：修饰材料的制备
以6g葡萄糖，3g模板剂F127以及1mL硫酸溶于60mL超纯水中，搅拌8h后，将得到的溶液转移到100ml聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜中，在413K下进行24h的水热处理。冷却至室温后，过滤所得的棕色混合物，用超纯水和乙醇反复洗涤沉淀后，在373K烘箱中干燥。然后混合磷酸(质量比为磷酸(85％)：前置物＝4:1)，放入烘箱于373K干燥，最后在以N2保护下的管式炉中以1073K煅烧4h，278K/min，得到磷掺杂多孔碳微球。
步骤2：修饰电极的制备
称取1mg的磷掺杂多孔碳微球分散于1mL超纯水里，超声10分钟形成均匀分散稳定的混合溶液，取5μL混合溶液滴涂在玻碳电极表面，然后在红外干燥箱中干燥，得到磷掺杂多孔碳微球修饰电极。
对上述的磷掺杂多孔碳微球修饰电极检测氯硝柳胺电化学响应，如图7，使用差分脉冲伏安法(DPV)在含有20μM氯硝柳胺的磷酸盐缓冲溶液(0.1M，pH＝7)中，修饰电极对氯硝柳胺在0.14V处出现不明显的响应电流，说明该修饰电极对氯硝柳胺的电催化活性没有木糖衍生的磷掺杂多孔碳微球修饰电极强。
实施例4
一种利用蔗糖衍生的磷掺杂多孔碳微球修饰电极选择性测定氯硝柳胺的电化学传感器制备方法，包括以下步骤：
步骤1：修饰材料的制备
以6g蔗糖，3g模板剂F127以及1mL硫酸溶于60mL超纯水中，搅拌8h后，将得到的溶液转移到100ml聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜中，在413K下进行24h的水热处理。冷却至室温后，过滤所得的棕色混合物，用超纯水和乙醇反复洗涤沉淀后，在373K烘箱中干燥。然后混合磷酸(质量比为磷酸(85％)：前置物＝4:1)，放入烘箱于373K干燥，最后在以N2保护下的管式炉中以1073K煅烧4h，278K/min，得到磷掺杂多孔碳微球。
步骤2：修饰电极的制备
称取1mg的磷掺杂多孔碳微球分散于1mL超纯水里，超声10分钟形成均匀分散稳定的混合溶液，取5μL混合溶液滴涂在玻碳电极表面，然后在红外干燥箱中干燥，得到磷掺杂多孔碳微球修饰电极。
对上述的磷掺杂多孔碳微球修饰电极检测氯硝柳胺电化学响应，如图8，使用差分脉冲伏安法(DPV)在含有20μM氯硝柳胺的磷酸盐缓冲溶液(0.1M，pH＝7)中，修饰电极对氯硝柳胺在0.14V处出现不明显的响应电流，说明该修饰电极对氯硝柳胺的电催化活性没有木糖衍生的磷掺杂多孔碳微球修饰电极强。
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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种磷掺杂多孔碳微球作为氯硝柳胺类氧化酶传感器的制备方法，其特征在于，所述氯硝柳胺类氧化酶传感器为磷掺杂多孔碳微球修饰电极，步骤如下：
步骤一：修饰材料的制备
以木糖为碳源，引入F127模板剂和硫酸，水热反应后得到前置物，将干燥后的前置物和磷酸活化，最后在惰性气体保护下的管式炉中煅烧制备磷掺杂多孔碳微球；
步骤二：修饰电极的制备
制备的磷掺杂多孔碳微球和超纯水按1mg/mL的比例超声分散后，在玻碳电极上滴涂5μL的分散液烘干制备磷掺杂多孔碳微球修饰电极；
步骤三：修饰电极对氯硝柳胺的电化学测定
以制备好的磷掺杂多孔碳微球修饰电极为工作电极，铂丝电极为对电极，参比电极为饱和甘汞电极，组成三电极体系，采用磷酸盐缓冲溶液为电解质溶液，利用差分脉冲伏安法检测待测溶液中氯硝柳胺的含量。
2.根据权利要求1所述的磷掺杂多孔碳微球作为氯硝柳胺类氧化酶传感器的制备方法，其特征在于，步骤一中，木糖质量为2～8g，F127模板剂的质量为1～5g，硫酸的体积为0.5～2mL。
3.根据权利要求1所述的磷掺杂多孔碳微球作为氯硝柳胺类氧化酶传感器的制备方法，其特征在于，步骤一中，前置物和磷酸的含量比为1～4:4。
4.根据权利要求1所述的磷掺杂多孔碳微球作为氯硝柳胺类氧化酶传感器的制备方法，其特征在于，步骤一中，惰性气体为N2。
5.根据权利要求1所述的磷掺杂多孔碳微球作为氯硝柳胺类氧化酶传感器的制备方法，其特征在于，步骤三中，磷酸盐缓冲溶液的pH为7，浓度为0.1M。
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