CN114544739A

CN114544739A - 一种MnO2/N掺石墨烯电化学传感器制备方法及锌离子检测应用

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Publication number: CN114544739A
Application number: CN202210060206.8A
Authority: CN
Inventors: 由天艳; 孟祥乐; 董秀秀; 刘�东; 牛其建; 罗莉君
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2022-01-19
Filing date: 2022-01-19
Publication date: 2022-05-27
Anticipated expiration: 2042-01-19
Also published as: CN114544739B

Abstract

本发明属于生物传感技术领域，公开了一种MnO₂/N掺石墨烯电化学传感器制备方法及锌离子检测应用。将分散后的MnO₂/N掺石墨烯复合材料修饰于洁净电极上，利用溶出伏安将环境水中的Zn²⁺先富集于电极界面，再将界面的Zn²⁺进行检测，从而产生一个电化学信号I_Zn ²⁺。本发明基于N掺石墨烯能够显著提高界面的电催化活性，兼有催化活性、吸附性的MnO₂材料常用于传感界面构建中的电荷传输介质，综合MnO₂与N掺石墨烯的优良特性，再结合溶出伏安法检测的高灵敏性从而实现环境水中Zn²⁺的检测。产生电化学信号主要归因于溶出伏安法对Zn²⁺的检测过程中产生了电荷转移。该传感器的检测线性范围为0.2～180μM，检出限为0.0223μM，成功实现了Zn²⁺的快速、高灵敏、选择分析。

Description

一种MnO2/N掺石墨烯电化学传感器制备方法及锌离子检测应用

技术领域

本发明属于生物传感技术领域，具体涉及一种MnO₂/N掺石墨烯电化学传感器制备方法，并将其用于环境水样中Zn²⁺的快速检测。

背景技术

锌是人体健康必不可少的矿物质，参与身体的多种代谢过程，包括一些酶的反应和一些大脑功能。且还在许多生物生长过程中起着重要作用，是植物正常生长和繁殖的必需微量营养素。然而，当Zn²⁺的含量过高时，就会对人体造成伤害。如肾功能及其免疫力下降，同时还会引发冠心病、动脉硬化症等疾病的产生。现如今许多国家和世界组织对Zn²⁺的含量有了明确的要求，例如我国饮用水中Zn²⁺含量明确不得超过1.0mg/L(GB5749-2006)，因此，测定不同环境水中Zn²⁺的浓度至关重要。目前检测Zn²⁺的方法有X射线荧光光谱法、电感耦合等离子体-质谱法(ICP-MS)、火焰原子吸收光谱法、比色-原子荧光光谱法、电化学法等。如电感耦合等离子体-质谱法等仪器方法具有准确性好、灵敏度高的优点；然而，该方法的应用仪器昂贵、复杂的样品前处理及操作专业性强而受到限制。因此，发展一种快速、灵敏的传感策略实现Zn²⁺的检测分析具有非常重要意义。

电化学法由于成本低、响应快速、操作简便的优点而受到广泛关注。其中的阳极溶出伏安法是一种常用的检测技术，不仅可以提供高的检测灵敏度，同时分析时间短，只需要很小的样本量，检测限低等优点。近年来，碳材料因其优异的导电性在电化学传感器构建中受到广泛关注，但普通碳材料比表面积小、吸附能力弱、催化活性低，对于溶出伏安检测重金属的富集过程影响不大，而经过改性后的碳材料，如N掺石墨烯能够显著提高界面的电催化活性。此外，兼有催化活性、吸附性的MnO₂材料常用于传感界面构建中的电荷传输介质，因此，综合MnO₂与N掺石墨烯的优良特性，组建电化学传感界面，有望实现Zn²⁺的可靠、灵敏检测。

发明内容

本发明旨在提供一种检测速度快、灵敏度高的电化学传感器，用于高效检测环境水中Zn²⁺。该发明利用了MnO₂/N掺石墨烯复合材料的强吸附性及导电性促进溶液中Zn²⁺的还原、氧化过程，实现Zn²⁺的高灵敏检测。

