检测溶液中亚硝酸根离子浓度的方法与流程

本发明涉及亚硝酸根离子检测技术领域。更具体地说，本发明涉及一种基于羧基化石墨烯/聚吡咯/壳聚糖修饰的玻碳电极电化学传感利用示差脉冲伏安法检测溶液中亚硝酸根离子浓度的方法。

背景技术：

亚硝酸盐是一种被认可的广泛存在于环境、食品、工业和生理系统中的无机污染物,且在食品保鲜中应用广泛。然而，相关的研究表明，摄入过多的亚硝酸盐对人类和动物都是有害的。例如，亚硝酸盐在胃里转化为致癌的亚硝胺，它与血红蛋白不可逆反应产生一种化合物(高铁血红蛋白)可以减少血液运输氧的能力。世界卫生组织(WHO)已明确规定,原水中的亚硝酸盐的含量不能超过3mg/L。因此，探究如何简单而有效的测定亚硝酸根对环境，公共卫生和食品安全等具有十分重要的意义。到目前为止，已研制出许多方法来测定亚硝酸根。例如，分光光度法、离子色谱法、气相色谱-光谱法、高效液相色谱法、化学发光法、毛细管电泳和电化学方法，其中电化学方法由于具有快速、简便、灵敏等优点是目前比较常用的一种方法。虽然亚硝酸根直接在玻碳电极上有电化学响应，但是其氧化还原过电位较大，亚硝酸的氧化生成的中间产物可能污染电极表面，其他离子很容易干扰其测定，降低电极的灵敏度和使用的准确性。为了克服这些困难,一些新颖的、表面积大的以及催化活性优良的纳米材料，如聚四氨基镍酞菁、金纳米粒子/聚甲基噻吩(3-methylthiophene)复合材料、聚香草醛-碳纳米管、纳米铜、聚吡咯-亚铁氰化钾-碳纳米管等电极可以大大提高对亚硝酸根的检测的选择性和灵敏度。因此探索新型的修饰电极，建立简单、快速且灵敏度高的亚硝酸根离子检测方法逐渐成为研究重点。

羧基化石墨烯(CG)是石墨烯表面接基功能化后的产物，不仅具有石墨烯的优良特性，而且CG边缘碳原子上大量的羧基与羰基使CG很容易分散在水中，这些含氧官能团同时使CG可与聚合物或小极性分子产生强烈相互作用形成羧基化石墨烯基复合材料。

聚吡咯(PPy)是典型的导电聚合物，具有完全可逆的电化学氧化还原性和较高的室温电导率，储存电荷能力较强，不需要强酸强碱环境，电聚合电位低，空气稳定性好，机械耐受性良好，生物相容性高，成本较低，导电性，光电性，热电性较好等优点，是一种总体性能理想的导电高聚物。

壳聚糖(CS)是甲壳素脱去部分乙酰基后的产物，是一种重要的天然高分子材料。利用壳聚糖分子中氨基易于质子化的特性，制备复合膜材料。

技术实现要素：

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种检测溶液中亚硝酸根离子浓度的方法，具有操作简单、检测快速且灵敏度高的优点，能进行混合样品溶液中亚硝酸根离子的高灵敏识别。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种检测溶液中亚硝酸根离子浓度的方法，包括以下步骤：

步骤一、将质量/体积比为0.8～1.2mg:4mL的羧基化石墨烯与吡咯聚合，形成羧基化石墨烯-聚吡咯，以3～5mg:1mL的质量/体积比将羧基化石墨烯-聚吡咯溶于质量分数为0.5wt％壳聚糖溶液中，超声得到羧基化石墨烯-聚吡咯-壳聚糖混合液，滴定到玻碳电极上，烘干得到羧基化石墨烯/聚吡咯/壳聚糖修饰电极；

步骤二、采用步骤一制备的羧基化石墨烯/聚吡咯/壳聚糖修饰电极为工作电极，根据亚硝酸根离子的示差脉冲伏安曲线，使用三电极体系通过示差脉冲伏安法对待测溶液中的亚硝酸根离子的浓度进行检测。

优选的是，所述的检测溶液中亚硝酸根离子浓度的方法，步骤一具体为：

S1：将0.8～1.2mg羧基化石墨烯与4mL吡咯混合后浸泡于乙醇溶液中，然后加入0.08～0.12mol/L的氯化铁溶液，使聚吡咯聚合在羧基化石墨烯的表面，室温下搅拌50～70min，加入去离子水，高度离心并重复多次，直至上层清液澄清且pH显中性，分离得到下层沉淀，于55～65℃真空干燥，得羧基化石墨烯-聚吡咯；

