CN113504283A - 用于检测没食子酸的复合材料修饰电极的制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于检测没食子酸的复合材料修饰电极的制备方法及应用。制备方法如下：首先，将纯化后的碳纳米管作为基底，采用扩散法将钴离子吸附在碳纳米管壁上，然后在超声下将有机配体2‑甲基咪唑与上述物质相结合，形成钴基金属有机框架材料/碳纳米管复合材料。制备二氧化硅纳米颗粒并进行疏水化处理，最后采用滴涂法将以上三种材料形成的复合材料修饰在石英晶体微天平的金电极表面。以获得的修饰电极为工作电极，银/氯化银电极为参比电极，铂电极为对电极，构成三电极体系，利用循环伏安法实现一定浓度范围内（0.05μM~200μM）的没食子酸溶液的检测，且该修饰电极具有较好的选择性和较高的灵敏度。

Description

用于检测没食子酸的复合材料修饰电极的制备方法及应用
技术领域
本发明涉及一种电化学生物传感器的制备方法，尤其涉及一种用于检测没食子酸的复合材料修饰电极的制备方法及应用。
背景技术
没食子酸是一种天然的多酚化合物，广泛存在于水果、蔬菜及植物中。没食子酸具有抗氧化、抗菌、抗炎、抗肿瘤等功用。通过预防或减缓人体的氧化应激，有助于降低癌症、糖尿病和心血管疾病等疾病的发展风险。然而，过量摄入没食子酸对人体是有害的，会产生细胞毒性。考虑到没食子酸的重要用途和过量摄入的负面影响，有必要采用化学分析方法来测定食品和饮料中的没食子酸含量。
目前，测定没食子酸的方法有高效液相色谱法、流动注射分析法、薄层色谱法、分光光度法和化学发光法。这些方法往往需要昂贵的仪器，熟练的操作人员和复杂的样品准备过程，检测过程也相对较长。而电化学分析方法具有灵敏度高、选择性高、成本低、检测时间短、操作简单等优点，受到越来越多的关注。
然而，电化学分析方法中的工作电极若未经过修饰而以裸电极的形式直接检测没食子酸，没食子酸在电极表面的氧化需要更高的电位，产生的响应信号也更弱。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于检测没食子酸的复合材料修饰电极的制备方法及应用，所述电极能够快速便捷地对没食子酸进行测定，且灵敏度高、检测限低、选择性好，具有较高的应用价值。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种用于检测没食子酸的复合材料修饰电极的制备方法，
（1）将200 mg 聚乙烯吡咯烷酮溶于50 mL甲醇中，然后在超声作用下加入10 mg碳纳米管，再将582 mg 六水合硝酸钴加入上述步骤形成的黑色悬浮液中，温和搅拌约1 h，将钴离子附在碳纳米管表面；将660 mg 2-甲基咪唑另溶于50 mL甲醇中，将形成的透明溶液与含有碳纳米管和硝酸钴的悬浮液混合，室温孵育12 h；最后用甲醇洗涤沉淀，离心收集沉淀，30℃下真空干燥12 h。最终得到紫黑色产物，为钴基金属有机框架材料/碳纳米管复合物；
（2）将100ml乙醇和10ml氨水混合均匀，再加入5ml正硅酸乙酯，在30℃下搅拌10h，得到二氧化硅纳米颗粒悬浮液；100mL乙醇和2mL的1H, 1H, 2H, 2H-全氟辛基三乙氧基硅烷混合后搅拌5 h，然后，5mL的二氧化硅纳米粒子悬浮液注入到混合液中，在30°C下搅拌10 h，对二氧化硅纳米颗粒进行疏水处理；取0.5 mL疏水二氧化硅纳米颗粒悬浮液与5mg钴基金属有机框架材料/碳纳米管一同加入4.5 mL乙醇中，超声混合2 h；最终合成钴基金属有机框架材料/碳纳米管/二氧化硅复合材料；
（3）用移液枪取步骤（2）中制得的复合材料2 μL，均匀滴加在石英晶体微天平的金电极表面，将电极置于真空环境中干燥，得到钴基金属有机框架材料/碳纳米管/二氧化硅修饰电极。
一种根据所述的制备方法得到的钴基金属有机框架材料/碳纳米管/二氧化硅修饰电极。
一种采用所述的钴基金属有机框架材料/碳纳米管/二氧化硅修饰电极的电化学分析装置，钴基金属有机框架材料/碳纳米管/二氧化硅复合材料修饰电极为工作电极，银/氯化银电极为参比电极，铂电极为参比电极。
