一种基于炭黑纳米金复合材料电化学传感器及其制备方法和应用

1.本技术属于化学分析技术领域，具体涉及一种基于炭黑纳米金复合材料电化学传感器及其制备方法和应用。


背景技术：

2.目前医用价值最高的成分为大麻二酚(cannabidiol，cbd)，是工业大麻的主要成分之一，提取自雌性大麻植株，在85种工业大麻所含的特殊化合物中含量第二高，平均含量在40％左右。大麻二酚具有阻断某些多酚对人体神经系统的不利影响，并且具有阻断乳腺癌转移、治疗癫痫、抗类风湿关节炎、抗失眠等一系列生理活性功能，对大麻素类化合物大麻二酚进行检测是有必要的。
3.然而，目前的大麻二酚检测基本在专业实验室内进行，这种检测方法成本高、检测流程时间长，难以满足实际应用中对酚酞检测的时效性要求
4.碳黑(cb)又叫炭黑，是一种无定性碳，结构疏松、质地轻,呈黑色细粉状。炭黑具有优秀的电学性能和大的比表面积,其作为修饰材料帮助工作电极测定待测样品时，能够降低响应过电势、增大峰电流、降低检测限、提高选择性和灵敏度。可以有效降低化学物质氧化还原反应的过电位，改善分子的氧化还原可逆性,在电化学方面有很好的应用前景。
5.金属纳米材料是指空间尺寸至少要有一维要满足纳米级别的,或由这些纳米材料作为组成单元的金属材料。金属纳米粒子优于普通纳米颗粒，具有比表面积大、活性位点多、氧化还原活性好、导电性高等优点。在电分析化学领域，金属纳米颗粒被广泛用作功能纳米材料。尤其是贵金属纳米材料，具有优于一般纳米颗粒的特性，能提供大量的活性位点，更杰出的催化活性，良好的生物相容性，因此在电化学传感器领域应用前景好。


技术实现要素：

6.本发明的首要目的是提供一种基于炭黑纳米金复合材料电化学传感器，是将负载了纳米金颗粒的炭黑材料聚合到电极表面作为工作电极(即cb/aunps/gce)的三电极体系的电化学传感器。该传感器能进一步提高物质的检测灵敏度，能特异性用于大麻素类化合物大麻二酚的检测。
7.本发明的第二个目的是提供所述的基于炭黑纳米金复合材料电化学传感器的制备方法。将纳米金和炭黑的混合悬浮液滴涂在电极表面，干燥得到工作电极；或者将干燥后的电极置于brb-乙腈、pbs或者hac-naac的缓冲溶液中，在三电极体系下通过循环伏安进一步将炭黑纳米金聚合到电极表面制备三电极体系中的工作电极。
8.所述的制备方法，纳米金和炭黑材料在混合悬浮液中的比例1:1-5；纳米金和炭黑的混合悬浮液的溶剂包括：二甲基甲酰胺：水＝1:1的溶剂，二甲基甲酰胺，甲醇，乙醇，水或n,n-二甲基乙酰胺。
9.所述的制备方法，炭黑分散液的制备：称取炭黑加入溶剂中制备炭黑分散体，超声
处理，制得1.0-5.0mg/ml的炭黑分散液。
10.进一步的，炭黑分散液通过如下方法获得：将炭黑1mg加入二甲基甲酰胺(dmf)：水＝1:1的溶剂中制备炭黑分散体，在59hz下超声处理15min；制得1.0mg/ml的炭黑分散液。
11.所述的制备方法，纳米金的粒径大小1-100nm；优选采用柠檬酸钠还原法制备。
12.进一步的，纳米金颗粒的制备方法：将1.03ml的haucl4和98.97ml去离子水混合，然后将混合物加热到110℃。当温度达到110℃时，将10ml的1.45x10-2
m柠檬酸三钠快速注入沸腾溶液中。将混合物剧烈搅拌回流30分钟，反应溶液颜色由无色逐渐变为淡红色、淡紫色，最后变为酒红色。待颜色保持不变后，在室温下继续搅拌胶体溶液，直到溶液冷却。反应完成后，使用前将溶液储存在4℃备用。aunps的紫外-可见吸收峰(日本岛津紫外-2450分光光度计)约为522纳米。
