同时检测HQ和CC的电极及其制备方法和应用与流程

本发明属于新型纳米材料和电化学技术领域，具体的涉及一种同时检测HQ和CC的电极及其制备方法和应用。

背景技术：

酚类化合物(phenols)是一类通式为ArOH，结构为芳烃环上的氢被羟基(-OH)取代的芳香族化合物。酚类化合物还允许一个芳香环上连接两个或数个羟基，其中最简单的是苯二酚，它的结构是两个羟基连接在一个苯环上。

伴随着全球工业现代化的迅速发展，越来越多的酚类化合物进入土壤、水系和生物体中，不仅极大地危害环境，而且对人类的健康与生存产生严重的威胁。酚类化合物的生产和运输以及使用过程中可能导致工人接触到这些物质，过量的接触能导致昏迷、抽搐、黄萎病甚至死亡，在体内也会影响肝脏、肾脏、肺和血管系统。1g的酚类摄入量对人来说也是致命的。其中，对苯二酚(HQ)会导致头痛、疲劳、耳鸣、头晕、恶心、内脏器官的水肿和皮肤过敏；邻苯二酚(CC)与人类皮肤接触能引起湿疹，在动物身上大剂量的CC可以刺激中枢神经系统。此外，由于他们的相似结构和特征，常常共存并且干扰彼此在环境样品中的识别。因此，建立一种同时检测HQ和CC的高选择性和高灵敏度的分析方法非常有意义。现阶段同时检测HQ和CC的分析测试方法多种多样，例如分光光度法、同步荧光法、化学发光法和液相色谱法。

马振华等发表的《氟化石墨修饰玻碳电极同时测定邻苯二酚和对苯二酚》，通过氟化预氧化石墨的方法，制备了一种氟化石墨并用于修饰玻碳电极，采用差分脉冲伏安法同时测定邻苯二酚和对苯二酚，虽然此方法检测下限较低，但其检测的线性范围较窄。

张颖等发表的《改性石墨烯修饰电极同时测定苯二酚异构体》，是采用电化学沉积的方法在石墨烯表面形成规整的二氧化锰结构，用草酸溶液去除二氧化锰，得到新型的二氧化锰改性石墨烯修饰电极，并对苯二酚异构体进行检测，此方法的两种被测物氧化峰电位差较小，在检测高浓度的被测物时不易区分，同时也会导致两种物质线性范围较窄。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种同时检测HQ和CC的电极。该电极对HQ和CC的检测表现出高的可用性、再现性、选择性和极好的稳定性，用该电极进行检测时，电化学曲线表现出较大的氧化峰电位差用于区分两种被测物；本发明同时提供了其制备方法和应用。

本发明所述的同时检测HQ和CC的电极，是以玻碳电极为基底电极，在其表面修饰负载金纳米粒子的磁性碳微球分散液制备得到。

本发明所述的同时检测HQ和CC的电极的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)制备负载金纳米粒子的磁性碳微球分散液；

(2)将负载金纳米粒子的磁性碳微球分散液修饰到玻碳电极上即得同时检测HQ和CC的电极。

其中：

步骤(1)中负载金纳米粒子的磁性碳微球分散液的制备具体包括以下步骤：

(1)制备金纳米粒子分散液

将氯金酸溶液加入到超纯水中，并进行回流加热，在溶液沸腾后加入柠檬酸钠溶液，反应结束后冷却至室温，并于3～8℃避光保存备用；

(2)制备碳微球

将乙醇分散在超纯水中，加入氨水、间苯二酚，然后再加入甲醛溶液，搅拌反应10～15h，将反应后的溶液在90～110℃下老化20～30h，离心处理老化后的溶液，干燥得到的固体20～30h，对其进行碳化，冷却至室温，并用5～15％的盐酸充分洗涤至中性，50～70℃下干燥备用；

(3)制备磁性碳微球

FeCl3·6H2O和碳微球分散在乙二醇中，加入醋酸钠，在室温超声条件下溶解后，在180～220℃下保持15～20h，冷却至室温后，分别经过无水乙醇和超纯水彻底清洗，并通过清理磁铁分离除去杂质，50～70℃下真空干燥箱中干燥备用；

