CN111830103A - 一种快速检测过氧化氢的电化学传感器制备及应用方法 - Google Patents

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Abstract

一种快速检测过氧化氢的电化学传感器制备方法，包括如下步骤：（1）玻碳电极的预处理：（2）合成制备Mn2CoO4/Ni‑CS材料；（3）制备复合电极：将Mn2CoO4/Ni‑CS材料修饰在已经预处理好的玻碳电极表面；将纳米金溶液修饰在其表面，组合形成AuNP/Mn2CoO4/Ni‑CS复合材料玻碳电极；再取以PBS缓冲液作溶剂形成的辣根过氧化物酶溶液修饰其上，构建成HRP/AuNP/Mn2CoO4/Ni‑CS复合材料玻碳电极。本发明还公开了一种快速检测过氧化氢的电化学传感器应用方法。本发明所述的自组装传感器无须添加其他试剂，灵敏度高，检测速度快，且制作工艺简单、使用条件温和，无高温高压等苛刻要求，有利于工业使用。

Description

一种快速检测过氧化氢的电化学传感器制备及应用方法
技术领域
本发明属于电化学检测领域，具体涉及一种快速检测过氧化氢的电化学传感器制备及应用方法。
背景技术
过氧化氢是一种常用的化工原料，具有氧化、漂白和消毒等多种用途。因此，对样品中过氧化氢的准确、方便检测实际应用意义重大。但现有过氧化氢检测方法操作相对繁琐、耗时长，并且需要额外添加化学物质与过氧化氢反应才能获得检测信号，给检测方法的实际使用带来不便。
随着新型功能化纳米材料的不断涌现，电化学传感器在环保领域应用更加广泛，电化学传感器其体积小、灵敏度高、装配便捷，对于水体和土壤污染物检测能测定许多阴阳离子及有机物，包括卤素离子、氰化物、各类金属离子、酸根离子，有机污染物等，目前电化学传感器已然成为研究领域最多、应用范围做广、技术最为成熟的一类传感器，具有特殊性能和优点的电化学传感器不断涌现并进入实际应用。
发明内容
为克服现有技术存在的缺陷，本发明公开了一种快速检测过氧化氢的电化学传感器制备及应用方法。
本发明所述快速检测过氧化氢的电化学传感器制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）玻碳电极的预处理：
玻碳电极先用0.3um以上Al2O3抛光，再用0.05um以下Al2O3抛光至镜面；放置在超声波清洗机中分别用无水乙醇和去离子水清洗2-4次，每次清洗5-15分钟，将清洗好的裸玻碳电极放入酸溶液在-0.6～1.0Ｖ范围内用循环伏安法对裸玻碳电极进行活化；
（2）合成制备Mn2CoO4/Ni-CS材料；
（3）制备复合电极：
将Mn2CoO4/Ni-CS材料修饰在已经预处理好的玻碳电极表面；当Mn2CoO4/Ni-CS材料干燥固定好后，将纳米金溶液修饰在其表面，组合形成AUNP/Mn2CoO4/Ni-CS复合材料玻碳电极；再取以PBS缓冲液作溶剂形成的辣根过氧化物酶溶液修饰其上，构建成HRP/AUNP /Mn2CoO4/Ni-CS复合材料玻碳电极。
优选的：所述Mn2CoO4/Ni-CS材料的制备方法为：取合成Mn2CoO4/Ni材料加入壳聚糖凝胶，用超纯水稀释、摇匀后得到Mn2CoO4/Ni在壳聚糖中分散的材料，合成Mn2CoO4/Ni材料、壳聚糖凝胶和超纯水的体积比为1：20-25：35-45。
优选的：所述纳米金溶液的制备方法为：取1毫升0.01wt%氯金酸于烧杯中，加入100ml去离子水充分搅拌;将溶液加热煮沸，滴入4mL柠檬酸钠，待颜色不变后，再加热15分钟。
