CN106053562A - 一种检测亚硝酸钠的修饰电极及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种检测亚硝酸钠的修饰电极，所述修饰电极包括基底电极，以及依次附着在基底电极上的经芘四磺酸钠功能化的氮掺杂石墨烯和金铂双金属纳米粒子。本发明的修饰电极对亚硝酸钠检测线性范围为5×10‑7mol/L~1.62×10‑3mol/L，线性方程为Ipa(μA)=‑0.02755c(μM)‑0.17451(R2=0.9989)，检测限为1.97×10‑ 7mol/L，且检测不受其他离子的干扰，具有良好的选择性。
Description
技术领域
本发明属于电化学分析技术领域，具体涉及一种检测亚硝酸钠的修饰电极及其制备方法和应用。
背景技术
亚硝酸盐是一种无机化合物，广泛存在土壤、食品、水、药品、生理系统等领域。高浓度的亚硝酸盐严重威胁着环境安全、食品安全以及人类健康。世界卫生组织（WHO）规定正常饮用水中亚硝酸盐的最高含量为3mg/L。亚硝酸盐是一种剧毒物质，成人摄入0.2-0.5克即可引起中毒，3克即可致死。在胃部，亚硝酸盐在一定条件可与胺反应生成具有致癌性的亚硝胺，过量的亚硝胺可能引起“胃癌”。特别对新生婴儿，过量的亚硝酸盐能使血液中正常携氧的低铁血红蛋白氧化成高铁血红蛋白，因而失去携氧能力而引起组织缺氧，形成“高铁血红蛋白症”，俗称“蓝婴儿”。因此，为了环境安全、食品安全甚至身体健康，准确的检测亚硝酸盐的含量的研究具有极其重要意义。
目前已经有多种技术测定亚硝酸盐的含量，如色谱分析法、化学发光法、分光光度测定法、高效液相色谱法、毛细管电泳法以及电化学方法等。与其他分析方法相比，电化学分析法具有仪器价格低廉、操作简单、电极材料易制备、灵敏度高、检测分析速度快等优点。
发明内容
本发明的目的是提供一种不受其他干扰离子影响的检测亚硝酸钠的修饰电极。为此本发明还提供其制备方法和应用。
本发明的第一个目的是提供一种检测亚硝酸钠的修饰电极，所述修饰电极包括基底电极，以及依次附着在基底电极上的经芘四磺酸钠（缩写：PyTS）功能化的氮掺杂石墨烯（缩写：NG）和金铂双金属纳米粒子；
作为优选，所述基底电极为玻碳电极、玻璃电极、铂电极或金电极。
作为优选，所述金铂双金属纳米粒子的粒径为20-40nm；
作为优选，所述金、铂纳米粒子附着量分别优选为经芘四磺酸钠功能化的氮掺杂石墨烯附着量的11.72 Wt%、6.50 Wt%。
作为优选，所述经芘四磺酸钠功能化的氮掺杂石墨烯的制备方法为：将芘四磺酸钠超声溶解后，加入氮掺杂石墨烯，混合，超声1～50小时后，分离得到经芘四磺酸钠功能化的氮掺杂石墨烯；
作为优选，将芘四磺酸钠超声溶解前，先用二次蒸馏水稀释芘四磺酸钠。
作为优选，所述金铂双金属纳米粒子的附着方法为：将经芘四磺酸钠功能化的氮掺杂石墨烯附着在基底电极上后，将其置于氯金酸和氯铂酸混合溶液中，进行电沉积。
本发明的第二个目的是提供上述修饰电极的制备方法，步骤如下：
（1）将芘四磺酸钠超声溶解后，加入氮掺杂石墨烯，混合，超声1～50小时后，分离得到经芘四磺酸钠功能化的氮掺杂石墨烯；
（2）将经芘四磺酸钠功能化的氮掺杂石墨烯滴涂在基底电极上，然后再将基底电极置于一定比例氯金酸和氯铂酸混合溶液中，进行电沉积，得到修饰电极。
作为优选，步骤（1）中所述芘四磺酸钠与氮掺杂石墨烯的质量比为（1～30）：1；优选为（1～10）：1。
作为优选，步骤（2）中所述电沉积为采用循环伏安法进行电沉积；
作为优选，沉积电位为1.2V～-1V，沉积圈数为3～8圈。
作为优选，所述氯金酸和氯铂酸溶液的浓度为1～5mmol/L；
