一种Fe-N-C/AuNPs/GCE传感器的制备方法及其在检测没食子酸中的应用

一种fe-n-c/aunps/gce传感器的制备方法及其在检测没食子酸中的应用
技术领域
1.本发明涉及电化学传感器以及化学检测技术领域，具体的说涉及一种fe-n-c/aunps/gce传感器的制备方法及其应用。


背景技术：

2.fe-n-c材料作为近年来新兴的纳米材料，具有电化学稳定性、稳定的化学键和有效的活性位点等特性，在电化学领域应用广泛，例如，jiang等人开发了一种高性能的fe/fe3c纳米晶材料，并揭示了fe-n-c的活性来源，研究发现fe-nx活性位点越多，氧还原反应(orr)活性越高；蔺洁通过无模板溶剂热法制备了fe-n-c电极材料，通过循环伏安法(cv)和计时电位法(cp)等电化学方法测试其电容器的性能，电容可以达到377f/g，具有好的超级电容性能，表现出良好的循环稳定性。
3.fe-n-c还具有丰富的孔结构，能够加快底物在电极表面的传递速率，有利于底物与电极表面的结合，然而，fe-n-c材料在热解过程中可能会发生聚集，导致fe-n-c的导电性下降。为了提高该材料的导电性，引入金纳米粒子(aunps)，它作为应用最广泛的金属纳米离子之一，具有导电率高、稳定性好、比表面积大、电子传递能力强、抗污染能力强和电催化活性好等一些特殊的性能，在电子催化、电化学传感器和生物传感器等领域有广泛应用。
4.没食子酸(ga)，化学名称为3,4,5-三羟基苯甲酸，是化学结构简单且毒性小的天然多酚类化合物，存在于五倍子、蓝莓和茶叶等植物中，具有抗氧化、抗菌、抗病毒、抗肿瘤和抗衰老等作用，对多种疾病有良好的预防作用，且在食品和化妆品等方面有广泛的应用前景。然而，过量食用ga可能对人体有害，高浓度的ga有一定的细胞毒性，常见的副作用包括头晕、乏力、头痛、恶心和胃部不适等。
5.目前，有多种分析方法用于检测ga，例如高效液相色谱法、薄层色谱法、分光光度法和荧光分析法等，但这些方法普遍存在价格昂贵、操作繁琐、灵敏度差和特异性不足等问题。而电化学方法具有操作简单、灵敏度高、准确度高和选择性好等优点，现有文献中已有ga电化学传感器被成功研发，尽管如此，寻找合适的电极修饰剂，构筑相应的电化学传感器，实现ga高灵敏检测的同时，提高传感器的可靠性、稳定性和选择性，仍具有一定的挑战。
6.因此，提供一种能快速检测ga的fe-n-c/aunps/gce传感器是本领域技术人员亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明提供了一种fe-n-c/aunps/gce传感器的制备方法。
8.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
9.一种fe-n-c/aunps/gce传感器的制备方法，包括以下步骤：
10.(1)fe-n-c的制备：
11.1)取多壁碳纳米管，分散到硝酸溶液中，然后冷凝回流加热，再自然冷却至室温
后，离心，用水洗涤至溶液呈中性，真空干燥后，备用；
12.2)取干燥后的多壁碳纳米管，超声分散到dmf中，随后加入的四苯基卟啉铁，室温搅拌10-15h，然后8000-12000rpm离心分离2-8min，用dmf洗涤，在经80-120℃真空干燥11-13h，将所得产品在管式炉中，置于氨气和氩气的混合气保护条件下，煅烧，然后自然冷却至室温后取出研磨，得到fe-n-c，备用；
13.(2)aunps的制备：在沸腾的haucl4溶液中加入柠檬酸钠溶液，400-600rpm搅拌10-20min后，混合液的颜色由淡黄色变为酒红色，待溶液自然冷却到室温时，得到了aunps，4℃下冷藏保存备用；
14.(3)fe-n-c/aunps/gce修饰电极的制备：将aunps与dmf混合，制备得到aunps溶液，备用；