通过如下技术方案实现本发明的目的：

本发明首先提供一种MnO₂/N掺石墨烯电化学传感器制备方法，步骤如下：

(1)首先将N掺杂石墨烯加入到KMnO₄溶液中，通过磁力搅拌使其充分混合；

(2)将混合溶液转移到反应釜中进行水热反应后，冷却至室温，并通过离心清洗，最后将其产物在真空下干燥得MnO₂/N掺石墨烯粉末，室温、避光下保存备用。

(3)将玻碳电极(GCE)依次用不同粒径的三氧化二铝粉末打磨，依次在水、乙醇和水中超声，干燥、备用。

(4)取步骤(2)中MnO₂/N掺石墨烯粉末样品用超纯水分散成悬浊液，并修饰于洁净的玻碳电极上，室温孵育一段时间，即可得到MnO₂/N掺石墨烯的电化学传感器。

进一步地，步骤(1)中，所述N掺石墨烯中，氮含量3.0wt％-5.0wt％；

N掺石墨烯和KMnO₄溶液的用量比为5～50mg：5-20mL，其中，KMnO₄溶液浓度为0.6～25mol/L；磁力搅拌时间为1～2h；

进一步地，步骤(2)中，水热反应温度为100～200℃，水热反应时间为1～2h；

进一步地，步骤(3)中，GCE直径为3mm；三氧化二铝粉末粒径依次为0.3μm和0.05μm；

进一步地，步骤(4)中，分散后MnO₂/N掺石墨烯悬浊液的浓度为100～500μg/mL,在电极上修饰用量为4～8μL；所述室温孵育温度为30～50℃，孵育时间为0.2～1h。

将本发明制备的MnO₂/N掺石墨烯的电化学传感器用于水中锌离子检测，具体步骤为：

(S1)将本发明得到的MnO₂/N掺石墨烯的电化学传感器分别置于不同已知浓度的Zn²⁺标准溶液中，溶剂为NaAc-HAc缓冲液。

(S2)采用三电极体系(铂丝作为对电极，Ag/AgCl(饱和KCl)作为参比电极以及玻碳电极作为工作电极)。首先，在磁力搅拌下先将溶液中Zn²⁺富集到玻碳电极界面，停止搅拌并静置一定时间后，进行溶出伏安的检测过程。由CHI852D电化学工作站来检测电化学信号；建立Zn²⁺溶液浓度和电化学信号对应关系的标准曲线；

进一步地，所述Zn²⁺溶液浓度为0.2～180μM；所述NaAc-HAc缓冲溶液的浓度为0.05～2M，pH值为3～6，所述测试时所采用参数为：富集电位为-1.3～-1.4V，采样间隔为0.1～0.5s，富集时间为50～500s；检测电位从-1.4到-0.3V，增量电位为1～10mV，频率为50～500Hz，幅度为50～500mV。

将取自于自来水或京杭大运河的河水进行过滤处理，过滤采用的是针头式滤器，尺寸为φ13mm*0.22μm，可将一些大于该尺寸的其他杂质除去，连续过滤两次，再将Zn²⁺标准液加入，即可制备为待测液。待测液采用如上检测方法获得电化学信号，带入标准曲线得到溶液中总的Zn²⁺浓度，减去加入的Zn²⁺标准液浓度，即为实际样品中的Zn²⁺浓度。

本发明的有益效果

(1)本发明的电化学传感器操作简单、无毒无害、方便快捷。

(2)本发明中绿色合成的MnO₂/N掺石墨烯纳米复合材料，通过调节MnO₂、N掺石墨烯前驱体比例，制备的纳米材料既具有较好导电性和强吸附性。可提高传感器的稳定性和重现性。

(3)本发明中利用溶出伏安法，极大提高了传感器检测Zn²⁺灵敏度，同时可实现对Zn²⁺高选择性分析，检测限低至0.0223μM，线性范围宽为0.2～180μM。

(4)本发明构建的电化学传感器可成功实现水体中Zn²⁺实时监测。

附图说明

图1为本发明电化学生物传感器的检测机理图；

图2为本发明电化学生物传感器可行性验证的结果图；

图3(A)为本发明实施中电化学传感器对不同浓度Zn²⁺(0.2μM、0.5μM、1μM、2μM、5μM、10μM、20μM、50μM、100μM、150μM、180μM)响应的电化学信号图，图3(B)电化学信号为与Zn²⁺浓度之间的标准曲线图；

图4为本发明实施中电化学传感器选择性图；

图5为本发明实施中电化学传感器长期稳定性图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和说明书附图，进一步阐明本发明。

实施例1

按照图1所述的制备工艺流程，MnO₂/N掺石墨烯的电化学传感器制备方法及其在水中锌离子检测应用，包括以下步骤：

本发明首先提供一种绿色合成MnO₂/N掺石墨烯用于快速电化学检测水中锌离子制备方法，步骤如下：

(1)首先将5～50mg N掺石墨烯加入到KMnO₄溶液(浓度为0.6～25mol/L，体积为5-20mL)；溶液中，再将混合溶液于进行磁力搅拌，搅拌时间约1h；