本发明还公开了一种快速检测过氧化氢的电化学传感器应用方法，其特征在于：包括如下步骤：
1）检测底液制备：将磷酸氢二钾加入超纯水溶解定容制备成浓度为0.05-0.1mol/L的PBS缓冲溶液A液；将磷酸二氢钠加入超纯水溶解定容制备成浓度与所述A液相同的PBS缓冲溶液B液；将A、B液以一定的比例混合成pH=7.0的PBS缓冲溶液；
2）检测：用三电极体系，进行检测，其中HRP/AuNP/Mn2CoO4/Ni-CS复合材料玻碳电极为工作电极；以PBS缓冲溶液为检测底液，借助循环伏安法在电压范围为－0.1～1.26V测定过氧化氢浓度，建立标准曲线；
再以PBS缓冲溶液为检测底液，加入实际水样，用该传感器在电压范围-1.5~1.5V测定其循环伏安图。
优选的：玻碳电极作为对电极，饱合甘汞电极作为参比电极。
优选的：检测过程中的工作条件为：CV检测的静置时间为2s，初始电压为-0.76V，顶点电压为0.55V，采样间隔为0.02V，扫描速度为0.05V/s，灵敏度为1μA/V。
采用本发明所述快速检测过氧化氢的电化学传感器制备及应用方法，具有如下优越性:
本发明具有以下有益效果：
1、本发明所述的自组装传感器无须添加其他试剂，灵敏度高，检测速度快，具有广阔的应用前景。
2、本发明所述自组装传感器所用材料少，容易获取，制作成本低。
3、本发明所述自组装传感器制作工艺简单、使用条件温和，无高温高压等苛刻要求，有利于工业使用。
附图说明
图1为本发明所述三电极检测时的一种具体实施方式示意图；
图1中附图标记名称为：1-电解槽，2-对电极，3-参比电极，4-工作电极；
图2是本发明所述Mn2CoO4/Ni-CS材料的扫描电镜图；
图3是本发明所述Mn2CoO4/Ni-CS材料、纳米金、辣根过氧化物酶叠加后的扫描电镜图；
图4是采用本发明所述传感器测定标准过氧化氢浓度梯度的标准工作曲线的一个具体测量曲线图；图3中横坐标表示浓度,纵坐标为电流;
图5为本发明具体实施例1测定的循环伏安图;
图6为本发明具体实施例2测定的循环伏安图;
图5和6中,横坐标为电压,纵坐标为电流。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。下述各实施例中，壳聚糖（脱乙酰度≥90％，粘度＜100CPS），过氧化氢、乙酸、磷酸氢二钾、磷酸二氢钠、无水乙醇、氯化钾、氯金酸均为分析纯。
具体实施例1
本实施例中，具体测定方法如下：
（1）磷酸缓冲盐溶液（PBS）的配制
用万分之一天平分别称取11.411ｇK2HPO4、7.8005ｇNa2H2PO4加入烧杯中，溶解、转移并定容至1000mL容量瓶中，配制成pH＝7.00的PBS溶液。
（2）壳聚糖凝胶的配制
用万分之一天平准确称取0.2000g壳聚糖粉末加入烧杯中，取200uL质量分数为99.5％的乙酸稀释至10mL,加入装有壳聚糖粉末的烧杯中，用DF-101S型集热室恒温加热磁力搅拌器搅拌至均匀的壳聚糖凝胶。
（3）辣根过氧化物酶溶液的配制
用万分之一天平准确称取过辣根氧化物酶0.0003g加入一次性离心管，用1mlPBS溶液溶解，得到0.3mg/ml辣根过氧化物酶溶液。
（4）纳米金溶液的配制
取1毫升0.01wt%氯金酸于烧杯中，加入100mL去离子水充分搅拌;将溶液加热煮沸，滴入4mL柠檬酸钠，待颜色不变后，再加热15分钟。
本合成方法中柠檬酸钠不仅是还原剂，还是分散剂，制得的金纳米粒子表面吸附了带负电荷的柠檬酸根离子而相互排斥，在溶液中分散性好，处于均匀分散的稳定状态，溶液颜色为酒红色。
