CN112730550B - 一种复合修饰电极用于测定铝离子电化学特性的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合修饰电极及其制备方法和应用，用金纳米‑聚（3‑氨基苯硼酸）化学修饰电极检测具有灵敏度高、检测速度快，无需外加指示剂，操作简单的优点，可以实现对铝离子和木糖醇的快速、准确、定量的检测，检测结果表明线性范围、检出限、重现性等指标均满足要求，可成功的用于食品的检测分析，进而用来评价食品质量。

Description

一种复合修饰电极用于测定铝离子电化学特性的应用

技术领域

本发明属于电化学分析技术领域，具体涉及一种新型复合修饰电极，及其在铝离子和木糖醇检测方面的应用。

背景技术

人类身体中铝元素的摄入来源主要包括：水源、动植物体、食品添加剂及各种容器中，含有过多铝离子的食物被人体摄入后，很难排出体外，会在体内沉积，具有一定的危害，如造成慢性毒副作用。此外，铝的复合衍生物作为食品添加剂广泛应用于日常饮食中，油条、馒头、方便面、膨化食品等都普遍存在铝含量超标的情况，长期摄入过量铝元素对人类的身体有着不容忽视的危害，因此，如何快速、准确的检测食品中的铝元素具有重要的价值。目前，食品中铝含量较为成熟的检测方法有原子荧光法、分光光度法、络合滴定法、原子吸收法和电感耦合等离子体原子发射质谱法等，我国食品安全国家标准中食品中铝的测定规定了分光光度法适用于检测食品添加剂中的铝，电感耦合等离子体质谱法和石墨炉原子吸收光谱法适用于检测食品中的铝。近些年这些方法的弊端也逐渐显露，它们通常有以下缺点：检测过程复杂、灵敏度不高、操作成本高、不易携带而且检测人员需要接受专门训练。

木糖醇是一种低热量的天然甜味剂，可以作为营养剂、甜味剂和药剂使用，它还能明显地降低转氨酶，可以很好的改善糖尿病和保护肝脏，并为人体所吸收，而且具有防龋的特性，可以制作各种防龋的食品，但一次摄入大量木糖醇会发生渗透性腹泻，甚至肠胃胀气和胃肠道疼痛。目前，用于检测木糖醇的方法主要有：离子色谱法、气相色谱法、高效液相色谱法等，但是这类方法存在检测过程繁琐、灵敏度不高、样品处理复杂等不足，具有一定的局限性。

电化学分析方法凭借仪器设备操作简单、成本低、便于携带、检测限低、易于自动化、灵敏度和准确度高等多方面的优点受到了很大的关注，是一种具有发展前景的铝离子，木糖醇含量测定方法，同时有望为重金属离子的快速检测提供新思路。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种新型复合修饰电极及制备方法，并研究了该复合材料修饰电极对铝离子和木糖醇的电化学性能，并将其应用于食品成分检测。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种复合修饰电极的制备方法，包括打磨电极，浸入硫酸溶液进行电化学打磨，对电极依次修饰金纳米和聚（3-氨基苯硼酸），即可得到金纳米-聚（3-氨基苯硼酸）修饰电极。

一种复合修饰电极的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）金电极的打磨：将0.30μm和0.05μm的三氧化二铝粉放置于麂皮上，用蒸馏水润湿后将金电极垂直8字形打磨，200次抛光电极表面，湿法打磨后再次冲洗，将打磨好的电极头竖直放置于盛有少量蒸馏水的小烧杯中，放入超声波清洗仪将工作电极清洗五分钟后，取出用蒸馏水冲洗干净得到表面洁净的裸金电极。

将制好的工作电极浸入0.1mol/L稀硫酸溶液，采用循环伏安法对工作电极表面进行电化学打磨表征，在扫描范围为0～1.6V、扫速0.1V/s的条件下循环20圈，得到工作电极在硫酸中的伏安特性曲线，若有三个明显的氧化峰且峰电流值趋于稳定，说明工作电极打磨状况已经达到试验标准。

（2）金纳米修饰电极的制备

将上述处理好的金电极置于氯金酸溶液中，以饱和甘汞电极为参比电极，铂电极为对电极，使电位恒定为−0.2V下电沉积180s，修饰完成后用蒸馏水再次冲洗，金电极表面修饰一层纳米金，即可得到金纳米修饰电极。

（3）金纳米-聚（3-氨基苯硼酸）修饰电极的制备

将已经修饰金纳米的工作电极取出后同样用蒸馏水清洗，在扫描范围为−0.1～1.1V、扫速为0.1V/s的情况下采用循环伏安法将工作电极表面在3-氨基苯硼酸溶液浓度为0.04 mol/L的混合溶液下修饰50圈，以完成对聚3-氨基苯硼酸的修饰，完成后在电压为−0.1V下用计时电流法再对所修饰的聚（3-氨基苯硼酸）膜进行还原60s完成镀膜，即可得到金纳米-聚（3-氨基苯硼酸）修饰电极。

进一步的，所述氯金酸溶液的配制为：精密称取5.0550g KNO₃放入容量瓶中，加入少量蒸馏水摇匀；再称取0.2g HAuCl₄放入该容量瓶中，用蒸馏水定容至500mL得到含有0.4g/L HAuCl₄的0.1mol/L KNO₃溶液。

进一步的，所述0.04mol/L 3-氨基苯硼酸混合溶液的配制：称0.2922g NaCl加入100mL容量瓶，加少量水；然后取浓盐酸1.67mL加入上述溶液；再称取0.6198g 3-氨基苯硼酸加入上述溶液，最后定容至100mL,得到含有0.04mol/L 3-氨基苯硼酸、0.2mol/L盐酸和0.05mol/L氯化钠的混合溶液。

进一步的，所述制备方法制备的金纳米-聚（3-氨基苯硼酸）修饰电极。

进一步的，如上所述的方法制得的金纳米-聚（3-氨基苯硼酸）修饰电极用于测定铝离子的电化学特性的应用。

进一步的，上述方法制得的金纳米-聚（3-氨基苯硼酸）修饰电极用于铝离子检测时使用的电解质为pH 4.5的缓冲溶液，检测的最低检出限为2.19×10⁻²⁶mol/L，所述缓冲溶液为0.1mol/L的醋酸钠与醋酸混合溶液。