作为优选，所述氯金酸和氯铂酸溶液的摩尔比为0:1，1:2，1:1，2:1，1:0；
作为优选，所述氯金酸和氯铂酸溶液中有支持电解质；比如氯化钾。
本发明的第三个目的是提供上述修饰电极用于检测亚硝酸钠；作为优选，所述检测为定量检测。
本发明的第四个目的是提供一种定量检测亚硝酸钠的方法，以上述的修饰电极为工作电极建立三电极体系，共同插入含有亚硝酸钠的缓冲液中，用安培时间-电流曲线扫描，得到Ipa值，将Ipa值代入上述所得的线性方程中，计算得到NaNO2的浓度；所述线性方程为：Ipa(μA)= -0.02755c (μM)-0.17451 ( R2=0.9989 )。
本发明的修饰电极对亚硝酸钠检测线性范围为5×10-7mol/L~1.62×10-3mol/L，线性方程为Ipa(μA)= -0.02755c (μM)-0.17451 ( R2=0.9989 )，检测限为1.97×10-7mol/L，且检测不受其他离子的干扰，具有良好的选择性。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为修饰电极表面的扫描电子显微镜图片；
图2为修饰电极表面的扫描电子显微镜能谱图；
图3为不同修饰电极检测亚硝酸钠的循环伏安对比图；
图4为应用氯金酸和氯铂酸不同摩尔比下制备得到的修饰电极检测亚硝酸钠的循环伏安对比图；
图5为不同浓度下的亚硝酸钠的安培时间—电流曲线；
图6为电流与亚硝酸钠浓度变化线性关系图；
图7为亚硝酸钠的抗干扰的安培时间—电流曲线。
具体实施方式
以下的实施例便于更好地理解本发明，但并不限定本发明。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为市售。
本发明所述修饰电极包括基底电极，以及附着在基底电极上的金铂双金属纳米和经芘四磺酸钠功能化的氮掺杂石墨烯。
所述金铂双金属纳米粒子的粒径优选为20-40nm。
金、铂纳米粒子附着量分别优选为经芘四磺酸钠功能化的氮掺杂石墨烯附着量的11.72 Wt%、6.50 Wt%。
本发明所用的基底电极可以是本领域已知的作为基底电极使用的电极，如玻碳电极、玻璃电极、铂电极、金电极等。
本发明的氮掺杂石墨烯可采用现有技术，如：Catalyst-Free Synthesis ofNitrogen-Doped Graphene via Thermal Annealing Graphite Oxide with Melamineand Its Excellent Electrocatalysis，ACS NANO，5 (2011) 4350–4358.
如：Nitrogen-doped graphene as low-cost counter electrode for high-efficiency dye-sensitized solar cells，Electrochimica Acta，92 (2013) 269–275.
本发明的电沉积氯金酸和氯铂酸混合溶液可采取现有技术，如：A novel sensorbased on electrodeposited Au–Pt bimetallic nano-clusters decorated ongraphene oxide (GO)–electrochemically reduced GO for sensitive detection ofdopamine and uric acid, Sensors and Actuators B, 221 (2015) 1542–1553.