（5）过氧化氢梯度浓度的配置
用移液枪准确量取过氧化氢溶液10 mL，进行梯度稀释至10-6~10-36mol/L间隔为1个数量级的一系列梯度浓度标准液；
（6）构建HRP/AUNP/Mn2CoO4/Ni-CS生物传感器。
（6.1）玻碳电极的预处理
玻碳电极先用0.3umAl2O3抛光粉再用0.5umAl2O3抛光粉抛光，将玻碳电极进行抛光至镜面的预处理，放置在超声波清洗机中分别用无水乙醇和去离子水清洗３次，每次清洗10分钟，将清洗好的裸玻碳电极放入5ml 0.1mol/L硫酸溶液在-0.6～1.0Ｖ范围内用循环伏安法对裸玻碳电极进行活化。
预处理中先后使用无水乙醇和去离子水清洗电极，无水乙醇清洗主要是为了减少微粒聚结的毛细管作用，控制微粒团聚。去离子水清洗主要是起到去除了水中的离子状杂质。
（6.2）Mn2CoO4/Ni-CS材料的合成
取2ul合成Mn2CoO4/Ni材料，加入40ul壳聚糖凝胶，用80ul的超纯水稀释、摇匀、充分得到Mn2CoO4/Ni在壳聚糖中分散的材料，本发明中均简称Mn2CoO4/Ni-CS材料，每次使用需要现配现用。
图2是本发明所述Mn2CoO4/Ni-CS材料的扫描电镜图；图2可以看出Mn2CoO4/Ni和壳聚糖凝胶的混合物呈块状，Mn2CoO4/Ni材料呈雪花状分布在块状的壳聚糖凝胶中，使凝胶中夹杂着Mn2CoO4/Ni材料。壳聚糖凝胶起着分散剂的作用，并且在修饰电极时，更容易吸附在电极上，不易脱落。
（6.3）制备复合电极
实验采用滴涂法制备电极：取5ulMn2CoO4/Ni-CS材料修饰在已经预处理好的玻碳电极表面。Mn2CoO4/Ni-CS材料干燥固定好后，取5ul纳米金溶液修饰在其表面，组合形成AUNP /Mn2CoO4/Ni-CS复合材料玻碳电极,取5ul以PBS缓冲溶液作溶剂形成辣根过氧化物酶溶液修饰其上，构建成HRP/AuNP/Mn2CoO4/Ni-CS复合材料玻碳电极；每一层修饰材料在修饰后均储存在４℃的环境中5小时，待固定好后继续修饰下一层。
图3是本发明所述Mn2CoO4/Ni-CS材料、纳米金、辣根过氧化物酶叠加后的扫描电镜图，从图3可以看出，叠加后柱状的辣根过氧化物酶被Mn2CoO4/Ni-CS材料紧紧缠绕，使辣根过氧化物酶稳定的吸附在Mn2CoO4/Ni-CS材料中。
HRP/AuNP/Mn2CoO4/Ni-CS分别表示辣根过氧化物酶、纳米金、镍合成钴酸锰、壳聚糖，其中Mn2CoO4/Ni-CS材料能够有效固定化HRP的辅基与电极之间传递电子且HRP催化H2O2在电极上发生还原反应，总反应为：H202+2e-+2H+→2H2O,从而检测过氧化氢。制得的电极各个层次的作用分别是：①Mn2CoO4/Ni作为原始材料，将配好的壳聚糖凝胶溶液与之充分融合,壳聚糖是甲壳质的脱乙酰基产物，具有天然高分子网状结构，能有效保持分子的生物活性而不泄露，成膜后具有良好的吸附性和稳定性，所形成的Mn2CoO4/Ni-CS附着在电极上;②将AuNP再一次滴加在电极上，其有相对较大的比表面积和较高的化学活性等优点，能在传感器中主要用做探针载体和信号分子;③最后滴加HRP，有效地传递电子并发送唯一性的还原反应。
（7）三电极体系以HRP/AUNP/Mn2CoO4/Ni-CS复合材料玻碳电极为工作电极，Hg/Hg2Cl2电极为参比电极，铂电极为对电极，以PH=7.00的5mLPBS缓冲溶液为测试底液借助循环伏安法在电压范围为－0.1～1.26Ｖ测定步骤（5）中制备的梯度浓度的过氧化氢溶液的峰电流值，建立峰电流值-浓度的标准曲线。