13.进一步的，炭黑纳米金的悬浮液的配制方法优选为：称取2.0mg炭黑加入二甲基甲酰胺：水＝1:1的溶剂中制备炭黑分散体，移取纳米金1ml加入到炭黑分散液中超声搅拌直至形成均匀的悬浮液，得到炭黑纳米金的悬浮液；炭黑和纳米金的质量比为1:1，悬浮液中炭黑纳米金含量为1mg/ml。
14.更进一步地，电极上的炭黑纳米金的悬浮液滴涂量为8.0μl；将炭黑纳米金的悬浮液滴涂在玻碳电极表面，在红外灯下干燥；或者再将干燥后的电极置于伯瑞坦-罗宾森(磷酸、硼酸和醋酸)缓冲液：乙腈为5：2的缓冲溶液中,在三电极体系下通过循环伏安进一步将炭黑纳米金聚合到电极表面。
15.所述的制备方法，进一步优选：先将炭黑分散液滴涂在电极表面，干燥在电极表面留下一层炭黑膜，然后再将纳米金和炭黑的混合悬浮液滴涂在炭黑膜表面干燥。
16.所述的制备方法，在三电极体系下通过循环伏安进一步将炭黑纳米金聚合到电极表面。制备三电极体系中的工作电极的条件如下：电势范围：0～0.8v；扫描圈数：20圈；电解质：brb-乙腈缓冲液，ph＝3-9；优选ph＝5.0。
17.更进一步地，在麂皮上分别用0.3μm和0.05μm的a12o3粉末悬浮液对裸玻碳电极进行打磨3-5min，再将氧化铝粉抛光后的裸电极依次置于无水乙醇、超纯水中超声清洗各3min,再用二次蒸馏水淋洗,用氮气吹干。用移液枪准确移取8.0ul cb/aunps分散液滴涂在抛光的玻碳电极表面,在红外灯下烘干,得到cb/aunps电极。
18.本发明的第三个目的是提供所述的基于炭黑纳米金复合材料电化学传感器的应用方法，应用时，以负载了纳米金颗粒的炭黑材料聚合到电极表面作为工作电极，ag/agcl电极作为参比电极，铂电极作为辅助电极，采用lsv检测。
19.进一步地，将传感器置于电解质缓冲液中，进行检测；将氧化峰电流值记录下来，根据工作曲线，测得样品大麻二酚的浓度。
20.更进一步地，lsv的电压范围为0.2v至0.8v，电势宽度为4mv，幅度为50mv，脉冲宽度为0.06s，脉冲周期为0.5s；电聚合条件为：电势范围：0～0.8v；扫描圈数： 20圈；电解质：含有大麻二酚的brb-乙腈、pbs或者hac-naac的缓冲溶液，ph＝3-9，优选ph＝5.0。
21.本发明通过cv研究了在5.0mmol/l[fe(cn)6]
3-/4-探针溶液中不同修饰电极的电化学性能。表明电子转移良好。还原的氧炭黑烯具有良好的电子传输速率，其峰值电流将高于裸电极的峰值电流。同时，cb/gce的氧化还原峰值电流低于aunps/gce(aunps为纳米金，gce为玻碳电极)，这是因为cb(炭黑)由于π-π共轭而分布在石墨表面，并且由于该表面富含含
氧官能团基团具有吸收或损失电子的能力，这会阻碍电子的转移。只有同时添加cb和aunps才能协同提高电极的电子传输速率。由于cb和aunps之间的协同作用，cb/aunps/gce显示了优异的电化学性能，具有最高的峰值氧化还原电流。
[0022]
本发明对实验条件优化，缓冲溶液ph值的影响。ph是直接影响电化学反应的重要参数。研究了不同在ph环境中大麻二酚在cb/aunps/gce上的电化学响应。图7显示了在不同ph下20μmol/l大麻二酚的cv。随着ph值的增加，阳极峰沿负方向移动。ph 对大麻二酚响应峰值电流的影响如图7所示。在3.0到5.0的ph范围内，阳极峰值电流始终随ph值的增加而增加。当ph从5.0变为9.0时，阳极峰值电流逐渐降低。在ph ＝5.0时大麻二酚有最高响应阳极峰。此外，阳极峰值电势随ph值的增加而线性降低。
[0023]