15.将裸gce抛光处理，然后分别用无水乙醇和蒸馏水超声清洗gce，将fe-n-c在无水乙醇中60-100w超声分散1-10min，用移液枪移取10μlfe-n-c的分散液滴涂在gce表面，红外灯下烘干得到fe-n-c/gce传感器；然后放入aunps溶液中，在恒压电位下聚合，使用电流时间曲线法将aunps电聚合到fe-n-c/gce电极表面，得到fe-n-c/aunps/gce传感器。
16.进一步，步骤1)中所述多壁碳纳米管的质量与硝酸溶液的体积比为100mg:100ml；
17.所述硝酸溶液浓度为2-4m；
18.所述离心速率为8000-12000rmp，离心时间为2-5min；
19.所述真空干燥温度为60-80℃，干燥时间为10-15h；
20.进一步，步骤2)中所述干燥后的多壁碳纳米管质量与dmf的体积比为40-60mg：50ml；
21.所述超声功率为70-100w，超声时间为10-15h；
22.所述四苯基卟啉铁与干燥后的多壁碳纳米管质量比为18:40-60；
23.所述煅烧温度为400-600℃，煅烧时间为1-3h。
24.进一步，步骤(2)中所述haucl4溶液的质量浓度为0.01％，柠檬酸钠溶液的浓度为0.5-2％(w/v)；
25.所述haucl4溶液与柠檬酸钠溶液的体积比为100:2.75。
26.进一步，步骤(3)中所述aunps溶液的制备方法为：将2mlaunps至于dmf中，然后用dmf定容至10ml，得到aunps溶液。
27.进一步，步骤(3)中所述gce的抛光方法为：分别用0.3μm和0.05μm的氧化铝粉对裸gce抛光处理。
28.进一步，步骤(3)中所述fe-n-c的分散液浓度为0.5-2mg/ml。
29.进一步，步骤(3)中所述恒压点位为-1.0v，聚合时间为80-150s。
30.本发明还提供了fe-n-c/aunps/gce传感器在检测没食子酸中的应用方法：
31.使用三电极系统，以gce和修饰后的fe-n-c/aunps/gce传感器为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极，铂丝电极作为对电极cv和eis测试在0.1mk3fe(cn)6/kcl溶液中进行测试，频率为0.01hz-100khz，振幅为50mv；
32.dpv在ph＝2.0的含0.1mmga的abs中进行，振幅为50mv，脉冲宽度为0.05s，脉冲周期为0.2s。
33.本发明的有益效果在于：本发明通过合成fe-n-c材料，作为电极修饰剂，滴涂在玻
碳电极(gce)表面，可以起到催化作用，fe-n-c的孔状结构和活性位点，有助于ga的吸附，为电子/离子传递提供输送通道，使其最大程度的发挥催化活性；aunps通过电聚合修饰到fe-n-c/gce表面，增强电极的导电性和提供较多的活性位点，进而加快电荷转移速率，提高所构筑fe-n-c/aunps/gce传感器对ga的电化学识别能力，且可以用于ga的灵敏检测。
34.本发明利用fe-n-c与aunps作为修饰电极的材料，构建了一种新型检测ga的fe-n-c/aunps/gce传感器，该制备过程操作简单、方便快速。fe-n-c和aunps结合，能够暴露更多的活性位点且能加快电荷转移速率，在0.1mabs(ph2.0)溶液中检测ga表现出优异的重现性、稳定性和选择性，且具有宽的检测范围和低的检出限。fe-n-c/aunps/gce传感器的可靠性和稳定性为将该方法推广到ga的常规分析提供了很好的可能性。
附图说明
35.图1为电极上的sem(a)fe-n-c；(b)aunps；(c)fe-n-c/aunps；
36.图2为fe-n-c材料的xrd(a)和raman(b)；
37.图3中(a)fe-n-c的xps光谱和(b)c1s，(c)fe2p和(d)n1s区域光谱；
38.图4为0.1mmga在(i)裸电极(ii)aunps/gce(iii)fe-n-c/gce(iv)fe-n-c/aunps/gce传感器的cv曲线。支持电解液：0.1mabs缓冲溶液(ph2.0；扫描速率：0.1v/s)；