S2：将3～5mg羧基化石墨烯-聚吡咯溶于0.8～1.2mL质量分数为0.5wt％壳聚糖溶液中，超声50～70min，得到羧基化石墨烯-聚吡咯-壳聚糖混合液；

S3：取3～5μL羧基化石墨烯-聚吡咯-壳聚糖混合液滴定到玻碳电极上，烘干得到羧基化石墨烯/聚吡咯/壳聚糖修饰电极。

优选的是，所述的检测溶液中亚硝酸根离子浓度的方法，步骤二中亚硝酸根离子的示差脉冲伏安曲线的获得通过以下步骤：

步骤I：采用所述工作电极搭建三电极体系，利用示差脉冲伏安法，分别测量并记录多份含有不同浓度的亚硝酸根离子的醋酸-醋酸钠缓冲溶液的示差脉冲伏安曲线，在此过程中记录每份亚硝酸根离子的醋酸-醋酸钠缓冲溶液的电流强度峰值；

步骤II：以步骤I得到的每份含亚硝酸根离子的醋酸-醋酸钠缓冲溶液的电流强度峰值与不含亚硝酸根离子的醋酸-醋酸钠缓冲溶液的电流强度峰值的差值作为纵坐标，以每份亚硝酸根离子的浓度为横坐标，绘制标准曲线并计算线性方程。

优选的是，所述的检测溶液中亚硝酸根离子浓度的方法，使用三电极体系通过示差脉冲伏安法对待测溶液中的亚硝酸根离子的浓度进行检测的具体方式为：按照步骤II测量并记录待检测溶液的示差脉冲伏安曲线，并将该示差脉冲伏安曲线的电流强度峰值与不含亚硝酸根离子的醋酸-醋酸钠缓冲溶液的电流强度峰值的差值代入到所述线性方程中，即可得到待检测溶液中亚硝酸根离子的浓度。

优选的是，所述的检测溶液中亚硝酸根离子浓度的方法，步骤I中配制的多份含有不同浓度的亚硝酸根离子的醋酸-醋酸钠缓冲溶液，醋酸-醋酸钠缓冲溶液的pH均为4.0，其浓度均为0.1mol/L，亚硝酸根离子浓度依次为2.0×10^-5mol/L、5×10^-5mol/L、1×10^-4mol/L、2×10^-4mol/L、5×10^-4mol/L、1×10^-3mol/L。

优选的是，所述的检测溶液中亚硝酸根离子浓度的方法，所述玻碳电极经过预处理：将玻碳电极在抛光布上依次用粒度为1.0μm、0.3μm和0.05μm的抛光粉打磨，然后用超纯水清洗。

优选的是，所述的检测溶液中亚硝酸根离子浓度的方法，所述玻碳电极在用超纯水清洗之后还进行了活化处理：将所述玻碳电极先浸泡于0～4℃的柠檬酸溶液中，微波处理3～5min，用超纯水清洗，然后将所述玻碳电极浸泡于酵母粉的溶液中，并向溶液中导入二氧化碳，导入量为1L/min，红外照射保持温度为20～25℃，保持3～5h，然后用超纯水清洗。

优选的是，所述的检测溶液中亚硝酸根离子浓度的方法，S2得到羧基化石墨烯-聚吡咯-壳聚糖混合液之后，在进行S3之前，加入N-甲基吡咯烷酮并搅拌20～30min，再进行超声处理40～50min，N-甲基吡咯烷酮的加入量为羧基化石墨烯质量的2％～4％。

优选的是，所述的检测溶液中亚硝酸根离子浓度的方法，S1中羧基化石墨烯与吡咯浸泡于乙醇溶液中，加入氯化铁溶液之前，向乙醇溶液中加入了0.1mg的姜黄素。

本发明至少包括以下有益效果：

第一、本发明制备的羧基化石墨烯/聚吡咯/壳聚糖修饰电极具有电子传递速率快、稳定性好、制备简单、操作方便的优点，采用本发明制备的羧基化石墨烯/聚吡咯/壳聚糖修饰电极进行亚硝酸根离子的检测，检测过程简单方便、灵敏度高、检测限低，可实现实际样品中亚硝酸根离子的快速检测；