上述修饰电极的制备方法，包括：
（1）将芘四磺酸钠超声溶解后，加入氮掺杂石墨烯，混合，超声1～50小时后，分离得到经芘四磺酸钠功能化的氮掺杂石墨烯；
（2）将经芘四磺酸钠功能化的氮掺杂石墨烯滴涂在基底电极上，然后再将基底电极置于氯金酸和氯铂酸混合溶液中，进行电沉积，得到所述修饰电极。
进一步，可以用二次蒸馏水稀释芘四磺酸钠，芘四磺酸钠通过π-π共轭结合在氮掺杂石墨烯表面上，足够的混合时间有利于氮掺杂石墨烯上结合的芘四磺酸钠达到平衡。所述芘四磺酸钠与氮掺杂石墨烯的质量比为（1～30）：1，优选的为（1～10）：1。
进一步，电沉积方法采用循环伏安法电沉积。沉积电位为1.2V～-1V，沉积圈数为3~8圈。
氯金酸和氯铂酸溶液的浓度分别控制在1～5mmol/L。其混合摩尔比为0:1，1:2，1:1，2:1，1:0。
在氯金酸和氯铂酸溶液中可加入支持电解质，如氯化钾。
（一）实验所使用的仪器和试剂：
实验过程中使用的水均为二次蒸馏水（简称二次水），实验所用的试剂均为分析纯。
仪器：型号为CHI660B电化学分析仪（上海辰华仪器公司）用于安培时间-电流曲线和循环伏安实验；石英管加热式自动双重纯水蒸馏器（SZ-93，上海亚荣生化仪器厂）用于制备二次蒸馏水；电子天平（上海良平仪器仪表有限公司）用于称量药品；SK-G05123K管式炉（天津中环测试电炉有限公司）用于氮掺杂石墨烯的制备；JSM-6701F 扫描电子显微镜（SEM，日本）用于形貌表征和能谱分析；三氧化二铝打磨粉（0.30μm, 0.05μm，上海辰华仪器试剂公司）用于处理玻碳电极（GCE）；饱和甘汞电极（SCE，武汉高仕睿联科技有限公司）为参比电极；铂柱为对电极。
试剂：1,3,6,8-芘四磺酸钠（Acros Organics），氯金酸、亚硝酸钠（上海阿拉丁试剂有限公司），氯铂酸（沈阳市科达试剂厂），磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、氯化钾（天津市凯信化学工业有限公司），高纯氮气（纯度为99.999%, O2≤0.001%）。
实施例1
本发明的检测亚硝酸钠的修饰电极的制备：
（1）氧化石墨烯的制备过程：将2g石墨粉末放入250mL的烧杯中，加入1g NaNO3和46mL98%H2SO4后在冰水浴中充分搅拌。缓慢加入6g高锰酸钾于上述溶液中，保持整个体系的温度为20℃搅拌5分钟。继而去掉冰水浴加热到35℃，搅拌30分钟。随后加入92mL的二次水，加热至沸（温度为98℃）下搅拌15分钟，加入80mL的3%的双氧水（此时溶液应该接近棕色，说明石墨被氧化）。将上述溶液在7200转/分钟下离心30分钟。依次用5%HCl和二次水清洗离心所得的粉末直到上层悬浮液约为中性。把上述清洗得到的粉末再次分散到水中并且超声30分钟（超声剥离）。抽真空过滤完黑色残留物后，滤液为一种均一的悬浮液（此悬浮液为氧化石墨烯在水中的分散液）。将上述得到的悬浮液在10000转/分钟下离心，得到黑色的固体即氧化石墨烯。
（2）氮掺杂石墨烯制备：将一定量的氧化石墨烯与三聚氰胺按质量比1：10加水超声反应2小时，过滤、烘干，将其置于石英池内，置于管式炉内升温至800℃反应两小时，取出备用。
（3）将10mg 芘四磺酸钠加入1mL二次蒸馏水中，超声至完全溶解后，将1mg氮掺杂石墨烯加入上述溶液中，持续超声6h。离心分离(10000rpm，20min)除去上清液，沉淀再加入适量二次水，超声10min，离心分离除去上清液，重复3～5次，最终沉淀即为经芘四磺酸钠处理的氮掺杂石墨烯（以下用PyTS-NG表示），将PyTS-NG加入至二次蒸馏水中配制成浓度约为0.5mg/mL的分散液，备用。
（4）电极的处理：将玻碳电极先用0.3µm的三氧化二铝悬浊液在打磨布上打磨处理，接着用二次水超声清洗，再用0.05µm的三氧化二铝悬浊液在打磨布上抛光成镜面，最后用乙醇、二次水超声清洗，用高纯氮气吹干。
