硒化锌量子点‑黄原胶纳米复合材料、检测Cd2+和/或Cu2+的电极及检测方法与流程

本发明属于电化学分析检测技术领域，涉及硒化锌量子点-黄原胶纳米复合材料、检测Cd²⁺和/或Cu²⁺的电极及检测方法。

背景技术：

随着工业的高速发展，大量工业化生产产生的重金属污染对人类社会、生存环境带来了不可忽视的危害和负面影响。其中镉、铜等离子对环境污染以及人类健康的危害尤为严重。这些金属离子很容易富集在生物组织及器官中，对人体及器官造成永久性伤害。因此，如何快速准确且定性定量的检测出环境中含有的各种重金属离子成为目前亟待解决的一个主要问题。目前，比较成熟的传统的检测金属离子的方法主要有气相色谱法、原子吸收光谱法、高效液相色谱法及电感耦合等离子体原子发射光谱分析法。这些方法虽然具有分离效率高、选择性好、应用范围广等优点，但是具有耗时耗力、操作繁琐及日常维护成本高等不可克服的缺点。因此实现，快速、准确、现场检测痕量镉离子和铜离子对生态环境以及人类健康意义重大。实现高灵敏度、低检测限检测的关键在于工作电极的修饰材料。电极修饰材料应具有电子传输快、电化学活性面积大、良好稳定性等特点。目前广泛应用的电极修饰材料由纳米金属及金属氧化物、石墨烯等纳米材料，上述修饰材料或存在分散性差、修饰后易聚集或导电性不高等问题。因此，有必要研发新型的电极修饰材料，以提高电化学检测重金属离子的灵敏度和稳定性。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供硒化锌量子点-黄原胶纳米复合材料、检测Cd²⁺和/或Cu²⁺的电极及检测Cd²⁺和/或Cu²⁺的方法。将硒化锌量子点-黄原胶纳米复合材料修饰于玻碳电极后，结合多壁碳纳米管能够高效的实现同时或分别检测Cd²⁺和Cu²⁺离子。

为了达到以上目的，本发明的技术方案是：

一种硒化锌量子点-黄原胶纳米复合材料修饰电极的制备及应用于痕量重金属离子的电化学检测方法，包括以下步骤：

a、制备硒化锌量子点(ZnSe QDs)：将NaBH₄与Se粉溶于蒸馏水中，完全溶解后得到NaHSe溶液；取Zn(Ac)₂溶液加入还原型谷胱甘肽(GSH)得到Zn的前驱体溶液；将Zn的前驱体溶液与NaHSe溶液混合，油浴80-100℃回流1-2小时，得到无色透明溶液，即为制备好的硒化锌量子点溶液。

b、制备硒化锌量子点-黄原胶(ZnSe-XG)纳米复合材料：配制浓度为0.2-0.6mg/mL的黄原胶溶液，将一定体积黄原胶溶液加入量子点溶液后，超声分散，得到硒化锌量子点-黄原胶纳米复合材料溶液。

c、制备硒化锌量子点-黄原胶纳米复合材料修饰电极：首先，将多壁碳纳米管(MWCNT)溶于N,N二甲基甲酰胺中，超声分散配成浓度为0.5-4mg/mL的悬浮液，并取10μL悬浮液滴涂于玻碳(GC)电极表面，烘箱中干燥30min，得到MWCNT/GC电极；然后，取20μL步骤b中硒化锌量子点-黄原胶纳米复合材料溶液滴涂于MWCNT/GC电极表面，室温下干燥12小时。

d、电化学法对Cd²⁺和Cu²⁺进行同时和分别检测：本实验采用线性扫描伏安法测定水中Cd²⁺和Cu²⁺。实验采用三电极体系，其中工作电极为硒化锌量子点-黄原胶纳米复合材料修饰的MWCNT/GC电极，银/氯化银和铂丝作为参比电极和对电极。将硒化锌量子点-黄原胶纳米复合材料修饰的MWCNT/GC电极置于含有金属离子的待检测溶液中，搅拌富集一段时间，之后将此电极去离子水冲洗后置于pH为6的PBS缓冲溶液中，使用线性扫描伏安法对Cd²⁺或Cu²⁺的溶出峰电流进行记录。

在上述方案的基础上，步骤a中Zn的前驱体溶液：谷胱甘肽：NaHSe的摩尔比为1:1-1.4:0.3-0.5。

在上述方案的基础上，步骤b中黄原胶的浓度为0.01-0.115mg/mL，量子点的浓度为0.411-0.576mg/mL。

本发明所述一种硒化锌量子点-黄原胶纳米复合材料修饰电极的制备及应用于痕量重金属离子的电化学检测方法，步骤d中PBS缓冲溶液的浓度为0.025-0.2mol/L，体积为10mL；在工作电极上加载正向扫描电压，扫描范围是-1.0V到0-0.5V，扫描速度是25-300mV/s，修饰电极在Cd²⁺和/或Cu²⁺离子pH为8的PBS缓冲溶液中的富集时间为1-15min；使用线性扫描伏安法进行检测的静止时间为0-5min。