(4)氨基化的磁性碳微球

取磁性碳微球分散在无水甲苯中，加入3-氨丙基三乙氧基硅烷，加热到60～80℃并搅拌1～3h，在100～150℃下烘干即得到氨基化的磁性碳微球；

(5)负载金纳米粒子的磁性碳微球分散液

将制备好的氨基化的磁性碳微球分散在金纳米粒子溶液中，搅拌10～15h，然后通过磁铁分离，50～70℃下干燥备用，得到负载金纳米粒子的磁性碳微球，取负载金纳米粒子的磁性碳微球超声分散在壳聚糖水溶液中，得到负载金纳米粒子的磁性碳微球分散液。

其中：

制备碳微球步骤中，碳化是以2℃/min的速率升温至200℃，并保持1h，以5℃/min的速率升温至700℃，并保持2h。

步骤(2)中所述的负载金纳米粒子的磁性碳微球的分散液的修饰过程具体包括以下步骤：

(1)将直径为3.0～5.0mm的玻碳电极用Al2O3抛光粉抛光成镜面，在无水乙醇中超声清洗干净；

(2)将5～10μL的负载金纳米粒子的磁性碳微球分散液滴涂于电极表面，晾干即可。

本申请所述的同时检测HQ和CC的电极可应用于三电极体系的电化学检测装置或电流型电化学传感器。

用于三电极体系的电化学检测装置时，绘制同时检测HQ和CC的电化学工作曲线具体包括以下步骤：

(1)使用电化学工作站，以饱和甘汞电极为参比电极，以铂丝电极为对电极，与所制备的同时检测HQ和CC的电极组成三电极系统，在pH为5.5～8.5的磷酸盐缓冲溶液中进行测试确定HQ和CC的峰电流位置和最佳pH；

(2)利用差分脉冲伏安法同时检测HQ和CC的电流峰值，扫描范围为-0.5～0.35V，脉冲振幅为50mV，脉冲宽度为50ms，脉冲周期为500ms；

(3)记录检测含有HQ和CC的混合溶液所对应的电流峰值，绘制酚类物质浓度与其氧化法电流的标准工作曲线；

(4)利用标准工作曲线法计算得到待测样品中两种酚类物质的浓度。

作为一个优选的技术方案，本发明步骤(1)中负载金纳米粒子的磁性碳微球分散液的制备具体包括以下步骤：

(1)制备金纳米粒子分散液

将氯金酸溶液加入到含有超纯水的三口烧瓶中，并进行回流加热以及磁力搅拌，然后在溶液沸腾后加入柠檬酸钠溶液，并持续15min，溶液颜色由紫红色逐渐变为酒红色，反应结束后冷却至室温，并放于冰箱中(4℃)避光保存备用；

(2)制备碳微球

首先将适量乙醇通过磁力搅拌均匀分散在超纯水中，再加入氨水并继续磁力搅拌1h，然后再加入间苯二酚并继续搅拌1h，同时做恒温水浴，温度略高于30℃，然后再加入甲醛溶液，并于30℃恒温水浴中磁力搅拌反应12h，将反应后的溶液转移至水热反应釜中在箱式加热炉中100℃下老化24h，然后离心处理老化后的溶液，干燥得到的固体24h形成橘红色干凝胶，然后转入管式炉中，在氮气氛围保护下对其进行碳化，以2℃/min的速率升温至200℃，并保持1h，以5℃/min的速率升温至700℃，并保持2h，冷却至室温，并用10％的盐酸充分洗涤至中性，60℃下在真空干燥箱中干燥备用；

(3)制备磁性碳微球

FeCl3·6H2O和碳微球通过超声均匀分散在乙二醇中，随后加入醋酸钠，在室温超声条件下溶解后，将悬浊液转移至水热反应釜中，在200℃下保持16h，冷却至室温后，分别经过无水乙醇和超纯水彻底清洗，并通过清理磁铁分离除去杂质，60℃下真空干燥箱中干燥备用；