进一步的，如上所述的方法制得的金纳米-聚（3-氨基苯硼酸）修饰电极用于测定木糖醇的电化学特性的应用。

进一步的，上述方法制得的金纳米-聚（3-氨基苯硼酸）修饰电极用于木糖醇检测时使用的电解质为pH 5.5的缓冲溶液，检测的最低检出限为7.82×10^-19g/mL，所述缓冲溶液为0.1mol/L的醋酸钠与醋酸混合溶液。

本发明的有益效果：本发明先修饰金纳米电极的工作效果远高于先修饰聚合物，这样可以更好地使铝离子，木糖醇吸附到电极上从而拥有更高的准确性，并且通过优化实验得出在氯金酸浓度为0.4g/L、沉积电位−0.20V、沉积时间180s下修饰金纳米；在3-氨基苯硼酸浓度为0.04mol/L、扫描速率为0.1V/s、扫描圈数为50圈的条件下，制备的电极灵敏度最好。通过扫描电镜可以观察到所制备的纳米金膜均匀性好，金纳米粒子较好的分散在工作电极上。同时通过试验测定 pH=4.5和pH=5.5的醋酸缓冲体系分别为检测铝离子和木糖醇的最佳电解质。

用金纳米-聚（3-氨基苯硼酸）化学修饰电极检测具有灵敏度高、检测速度快，无需外加指示剂，操作简单的优点，可以实现对铝离子和木糖醇的快速、准确、定量的检测，检测结果表明线性范围、检出限、重现性等指标均满足要求，可成功的用于食品的检测分析，进而用来评价食品质量。本发明基于复合材料良好的电子传输性能、电化学活性和大比表面积等特性，将高灵敏度的方波伏安技术与具有独特性能的工作电极相结合成功地应用于食品的分析检测，为食品质量分析提供了灵敏、快速的检测方法。

附图说明

图1为Au电极在0.1mol/L的H₂SO₄中的电化学打磨过程图；

图2为电沉积法修饰金纳米过程表征图；

图3为聚（3-氨基苯硼酸）修饰金电极表面的过程图；

图4为在−0.2V、180s电沉积制备的金纳米修饰电极(AuNPs/Au)的扫描电镜图；

图5为在3-氨基苯硼酸浓度为0.04mol/L、扫描速率为0.1V/s、扫描圈数50圈条件下制备的金纳米-聚（3-氨基苯硼酸）修饰电极(PAPBA/ AuNPs/Au)扫描电镜图；

图6a为先修饰聚合物后修饰金纳米得到的结果图；

图6b是先修饰金纳米后修饰聚合物得到的结果图；

图7为沉积电位对修饰电极检测铝离子的影响关系图；

图8为沉积时间对修饰电极铝离子检测的影响关系图；

图9为氯金酸溶液浓度对修饰电极检测铝离子的影响关系图；

图10为扫描速率对修饰电极检测铝离子的影响关系图；

图11 为扫描圈数对修饰电极铝离子的影响关系图；

图12为3-氨基苯硼酸浓度对修饰电极检测铝离子的影响关系图；

图13为不同pH值对铝离子检测的影响关系图；

图14为不同浓度铝离子的方波伏安叠图；

图15为方波峰电流与铝离子浓度对数的线性关系图；

图16为同一电极对铝离子多次检测的影响分析图；

图17为不同电极对铝离子多次检测的影响分析图；

图18为方便面中铝离子检测线性图；

图19为自来水中铝离子检测线性图；

图20为不同pH值对木糖醇检测的影响关系图；

图21为方波峰电流与木糖醇浓度对数的线性关系图；

图22为同一电极对木糖醇多次检测的影响关系图；

图23为不同电极对木糖醇多次检测的影响关系图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：一种复合修饰电极的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）金电极的打磨：将0.30μm和0.05μm的三氧化二铝粉放置于麂皮上，用蒸馏水润湿后将金电极垂直8字形打磨， 200次抛光电极表面，湿法打磨后再次冲洗，将打磨好的电极头竖直放置于盛有少量蒸馏水的小烧杯中，放入超声波清洗仪将工作电极清洗五分钟后，取出用蒸馏水冲洗干净得到表面洁净的裸金电极。

将制好的工作电极浸入0.1mol/L稀硫酸溶液，采用循环伏安法对工作电极表面进行电化学打磨表征，在扫描范围为0～1.6V、扫速0.1V/s的条件下循环20圈，得到工作电极在硫酸中的伏安特性曲线，若有三个明显的氧化峰且峰电流值趋于稳定，说明工作电极打磨状况已经达到试验标准。

（2）金纳米修饰电极的制备

氯金酸溶液的配制为：精密称取5.0550g KNO₃放入容量瓶中，加入少量蒸馏水摇匀；再称取0.2g HAuCl₄放入该容量瓶中，用蒸馏水定容至500mL得到含有0.4g/L HAuCl₄的0.1mol/L KNO₃溶液。

将上述处理好的金电极置于氯金酸溶液中，以饱和甘汞电极为参比电极，铂电极为对电极，使电位恒定为−0.2V下电沉积180s，修饰完成后用蒸馏水再次冲洗，金电极表面修饰一层纳米金，即可得到金纳米修饰电极。

3）金纳米-聚（3-氨基苯硼酸）修饰电极的制备

将已经修饰金纳米的工作电极取出后同样用蒸馏水清洗，在扫描范围为−0.1～1.1V、扫速为0.1V/s的情况下采用循环伏安法将工作电极表面在3-氨基苯硼酸溶液浓度为0.04 mol/L的混合溶液下修饰50圈，以完成对聚3-氨基苯硼酸的修饰，完成后在电压为−0.1V下用计时电流法再对所修饰的聚（3-氨基苯硼酸）膜进行还原60s完成镀膜，即可得到金纳米-聚（3-氨基苯硼酸）修饰电极。所述0.04mol/L 3-氨基苯硼酸混合溶液的配制：称0.2922g NaCl加入100mL容量瓶，加少量水；然后取浓盐酸1.67mL加入上述溶液；再称取0.6198g 3-氨基苯硼酸加入上述溶液，最后定容至100mL,得到含有0.04mol/L 3-氨基苯硼酸、0.2mol/L盐酸和0.05mol/L氯化钠的混合溶液。