本发明的有益效果是：

电化学方法是实现在线、快速检测痕量重金属离子的一类有效手段。其中，线性扫描伏安法以其操作简单、高灵敏度等特性而被广泛应用。

实现高灵敏度、低检测限检测的关键在于工作电极的修饰材料。硒化锌量子点作为一种新型的半导体材料，具有优异的发光性能、耐光漂白性、良好的生物相容性、无毒(低毒)，多应用于光伏器件、细胞成像等领域。作为电极修饰材料，由于具有较大的比表面积，修饰后的电极有效表面积显著增加，在测定时可有效的提高检测灵敏度。同时修饰电极上的量子点也可以起到提高待测物与电极之间的电子传递速率，在一定程度上提高该电化学传感器的电极响应速率。因此，在电化学领域中量子点作为一种良好的电催化材料用于修饰电极的应用取得了长足的进步。同时，水相硒化锌量子点具有良好的水溶性，作为电极修饰材料通常需要稳定剂将其固定在电极表面。目前，广泛使用的电极修饰剂或稳定剂材料如壳聚糖、nafion等都对金属离子都有一定的电化学响应，在电化学检测过程中对电化学信号产生干扰，因此不能作为电极修饰材料的稳定剂。黄原胶是一种重要的天然生物多糖大分子，可以溶于冷水和热水中，具有高粘度,高耐酸、碱、盐特性、高耐热稳定性、悬浮性和触变性等,常被用作增稠剂、乳化剂、悬浮剂和稳定剂等。黄原胶的独特性质在于每隔一个单元上存在的由甘露糖醋酸盐、终端甘露糖单元以及两者之间的一个葡萄糖醛酸盐组成的三糖侧链。侧链上的葡萄糖醛酸和丙酮酸群赋予了黄原胶负电荷，且其负电荷密度随溶液pH值的增加而增加。作为一种天然安全的食品用添加剂，广泛应用于食品工业和日用化妆品行业，到目前为止，黄原胶作为电极稳定材料或修饰材料还没有相关的报道。由于黄原胶分子链含有大量-OH基团和少量-COOH基团，它可以通过界面介导的疏水相互作用与量子点和碳纳米管结合。分子重排和胶凝化作用形成的ZnSe-XG纳米复合物有利于实现在较低浓度下对金属离子的稳定吸附和检测。因此，将硒化锌量子点与黄原胶结合修饰于玻碳电极表面，避免了常用稳定剂(壳聚糖或nafion等)对电化学检测产生的干扰，且增加硒化锌量子点在电极表面的稳定性，从而提高修饰电极检测金属离子的稳定性，检出能力和循环使用性能。

硒化锌量子点-黄原胶纳米复合材料修饰电极的制备方法简便易行，制备过程环保无污染，这种复合材料修饰的电极对金属离子的检出效率高，时间短，操作简便，修饰电极的稳定性、可重复性及循环使用性得到大幅提升，开辟了量子点在电化学重金属离子检测领域的新应用。

附图说明

附图1硒化锌量子点-黄原胶纳米复合材料修饰电极的SEM照片；

附图2在同一镉浓度下，不同材料修饰电极检测镉离子的线性扫描伏安图；

附图3(a)ZnSe/GC，(b)ZnSe/MWCNT/GC和(c)ZnSe-XG/MWCNT/GC电极在Cd(II)存在下测试不同次数后的线性扫描伏安图，其扫描速率为50mV/s；

附图4硒化锌量子点-黄原胶纳米复合材料修饰电极检测不同浓度镉离子的峰电流-浓度工作曲线；

附图5为当镉离子浓度为1.12mg·L^-1，改性ZnSe-XG/MWCNT/GC电极在的各种干扰离子(浓度10μM)存在时的线性扫描伏安图，扫描速率为50mV/s；

附图6不同材料修饰电极检测铜离子的线性扫描伏安图；

附图7硒化锌量子点-黄原胶纳米复合材料修饰电极检测不同浓度铜离子的峰电流-浓度工作曲线；

附图8硒化锌量子点-黄原胶纳米复合材料修饰电极在Cd²⁺和Cu²⁺离子共同存在时的线性扫描伏安图。

具体实施方式

在本发明中所使用的术语，除非有另外说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义。

下面结合具体实施例，并参照数据进一步详细的描述本发明。以下实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。