(4)氨基化的磁性碳微球

取磁性碳微球通过超声分散在无水甲苯中，加入3-氨丙基三乙氧基硅烷，加热到70℃，并机械搅拌1.5h，在110℃下烘干即得到氨基化的磁性碳微球；

(5)负载金纳米粒子的磁性碳微球分散液

将制备好的氨基化的磁性碳微球分散在金纳米粒子溶液中，机械搅拌12h，溶液由酒红色变为无色，然后通过磁铁分离，60℃下在真空干燥箱中干燥备用，得到负载金纳米粒子的磁性碳微球，取负载金纳米粒子的磁性碳微球超声分散在壳聚糖水溶液中，得到负载金纳米粒子的磁性碳微球分散液。

本发明选择金纳米粒子(Au NPs)、四氧化三铁(Fe3O4)和碳微球(CM)作为电极的修饰材料用于同时检测HQ和CC。CM作为一种尺寸均一的多孔碳材料，有着优秀的导电性的同时还具有较高的比表面积，能吸附更多的酚类化合物，从而提高电化学信号响应，而Au NPs与Fe3O4都具有良好的导电性和催化性，同时由于他们的协同放大作用，所制备的传感器表现出了优异的灵敏度、高选择性、可重复性好、优异的准确性、较宽的线性范围和低检测限。

本发明具有以下有益效果：

(1)本体系利用碳微球(CM)具有高比面积、良好导电性以及多孔结构产生的小尺寸效应的优点，并结合磁性材料与金纳米粒子对酚类物质电化学氧化信号的协同放大作用，成功同时检测HQ和CC；选择最佳的实验条件可以实现较宽的线性范围和较低的检测限。同时，该电极对HQ和CC的检测表现出高的可用性、再现性、选择性和极好的稳定性。

(2)本发明的电极对HQ和CC实现了同时精确定量检测的目的，其线性检测范围分别是5.0μmol/L至1500.0μmol/L和20μmol/L至1200μmol/L，响应电流的相对标准偏差(RSD)分别是3.27％和4.72％，第五次重复测试的电化学信号下降的均少于10％，在修饰好的电极存放两个星期之后信号响应仍能保持原有的93.4％和91.2％。

(3)本发明的方法构建的电极用于电化学传感器或电化学装置同时检测含有HQ和CC的混合溶液，操作简单、检测迅速，可用于实际样品的快速检测。

附图说明

图1是在磷酸盐缓冲液中CC的浓度固定为100μmol/L，HQ的浓度依次为0、5、30、110、260、330、490、900、1200、1500μmol/L时CC和HQ的DPV氧化电流电位曲线及其酚类物质浓度与其氧化法电流的标准工作曲线；

图2是在磷酸盐缓冲液中HQ的浓度固定为100μmol/L，CC的浓度依次为20、40、80、150、230、400、600、800、900、1200μmol/L时CC和HQ的DPV氧化电流电位曲线及其酚类物质浓度与其氧化法电流的标准工作曲线。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

1、制备负载金纳米粒子的磁性碳微球分散液

(1)制备金纳米粒子分散液

将1wt％的氯金酸溶液1mL加入到含有99mL超纯水的三口烧瓶中，并进行回流加热以及磁力搅拌，然后在溶液沸腾后加入1.5mL柠檬酸钠溶液(10mg/mL)，并持续15min，溶液颜色由紫红色逐渐变为酒红色，反应结束后冷却至室温，并放于冰箱中(3℃)避光保存备用。

(2)制备碳微球

首先将40mL适量乙醇通过磁力搅拌均匀分散在100mL超纯水中，再加入0.5mL氨水(25％)并继续磁力搅拌1h，然后再加入1g间苯二酚并继续搅拌1h，同时做恒温水浴，温度略高于30℃，然后再加入1.4mL甲醛溶液，并于30℃恒温水浴中磁力搅拌反应12h，将反应后的溶液转移至水热反应釜中在箱式加热炉中100℃下老化24h，然后离心处理老化后的溶液，干燥得到的固体24h形成橘红色干凝胶，然后转入管式炉中，在氮气氛围保护下对其进行碳化，以2℃/min的速率升温至200℃，并保持1h，以5℃/min的速率升温至700℃，并保持2h，冷却至室温，并用10％的盐酸充分洗涤至中性，60℃下在真空干燥箱中干燥备用。