39.图5中(a)裸电极和三个电极传感器的电化学阻抗图(eis)。电解液：0.1mk3fe(cn)6/kcl溶液；(b)四个电极传感器在0.1mmkcl的5mmk3fe(cn)6/k4fe(cn)6溶液中的cv图，其中i-fe-n-c/gce，ii-裸电极，iii-aunps/gce和iv-fe-n-c/aunps/gce；
40.图6中(a)不同浓度的ga在fe-n-c/aunps/gce传感器中的dpv曲线，ga的浓度：5、10、30、50、80、100、150、200、250、300、350、400、450、500μm(从a到n)；(b)ga峰电流与蜂浓度的关系；
41.图7为fe-n-c/aunps/gce传感器测定蜂蜜(a、b)的ga。
具体实施方式
42.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。
43.实施例1
44.(1)fe-n-c的制备
45.取100mg多壁碳纳米管，分散到100ml3m的硝酸溶液中，然后冷凝回流加热，再自然冷却至室温后，8000rpm离心3min，用水洗涤至溶液呈中性，70℃真空干燥12h，备用；
46.取50mg干燥后的多壁碳纳米管，超声分散到50mldmf中，随后加入的四苯基卟啉铁，500rpm室温搅拌12h，然后10000rpm离心分离5min，用dmf洗涤，在经100℃真空干燥12h，将所得产品在管式炉中，置于氨气和氩气的混合气保护条件下，500℃煅烧2h，然后自然冷却至室温后取出研磨，得到fe-n-c，备用；
47.(2)aunps的制备：在100ml质量浓度为0.01％沸腾的haucl4溶液中加入2.75ml1％(w/v)柠檬酸钠溶液，搅拌15min后，混合液的颜色由淡黄色变为酒红色，待溶液自然冷却到
室温时，得到了aunps，4℃下冷藏保存备用；
48.(3)fe-n-c/aunps/gce修饰电极的制备：将2mlaunps与dmf混合，并定容至10ml，得到aunps溶液，备用；
49.用0.3μm和0.05μm的氧化铝粉依次将裸gce抛光处理，然后分别用无水乙醇和蒸馏水超声清洗gce，将fe-n-c以1mg/ml浓度80w超声分散5min在无水乙醇中，用移液枪移取10μlfe-n-c的分散液滴涂在gce表面，红外灯下烘干得到fe-n-c/gce传感器；然后放入aunps溶液中，在-1.0v的恒压电位下聚合100s，使用电流时间曲线法将aunps电聚合到fe-n-c/gce电极表面，得到fe-n-c/aunps/gce传感器。
50.实施例2
51.一种fe-n-c/aunps/gce传感器的制备方法：
52.(1)fe-n-c的制备：
53.1)取80mg多壁碳纳米管，分散到100ml4m的硝酸溶液中，然后冷凝回流加热，再自然冷却至室温后，8000rmp离心5min，用水洗涤至溶液呈中性，80℃真空干燥10h后，备用；
54.2)取60mg干燥后的多壁碳纳米管，70w超声15h分散到50mldmf中，随后加入的18mg四苯基卟啉铁，600rpm室温搅拌10h，然后12000rpm离心分离2min，用dmf洗涤，在经120℃真空干燥11h，将所得产品在管式炉中，置于氨气和氩气的混合气保护条件下，600℃煅烧1h，然后自然冷却至室温后取出研磨，得到fe-n-c，备用；
55.(2)aunps的制备：在100ml质量浓度为0.01％沸腾的haucl4溶液中加入2.75ml2％(w/v)柠檬酸钠溶液，400rpm搅拌20min后，混合液的颜色由淡黄色变为酒红色，待溶液自然冷却到室温时，得到了aunps，4℃下冷藏保存备用；
56.(3)fe-n-c/aunps/gce修饰电极的制备：将2mlaunps至于dmf中，然后用dmf定容至10ml，得到aunps溶液，备用；