进一步的，如上所述的方法制得的金纳米-聚（3-氨基苯硼酸）修饰电极用于测定铝离子的电化学特性的应用；上述方法制得的金纳米-聚（3-氨基苯硼酸）修饰电极用于铝离子检测时使用的电解质为pH 4.5的缓冲溶液，检测的最低检出限为2.19×10⁻²⁶mol/L，所述缓冲溶液为0.1mol/L的醋酸钠与醋酸混合溶液。

进一步的，如上所述的方法制得的金纳米-聚（3-氨基苯硼酸）修饰电极用于测定木糖醇的电化学特性的应用；上述方法制得的金纳米-聚（3-氨基苯硼酸）修饰电极用于木糖醇检测时使用的电解质为pH 5.5的缓冲溶液，检测的最低检出限为7.82×10^-19g/mL，所述缓冲溶液为0.1mol/L的醋酸钠与醋酸混合溶液。

实施例2：实施例1中各步骤表征图：

1）裸电极在硫酸溶液中的表征

图1为氧化铝粉打磨和超声波清洗后的金电极在0.1mol/L稀硫酸中电化学打磨的过程图，图1中出现了三个氧化峰和一个大的还原峰^[55]。在0.9V左右开始出现第一个氧化峰，并紧接着连续出现两个，而循环到0.8V左右，开始出现了一个很大的还原峰，然后回到起点，此为一个循环，以这样的循环重复20圈。从图1中可以看出打磨后出现的还原峰为−60μA，远低于−40μA，说明金电极打磨效果良好，能够在该电极打磨的基础上继续进行下面的实验。而如若还原峰值不能低于−25μA或在此附近，说明打磨的效果不是很理想，应该重新在麂皮上手动打磨、超声波打磨和电化学打磨，直至最终打磨的电极在硫酸溶液中进行循环伏安能够符合条件才可以继续进行之后的实验，为本实验的进一步研究提供较好的电极基础。

2）电沉积法修饰金纳米

图2为已经打磨好的金电极在氯金酸溶液中的修饰过程。将处理好的金电极置于氯金酸溶液中（不接触杯底和杯壁），接好三电极系统，i-t程序设置参数为沉积电位为−0.2V，沉积时间180s，使金粒子逐渐作用于金电极表面。此过程随着沉积时间的增加，电流值由0快速上升到接近−4.5μA，然后在时间到达将近60s时趋于平缓，此时电流值最大为−3.99567μA。

3）聚（3-氨基苯硼酸）修饰金电极

图3为已经修饰好金纳米的金电极在3-氨基苯硼酸的修饰溶液中的镀膜过程。该过程是将上述过程中已经修饰好的金电极置于聚（3-氨基苯硼酸）混合溶液中（不接触杯底和杯壁），安装好系统，通过循环伏安法使聚（3-氨基苯硼酸）不断在电极表面氧化，此过程的镀膜圈数为50圈。此过程先向正电位方向进行，电流也由0上升到接近300μA，然后急剧下降，朝负电位方向进行，在0.4V位置降到最低点位，回到开始的起点（0μA），此为一个循环过程。如此进行50个这样的循环，逐渐将聚（3-氨基苯硼酸）镀到金电极的表面。最后通过i-t方法在0.1V、60s的情况下还原。

4）金纳米修饰金电极的表征

图4和图5分别是在加速电压为5.0KV下制备的AuNPs/Au和PAPBA/ AuNPs/Au的扫描电镜图。图4是在0.4g/L HAuCl₄溶液中，沉积电位-0.2V、沉积时间为180s条件下通过计时电流法i-t沉积制备的纳米金颗粒修饰电极的扫描电镜图，图4中可以看出采用电沉积法制备的金纳米粒子直径为50~250nm，得到的金纳米粒子形状较好。图5是在3-氨基苯硼酸浓度为0.04mol/L、扫描速率为0.1V/s、扫描圈数50圈条件下制备的PAPBA/ AuNPs/Au扫描电镜图。从图5可以明显看到在金纳米表面有一层薄膜，此时的薄膜处于还原状态，聚合物薄物形成颗粒状及树状结构，大大增加了该修饰电极的比表面积。

实施例3：镀膜顺序、沉积电位、沉积时间、扫描速率和扫描圈数等因素对铝离子检测敏感度均有不同程度的影响。

下面以铝离子为例，对上述修饰电极最优参数进行实验论证：

缓冲溶液（HAc-NaAc）的配制：配制0.1mol/L的醋酸钠与醋酸溶液，混匀用pH计配成所需要的pH。

铝标准液的配制：称取0.2414gAlCl₃•6H₂O放入容量瓶中，溶于缓冲溶液定容至100mL，得到10^-2mol/L氯化铝溶液，使用时需逐级稀释。

1）镀膜顺序对修饰电极检测铝离子的影响：

按照实施例1实验步骤，先手动打磨电极，浸入硫酸溶液进行电化学打磨，对电极依次修饰金纳米和聚（3-氨基苯硼酸），用完成镀膜的电极分别对空白（pH=4.5的缓冲溶液）和铝标准溶液（pH=4.5，浓度为10^-8mol/L的氯化铝溶液）进行一次循环伏安法和三次方波伏安法。记录每次方波中的峰值，求出三次空白组与对应检测组峰电流的差值并且算出三次的平均值。差值越大，说明对铝离子的检测效果越好。

同上，金电极在硫酸打磨后，先通过电聚合修饰聚（3-氨基苯硼酸），然后将工作电极清洗后采用恒电位的方法在聚合物表面电沉积金纳米完成镀膜。镀膜完成后分别对空白组和检测组进行一次循环伏安法和三次方波伏安法。求出三次空白组与对应检测组峰电流差值的平均值进行比较。