(2)将混合溶液转移到反应釜中进行180℃下水热反应1h后，冷却至室温，通过离心(转速：8000rpm时间：10min)后收集沉淀，再用去离子水和乙醇清洗三次，最后将其产物在80℃下真空干燥6h，室温、避光保存、备用。

(3)将玻碳电极(GCE)依次用0.3μm和0.05μm的三氧化二铝粉末打磨，在水、乙醇和水中超声后在空气中干燥，所述玻碳电极的直径为3mm；

(4)取步骤(2)中粉末样品用超纯水分散为200μg/mL的MnO₂/N掺石墨烯修饰于洁净的玻碳电极上(修饰的用量为6μL)，37℃孵育0.5h后，即可得到MnO₂/N掺石墨烯的电极。

(5)将步骤(4)得到的传感器置于不同浓度Zn²⁺标准溶液中(0.2μM、0.5μM、1μM、2μM、5μM、10μM、20μM、50μM、100μM、150μM、180μM)，采用溶出伏安法先对标准溶液进行Zn²⁺的检测，测试溶液为NaAc-HAc(0.1M)缓冲液。采用三电极体系(铂丝作为对电极，Ag/AgCl作为参比电极以及玻碳电极作为工作电极)。首先，在磁力搅拌下先将溶液中Zn²⁺富集(富集电位为-1.4V，采样间隔为0.1s，富集时间为250s)到玻碳电极界面，停止搅拌并静置15s后，进行溶出伏安的解离过程(解离电位从-1.4到-0.3V，增量电位为4mV，频率为15Hz，幅度为25mV)，得到I_Zn ²⁺与Zn²⁺浓度的标准曲线；

实施例2

所制备的MnO₂/N掺石墨烯复合材料检测Zn²⁺,可行性进行验证：

按照图2所述的制备工艺流程，MnO₂/N掺石墨烯电化学传感器制备方法及其锌离子检测应用，包括以下步骤：

从图2可以看出，裸的玻碳电极检测50μM的Zn²⁺，电化学响应为4.64μA，当修饰200μg/mL的N掺石墨烯，其电化学响应为14.55μA，相比于裸的玻碳电极，响应增加至2.1倍，当修饰200μg/mL的MnO₂/N掺石墨烯后，其电化学响应增加至30.78μA，相比于裸的玻碳电极，响应增加至6.7倍，表明所制备的MnO₂/N掺石墨烯提高了该传感器检测Zn²⁺的灵敏度，具有一定的可行性。

实施例3

电化学溶出伏安法检测Zn²⁺：

从图3(A)中，可以看出，随着Zn²⁺浓度的增加(从上到下的浓度依次为0.2μM、0.5μM、1μM、2μM、5μM、10μM、20μM、50μM、100μM、150μM、180μM)，电化学信号逐渐增加，这应归因于溶出伏安法对Zn²⁺的溶出随着溶液中Zn²⁺浓度不断增加而增大。从图3(B)中，可以看出，电化学信号(I_Zn ²⁺)与Zn²⁺浓度值(C_Zn ²⁺)绘制的标准曲线为I_Zn ²⁺＝0.597×C_Zn ²⁺-0.100,线性范围为0.2～180μM，检测限为0.0223μM。

实施例4

MnO₂/N掺石墨烯的电化学传感器性能分析：

从图4中，可以看出，Zn²⁺中加入不同干扰物离子(K⁺，Ca²⁺，Fe³⁺，Mg²⁺，Hg²⁺，Al³⁺，Cd² ⁺，Cl^-，NO₃ ^-，SO₄ ^2-)后的峰电流对比(浓度均为30μM)，所得电化学响应结果与单独Zn²⁺试验结果基本一样，但是，结果表明，电化学生物传感器具有良好的选择性，可用于Zn²⁺的检测。

从图5中，可以看出，在进行连续7天测试后，电化学信号为初始强度的92.9％，证明该传感器具有良好的长期稳定性。

实施例5

以实施例1所制备的传感器以及检测方法，作为一个实际检测模型，对自来水和河水进行提取液进行检测。

(1)自来水和京杭大运河水的采集和处理

首先，分别使用本发明的电化学传感方法和国家标准检测方法(ICP-OES)对加入标准Zn²⁺溶液的自来水和河水进行检测，通过对比发现本发明电化学传感器具有好的准确性和可靠性。并在此基础上，对水体中Zn²⁺的含量，进行实时检测；取部分水样进行加标配置，在“1”(自来水)和“2”(河水)水提取液中，分别加入浓度分别为0、30μM、50μM和100μM的Zn²⁺标准液，总共获得8个待测样品。