57.分别用0.3μm和0.05μm的氧化铝粉对裸gce抛光处理，然后分别用无水乙醇和蒸馏水超声清洗gce，将fe-n-c以2mg/ml的浓度在无水乙醇中100w超声分散1min，用移液枪移取10μlfe-n-c的分散液滴涂在gce表面，红外灯下烘干得到fe-n-c/gce传感器；然后放入aunps溶液中，在-1.0v恒压电位下聚合150s，使用电流时间曲线法将aunps电聚合到fe-n-c/gce电极表面，得到fe-n-c/aunps/gce传感器。
58.实施例3
59.一种fe-n-c/aunps/gce传感器的制备方法：
60.(1)fe-n-c的制备：
61.1)取120mg多壁碳纳米管，分散到100ml2m的硝酸溶液中，然后冷凝回流加热，再自然冷却至室温后，12000rmp离心2min，用水洗涤至溶液呈中性，60℃真空干燥15h后，备用；
62.2)取40mg干燥后的多壁碳纳米管，100w超声10h分散到50mldmf中，随后加入的18mg四苯基卟啉铁，400rpm室温搅拌15h，然后8000rpm离心分离8min，用dmf洗涤，在经80℃真空干燥13h，将所得产品在管式炉中，置于氨气和氩气的混合气保护条件下，400℃煅烧3h，然后自然冷却至室温后取出研磨，得到fe-n-c，备用；
63.(2)aunps的制备：在100ml质量浓度为0.01％沸腾的haucl4溶液中加入2.75ml0.5％(w/v)柠檬酸钠溶液，600rpm搅拌10min后，混合液的颜色由淡黄色变为酒红色，待溶液自然冷却到室温时，得到了aunps，4℃下冷藏保存备用；
64.(3)fe-n-c/aunps/gce修饰电极的制备：将2mlaunps至于dmf中，然后用dmf定容至10ml，得到aunps溶液，备用；
65.分别用0.3μm和0.05μm的氧化铝粉对裸gce抛光处理，然后分别用无水乙醇和蒸馏水超声清洗gce，将fe-n-c以0.5mg/ml的浓度在无水乙醇中60w超声分散10min，用移液枪移取10μlfe-n-c的分散液滴涂在gce表面，红外灯下烘干得到fe-n-c/gce传感器；然后放入aunps溶液中，在-1.0v恒压电位下聚合80s，使用电流时间曲线法将aunps电聚合到fe-n-c/gce电极表面，得到fe-n-c/aunps/gce传感器。
66.实施例4制备待测样品
67.蜂蜜样品来自当地市场，取10g蜂蜜溶于10ml去离子水，80℃下持续搅拌12min，蜂蜜样品冷却后过滤，滤液用去离子水定容到50ml的容量瓶中，然后将2.5ml蜂蜜样品转移到25ml的容量瓶中，用ph＝2.0的abs缓冲溶液定容，用于ga的检测。
68.试验例1(以实施例1制备的fe-n-c/aunps/gce传感器为样品)
69.1.1电极上sem表征
70.利用sem研究分析了fe-n-c、aunps以及fe-n-c/aunps复合材料在电极上的形貌特征，如图1a所示，在fe-n-c/gce表面可以观察到mwcnt杂乱无规则排布，并且尺寸较小，有缠绕现象，且经过高温煅烧后，有较多的mwcnt断裂，且出现明显的白色横截断口；单独聚合aunps制备aunps/gce，如图1b所示，观察到大小不一，呈球形分布的aunps；图1c是fe-n-c/aunps/gce的sem图，可以发现aunps和fe-n-c很好的结合在一起，并涂覆在电极表面，表明fe-n-c/aunps复合材料成功合成，促使fe-n-c/aunps/gce传感器具有良好的电化学性能。
71.1.2xrd、raman
72.采用xrd测试分析fe-n-c样品内部物相的存在形式与晶体结构，如图2a所示，在20
°‑
30
°
之间的宽峰表明无定形碳的存在，对应于碳的(002)晶面，2θ角为11.7
°
对应的是氧化性碳的(001)晶面，fe-n-c在35.8
°
、43.7
°
的衍射峰，表明有少量的碳化铁(fe3c)存在，对应于fe3c的(020)和(013)晶面24。拉曼光谱进一步表征了fe-n-c材料的缺陷，图2b表明该材料在1357cm-1
和1583cm-1