实验考察了纳米金膜与聚合物薄膜修饰的先后顺序对电极制备的影响。图6a是先修饰聚合物后修饰金纳米得到的结果，图6b是先修饰金纳米后修饰聚合物得到的结果。其中实线部分是对缓冲溶液检测得到的响应电流，而虚线部分是对铝离子的检测结果。实验测得工作电极在先镀金纳米后修饰聚（3-氨基苯硼酸）条件下空白组与对应检测组峰电流差的平均值为1.95927μA，而先修饰聚合物后镀金纳米测得的电流差均值仅有0.72418μA，很明显先镀金的效果优于先修饰聚（3-氨基苯硼酸），这可能是由于一些结合部位被聚合物覆盖导致的结果，在后续试验中我们采用先在金电极上镀金纳米、随后修饰聚合物的镀膜顺序进行修饰电极的制备。

2）沉积电位对修饰电极检测铝离子的影响

按照实施例1的实验步骤，进行了不同沉积电位对铝离子检测灵敏度影响的实验。将打磨后电极放入含有HAuCl₄的溶液中采用恒电位的方法分别于0.0V、−0.1V、−0.2V、−0.3V、−0.4V下电沉积180s，然后对聚（3-氨基苯硼酸）修饰完成镀膜，镀膜完成后分别对空白组和检测组进行检测。最后记录数据，以电流差的平均值为纵坐标、沉积电位为横坐标做图。

纳米金膜的厚度会响应氧化还原物的电流响应，可以通过控制电沉积电位和电沉积时间来控制膜的厚度。实验控制沉积时间180s考察了镀金过程中的沉积电位对铝离子在电极上电化学行为的影响。如图7横坐标为电沉积金纳米的沉积电位，纵坐标为缓冲溶液和铝离子在工作电极下进行方波伏安法得到的峰电流差值，纵坐标值越大说明金纳米颗粒在工作电极上修饰的越好，同时也说明对铝离子的检测比较灵敏。从图7中可以看出，当沉积电位达到−0.20V时峰电流差值最大为（1.95927μA）明显高于其他沉积电位，这说明此时的工作电极对铝离子有着较好的检测效果。当沉积电位在−0.2V以上时，峰电流响应迅速降低，可能是因为过快的电沉积使掺杂到膜中金纳米粒子减少，而且所制得的金膜表面粗糙。因此选择−0.20V作为镀金阶段最佳的沉积电位，并且在之后的试验中均使用该条件进行修饰电极的制备。

3）沉积时间对修饰电极检测铝离子的影响

按照实施例1实验步骤，打磨电极后进行了不同沉积时间对铝离子检测灵敏度影响的实验。将打磨好的电极放入含有0.4g/L HAuCl₄溶液中，采用恒电位的方法调整程序使电极于−0.2V下分别电沉积60s、120s、180s、240s、300s，再用相同的方法修饰聚（3-氨基苯硼酸）。镀膜完成后分别对空白组和检测组进行一次循环伏安法和三次方波伏安法。求出三次空白组与对应检测组峰电流差值的平均值。然后以电流差的平均值为纵坐标、沉积时间为横坐标做图，得出沉积时间与电信号的关系。

考察了镀金过程中在工作电位为−0.2V的情况下沉积时间对铝离子检测的影响。对于工作电极修饰金纳米的过程中，不同的电沉积时间导致金纳米在电极上的吸附量不同，因此最终用方波伏安法检测铝离子的电流值也存在差异。从图8可以看出电沉积时间小于180s时，电流值较低，说明此时金纳米颗粒吸附率较少，因此对铝离子的作用效果不好，当沉积时间增长到180s时空白组与检测组方波峰电流差值最大。当电沉积时间大于180s时，峰电流差值开始出现下降，电流峰值也有一定的下降。这可能是因为较长的电沉积时间导致工作电极表面形成了较厚的膜，而且大量的金纳米粒子聚集在一起，纳米金颗粒开始形成结晶块引起团聚现象发生，从而使得修饰电极的导电性能降低^[52]。因此可以选择180s作为最佳的沉积时间，并用于进一步的实验研究。

4）氯金酸浓度对修饰电极检测铝离子的影响

按照实施例1的实验步骤，进行了不同氯金酸浓度对铝离子检测灵敏度影响的实验。将打磨好的电极分别放入含有0.1g/L、0.2g/L、0.3g/L、0.4g/L、0.5g/L氯金酸的0.1mol/L KNO₃溶液中于−0.2V下电沉积180s，然后对PAPBA修饰完成镀膜。用制好的电极分别对空白组和检测组进行检测。记录每次方波中的峰值记录，求出三次空白组与对应检测组峰电流的差值并且算出三次的平均值。以电流差的平均值为纵坐标、氯金酸浓度为横坐标做图。

不同的金离子浓度可能会对金纳米在电极上的修饰有一定的影响，从而对方波伏安法检测铝离子得到的峰电流值会产生不同的影响。实验中为了控制变量，在其他条件不变的情况下还要保证修饰溶液中体积相同，氯金酸浓度影响范围介于0.1g/L和0.5g/L。结果如图9所示，当氯金酸浓度为0.4g/L时，此时测得铝离子方波峰电流值与空白组的差值最大。虽然在0.2g/L时也出现一个峰值，但与1.95927μA相差较大，效果不如0.4g/L，而在0.4g/L后呈现下降趋势，可能是因为随着氯金酸浓度的增加，结合部位金粒子饱和而导致后续的粒子无法继续结合在电极上，而且氯金酸浓度太高会提高实验成本。因此选择氯金酸浓度0.4g/L是该实验修饰金纳米检测铝离子的最佳条件，此时得到的电流差值最大，电极的灵敏度较好。

5）扫描速率对修饰电极检测铝离子的影响

按照实施例1的实验步骤，进行了不同扫速大小对铝离子检测灵敏度影响的实验。将镀金完成的电极，使用循环伏安法分别在0.050V/s、0.075V/s、0.100V/s、0.125V/s、0.150V/s下电化学修饰聚（3-氨基苯硼酸）修饰40圈，之后在−0.1V、60s下用计时电流法i-t法再对所修饰的聚（3-氨基苯硼酸）膜进行还原完成镀膜。最后对铝离子进行检测并且记录三次空白组与对应检测组峰电流值。