一种采用所述的电化学分析装置检测没食子酸的方法，钴基金属有机框架材料/碳纳米管/二氧化硅复合材料修饰电极为工作电极，银/氯化银电极为参比电极，铂电极为参比电极，形成三电极体系；将三根电极置于含有没食子酸的待测缓冲液中，缓冲液为由0.2 M 磷酸氢二钠和0.1 M 柠檬酸钠组成的pH为5的溶液，电化学检测过程中，采取循环伏安法，扫描速度为60-140 mV/ s，扫描电压为-0.1 V ~ + 0.6 V，循环圈数为2圈，将得到的峰电流代入根据没食子酸浓度与其产生的峰电流绘制的标准曲线可得待测没食子酸溶液的浓度。
本发明的有益效果是：本发明用于检测没食子酸溶液浓度的钴基金属有机框架材料/碳纳米管/二氧化硅复合材料修饰电极比裸电极、单一钴基金属有机框架材料修饰电极的效果更好。钴基金属有机框架材料有丰富的化学活性位点，增强了电极的催化性；碳纳米管增强了电极的导电性；疏水二氧化硅增强了电极在溶液中的稳定性。该复合物修饰电极制备方法简单、检测速度快、成本低、灵敏度高、选择性好，实现了对没食子酸的快速测定。
附图说明
图1为钴基金属有机框架材料/碳纳米管/二氧化硅复合材料修饰电极的场发射扫描电子显微镜图。
图2为裸电极（EQCM）、钴基金属有机框架材料修饰电极（Co-MOF/EQCM）和钴基金属有机框架材料/碳纳米管修饰电极（Co-MOF/CNTs/EQCM）和钴基金属有机框架材料/碳纳米管/二氧化硅复合材料修饰电极（Co-MOF/CNTs/ SiO2/EQCM）在5mmol/ L的Fe(CN) 6 3-/4-（含0.1mol/ L KCl）溶液中的电化学响应结果。
图3为钴基金属有机框架材料/碳纳米管/二氧化硅复合材料修饰电极在pH为3~7的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液时检测没食子酸的循环伏安扫描图。
图4为钴基金属有机框架材料/碳纳米管/二氧化硅复合材料修饰电极在扫描速度为20 ~240mV/ s时检测没食子酸的循环伏安扫描图。
图5为钴基金属有机框架材料/碳纳米管/二氧化硅复合材料修饰电极在没食子酸浓度为0.25 ~ 200μM范围时的循环伏安扫描图。
图6为钴基金属有机框架材料/碳纳米管/二氧化硅复合材料修饰电极上没食子酸氧化峰电流与其浓度梯度标准曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本发明的钴基金属有机框架材料/碳纳米管/二氧化硅复合材料修饰电极，通过以下方法制备得到：
（1）石英晶体微天平金电极预处理：采用无水乙醇和去离子水分别超声清洗电极3次，每次1 min，在真空中晾干备用。
（2）将200 mg 聚乙烯吡咯烷酮溶于50 mL甲醇中，在超声作用下加入10 mg 碳纳米管（碳纳米管的含量大于等于98%，尺寸为10 nm ± 1 nm × 4.5 nm ± 0.5 nm × 3-~6 μm）。称取582 mg 六水合硝酸钴，加入上述步骤形成的黑色悬浮液中，继续超声1 h，使钴离子附在碳纳米管表面。称取660 mg 2-甲基咪唑，溶于50 mL甲醇中，得到透明的溶液。将其与含有碳纳米管和硝酸钴的悬浮液混合，在室温条件下静置12 h。最后用甲醇洗涤沉淀，6000 rpm离心3次，30℃下真空干燥12 h，得到的紫黑色粉末为钴基金属有机框架材料/碳纳米管复合物。
（3）将100ml乙醇和10ml氨水混合均匀，再加入5ml正硅酸乙酯。在30℃下搅拌10 h后，得到二氧化硅纳米颗粒悬浮液。在100 mL乙醇中加入2mL的1H, 1H, 2H, 2H-全氟辛基三乙氧基硅烷，磁力搅拌5 h。将5mL的二氧化硅纳米粒子悬浮注入到混合液中，在30°C下磁力搅拌10 h，对二氧化硅纳米颗粒进行疏水处理。
（4）取上述步骤（3）中得到的0.5 mL疏水二氧化硅纳米颗粒悬浮液，与5mg钴基金属有机框架材料/碳纳米管一同加入4.5 mL乙醇中，超声混合2 h。最终合成钴基金属有机框架材料/碳纳米管/二氧化硅复合材料，如图1所示。
（5）用移液枪取步骤（4）中制得的复合材料2 μ L，均匀滴涂在石英晶体微天平的金电极表面，将电极置于真空环境中干燥，得到钴基金属有机框架材料/碳纳米管/二氧化硅修饰电极。
实施例2
本发明的钴基金属有机框架材料/碳纳米管/二氧化硅修饰电极的电化学表征，具体操作步骤如下：
（1）将钴基金属有机框架材料/碳纳米管/二氧化硅修饰电极（Co-MOF/CNTs/SiO2/EQCM）作为工作电极，银或氯化银电极作为参比电极，铂电极为对电极，构建三电极体系，与电化学工作站相连.