为了进一步了解电化学氧化机理，如图8所示，使用cb/aunps/gce记录了各种扫描速率(v，mv/s)下20μmol/l大麻二酚的cv。图中绘制了不同扫描速率下的cv。从图中能看出，大麻二酚的氧化还原峰均随着扫描速率的增加而增加，但同时背景电流也增加了，这可能是因为高扫描速率会增加双层的充电电流。另外，随着扫描速率的增加，大麻二酚的阳极峰正向移动，而阴极峰负向移动。如图8,大麻二酚的阳极和阴极的峰值电流与 v 1/2
高度相关，表明大麻二酚的电氧化是扩散控制的过程。
[0024]
进一步的研究大麻二酚在不同修饰电极上的影响(见图4)，通过在brb缓冲液 (ph＝5.0)中的cv记录不同电极上20μmol/l大麻二酚的电化学响应。cb/aunps/gce纳米复合材料对大麻二酚的电化学氧化显示出显著的电催化能力。电催化金属颗粒的添加进一步提高了复合材料的电导率，并且还增加了炭黑的表面积并提高了电子传输速率。
[0025]
进一步的研究检测时富集电位和富集时间：富集电位分别为0.1v，富集时间120s。
[0026]
进一步探究cb/aunps/gce用于大麻二酚的测定，在最优实验条件下，采用lsv法测定一系列不同浓度的cbd标准溶液，因为它比cv具有更高的电流灵敏度和更好的分辨率。在上述选定的最佳实验条件下(在ph5.0的brb乙腈缓冲液中，扫速为50mv/s)，在0.2
‑ꢀ
0.8v电位区间内，采用lsv法进行测定。浓度范围为0.25μmol/l-50μmol/l。
[0027]
标准曲线的绘制：
[0028]
以cb/aunps/gce作为工作电极，铂电极作为辅助电极，ag/agcl作为参比电极，在三电极体系下通过lsv，在含不同浓度大麻二酚化合物的brb-乙腈缓冲液中检测大麻二酚的峰电流，建立大麻二酚的峰电流与浓的线性关系，得到相应的线性回归方程。
[0029]
基于本发明的炭黑纳米金复合材料电化学传感器，大麻二酚的检测范围为0.25μ mol/l-50μmol/l，最低检测限为0.09μm。
[0030]
综上所述，本发明具有以下有益效果：
[0031]
本发明以炭黑与金纳米颗粒为复合材料(cb/aunps)，炭黑具有优秀的电学性能和大的比表面积，其作为修饰材料帮助工作电极测定待测样品时，能够降低响应电势，增大峰电流，降低检测限，提高选择性和灵敏度。金纳米颗粒能够有效激活电催化过程，有较好的电催化活性，炭黑和金纳米颗粒结合使用是有效的。
[0032]
具体提供了高灵敏度的电化学传感器，采用传统的三电极体系，基于lsv测试电化学传感器的电化学性能。使用时以cb/aunps/gce作为工作电极，ag/agcl电极作为参比电极，铂电极作为辅助电极，组成传统三电极体系。基于大麻二酚的酚基的不可逆氧化，以待测大麻二酚作样品，通过lsv来测定待测大麻二酚峰电流；从而实现对大麻二酚的定量检
测，该传感器具有检测灵敏度高、特异性强，线性范围宽，使用方便等特点。
附图说明
[0033]
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：
[0034]
图1:cb/aunps透射电镜图。
[0035]
图2:炭黑纳米金材料的x射线衍射光谱图。
[0036]
图3:纳米金颗粒的紫外-可见吸收光谱图。
[0037]
图4:在含有20μmol/lcbd的brb-乙腈缓冲液(ph＝5.0)中，在扫描速率为50mv/s时不同修饰电极下的cv电流响应。
[0038]
图5:修饰电极对20μmol/l的cbd富集电位(a)和富集时间(b)的优化。
[0039]
图6:(a)在0.1mol/l kcl中的5mmol/l[fe(cn)6]
3-/4-(1：1)中，不同修饰电极的cv电流响应；(b)在0.1mol/l kcl中存在5mmol/l[fe(cn)6]