扫描速率对聚合物在电极的修饰有着重要的影响，研究已经指出循环伏安法中的氧化还原电流峰值与扫描速率或者扫描速率的平方是成正比的，试验中考察了电聚合聚（3-氨基苯硼酸）中扫速的影响。在图10中我们可以看出，随着循环伏安扫描速率的逐渐增加，电流差出现先增加后减少的趋势，而扫速为0.1V/s时峰电流差值最大为1.95927μA，此时缓冲溶液的峰电流值也是最大，说明扫速为0.1V/s时该电极具有良好的检测效果，因此选择扫描速率0.1V/s为修饰聚合物的最佳条件，固定此参数研究其他因素。

6）扫描圈数对修饰电极检测铝离子的影响

按照实施例1的实验步骤，进行了不同扫描圈数对铝离子检测灵敏度影响的实验。将镀金完成的电极，使用循环伏安法分别在0.1V/s下电化学修饰PAPBA，分别修饰10圈、20圈、30圈、40圈、50圈、60圈，之后同样在−0.1V、60s下用计时电流法(i-t法)再对所修饰的聚（3-氨基苯硼酸）膜进行还原完成镀膜。镀膜完成后分别对空白组和检测组进行一次循环伏安法和三次方波伏安法，记录数据。

聚（3-氨基苯硼酸）膜的厚度对铝离子的检测有很大影响，而厚度可以通过改变循环伏安法中扫描圈数来控制，扫描圈数越多，膜越厚。图11是研究聚合物修饰过程中扫描圈数即聚（3-氨基苯硼酸）膜厚度对铝离子检测所得到电流值的一个变化规律过程图。从图11中我们可以看出，在pH=4.5的醋酸缓冲溶液，氯化铝浓度为10⁻⁸mol/L，扫描圈数为10圈、20圈、30圈、40圈、50圈、60圈6个变量下，空白组与检测组电流差值呈现整体增大的趋势后逐渐趋于平稳。说明随着圈数的增加，该电极对铝离子的检测能力基本上是在上升的，但是当圈数到60圈时，峰电流差值出现平缓甚至一定的下降。可能是由于扫描圈数大于50圈时，形成的聚合物膜过厚，阻碍了电子的传递，因而影响了电极的吸附性能，铝离子的氧化峰电流下降。因此综合考虑选择扫描圈数50圈为本试验的最佳扫描圈数，并作为后续实验研究的一个参数，此时峰电流差值为3.88457μA。

7）3-氨基苯硼酸浓度对修饰电极检测铝离子的影响

按照实施例1的实验步骤，进行了不同3-氨基苯硼酸浓度对铝离子检测灵敏度影响的实验。首先将打磨好的电极采用电沉积的方法修饰金纳米，然后分别在3-氨基苯硼酸APBA浓度为0.01mol/L、0.02mol/L、0.03mol/L、0.04mol/L、0.05mol/L、0.06mol/L下完成聚（3-氨基苯硼酸）的修饰。镀膜完成后分别对空白组和检测组进行一次循环伏安法和三次方波伏安法并且记录数据，做图比较不同的APBA浓度对电极灵敏度的影响。

聚合物单体的不同浓度可能会对聚合物在电极上的修饰有一定的影响，从而对方波伏安法检测铝离子得到的峰电流值会产生不同的影响，本试验中对3-氨基苯硼酸的浓度的影响做了考察，结果如图12所示。由图12可以看出当3-氨基苯硼酸浓度为0.04mol/L时，此时测得铝离子方波峰电流值与空白组的差值最大为3.88457μA。而在0.04mol/L后呈现下降趋势，同样可能是因为随着聚合物单体浓度的增加，金电极表面已经布满聚合物颗粒而导致后续的粒子无法继续结合在电极上，而且极大提高实验成本，因此选择3-氨基苯硼酸浓度为0.04mol/L是镀聚（3-氨基苯硼酸）的最佳条件，此时电极的灵敏度较好。

综上所述，本发明先修饰金纳米电极的工作效果远高于先修饰聚合物，这样可以更好地使铝离子，木糖醇吸附到电极上从而拥有更高的准确性，并且通过优化实验得出在氯金酸浓度为0.4g/L、沉积电位−0.20V、沉积时间180s下修饰金纳米；在3-氨基苯硼酸浓度为0.04mol/L、扫描速率为0.1V/s、扫描圈数为50圈的条件下，制备的电极灵敏度最好。通过扫描电镜可以观察到所制备的纳米金膜均匀性好，金纳米粒子较好的分散在工作电极上。

实施例4：金纳米-聚（3-氨基苯硼酸）修饰电极用于测定铝离子的电化学特性的应用。

1)缓冲溶液pH的选择

按照实施例1的实验步骤，进行了不同的酸性条件对铝离子检测灵敏度影响的实验。配制好pH分别为3.0、3.5、4.0、4.5、5.0的空白缓冲溶液及对应浓度为10⁻⁸mol/L的氯化铝标准溶液。以上述镀膜最优的电极进行电化学试验，同样先对不同pH的空白缓冲液测6个片段的循环伏安法、做3次方波伏安法。之后对铝标准液进行检测，记录数据，作图比较在不同的pH条件下空白组与检测组峰电流的差值。

图13是使用优化后的电极，分别选取醋酸缓冲液的pH为3.0、3.5、4.0、4.5、5.0五个梯度，进行电化学扫描得到的不同pH下电流变化趋势图。由图13可知缓冲液的pH对铝离子检测的灵敏度有一定的影响，在pH从3.0增加到5.0的过程中，可以看出随着pH的不断升高，电流差出现先增加后减少的趋势，而且可以得知电极在pH=4.5的醋酸缓冲液中电流差值出现最高值，表明在pH为4.5时，检测体系的灵敏度最好。所以选择pH=4.5的缓冲溶液作为铝离子检测的最佳条件。