（8）取5mlPBS缓冲溶液为底液，加入5ul实际水样一，用该传感器在电压范围-1~1.26V测定其循环伏安图得到图5。
通过标准曲线上的峰电流值，找出对应的浓度值，从而推断出样品中的过氧化氢浓度。
具体实施例2
本实施例中，具体测定方法如下：
（1）磷酸缓冲盐溶液（PBS）的配制
用万分之一天平分别称取11.411ｇK2HPO4、7.8005ｇNa2H2PO4加入烧杯中，溶解、转移并定容至1000ｍＬ容量瓶中，配制成ｐＨ＝7.00的PBS溶液。
（2）壳聚糖凝胶的配制
用万分之一天平准确称取0.2000g壳聚糖粉末加入烧杯中，取200ul质量分数为99.5％的乙酸稀释至10ml,加入装有壳聚糖粉末的烧杯中，用DF-101S型集热室恒温加热磁力搅拌器搅拌至均匀的壳聚糖凝胶。
（3）辣根过氧化物酶溶液的配制
用万分之一天平准确称取过辣根氧化物酶0.0003g加入一次性离心管，用1mlPBS溶液溶解，得到0.3mg/ml辣根过氧化物酶溶液。
（4）纳米金溶液的配制
取1毫升0.01wt%氯金酸于烧杯中，加入100ml去离子水充分搅拌;将溶液加热煮沸，滴入4ml柠檬酸钠，待颜色不变后，再加热15分钟。
（5）过氧化氢梯度浓度的配置
用移液枪准确量取过氧化氢溶液10ml，进行梯度稀释至10-6~10-36mol/L间隔为1个数量级的一系列梯度浓度标准液；
（6）以与实施例1相同方法构建HRP/AUNP/Mn2CoO4/Ni-CS生物传感器
（7）三电极体系中HRP/AUNP/Mn2CoO4/Ni-CS复合材料玻碳电极为工作电极，Hg/Hg2Cl2电极为参比电极，铂电极为对电极;以PH=7.00的5mlPBS缓冲溶液为测试底液借助循环伏安法在电压范围为－0.1～1.26Ｖ测定过氧化氢浓度溶液的峰电流值，建立峰电流值-浓度的，建立标准曲线。
（8）在底液为5mlPBS缓冲溶液中，加入5ul实际水样二，用该传感器在电压范围-1~1.26V测定其循环伏安图得到图6。通过标准曲线上的溶液的峰电流值，找出对应的浓度，从而推断出样品中的过氧化氢浓度。
上述两个实施例中，实际水样一和水样二分别为申请人所处校区附近村庄和校内池塘水样，位于成都市温江区内。
从图5和图6可以看出校内封闭池塘水的响应更大。和林村水颜色呈现黄绿色，校内池塘水呈现浅绿色且带有较少的漂浮物，二者污染程度不同，所以检测出的过氧化氢浓度不同，封闭式的水质更差，检测出来的过氧化氢浓度更大，但二者相应皆有，说明都可用于测定农村土壤水和封闭式的城市水。其次，水质检测标准在对水源地进行检测时存在地域差异性，无法完全反映水质状况。由于我国水源成分较为复杂，极有可能出现新的污染物，而COD值是反映水质污染的一个重要标准，HRP/AuNP/Mn2CoO4/Ni-CS生物传感器利用检测需要进行氧化还原反应的过氧化氢来反映水质污染的程度。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明所述的自组装传感器无须添加其他试剂，灵敏度高，检测速度快具有广阔的应用前景。
2、本发明所述自组装传感器所用材料少，容易获取，制作成本低。
3、本发明所述自组装传感器制作工艺简单、使用条件温和，无高温高压等苛刻要求，有利于工业使用。。