(3)制备磁性碳微球

0.7g FeCl3·6H2O和0.2g碳微球通过超声均匀分散在37.5mL乙二醇中，随后加入1.8g醋酸钠，在室温超声条件下溶解后，将悬浊液转移至水热反应釜中，在200℃下保持16h，冷却至室温后，分别经过无水乙醇和超纯水彻底清洗，并通过清理磁铁分离除去杂质，60℃下真空干燥箱中干燥备用。

(4)氨基化的磁性碳微球

取50mg磁性碳微球通过超声分散在10mL无水甲苯中，加入0.2mL的3-氨丙基三乙氧基硅烷，加热到70℃，并机械搅拌1.5h，在110℃下烘干即得到氨基化的磁性碳微球。

(5)负载金纳米粒子的磁性碳微球分散液

将制备好的氨基化的磁性碳微球10mg分散在20mL金纳米粒子溶液中，机械搅拌12h，溶液由酒红色变为无色，然后通过磁铁分离，60℃下在真空干燥箱中干燥备用，得到负载金纳米粒子的磁性碳微球，取5mg负载金纳米粒子的磁性碳微球超声分散在5mL浓度为1mg/mL的壳聚糖水溶液中，得到负载金纳米粒子的磁性碳微球到分散液。

2、制备负载金纳米粒子的磁性碳微球的工作电极

(1)将直径为3.0mm的玻碳电极用Al2O3抛光粉抛光成镜面，在无水乙醇中超声清洗干净；

(2)将5μL的负载金纳米粒子的磁性碳微球分散液滴涂于电极表面，晾干即可。

3、将电极用于同时检测HQ和CC的混合溶液，绘制工作曲线

(1)使用电化学工作站，以饱和甘汞电极为参比电极，以铂丝电极为对电极，与所制备的工作电极组成三电极系统，在10.0mL的pH 5.5～8.5磷酸盐缓冲溶液中进行测试确定HQ和CC的峰电流位置和最佳pH；

(2)利用差分脉冲伏安法同时检测HQ和CC的电流峰值，扫描范围为-0.5～0.35V，脉冲振幅为50mV，脉冲宽度为50ms，脉冲周期为500ms；

(3)记录检测含有HQ和CC的混合溶液所对应的电流峰值，绘制酚类物质浓度与其氧化法电流的标准工作曲线；图1中所述的电流-电压曲线上的10个电流越阶所显示的电流信号按照浓度顺序对应着pH＝7.5的磷酸盐缓冲液中，控制CC的浓度为100μmol/L，HQ的浓度依次为0、5、30、110、260、330、490、900、1200、1500μmol/L，对实验数据进行线性拟合，以HQ的浓度依次为0、5、30、110、260、330、490、900、1200、1500μmol/L所对应的电流峰值为纵坐标(y)，以HQ的浓度为0、5、30、110、260、330、490、900、1200、1500μmol/L为横坐标(x1)作图，对上述10个数据点进行线性拟合，得到的标准曲线拟合方程为y＝0.0504x1+3.7668，线性检测范围为5.0μmol/L至1500.0μmol/L，响应电流的相对标准偏差(RSD)是3.27％。

图2中所述的电流-电压曲线上的10个电流越阶所显示的电流信号按照浓度顺序对应着pH＝7.5的磷酸盐缓冲液中，HQ的浓度为100μmol/L，CC的浓度依次为20、40、80、150、230、400、600、800、900、1200μmol/L，对实验数据进行线性拟合，以CC的浓度依次为20、40、80、150、230、400、600、800、900、1200μmol/L所对应的电流峰值为纵坐标(y)，以CC的浓度为依次为20、40、80、150、230、400、600、800、900、1200μmol/L为横坐标(x2)作图，对上述10个数据点进行线性拟合，得到的标准曲线拟合方程为y＝0.0478x2+2.6654，线性检测范围为20μmol/L至1200μmol/L，响应电流的相对标准偏差(RSD)是4.72％。