2） 电化学检测铝离子方法的建立和考察

标准曲线绘制和检出限的确定：为考察铝离子浓度与电化学检测电流值之间的线性检测范围以及检出限，需要进行由低浓度铝离子到高浓度的检测试验。将打磨完成，并且在最优参数下镀好两层膜的电极在空白液中做一次循环伏安法，再做三次方波伏安法，然后换取待测液执行上述操作，并且浓度由10⁻¹⁶mol/L至10⁻⁵mol/L依次升高，记录每组方波伏安法峰值的数据，取其平均值，作图拟合绘制标准曲线并计算出检出限。

根据上述实验，得到了电极制备的不同参数，制备了检测铝离子最优的工作电极。取不同浓度的氯化铝溶液，按线性实验的步骤，得到电流随氯化铝溶液浓度的变化趋势图。图14是在pH为4.5的醋酸缓冲溶液、氯化铝浓度在10⁻¹⁶mol/L~10⁻⁵mol/L条件下利用方波法得出的最佳电流值叠加图，能够看出整体呈现递减趋势，且在浓度为10⁻¹⁶mol/L~10⁻¹¹mol/L和10⁻¹¹mol/L~10⁻⁵mol/L范围内排列较为紧密。

如图15，峰电流与铝离子的浓度在10⁻¹⁶~10⁻⁵mol/L的范围内，方波伏安法响应电流与铝离子浓度的对数呈现两段线性关系，其中第一段在铝离子浓度为10⁻¹⁶~10⁻¹¹mol/L，响应峰电流I与铝离子浓度对数lgc满足线性方程I=0.70412−0.23326lgc，线性相关系数R=−0.99380，浓度在10⁻¹¹~10⁻⁵mol/L为第二段线性关系，线性方程为I=1.98633−0.11883lgc，R=−0.99523，检出限为2.19×10⁻²⁶mol/L。

重现性实验：重现性实验分为同一电极的重现性和不同电极的重现性两种，其中同一电极的重现性同样是先对空白组做一次循环伏安法和三次方波伏安法，而对10⁻¹⁰mol/L铝离子检测液则是先做一次循环伏安法，再重复进行18次方波伏安法，记录数据。对18组数据进行作图，计算出相对标准偏差来作为评判同一电极重现性的标准。

不同电极的重现性是指对由pH=4.5醋酸缓冲液稀释的10⁻¹⁰mol/L铝离子溶液使用相同的试验条件进行三次平行试验。对3组数据进行整理，计算出相对标准偏差作为评判不同电极重现性的标准。

按照同一电极重现性和不同电极重现性的操作步骤考察了电极对铝离子检测的重现性，分别得到图16和图17。图16中，对18组数据进行了分析，其中第19列表示的是峰电流平均值6.13215μA，偏差为0.46108μA，相对标准偏差RSD=7.52%。图17为三支电极对铝离子检测得到的电流差值，其中第4列同样表示的是三次的平均值，三组数据的偏差为0.60453μA，相对标准偏差RSD=12.60%。同一电极重现性与不同电极重现性的相对标准偏差均符合标准，实验结果有一定的可信度。

选择性试验：为了验证金纳米-聚（3-氨基苯硼酸）修饰电极的选择性，考察了常见的金属离子如Na⁺、Cu²⁺、Zn²⁺等离子和葡萄糖、酒石酸对检测AlCl₃溶液的影响。方法：首先使用最佳的优化条件制备电极，接着对pH=4.5的缓冲溶液做一次循环伏安法和三次方波伏安法，然后对干扰离子执行相同的程序，取空白组与干扰组三次方波电流峰值的均值作差为（I−I₁），取空白组与铝离子溶液三次方波电流峰值的差值为（I−I₀），（I−I₁）与（I−I₀）的比值若小于10%即可认为该离子对本试验不干扰。其中，I为空白组方波的峰电流均值，I₁为干扰离子方波的峰电流均值，I₀为对10⁻¹⁰mol/L检测的方波峰电流均值。

表1为干扰物质对铝离子检测的影响，由表1可知，大部分离子对铝离子检测的影响小于10%，表明该电极对铝离子的检测具有一定的选择性，但是100倍浓度的乙酸铟、溴化钠、氯化亚铁、氯化铁、乙酸镉、乙酸镍和酒石酸可能对该电极的检测有一定的干扰。

表1：干扰物质对铝离子检测的影响

3）实际样品中铝离子的检测步骤

样品的预处理：对于固体样品，首先将样品粉碎均匀，置于85℃电热恒温干燥箱中干燥四小时。准确称取3.0g干燥后的样品，放置于石英玻璃坩埚中，先让样品在调温电炉上小火炭化到没有黑烟冒出，取出后放入马弗炉中，设置温度为625℃条件下灰化约三小时，至样品灰化到白灰色^[54]。取出，放冷后加入0.1mol/L的醋酸缓冲溶液，并将溶液转移至50mL容量瓶中，用醋酸缓冲溶液定容至刻度线，摇匀，然后使用醋酸缓冲溶液逐级稀释得到浓度为10⁻¹¹mol/L的样品溶液，接着称取氯化铝固体加入试剂瓶中，并使用上述10⁻¹¹mol/L的样品溶液配成10⁻⁴mol/L待测溶液，继续使用10⁻¹¹mol/L的样品溶液逐级稀释至氯化铝溶液浓度为10⁻¹¹mol/L，混匀，待测。水样在使用前没有经过任何处理。

用金纳米-聚（3-氨基苯硼酸）修饰好的金电极在pH=4.5的0.1mol/L醋酸缓冲液中使用循环伏安法和方波伏安法扫描电信号，接着对上述用样品溶液制好的铝离子溶液和10⁻¹¹mol/L的样品溶液同样使用循环伏安法和方波伏安法进行检测，检测完成后记录数据。接着对电极清洗、打磨、清洗、电化学打磨、镀膜，然后对不同浓度的铝离子用同样的方法进行一次循环伏安法，三次方波伏安法进行检测，记录数据。