（2）配制5 mM 的Fe(CN) 6 3-/4-溶液（含0.1 M KCl），取5 mL倒入电解池中.
（3）进行循环伏安测试，电位区间为-0.2V~+0.6V，扫速为100mV/ s。
图2为上述修饰电极与裸电极（EQCM）、钴基金属有机框架材料修饰电极（Co-MOF/EQCM）和钴基金属有机框架材料/碳纳米管修饰电极（Co-MOF/CNTs/EQCM）在相同条件下进行电化学测试的响应。结果表明，钴基金属有机框架材料/碳纳米管/二氧化硅修饰电极能够产生更大的响应电流，达到300 μ A，约为Co-MOF/EQCM的1.3倍，Co-MOF/EQCM的3倍，说明Co-MOF/CNTs/ SiO2/EQCM具有更强的导电性，制备的复合材料具有较好的电子传输能力。
实施例3
本发明的钴基金属有机框架材料/碳纳米管/二氧化硅修饰电极在不同pH磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液中对0.1 mM没食子酸的响应探究，具体操作步骤如下：
（1）配制0.2 mol/ L的磷酸氢二钠溶液和0.1 mol/ L的柠檬酸钠溶液。按照不同比例混合上述两种溶液，分别配制pH为3、4、5、6、7的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液。
（2）取不同pH的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液各100mL，称取0.017g没食子酸溶于其中，得到浓度为0.1 mM的没食子酸溶液。
（3）将钴基金属有机框架材料/碳纳米管/二氧化硅复合材料修饰电极作为工作电极，银/氯化银电极为参比电极，铂电极为参比电极，插入溶液中，形成三电极体系。
（4）采取循环伏安法，设置扫描速度为100 mV/ s，扫描电压为-0.1 V ~ + 0.6 V，循环圈数为2圈，测试电极的响应。
图3为钴基金属有机框架材料/碳纳米管/二氧化硅复合材料修饰电极对于含有0.1mM没食子酸的不同pH缓冲液的循环伏安响应结果。结果表明，在没食子酸浓度相同的情况下，缓冲液的pH对电极的响应产生一定的影响。在pH为3 ~7时，修饰电极均可正常工作；pH为5时，产生的响应电流最大，达到23 μ A。
实施例4
本发明的钴基金属有机框架材料/碳纳米管/二氧化硅修饰电极在不同的循环伏安法扫速下对0.1 mM没食子酸的响应探究，具体操作步骤如下：
（1）取pH为5的磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲液100mL，称取0.017g没食子酸溶于其中，得到浓度为0.1 mM的没食子酸溶液。
（2）将钴基金属有机框架材料/碳纳米管/二氧化硅复合材料修饰电极作为工作电极，银/氯化银电极为参比电极，铂电极为参比电极，插入溶液中，形成三电极体系。
（3）采取循环伏安法，设置扫描速度分别为20、40、60、80、100、120、140、160、180、200、220、240mV/ s，扫描电压为-0.1 V ~ + 0.6 V，循环圈数为2圈，测试电极的响应。
图4为钴基金属有机框架材料/碳纳米管/二氧化硅复合材料修饰电极在不同的扫速下对0.1 mM没食子酸的循环伏安响应结果。结果表明，在其它条件相同的情况下，扫速对电极的响应产生一定的影响。随着扫速的增加，没食子酸的氧化峰电流也逐渐增大。
实施例5
本发明的钴基金属有机框架材料/碳纳米管/二氧化硅修饰电极用于没食子酸浓度-响应电流标准曲线绘制，具体操作步骤如下：
（1）配制浓度为0.25、0.5、1、1.5、5、7.5、10、20、50、100、200 μ M的没食子酸溶液各10 mL。