实施例1：

(1)ZnSe量子点溶液的制备：在氮气保护下，将0.01g NaBH₄与0.0061g Se粉溶于2mL蒸馏水中，加热至40℃，完全溶解后得到NaHSe溶液；取0.0439g Zn(Ac)₂溶入20mL蒸馏水中，待其完全溶解后加入还原型谷胱甘肽0.0737g，用1mol/L的NaOH溶液调节pH为11.5，得到Zn的前驱体溶液；将Zn的前驱体转入三口瓶中，在氮气保护下迅速注入NaHSe溶液，油浴100℃回流，磁力搅拌1h后取出放入冰箱中快速冷却至室温，得到无色透明溶液，即为制备好的ZnSe QDs溶液。

(2)配制浓度为0.4mg/mL的黄原胶溶液，将100μL黄原胶溶液加入1mL量子点溶液后，超声分散，得到硒化锌量子点-黄原胶纳米复合材料溶液。

(3)制备硒化锌量子点-黄原胶纳米复合材料修饰电极：首先，将多壁碳纳米管(MWCNT)溶于N,N二甲基甲酰胺中，超声分散配成浓度为1mg/mL的悬浮液，并取10μL悬浮液滴涂于玻碳(GC)电极表面，烘箱中干燥30min，得到MWCNT/GC电极；然后，取20μL步骤(2)中硒化锌量子点-黄原胶纳米复合材料溶液滴涂于MWCNT/GC电极表面，室温下干燥12小时。附图1为硒化锌量子点-黄原胶纳米复合材料修饰电极的SEM照片。从图中可以看出：多壁碳纳米管随机排列，平均长度为0.5μm，直径为50nm。在ZnSe-XG复合物沉积在多壁碳纳米管膜上之后，在改性的多壁碳纳米管管状结构外壁上出现深色斑点是因为在SEM扫描期间量子点容易被电离，同时，由于量子点的尺寸相对较小，单个量子点颗粒很难被观察到。

(4)本实验采用线性扫描伏安法测定水中Cd²⁺。实验采用三电极体系，其中工作电极为硒化锌量子点-黄原胶纳米复合材料修饰的MWCNT/GC电极，银/氯化银和铂丝作为参比电极和对电极。将硒化锌量子点-黄原胶纳米复合材料修饰的MWCNT/GC电极置于含有不同浓度的(0.336-5.6mg/L)Cd²⁺离子pH为8的PBS缓冲溶液中，搅拌富集10min，之后将此电极去离子水冲洗后置于pH为6、0.05mol/L的PBS缓冲液中，使用LSV加载正向扫描电压，扫描范围是-1.0V-0V，扫描速度是50mV/s，静止时间为3min对Cd²⁺的溶出峰电流进行记录。

附图2为不同材料修饰电极检测镉离子的线性扫描伏安图；通过研究不同电极修饰材料对Cd(II)的电化学行为。与裸玻碳(GC)电极相比，MWCNT/GC，GSH/MWCNT/GC和XG/MWCNT/GC对Cd(II)的氧化还原过程没有明显的电催化作用。ZnSe和ZnSe/MWCNT改性的玻碳电极不太敏感，并且显示弱的氧化峰，其峰电流分别为2.84和8.5μA，而ZnSe-XG/MWCNT改性的玻碳电极其氧化峰电流明显增加(22.6μA)，这可能是由于量子点在水中具有高的溶解度，在检测期间，ZnSe和ZnSe/MWCNT改性的玻碳电极(GC)电极表面损失部分ZnSe量子点引起的。ZnSe-XG纳米复合物在多壁碳纳米管(MWCNT)表面的附着，由于黄原胶(XG)的存在显著提高了ZnSe量子点在电极表面的稳定性，从而显著提高了ZnSe量子点对Cd(II)氧化还原的电催化活性，此外，黄原胶对Cd(II)的检测没有显示出明显的抑制作用，因此，得到的ZnSe-XG/MWCNT/GC电极对Cd(II)离子的电化学响应最强。

附图3为(a)ZnSe/GC，(b)ZnSe/MWCNT/GC和(c)ZnSe-XG/MWCNT/GC电极在Cd(II)存在下测试不同次数后的线性扫描伏安图。通过重复测量不同电极的检测次数来研究各种电极的稳定性。经简单的洗涤步骤，ZnSe-XG/MWCNT改性玻碳电极可以重复使用几次。相比之下，ZnSe/GC和ZnSe/MWCNT/GC电极对镉离子的检测再现性较差，因为在第一次扫描周期后,观察到显著的信号下降(降低范围分别是95％和98％)，而ZnSe-XG/MWCNT/GC的电化学信号响应在5次检测后仍是稳定的，说明该修饰电极具有良好的稳定性、可重复性及循环使用性能。