用金纳米-聚（3-氨基苯硼酸）修饰电极在pH为4.5的醋酸缓冲液中对添加了铝标准液的实际样品（康师傅方便面和自来水）采用线性实验的方法进行了检测，分别得到图18和图19。图18中方便面样品的拟合方程为I=0.79636−0.41016lgc，R=−0.99560；图19中水的拟合方程为I=1.33004−0.53038lgc，R=−0.99546。本次实验的空白组为醋酸缓冲液配制的10⁻¹¹mol/L样品溶液，将空白组测得的电流值分别代入上述方程，得到稀释后的样品溶液浓度，乘以已稀释后的倍数得到方便面样品和自来水样品的铝离子浓度分别为5.65306×10^{− 6}mol/L和1.14926×10⁻⁶mol/L。即方便面样品中铝离子含量为5.378mg/Kg，自来水样品中铝离子浓度为0.002mg/L，结果表明所测的样品中铝含量均低于国标限量符合要求。

4）研究得知，镀膜顺序、沉积电位、沉积时间、扫描速率和扫描圈数等因素对铝离子检测敏感度均有不同程度的影响。在醋酸缓冲溶液的pH为4.5，先镀金纳米再镀聚（3-氨基苯硼酸），电位为−0.20V、时间为180s下修饰金纳米，扫描速率为0.1V/s、扫描圈数为50圈条件下修饰聚（3-氨基苯硼酸）得到的电极系统对铝离子检测最灵敏。在此最优条件下发现铝离子浓度处于10-16~10-5mol/L范围内，响应电流与氯化铝浓度的对数呈现两段线性关系，其中第一段在铝离子浓度为10⁻¹⁶~10⁻¹¹mol/L，响应峰电流I与铝离子浓度对数lgc满足线性方程I=0.70412−0.23326lgc，线性相关系数R=−0.9938，浓度在10⁻¹¹~10⁻⁵mol/L为第二段线性关系，线性方程为I=1.98633−0.11883lgc，R=−0.99523，最低检出限可以达到2.19×10⁻²⁶mol/L。干扰实验表明此电极检测铝离子具有良好的选择性。测得康师傅方便面和自来水中铝离子含量均符合国家标准。用金纳米-聚（3-氨基苯硼酸）化学修饰电极检测铝离子具有灵敏度高、检测速度快的优点，未来可以作为检测食品中微量铝离子的一种方法 ，可将该方法用来评价食品质量。

实施例5：金纳米-聚（3-氨基苯硼酸）修饰电极用于测定木糖醇的电化学特性的应用。

1）所用金纳米-聚（3-氨基苯硼酸）修饰电极的制备：将金电极在0.30μm和0.05μm的三氧化二铝粉上垂直打磨，打磨200次抛光电极表面后再次用蒸馏水冲洗，接着在超声波清洗仪中清洗五分钟。将电极系统安装好，在0.1mol/L稀硫酸溶液利用循环伏安法扫描20圈完成电化学打磨。之后再0.4g/L HAuCl₄的0.1mol/L KNO₃溶液中，保证电位恒定为−0.2V下电沉积180s，取出后用水再次冲洗，金电极表面修饰一层纳米金，用蒸馏水清洗后在扫描范围为−0.1~1.1V、扫速为0.1V/s的情况下采用循环伏安法对工作电极表面进行电化学修饰聚（3-氨基苯硼酸）50圈，镀膜完成后在电压为−0.1V下用i-t法再对所修饰的聚（3-氨基苯硼酸）膜进行还原60s。用完成镀膜的电极进行检测，循环伏安法程序为扫描范围−0.3V～0.7V、扫速0.1V/s扫描。方波伏安法扫描程序为，扫描电位−0.3V~0.8V、频率15Hz、振幅25mV。

2）缓冲溶液pH的选择

为了研究木糖醇在金纳米-聚（3-氨基苯硼酸）工作电极表面的电化学行为，采用循环伏安法考察了醋酸缓冲溶液在不同的酸性条件下对木糖醇响应电流的影响。配制好pH分别为3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0的空白缓冲溶液及对应浓度为10⁻⁸g/mL的木糖醇标准溶液。以上述镀膜最优的电极进行电化学试验，同样先对空白缓冲液进行一次循环伏安法和三次方波伏安法，之后对木糖醇溶液进行检测。图20是在试验后得到的电流变化趋势图。在图20中可以看出在pH不大于4时电流信号仅在0.5μA左右，当pH大于4电流信号明显增强，这说明木糖醇在弱酸条件下更容易被检测到。图20中还可以得到在pH为5.5时峰电流差值最大，之后电流信号不在增加，说明该电极对溶液中木糖醇的络合能力不在增加，从而我们在后续的研究中均使用pH=5.5的醋酸缓冲溶液检测木糖醇。

3）电化学检测木糖醇方法的建立和考察

上述得到了检测木糖醇溶液的最佳pH为5.5。在此条件下，选取不同浓度的木糖醇溶液进行电化学扫描，得到电流随木糖醇溶液浓度对数的变化趋势图，如图21，峰电流与木糖醇浓度对数在10⁻¹⁴~10⁻²g/mL的范围内同样呈现两段线性关系，其中第一段在木糖醇浓度为10⁻¹⁴~10⁻¹⁰g/mL，响应峰电流I与木糖醇浓度对数lgc满足线性方程I=−0.20854−0.33492lgc，线性相关系数R=−0.99322。浓度在10⁻¹⁰~10⁻²g/mL为第二段线性关系，线性方程为I=1.87960−0.12670lgc，R=−0.99609，检出限7.81630×10⁻¹⁹g/mL。

重现性：重现性表示的是使用一样的方法对同一个样品进行试验，分析得到的每次试验结果之间的一致程度。该修饰电极对木糖醇检测的重现性通过一支电极连续工作10次和三支电极分别对10^-8g/mL木糖醇进行一次方波伏安扫描工作的，结果分别得到图22和图23。图22中，一共对10组数据进行了拟合，其中11列表示的是平均值4.00058μA，偏差为0.30053μA，相对标准偏差RSD=7.51%。图23中为三支电极采用同样方法对木糖醇检测得到的电流差值，其中4列表示的是三次的平均值。三组数据的偏差为0.29968μA，相对标准偏差RSD=11.74%。说明该方法对木糖醇的检测具有良好的重现性和稳定性。