前文所述的为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种快速检测过氧化氢的电化学传感器制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）玻碳电极的预处理：
玻碳电极先用0.3um以上Al2O3抛光，再用0.05um以下Al2O3抛光至镜面；放置在超声波清洗机中分别用无水乙醇和去离子水清洗2-4次，每次清洗5-15分钟，将清洗好的裸玻碳电极放入酸溶液在-0.6～1.0Ｖ范围内用循环伏安法对裸玻碳电极进行活化；
（2）合成制备Mn2CoO4/Ni-CS材料；
（3）制备复合电极：
将Mn2CoO4/Ni-CS材料修饰在已经预处理好的玻碳电极表面；当Mn2CoO4/Ni-CS材料干燥固定好后，将纳米金溶液修饰在其表面，组合形成AUNP/Mn2CoO4/Ni-CS复合材料玻碳电极；再取以PBS缓冲液作溶剂形成的辣根过氧化物酶溶液修饰其上，构建成HRP/AUNP /Mn2CoO4/Ni-CS复合材料玻碳电极。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述Mn2CoO4/Ni-CS材料的制备方法为：取合成Mn2CoO4/Ni材料加入壳聚糖凝胶，用超纯水稀释、摇匀后得到Mn2CoO4/Ni在壳聚糖中分散的材料（下文简称Mn2CoO4/Ni-CS），合成Mn2CoO4/Ni材料、壳聚糖凝胶和超纯水的体积比为1：20-25：35-45。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述纳米金溶液的制备方法为：取1毫升0.01wt%氯金酸于烧杯中，加入100ml去离子水充分搅拌;将溶液加热煮沸，滴入4mL柠檬酸钠，待颜色不变后，再加热15分钟。
4.一种快速检测过氧化氢的电化学传感器应用方法，其特征在于：包括如下步骤：
1）检测底液制备：将磷酸氢二钾加入超纯水溶解定容制备成浓度为0.05-0.1mol/L的PBS缓冲溶液A液；将磷酸二氢钠加入超纯水溶解定容制备成浓度与所述A液相同的PBS缓冲溶液B液；将A、B液以一定的比例混合成pH=7.0的PBS缓冲溶液；
2）检测：用三电极体系，进行检测，其中HRP/AuNP/Mn2CoO4/Ni-CS复合材料玻碳电极为工作电极；以PBS缓冲溶液为检测底液，借助循环伏安法在电压范围为－0.1～1.26V测定过氧化氢浓度，建立标准曲线；
再以PBS缓冲溶液为检测底液，加入实际水样，用该传感器在电压范围-1.5~1.5V测定其循环伏安图。
5.根据权利要求4所述的应用方法，其特征在于：玻碳电极作为对电极，饱合甘汞电极作为参比电极。
6.根据权利要求5所述的应用方法，其特征在于：检测过程中的工作条件为：CV检测的静置时间为2s，初始电压为-0.76V，顶点电压为0.55V，采样间隔为0.02V，扫描速度为0.05V/s，灵敏度为1μA/V。
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傅小红 等: "多层自组装过氧化氢传感器的研制", 《宜宾学院学报》 *

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CN114280040A (zh) * 2021-11-18 2022-04-05 中国农业科学院油料作物研究所 一种食用油过氧化值检测试纸条、制备方法及其应用

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