3-/4-(1：1)时用于 eis测量的不同电极的奈奎斯特图。
[0040]
图7:在20μmol/lcbd溶液在3-9的不同ph下记录的cv；
[0041]
(a)不同p h的底液对检测大麻二酚的循环伏安图(从右到左分别p h分别是3、4、 5、6、7、8、9)；
[0042]
(b)和(c)分别是不同ph的缓冲底液大麻二酚的电流值和氧化峰电位的关系曲线图。
[0043]
图8:(a)cv扫描速率对brb-乙腈缓冲液(ph5.0)中cb/aunps/gce的20μmol/l 大麻二酚的氧化还原峰值电流的影响；(b)还原峰电流的数值大小与扫速的平方根的线性关系图；(c)还原峰电位的大小与扫速速率对数的线性关系图。
[0044]
图9:cb/aunps/gce在brb-乙腈缓冲液(ph 5.0)中的lsv电流响应随着(a)大麻二酚浓度的增加，lsv电流与(b)大麻二酚浓度的校准曲线。
[0045]
图10:检测cbd时各种干扰物质对cb/aunps/gce的抑制程度。
具体实施方式
[0046]
以下结合实施例旨在进一步说明本发明，而非限制本发明。
[0047]
实施例1
[0048]
大麻二酚及其组分分析电化学传感器的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
[0049]
s1、炭黑分散液的制备：称取1.0mg炭黑加入二甲基甲酰胺(dmf)：水＝1:1中制备炭黑分散体，在59hz下超声处理15min。制得1.0mg/ml的炭黑分散液。用移液管将少量(8毫升)的分散液分三步移到玻碳电极的工作电极表面，每次2毫升。之后，允许溶剂挥发，并在电极表面留下一层炭黑“膜”(cb)。
[0050]
s2、金纳米颗粒aunps的制备：采用柠檬酸钠还原法将1.03ml24.28 mmol/l的 haucl4和98.97ml去离子水混合，然后将混合物加热到110℃。当温度达到110℃时，将10ml 1.45x10-2
m柠檬酸三钠快速注入沸腾溶液中。将混合物剧烈搅拌回流30分钟 (25℃)，反应溶液颜色由无色逐渐变为淡红色、淡紫色，最后变为酒红色。待颜色保持不变后，在室温下继续搅拌胶体溶液，直到溶液冷却。反应完成后，使用前将溶液储存在 4℃备用。aunps的紫
外-可见吸收峰(日本岛津紫外-2450分光光度计)约为522纳米。见附图3。
[0051]
s3、金纳米颗粒/炭黑修饰的复合材料电极的制备：准确称取2.0mg炭黑加入(二甲基甲酰胺(dmf)：水(1:1))中制备炭黑分散体，移取纳米金1ml加入到炭黑分散液中超声搅拌直至形成均匀的悬浮液，得到cb/aunps的悬浮液。
[0052]
s4:在麂皮上分别用0.3μm和0.05μm的a12o3粉末悬浮液对裸玻碳电极进行打磨3-5 min，再将氧化铝粉抛光后的裸电极进行超声处理，依次置于无水乙醇、超纯水中超声清洗各3min,再用二次蒸馏水淋洗,用氮气吹干。用移液枪准确移取8.0ul cb/aunps分散液滴涂在抛光的玻碳电极表面,在红外灯下烘干,得到cb/aunps电极。
[0053]
图1为炭黑纳米金复合材料的透射电镜图，可知金纳米颗粒成功制备并与炭黑均匀修饰在电极表面，炭黑纳米金复合材料电极修饰成功。通过xrd数据分析，能看到在38
°
有一个明显的不定形碳的强衍射峰，与透射电镜结果一致(图2)，证明了金纳米颗粒的引入与炭黑复合成功，这更有利于提高电子转移过程中的导电性。
[0054]
对制备的金纳米颗粒的紫外-可见吸收光谱如图3所示，aunps的吸收光谱在522nm处有一个明显的吸收峰。
[0055]