干扰实验结果分析：使用实施例3最佳的优化条件制备电极，按照实施例4中选择性试验的方法考察了其他物质对木糖醇检测的影响。实验中木糖醇的浓度为10⁻⁸g/mL，干扰物质的浓度为与检测物相同，检测结果如表2所示，部分物质对木糖醇检测的影响在10%左右，而氯化钠、氯化钙、乙酸锌、Vc可能对该电极的检测有一定的干扰，对于氯化钙、乙酸锌可以选择一定的掩蔽剂处理。

表2木糖醇检测中的干扰物质

4）实际样品中木糖醇的检测结果分析

为了考察该电极的实际应用，我们将其应用于超市无糖杏仁露中的木糖醇，样品不需要处理。用金纳米-聚（3-氨基苯硼酸）修饰电极在pH=5.5的醋酸缓冲液中对添加了木糖醇标准液的实际样品进行了检测，本次实验的空白组为用醋酸缓冲配制的10⁻¹⁰g/mL的样品溶液，最终测得样品浓度为7.13869×10⁻⁶g/mL。

5）综上可知：硼酸可选择性识别糖醇分子中的羟基官能团，反应生成一种环状酯，所以糖和苯硼酸的作用会导致电化学基团的性质发生改变，从而实现修饰电极对木糖醇的的检测和分离^[56-58]。在这项工作中，金纳米与聚（3-氨基苯硼酸）被成功地用于检测食品中的木糖醇含量。该方法检测到木糖醇浓度在10⁻¹⁴~10⁻²g/mL的范围内，方波伏安法响应电流与木糖醇浓度对数呈现两段线性关系，其中第一段在木糖醇浓度为10⁻¹⁴~10⁻¹⁰g/mL，响应峰电流I与木糖醇浓度对数lgc满足线性方程I=−0.20854−0.33492lgc，线性相关系数R=−0.99322。浓度在10⁻¹⁰~10⁻²g/mL为第二段线性关系，线性方程为I=1.87960−0.12670lgc，R=−0.99609，检出限7.81630×10⁻¹⁹g/mL。用同一电极在木糖醇浓度为10⁻⁸g/mL条件下重复检测10次，得到峰电流均值为4.00058μA，偏差为0.30053μA，相对标准偏差RSD=7.51%。不同电极重现性得到的偏差为0.29968μA，相对标准偏差RSD=11.74%，说明本实验的重现性较好。对于同浓度干扰物质的测定，发现氟化钠、氯化镁、山梨糖醇以及葡萄糖对于检测结果的影响不大，同时检测到超市中无糖杏仁露中木糖醇样品浓度为7.13869×10⁻⁶g/mL。实验结果表明该方法无需外加指示剂，操作简单，检测限达到要求，可用于食品中木糖醇的定量检测。

Claims (2)

1.一种复合修饰电极用于测定铝离子电化学特性的应用，其特征在于，所述复合修饰电极的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）金电极的打磨：将0.30μm和0.05μm的三氧化二铝粉放置于麂皮上，用蒸馏水润湿后将金电极垂直8字形打磨，200次抛光电极表面，湿法打磨后再次冲洗，将打磨好的电极头竖直放置于盛有少量蒸馏水的小烧杯中，放入超声波清洗仪将工作电极清洗五分钟后，取出用蒸馏水冲洗干净得到表面洁净的裸金电极；

将制好的工作电极浸入0.1mol/L稀硫酸溶液，采用循环伏安法对工作电极表面进行电化学打磨表征，在扫描范围为0～1.6V、扫速0.1V/s的条件下循环20圈，得到工作电极在硫酸中的伏安特性曲线，若有三个明显的氧化峰且峰电流值趋于稳定，说明工作电极打磨状况已经达到试验标准；

（2）金纳米修饰电极的制备

将上述处理好的金电极置于氯金酸溶液中，以饱和甘汞电极为参比电极，铂电极为对电极，使电位恒定为−0.2V下电沉积180s，修饰完成后用蒸馏水再次冲洗，金电极表面修饰一层纳米金，即可得到金纳米修饰电极；

（3）金纳米-聚（3-氨基苯硼酸）修饰电极的制备

将已经修饰金纳米的工作电极取出后同样用蒸馏水清洗，在扫描范围为−0.1～1.1V、扫速为0.1V/s的情况下采用循环伏安法将工作电极表面在3-氨基苯硼酸溶液浓度为0.04mol/L的混合溶液下修饰50圈，以完成对聚（3-氨基苯硼酸）的修饰，完成后在电压为−0.1V下用计时电流法再对所修饰的聚（3-氨基苯硼酸）膜进行还原60s完成镀膜，即可得到金纳米-聚（3-氨基苯硼酸）修饰电极；

其中，

步骤（2）中所述氯金酸溶液的配制方法为：精密称取5.0550g KNO₃放入容量瓶中，加入少量蒸馏水摇匀；再称取0.2g HAuCl₄放入该容量瓶中，用蒸馏水定容至500mL得到含有0.4g/L HAuCl₄的0.1mol/L KNO₃溶液；

步骤（3）中所述3-氨基苯硼酸溶液浓度为0.04mol/L 的混合溶液的配制：称0.2922gNaCl加入100mL容量瓶，加少量水；然后取浓盐酸1.67mL加入上述溶液；再称取0.6198g 3-氨基苯硼酸加入上述溶液，最后定容至100mL,得到含有0.04mol/L 3-氨基苯硼酸、0.2mol/L盐酸和0.05mol/L氯化钠的混合溶液。

2. 根据权利要求1所述复合修饰电极用于测定铝离子电化学特性的应用，其特征在于，检测铝离子电化学特性时使用的电解质为pH 4.5的缓冲溶液，检测的最低检出限为2.19×10⁻²⁶mol/L，所述缓冲溶液为0.1mol/L的醋酸钠与醋酸混合溶液。

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