第二、从示差脉冲伏安曲线中可得知待检测溶液对应的电流强度随亚硝酸根离子的浓度的增加而增强，且电流强度与亚硝酸根离子浓度有良好的线性关系，因此，羧基化石墨烯/聚吡咯/壳聚糖修饰电极可以作为检测亚硝酸根离子的电极，快速并定量检测溶液中亚硝酸根离子的含量，对亚硝酸根离子的检测限可达到2.9×10-⁷mol/L；

第三、羧基化石墨烯与吡咯聚合过程加入了姜黄素，修饰方法简单，且得到的聚合物制备电极稳定性更佳、再现性能高；羧基化石墨烯-聚吡咯-壳聚糖混合液通过极少量的N-甲基吡咯烷酮对电极的修饰，大大提高了电极的电化学信号强度，过电位小、电子传输速度快，灵敏度高；玻碳电极依次浸泡于柠檬酸溶液、酵母粉溶液中，并导入二氧化碳，促进电子转移、增加电流响应，经过1000次循环使用后仍具有好的电化学稳定性。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为含有不同浓度的亚硝酸根离子的醋酸-醋酸钠缓冲溶液的示差脉冲伏安曲线图；

图2为本发明的实施例4中亚硝酸根离子的标准曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

<实施例1>

一种羧基化石墨烯/聚吡咯/壳聚糖修饰电极，制备方法包括以下步骤：

S1：将0.8mg羧基化石墨烯与4mL吡咯混合后浸泡于乙醇溶液中，然后加入0.08mol/L的氯化铁溶液，使聚吡咯聚合在羧基化石墨烯的表面，室温下搅拌50min，加入去离子水，高度离心并重复多次，直至上层清液澄清且pH显中性，分离得到下层沉淀，于55℃真空干燥，得羧基化石墨烯-聚吡咯；

S2：将3mg羧基化石墨烯-聚吡咯溶于0.8mL质量分数为0.5wt％壳聚糖溶液中，超声50min，得到羧基化石墨烯-聚吡咯-壳聚糖混合液；

S3：取3μL羧基化石墨烯-聚吡咯-壳聚糖混合液滴定到玻碳电极上，烘干得到羧基化石墨烯/聚吡咯/壳聚糖修饰电极。

其中，所述玻碳电极经过预处理：将玻碳电极在抛光布上依次用粒度为1.0μm、0.3μm和0.05μm的抛光粉打磨，然后用超纯水清洗。

<实施例2>

一种羧基化石墨烯/聚吡咯/壳聚糖修饰电极，制备方法包括以下步骤：

S1：将1.2mg羧基化石墨烯与4mL吡咯混合后浸泡于乙醇溶液中，然后加入0.12mol/L的氯化铁溶液，使聚吡咯聚合在羧基化石墨烯的表面，室温下搅拌70min，加入去离子水，高度离心并重复多次，直至上层清液澄清且pH显中性，分离得到下层沉淀，于65℃真空干燥，得羧基化石墨烯-聚吡咯；

S2：将5mg羧基化石墨烯-聚吡咯溶于1.2mL质量分数为0.5wt％壳聚糖溶液中，超声70min，得到羧基化石墨烯-聚吡咯-壳聚糖混合液；

S3：取5μL羧基化石墨烯-聚吡咯-壳聚糖混合液滴定到玻碳电极上，烘干得到羧基化石墨烯/聚吡咯/壳聚糖修饰电极。

其中，所述玻碳电极经过预处理：将玻碳电极在抛光布上依次用粒度为1.0μm、0.3μm和0.05μm的抛光粉打磨，然后用超纯水清洗。

<实施例3>

一种羧基化石墨烯/聚吡咯/壳聚糖修饰电极，制备方法包括以下步骤：

S1：将1.0mg羧基化石墨烯与4mL吡咯混合后浸泡于乙醇溶液中，然后加入0.1mol/L的氯化铁溶液，使聚吡咯聚合在羧基化石墨烯的表面，室温下搅拌60min，加入去离子水，高度离心并重复多次，直至上层清液澄清且pH显中性，分离得到下层沉淀，于60℃真空干燥，得羧基化石墨烯-聚吡咯；