将构建好的炭黑/纳米金电化学传感器置于含待测样品brb-乙腈缓冲液中，进行循环伏安(cv)检测，分别用gce,cb/gce,aunps/gce和cb/aunps/gce检测，可知复合材料的电流响应最大。见附图4。
[0056]
进一步的研究检测时的富集电位和富集时间。富集电位分别为0.1v，富集时间120s。见附图5。
[0057]
通过cv研究了在5.0mmol/l[fe(cn)6]
3-/4-探针溶液中不同修饰电极的电化学性能。图6所示为相应的cv曲线。可以看到裸电级，炭黑，金纳米颗粒，炭黑纳米金复合电极，复合材料的峰电流响应最高。再通过eis表征相应的界面电阻，证明结果准确性。
[0058]
在brb-乙腈缓冲液中调节ph3.0-9.0，待使用。
[0059]
研究了在不同ph环境中cbd的电化学响应。图7显示了在不同ph下20μmol/l cbd 的cv。如图7a所示，随着ph值的增加，cbd的阳极峰沿负方向移动。在3.0到5.0的ph 范围内，阳极峰值电流始终随ph值的增加而增加。当ph从5.0变为9.0时，阳极峰值电流逐渐降低。在ph＝5.0时cbd有最高响应阳极峰。最优ph为5.0。
[0060]
为了进一步了解电化学氧化机理，如图8所示，使用cb/aunps/gce记录了各种扫描速率(v，mv/s)下20μmol/l cbd的cv。图中绘制了不同扫描速率下的cv。从图8a中能看出，cbd的氧化还原峰均随着扫描速率的增加而增加，且背景电流也增加了，这可能是因为高扫描速率会增加双层的充电电流。另外，随着扫描速率的增加，cbd的阳极峰正向移动，而阴极峰负向移动。如图8b，cbd的阳极峰值电流与v
1/2
高度相关，表明cbd的电氧化是扩散控制的过程。线性回归方程如下：ipa(μa)＝1.7963v
1/2
(mv/s)-7.5497 (r2＝0.9919)。
[0061]
进一步探究cb/aunps/gce用于大麻二酚的测定，在最优实验条件下，采用lsv法测定一系列不同浓度的大麻二酚(cbd)标准溶液，因为它比cv具有更高的电流灵敏度和更好的分辨率。在上述选定的最佳实验条件下(在ph5.0的brb乙腈缓冲液中，扫速为50mv/s)，在0.2-0.8v电位区间内，电势宽度为4mv，幅度为50mv，脉冲宽度为0.06 s，脉冲周期为0.5s；电聚合条件为：电势范围：0～0.8v；扫描圈数：20圈；浓度范围为0.25μmol/l-50μmol/l。附图9。
[0062]
根据峰电流和浓度的关系，绘制标准曲线。线性方程为：ipa(μa)＝ 0.4164c
cbd
(μmol/l) 0.8267,r2＝0.99。
[0063]
重复性测试：为了研究cb/aunps/gce的稳定性和重现性，在brb-乙腈缓冲液(ph 5.0)中以固定浓度20μmol/l cbd分别测定了五个独立制造的电极，并记录了相应的电流。结果表明，修饰电极具有良好的稳定性和重复性，相对标准偏差分别为1.73％。除此之外，本发明还研究了制备不同批次复合材料去修饰电极，得到的数据具有较好的重现性。
[0064]
抗干扰性测试：通过分别添加有机化合物(0.1mmol/l苯酚、0.1mmol/l间苯二酚、 0.1mmol/l邻苯二酚、0.1mmol/l对苯二酚或0.1mmol/l对乙酰氨基苯酚)或无机离子 (1mmol/l cucl2、0.1mmol/l mnso4、0.1mmol/l fecl3或0.1mmol/l hclo)来研究电极的抗干扰性。如图10所示，与20μmol/l cbd的电流响应相比，都没有显示出明显的干扰信号，上述研究结果证实了所开发的电极对cbd分子具有优异的选择性。