附近出现了碳的两个特征峰，分别为d峰和g峰，d峰代表碳原子的无序程度和晶格缺陷，g峰代表碳原子sp2杂化面内伸缩振动，它们的相对强度比值(id/ig)常用来反应碳材料的缺陷度，id/ig值为1.3，这可能是由于fe-n-c材料前驱体在热解过程中，可以分解形成无序的碳，造成更多的缺陷，提供更多的活性位点，也会表现出较好的电化学性能。
73.1.3xps
74.对fe-n-c样品进行xps表征，分析其化学组成和表面元素的存在状态。由图3a全谱可知fe-n-c样品中主要存在c、n和o元素，c元素的含量最多，此外还有少量的fe元素，图3b为c1s的精细谱，从图中可以看出fe-n-c中存在两种类型的碳，一种是具有sp2杂化的c(284.7ev)，有利于增加氧化还原反应中电子传导；另一种是c-o&c＝n(285.4ev)，该种存在形式说明n原子(和o原子)与c原子发生键合。图3c显示了fe2p的精细谱，出现了六个峰，其中fe
3
(713.1ev,725.0ev)和fe
2
(711.0ev,723.1ev)，711ev附近的峰证明了该材料存在fe-nx催化活性位点，还有在717.8ev(fe2p3/2)和730.0ev(fe2p1/2)出现的两个卫星峰，这与文献报道的fe-n-c材料中铁的存在形式一致
24
，然而，fe2p的精细谱信噪比较大，说明fe的含量较少，可能是由于fe物种被mwcnt所包覆，使得fe含量较低，这也揭示了fe-n-c表现
出优异稳定性的原因，这与sem和tem相照应。图3d为n1s精细谱，可以分为398.5ev、399.7ev、402.1ev三个特征峰，分别对应吡啶-n、fe-nx、氧化-n，由文献可知，吡啶-n的数量直接决定催化剂的活性位点数，d图显示吡啶-n的数量较多，可以提供较多的活性位点，从而提高催化活性。399.7ev处的峰与fe精细谱图中711ev附近的fe-nx相照应，结果表明，n元素成功掺杂到催化剂中，可以改善它们的电化学性能，更加有利于电子在电极上的传递速率。
75.试验例2没食子酸的电化学行为(以实施例1制备的fe-n-c/aunps/gce传感器为样品)
76.将不同材料修饰电极，在cv法下以0.1v/s的扫描速率，研究了含有ga(0.1mm)的abs(ph2.0)中的电化学行为。从图4可以看出，ga在四个传感器上只有氧化峰，说明在该过程中没有电化学还原，表明ga的电化学反应是绝对不可逆的氧化反应。ga在单独的裸电极上几乎没有cv信号，在aunps/gce传感器上峰电流强度较小，fe-n-c/gce和fe-n-c/aunps/gce传感器的氧化峰值电流较大，聚合aunps之后背景电流和氧化峰值电流有所增加，说明aunps和fe-n-c之间具有明显的协同效果。综合上述数据比较，fe-n-c/aunps复合材料具有较高的导电性和较强的电催化活性，能够激活更多的活性位点，提高了ga在氧化过程中的电子传递速率。因此，选择fe-n-c/aunps/gce作为工作电极，建立ga的电化学分析方法，研究其电化学性质。
77.试验例3电化学表征(以实施例1制备的fe-n-c/aunps/gce传感器为样品)
78.采用cv和电化学阻抗谱(eis)对不同材料修饰的电极进行电化学表征，图5a是i-fe-n-c/gce、ii-gce、iii-aunps/gce和iv-fe-n-c/aunps/gce在0.1mk3fe(cn)6/kcl溶液中的cv图，fe-n-c/gce(线i)具有较小的峰电流，可能是由于fe-n-c材料的活性位点是通过碳负载富氮的金属配合物热解合成，在热解过程中可能会发生聚集，引入厚的催化剂层，导致fe-n-c的导电性不好。fe-n-c/aunps/gce(线iv)具有最强的峰电流，可能是由于fe-n-c引入带有孤对电子的n元素和sp2杂化的碳元素之间会构成离域的共轭体系，极大改善催化剂和电子之间的传递，aunps与fe-n-c复合后，可以产生更多的载流子，加快电子在电极和待测物之间的传递，能够显著增强电流响应和传感器的灵敏度。为了进一步验证不同修饰材料的导电性能，本实验还对上述电极进行了交流阻抗测试，如图5b所示与图5a结果一致。