（5）修饰电极制备：取5µL步骤（3）所得的PyTS-NG分散液滴涂到打磨干净的玻碳电极表面上，在空气中自然干燥，得到PyTS-NG/GCE修饰电极，备用。配制含有0.1 mol/L氯化钾的氯金酸（2mmol/L）和氯铂酸（1mmol/L）混合溶液，取4mL溶液加入电解池中。以PyTS-NG/GCE为工作电极，以SCE电极为参比电极，以铂电极为对电极，用循环伏安法进行电沉积，沉积电位为1.2V～-1V，沉积圈数为5圈，得到修饰电极，即Au2Pt1NPs/PyTS-NG/GCE。
Au2Pt1NPs/PyTS-NG/GCE的扫描电子显微镜（SEM）图片如图1所示，可见在氮掺杂石墨烯片层上分布有较均匀的金铂双金属纳米粒子，根据统计金铂双金属纳米粒子的平均粒径为30.66nm。图2为扫描电镜能谱图（SEM-EDS），在图中可明显看出金铂的出峰，测试结果其含量分别为11.72 Wt%、6.50 Wt%。
实施例2
本发明的检测亚硝酸钠的修饰电极的性能测试：
（1）不同修饰电极检测亚硝酸钠对比：
a：分别以GCE、PyTS-NG/GCE、Au2Pt1NPs/GCE、Au2Pt1NPs/PyTS-NG/GCE修饰电极为工作电极，以铂柱为对电极，以SCE为参比电极的三电极体系在CHI660B电化学工作站上，在0.3～1.1 V电位范围内，在4mL含有1.0mmol/L NaNO2的 0.1mol/L 磷酸缓冲液(pH=7.0)中进行循环伏安扫描，扫速50mV/s，得到循环伏安对比图，如图3所示。
在图3中可以看出Au2Pt1NPs/PyTS-NG/GCE修饰的电极，其电势最低，电流响应最好。对比得出Au2Pt1NPs/PyTS-NG/GCE对NaNO2的检测更加灵敏，电化学响应较好。
b：分别在不同摩尔比的氯金酸和氯铂酸的混合溶液（0:1，1:2，1:1，2:1，1:0）中进行电沉积，得到相应的电极PtNPs/PyTS-NG/GCE、Au1Pt2NPs/PyTS-NG/GCE、Au1Pt1NPs/PyTS-NG/GCE、Au2Pt1NPs/PyTS-NG/GCE、AuNPs/PyTS-NG/GCE。以上述修饰电极为工作电极，以铂柱为对电极，以SCE为参比电极的三电极体系在CHI660B电化学工作站上，在0.3～1.1 V电位范围内，在4mL含有1.0mmol/L NaNO2的 0.1mol/L 磷酸缓冲液(pH=7.0)中进行循环伏安扫描，扫速100mV/s，得到循环伏安对比图，如图4所示。
在图4中可以看出Au2Pt1NPs/PyTS-NG/GCE修饰的电极，其电势最低，电流响应最好。对比得出氯金酸与氯铂酸摩尔比为2:1时，所修饰电极对NaNO2的检测更加灵敏，电化学响应更好。
（2）亚硝酸钠的定量检测：
a：以Au2Pt1NPs/PyTS-NG/GCE修饰电极为工作电极，以铂柱为对电极，以SCE为参比电极的三电极体系在CHI660B电化学工作站上，其附属的计算机软件供作实验数据的采集和处理，用安培时间—电流曲线扫描。用微量移液枪每间隔50s将一定量的NaNO2溶液准确移入含有 0.1mol/L 磷酸盐缓冲液 (pH=7.0)电解池中，记录安培时间—电流曲线。
b：随着NaNO2浓度的增大，其安培时间—电流曲线电流减小。可得NaNO2浓度与安培时间—电流曲线电流的线性关系曲线。图5为NaNO2的安培时间—电流曲线图。如图6所示，修饰电极对NaNO2的检测线性范围为5×10-7mol/L~1.62×10-3mol/L，线性方程为Ipa(μA)=-0.02755c(μM) - 0.17451 ( R2=0.9989 )，检测限为1.97×10-7mol/L。
（3）亚硝酸钠的抗干扰性检测：
如图7所示，固定NaNO2的浓度，用微量移液枪每间隔50s移入100倍NaNO2浓度的其他干扰离子（CO3 2-、 NO3 -、 K+、 Cl-、 SO4 2-、 CH3COO-、 NH4 +、 HCO3 -），其安培时间-电流曲线的电流没有发生明显的变化。可得该修饰电极对NaNO2具有良好的选择性。