S2：将4mg羧基化石墨烯-聚吡咯溶于1mL质量分数为0.5wt％壳聚糖溶液中，超声60min，得到羧基化石墨烯-聚吡咯-壳聚糖混合液；

S3：取4μL羧基化石墨烯-聚吡咯-壳聚糖混合液滴定到玻碳电极上，烘干得到羧基化石墨烯/聚吡咯/壳聚糖修饰电极。

其中，所述玻碳电极经过预处理：将玻碳电极在抛光布上依次用粒度为1.0μm、0.3μm和0.05μm的抛光粉打磨，然后用超纯水清洗。

<实施例4>

一种羧基化石墨烯/聚吡咯/壳聚糖修饰电极，原料及制备方法同实施例3，其中，

S1中羧基化石墨烯与吡咯浸泡于乙醇溶液中，加入氯化铁溶液之前，向乙醇溶液中加入了0.1mg的姜黄素。

S2得到羧基化石墨烯-聚吡咯-壳聚糖混合液之后，在进行S3之前，加入N-甲基吡咯烷酮并搅拌25min，再进行超声处理45min，N-甲基吡咯烷酮的加入量为羧基化石墨烯质量的3％。

S3所述玻碳电极在用超纯水清洗之后还进行了活化处理：将所述玻碳电极先浸泡于2℃的柠檬酸溶液中，微波处理4min，用超纯水清洗，然后将所述玻碳电极浸泡于酵母粉的溶液中，并向溶液中导入二氧化碳，导入量为1L/min，红外照射保持温度为25℃，保持4h，然后用超纯水清洗。

测定方法：

步骤I：配制的多份含有不同浓度的亚硝酸根离子的醋酸-醋酸钠缓冲溶液，醋酸-醋酸钠缓冲溶液的pH均为4.0，其浓度均为0.1mol/L，亚硝酸根离子浓度依次为2.0×10^-5mol/L、5×10^-5mol/L、1×10^-4mol/L、2×10^-4mol/L、5×10^-4mol/L、1×10^-3mol/L，采用实施例4制备的羧基化石墨烯/聚吡咯/壳聚糖修饰电极为工作电极搭建三电极体系，将实施例4得到的工作电极、参比电极和辅助电极分别固定在上述标准溶液中，设定初始电位为0.5V，终止电位为0.8V，然后设置如下脉冲参数：电位增量为0.004V，方波频率为50Hz，方波幅度为0.05V，等待时间为10s。利用示差脉冲伏安法，分别测量并记录多份含有不同浓度的亚硝酸根离子的醋酸-醋酸钠缓冲溶液的示差脉冲伏安曲线，在此过程中记录每份亚硝酸根离子的醋酸-醋酸钠缓冲溶液的电流强度峰值；

步骤II：以步骤I得到的每份含亚硝酸根离子的醋酸-醋酸钠缓冲溶液的电流强度峰值与不含亚硝酸根离子的醋酸-醋酸钠缓冲溶液的电流强度峰值的差值作为纵坐标，以每份亚硝酸根离子的浓度为横坐标，绘制标准曲线并计算线性方程。

如图1为示差脉冲伏安曲线，其中曲线a、b、c、d、e、f分别为亚硝酸根离子的标准液浓度为2.0×10^-5mol/L、5.0×10^-5mol/L、1.0×10^-4mol/L、2.0×10^-4mol/L、5.0×10^-4mol/L和1.0×10^-3mol/L的标准溶液的示差脉冲伏安曲线。用2.0×10^-5mol/L、5.0×10^-5mol/L、1.0×10^-4mol/L、2.0×10^-4mol/L、5.0×10^-4mol/L和1.0×10^-3mol/L的标准溶液的电流强度峰值分别减去0mol/L标准溶液的峰值电流，得到四个电流强度峰值差值。从图1可得知待测溶液对应的电流强度随亚硝酸根离子的浓度的增加而增强。

图2为亚硝酸根离子的标准曲线图，图中Y为电流强度峰值差值，单位为μA，X为亚硝酸根离子的标准液浓度，单位为μM，电流强度与亚硝酸根离子浓度有良好的线性关系，R²＝0.9966。

步骤III：按照步骤II测量并记录待检测溶液的示差脉冲伏安曲线，并将该示差脉冲伏安曲线的电流强度峰值与不含亚硝酸根离子的醋酸-醋酸钠缓冲溶液的电流强度峰值的差值代入到所述线性方程中，从示差脉冲伏安曲线读出电流强度峰值减去0mol/L标准溶液的电流强度峰值，即得到Y值，将Y带入线性方程即可解出X，即可得到待检测溶液中亚硝酸根离子的浓度。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。