79.eis是研究电极界面特性的特征方法，典型的eis谱图是由高频区的半圆和低频区的直线组成。半圆反应了电子传递过程，其直径与界面电子转移阻抗有关，低频区域的直线则代表了扩散过程，如图5b所示，裸电极出现了一个明显的半圆，fe-n-c修饰在gce上后，半圆直径减小(曲线ii)，当继续引入纳米金时，半圆直径(曲线iii)再次显著减小，这是因为纳米金具有优良的导电性。同时，eis曲线还显示，fe-n-c/aunps/gce(线iv)在高频区的直线斜率明显大于裸电极和纳米金修饰的电极，表明fe-n-c/aunps复合材料可以促进电极和电解液界面的电子转移。
80.试验例4没食子酸的检测(以实施例1制备的fe-n-c/aunps/gce传感器为样品)
81.基于dpv能够有效降低背景电流，有较高的灵敏度，利用dpv在0.2-0.9v电压范围内研究了fe-n-c/aunps/gce传感器对ga的电化学响应。如图6a所示，在0.1mabs(ph2.0)中，随着ga浓度的不断积累，ga的响应电流逐步增大，即使在较低的浓度下，也能产生电流响应。图6b显示了在5-500μm范围内，fe-n-c/aunps/gce传感器的电流强度与ga浓度呈线性关
系，其相应的线性方程为y＝0.0644x 0.35438(r2＝0.99288)。基于信噪比为3(s/n＝3)的方法计算得到检出限为1.284μm。
82.试验例5传感器的重现性、稳定性和选择性(以实施例1制备的fe-n-c/aunps/gce传感器为样品)
83.在最佳反应条件下，对0.1mm的ga溶液在fe-n-c/aunps/gce传感器上的电化学行为进行平行测定，使用同一根电极连续测定ga的峰电流六次，得到相应的相对标准偏差(rsd)为4.67％，上述结果证明了该制备方法制备的传感器具有高重现性。
84.表1fe-n-c/aunps/gce传感器对没食子酸响应的重现性
[0085] i1/μai2/μai3/μai4/μai5/μai6/μarsd％同一个电极13.7513.5213.3712.6812.5712.234.67
[0086]
将fe-n-c/aunps/gce传感器置于常温下保存半月后，检测0.1mm的ga溶液，其峰电流值仍保持初始电流值的90.74％-95.39％(rsd＜5％)，说明该传感器具有较高的稳定性。
[0087]
保持相同的条件，使用fe-n-c/aunps/gce传感器对ga的抗干扰能力进行测定。根据工作电位的范围选择干扰物，在0.42v条件下，利用i-t法记录在0.1mabs(ph2.0)溶液中分别添加ga、乳糖、d-果糖、d-山梨醇、麦芽糖、葡萄糖和k

、ca
2
、mg
2
、cl-、so
42-、no
3-的安培响应，与ga相比，这些物质产生的电流响应可以忽略不计，说明fe-n-c/aunps/gce传感器对ga的检测具有较好的选择性。
[0088]
该传感器具有良好的重现性、稳定性和选择性归因于fe-n-c较强的催化能力和aunps良好的导电性和稳定性协同作用的结果。
[0089]
试验例6实际样品检测(以实施例1制备的fe-n-c/aunps/gce传感器为样品)
[0090]
为了研究fe-n-c/aunps/gce传感器在实际样品中检测ga的可行性，采用标准加入法对蜂蜜中的ga进行定量分析。三种实际样品先按实验部分进行处理，取0.5ml的蜂蜜样品溶液加入到电解池中，用0.1mabs(ph2.0)稀释到10ml，在蜂蜜样品中添加0.1mm的ga标准溶液后，计算出蜂蜜的线性方程为y＝0.01029x 0.43495(r2＝0.99881)，回收率为98.84％-102.28％。
[0091]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。