(2)按照实施例1中的(5)，将所构建的传感器分别在8个不同浓度的Zn²⁺的待测溶液进行测试，此时修饰有200μg/m L MnO₂/N掺石墨烯的电极作为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝电极为对电极。检测电化学信号，该操作重复3次，取其平均值；代入实施2中建立的标准线性曲线中，得到溶液中Zn²⁺的浓度。

(3)通过标准方法(电感耦合等离子体发射光谱仪法，ICP-OES)，对发展的电化学传感方法的可靠性进行验证；且发展的电化学传感方法(n＝3)和ICP-OES检测环境水中Zn²⁺的浓度结果如表1所示；

表1 自来水和河水样品中Zn²⁺浓度的检测

从表1中，可以看出，加标自来水样和河水样的回收率在96.62％～102.7％之间，RSD低于4.03％。通过电感耦合等离子体质谱法获得的回收率介于93.30％和106.8％之间，表明所发展的电化学传感方法在实际应用中的可靠性，可实现对环境水中Zn²⁺含量的快速、灵敏检测。

说明：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims

1.一种MnO₂/N掺石墨烯电化学传感器制备方法，其特征在于，步骤如下：

(2)将步骤(1)所得的混合溶液转移到反应釜中进行水热反应后，冷却至室温，并通过离心清洗，最后将其产物在真空下干燥得MnO₂/N掺石墨烯粉末，室温、避光下保存备用；

(3)将玻碳电极GCE依次用不同粒径的三氧化二铝粉末打磨，依次在水、乙醇和水中超声，干燥、备用；

(4)取步骤(2)所得MnO₂/N掺石墨烯粉末样品用超纯水分散成悬浊液，并修饰于洁净的玻碳电极上，室温孵育一段时间，即可得到MnO₂/N掺石墨烯的电化学传感器。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述N掺石墨烯中，氮含量为3.0wt％-5.0wt％，N掺石墨烯和KMnO₄溶液的用量比为5～50mg：5-20mL，其中，KMnO₄溶液浓度为0.6～25mol/L；磁力搅拌时间为1～2h。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，水热反应温度为100～200℃，水热反应时间为1～2h。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，GCE直径为3mm；三氧化二铝粉末粒径依次为0.3μm和0.05μm。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，分散后MnO₂/N掺石墨烯悬浊液的浓度为100～500μg/mL,在电极上修饰用量为4～8μL。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述室温孵育温度为30～50℃，孵育时间为0.2～1h。

7.将权利要求1～6任一项所述制备方法制得的MnO₂/N掺石墨烯的电化学传感器用于锌离子检测应用。

8.如权利要求7所述的应用，其特征在于，步骤为：

(S1)将MnO₂/N掺石墨烯的电化学传感器分别置于不同已知浓度的Zn²⁺标准溶液中，溶剂为NaAc-HAc缓冲液；

(S2)采用三电极体系，铂丝作为对电极，Ag/AgCl作为参比电极以及玻碳电极作为工作电极；首先，在磁力搅拌下先将溶液中Zn²⁺富集到玻碳电极界面，停止搅拌并静置一定时间后，进行溶出伏安的检测过程；由CHI852D电化学工作站来检测电化学信号；建立Zn²⁺溶液浓度和电化学信号对应关系的标准曲线；

(S3)待测液的配置：将自来水或河水进行过滤处理，过滤后加入Zn²⁺标准液，即得到待测液；

(S4)将MnO₂/N掺石墨烯的电化学传感器置于步骤(S3)所得的待测溶液中；采用步骤(S2)所述方法检测电化学信号，将得到的电化学信号带入标准曲线中，得出溶液中总的Zn²⁺浓度，减去加入的Zn²⁺标准液浓度，即为实际样品中的Zn²⁺浓度。

9.如权利要求7所述的应用，其特征在于，步骤(S2)中，所述Zn²⁺溶液浓度为0.2～180μM；所述NaAc-HAc缓冲溶液的浓度为0.05～2M，pH值为3～6，所述测试时所采用参数为：富集电位为-1.3～-1.4V，采样间隔为0.1～0.5s，富集时间为50～500s；检测电位从-1.4到-0.3V，增量电位为1～10mV，频率为50～500Hz，幅度为50～500mV。