（2）取0.25 μ M的没食子酸溶液5 mL，注入电解池中。
（3）将钴基金属有机框架材料/碳纳米管/二氧化硅复合材料修饰电极作为工作电极，银/氯化银电极为参比电极，铂电极为参比电极，插入溶液中，形成三电极体系，与电化学工作站相连。
（4）采取循环伏安法，设置扫描速度为100mV/ s，扫描电压为-0.1 V ~ + 0.6 V，循环圈数为2圈，测试电极的响应并进行记录。
（5）分别取5 mL其它浓度的没食子酸溶液，按照上述步骤（2）~ （4）进行，测定的浓度的顺序为从低到高。
修饰电极对不同浓度没食子酸溶液（缓冲液pH为5）的响应结果如图6所示，随着没食子酸浓度的增加，其产生的氧化峰电流有所改变，且变化趋势为不断增大。将没食子酸浓度与其产生的峰电流绘制标准曲线，得到线性方程为Ip = 0.09009 C + 3.96078，其中，Ip的单位是μ A，C的单位是μ M。
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 (4)

1.一种用于检测没食子酸的复合材料修饰电极的制备方法，其特征在于：
（1）将200 mg 聚乙烯吡咯烷酮溶于50 mL甲醇中，然后在超声作用下加入10 mg 碳纳米管，再将582 mg 六水合硝酸钴加入上述步骤形成的黑色悬浮液中，温和搅拌约1 h，将钴离子附在碳纳米管表面；将660 mg 2-甲基咪唑另溶于50 mL甲醇中，将形成的透明溶液与含有碳纳米管和硝酸钴的悬浮液混合，室温孵育12 h；最后用甲醇洗涤沉淀，离心收集沉淀，30℃下真空干燥12 h；
最终得到紫黑色产物，为钴基金属有机框架材料/碳纳米管复合物；
（2）将100ml乙醇和10ml氨水混合均匀，再加入5ml正硅酸乙酯，在30℃下搅拌10 h，得到二氧化硅纳米颗粒悬浮液；100mL乙醇和2mL的1H, 1H, 2H, 2H-全氟辛基三乙氧基硅烷混合后搅拌5 h，然后，5mL的二氧化硅纳米粒子悬浮液注入到混合液中，在30°C下搅拌10h，对二氧化硅纳米颗粒进行疏水处理；取0.5 mL疏水二氧化硅纳米颗粒悬浮液与5mg钴基金属有机框架材料/碳纳米管一同加入4.5 mL乙醇中，超声混合2 h；最终合成钴基金属有机框架材料/碳纳米管/二氧化硅复合材料；
（3）用移液枪取步骤（2）中制得的复合材料2 μL，均匀滴加在石英晶体微天平的金电极表面，将电极置于真空环境中干燥，得到钴基金属有机框架材料/碳纳米管/二氧化硅修饰电极。
2.一种根据权利要求1所述的制备方法得到的钴基金属有机框架材料/碳纳米管/二氧化硅修饰电极。
3.一种采用根据权利要求2所述的钴基金属有机框架材料/碳纳米管/二氧化硅修饰电极的电化学分析装置，其特征在于：钴基金属有机框架材料/碳纳米管/二氧化硅复合材料修饰电极为工作电极，银/氯化银电极为参比电极，铂电极为参比电极。
4. 一种采用根据权利要求3所述的电化学分析装置检测没食子酸的方法，其特征在于，钴基金属有机框架材料/碳纳米管/二氧化硅复合材料修饰电极为工作电极，银/氯化银电极为参比电极，铂电极为参比电极，形成三电极体系；将三根电极置于含有没食子酸的待测缓冲液中，缓冲液为由0.2 M 磷酸氢二钠和0.1 M 柠檬酸钠组成的pH为5的溶液，电化学检测过程中，采取循环伏安法，扫描速度为60-140 mV/ s，扫描电压为-0.1 V ~ + 0.6 V，循环圈数为2圈，将得到的峰电流代入根据没食子酸浓度与其产生的峰电流绘制的标准曲线可得待测没食子酸溶液的浓度。
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