(4)检测样品中两种酚类物质被氧化时产生的峰电流值，利用标准工作曲线计算得到样品溶液中HQ和CC具体浓度分别为237.3μmol/L和86.2μmol/L。

实施例2

1、制备负载金纳米粒子的磁性碳微球分散液

(1)制备金纳米粒子分散液

将1wt％的氯金酸溶液1mL加入到含有99mL超纯水的三口烧瓶中，并进行回流加热以及磁力搅拌，然后在溶液沸腾后加入1.5mL柠檬酸钠溶液(10mg/mL)，并持续15min，溶液颜色由紫红色逐渐变为酒红色，反应结束后冷却至室温，并放于冰箱中(5℃)避光保存备用。

(2)制备碳微球

首先将40mL适量乙醇通过磁力搅拌均匀分散在100mL超纯水中，再加入0.5mL氨水(25％)并继续磁力搅拌1h，然后再加入1g间苯二酚并继续搅拌1h，同时做恒温水浴，温度略高于30℃，然后再加入1.4mL甲醛溶液，并于30℃恒温水浴中磁力搅拌反应15h，将反应后的溶液转移至水热反应釜中在箱式加热炉中100℃下老化20h，然后离心处理老化后的溶液，干燥得到的固体24h形成橘红色干凝胶，然后转入管式炉中，在氮气氛围保护下对其进行碳化，以2℃/min的速率升温至200℃，并保持1h，以5℃/min的速率升温至700℃，并保持2h，冷却至室温，并用15％的盐酸充分洗涤至中性，50℃下在真空干燥箱中干燥备用。

(3)制备磁性碳微球

0.7g FeCl3·6H2O和0.2g碳微球通过超声均匀分散在37.5mL乙二醇中，随后加入1.8g醋酸钠，在室温超声条件下溶解后，将悬浊液转移至水热反应釜中，在220℃下保持15h，冷却至室温后，分别经过无水乙醇和超纯水彻底清洗，并通过清理磁铁分离除去杂质，60℃下真空干燥箱中干燥备用。

(4)氨基化的磁性碳微球

取50mg磁性碳微球通过超声分散在10mL无水甲苯中，加入0.2mL的3-氨丙基三乙氧基硅烷，加热到60℃，并机械搅拌2h，在110℃下烘干即得到氨基化的磁性碳微球。

(5)负载金纳米粒子的磁性碳微球分散液

将制备好的氨基化的磁性碳微球10mg分散在20mL金纳米粒子溶液中，机械搅拌10h，溶液由酒红色变为无色，然后通过磁铁分离，60℃下在真空干燥箱中干燥备用，得到负载金纳米粒子的磁性碳微球，取5mg负载金纳米粒子的磁性碳微球超声分散在5mL浓度为1mg/mL的壳聚糖水溶液中，得到负载金纳米粒子的磁性碳微球到分散液。

2、制备负载金纳米粒子的磁性碳微球的工作电极

(1)将直径为5.0mm的玻碳电极用Al2O3抛光粉抛光成镜面，在无水乙醇中超声清洗干净；

(2)将8μL的负载金纳米粒子的磁性碳微球分散液滴涂于电极表面，晾干即可。

3、将电极用于同时检测HQ和CC的混合溶液，绘制工作曲线

(1)使用电化学工作站，以饱和甘汞电极为参比电极，以铂丝电极为对电极，与所制备的工作电极组成三电极系统，在10.0mL的pH为7.5磷酸盐缓冲溶液中进行测试确定HQ和CC的峰电流位置；

(2)利用差分脉冲伏安法同时检测HQ和CC的电流峰值，扫描范围为-0.5～0.35V，脉冲振幅为50mV，脉冲宽度为50ms，脉冲周期为500ms；

(3)记录检测含有HQ和CC的混合溶液所对应的电流峰值，绘制酚类物质浓度与其氧化法电流的标准工作曲线；

(4)检测样品中两种酚类物质被氧化时产生的峰电流值，利用标准工作曲线计算得到样品溶液中HQ和CC具体浓度分别为153.5μmol/L和357.5μmol/L。