从以上可以得出，本发明的Au2Pt1NPs/PyTS-NG/GCE修饰电极对于NaNO2在一定浓度范围内具有良好的线性电化学响应，其他离子并未干扰影响NaNO2的检测。
（4）本发明的修饰电极的应用实验
以Au2Pt1NPs/PyTS-NG/GCE修饰电极为工作电极，以铂柱为对电极，以SCE为参比电极的三电极体系在CHI660B电化学工作站上，其附属的计算机软件供作实验数据的采集和处理，用安培时间-电流曲线扫描。将自来水样品加入电解池中，记录安培时间-电流曲线的Ipa值。将所测得的Ipa值分别代入上述所得的线性方程中，计算得到NaNO2的浓度。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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之内。
Claims (10)
1.一种检测亚硝酸钠的修饰电极，其特征在于：所述修饰电极包括基底电极，以及依次附着在基底电极上的经芘四磺酸钠功能化的氮掺杂石墨烯和金铂双金属纳米粒子；
作为优选，所述基底电极为玻碳电极、玻璃电极、铂电极或金电极。
2.根据权利要求1所述的修饰电极，其特征在于：所述金铂双金属纳米粒子的粒径为20-40nm；
作为优选，所述金、铂纳米粒子附着量分别优选为经芘四磺酸钠功能化的氮掺杂石墨烯附着量的11.72 Wt%、6.50 Wt%。
3.根据权利要求1所述的修饰电极，其特征在于：所述经芘四磺酸钠功能化的氮掺杂石墨烯的制备方法为：将芘四磺酸钠超声溶解后，加入氮掺杂石墨烯，混合，超声1～50小时后，分离得到经芘四磺酸钠功能化的氮掺杂石墨烯；
作为优选，将芘四磺酸钠超声溶解前，先用二次蒸馏水稀释芘四磺酸钠。
4.根据权利要求1所述的修饰电极，其特征在于：所述金铂双金属纳米粒子的附着方法为：将经芘四磺酸钠功能化的氮掺杂石墨烯附着在基底电极上后，将其置于氯金酸和氯铂酸混合溶液中，进行电沉积。
5.权利要求1-4任一所述的修饰电极的制备方法，其特征在于：步骤如下：
（1）将芘四磺酸钠超声溶解后，加入氮掺杂石墨烯，混合，超声1～50小时后，分离得到经芘四磺酸钠功能化的氮掺杂石墨烯；
（2）将经芘四磺酸钠功能化的氮掺杂石墨烯滴涂在基底电极上，然后再将基底电极置于一定比例氯金酸和氯铂酸混合溶液中，进行电沉积，得到修饰电极。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤（1）中所述芘四磺酸钠与氮掺杂石墨烯的质量比为（1～30）：1；优选为（1～10）：1。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤（2）中所述电沉积为采用循环伏安法进行电沉积；
作为优选，沉积电位为1.2V～-1V，沉积圈数为3～8圈。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述氯金酸和氯铂酸溶液的浓度为1～5mmol/L；
作为优选，所述氯金酸和氯铂酸溶液的摩尔比为0:1，1:2，1:1，2:1，1:0；
作为优选，所述氯金酸和氯铂酸溶液中有支持电解质；比如氯化钾。
9.权利要求1-4任一所述的修饰电极用于检测亚硝酸钠；作为优选，所述检测为定量检测。
10.一种定量检测亚硝酸钠的方法，其特征在于：以权利要求1-4任一所述的修饰电极为工作电极建立三电极体系，共同插入含有亚硝酸钠的缓冲液中，用安培时间-电流曲线扫描，得到Ipa值，将Ipa值代入上述所得的线性方程中，计算得到NaNO2的浓度；所述线性方程为：Ipa(μA)= -0.02755c (μM)-0.17451 ( R2=0.9989 )。
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