附图4为硒化锌量子点-黄原胶纳米复合材料修饰电极检测不同浓度镉离子的峰电流-浓度工作曲线，拟合的两段线性关系式是：y＝22.257x-4.007(R²＝0.9973)和y＝7.482x+19.283(R²＝0.9963)，对于曲线的两个线性部分，其灵敏度分别为22.257和7.482μA·mg^-1·L^-1。同时，基于3倍噪声，本发明的修饰电极对镉离子的检测限为6.11μg/L。这些结果表明，改性电极对镉离子具有高的检测灵敏度。本技术与各种其它改性电极的比较总结在表1中，表中显示出我们的ZnSe-XG/MWCNT/GC改性电极具有优异的检测性能，其检出限明显低于其它纳米材料修饰的电极。

表1改性ZnSe-XG/MWCNT/GC电极与其他纳米材料修饰电极的性能比较

[1]Zou,Z.；Jang,A.；MacKnight,E.；Wu,P.-M.；Do,J.；Bishop,P.L.；Ahn,C.H.Sensors and Actuators B:Chemical 2008,134,18-24.

[2]Philips,M.F.；Gopalan,A.I.；Lee,K.-P.J.Hazard.Mater.2012,237,46-54.

[3]Vedhi,C.；Selvanathan,G.；Arumugam,P.；Manisankar,P.Ionics 2009,15,377-383.

[4]Wang,Z.；Liu,E.；Zhao,X.Thin Solid Films 2011,519,5285-5289.

[5]Kadara,R.O.；Tothill,I.E.Analytical and bioanalytical chemistry 2004,378,770-775.

[6]Bhanjana,G.；Dilbaghi,N.；Kumar,R.；Umar,A.；Kumar,S.Electrochim.Acta 2015,169,97-102.

附图5为当镉离子浓度为1.12mg·L^-1，改性ZnSe-XG/MWCNT/GC电极在的各种干扰离子(浓度10μM)存在时的电化学响应，扫描速率为50mV/s。图中显示了添加各种干扰离子时ZnSe-XG/MWCNT/GC电极的电化学响应如图所示，当加入Pb²⁺，Ni²⁺，Fe²⁺，Bi³⁺和Zn²⁺离子后，改性电极没有观察到明显响应。因此，当存在其它共存的干扰离子时，该修饰电极在一定范围内对镉离子的测定具有良好的抗干扰能力和选择性。

实施例2：

(1)ZnSe量子点溶液的制备：ZnSe量子点溶液的制备：在氮气保护下，将0.01g NaBH₄与0.0061g Se粉溶于2mL蒸馏水中，加热至40℃，完全溶解后得到NaHSe溶液；取0.0439g Zn(Ac)₂溶入20mL蒸馏水中，待其完全溶解后加入还原型谷胱甘肽0.0927g，用1mol/L的NaOH溶液调节pH为11.5，得到Zn的前驱体溶液；将Zn的前驱体转入三口瓶中，在氮气保护下迅速注入NaHSe溶液，油浴100℃回流，磁力搅拌1.5h后取出放入冰箱中快速冷却至室温，得到无色透明溶液，即为制备好的ZnSe QDs溶液。

(2)配制浓度为0.5mg/mL的黄原胶溶液，将150μL黄原胶溶液加入1mL量子点溶液后，超声分散，得到硒化锌量子点-黄原胶纳米复合材料溶液。

(3)制备硒化锌量子点-黄原胶纳米复合材料修饰电极：首先，将多壁碳纳米管(MWCNT)溶于N,N二甲基甲酰胺中，超声分散配成浓度为2mg/mL的悬浮液，并取10μL悬浮液滴涂于玻碳(GC)电极表面，烘箱中干燥30min，得到MWCNT/GC电极；然后，取20μL步骤(2)中硒化锌量子点-黄原胶纳米复合材料溶液滴涂于MWCNT/GC电极表面，室温下干燥12小时。

(4)本实验采用线性扫描伏安法测定水中Cu²⁺。实验采用三电极体系，其中工作电极为硒化锌量子点-黄原胶纳米复合材料修饰的MWCNT/GC电极，银/氯化银和铂丝作为参比电极和对电极。将硒化锌量子点-黄原胶纳米复合材料修饰的MWCNT/GC电极置于含有不同浓度的(0.19-2.54mg/L)Cu²⁺离子pH为8的PBS缓冲溶液中，搅拌富集8min，之后将此电极去离子水冲洗后置于pH为6的PBS缓冲溶液中，使用LSV加载正向扫描电压，扫描范围是-1.0V-0.5V，扫描速度是100mV/s，静止时间为2min对Cu²⁺的溶出峰电流进行记录。

附图6为不同材料修饰电极检测铜离子的线性扫描伏安图；如图所示，当MWCNT，GSH和XG单独修饰于玻碳电极表面上时，未观察到铜离子的电化学响应信号。在相同条件下，由于金属离子可螯合结合到电极表面上松散的ZnSe，因此在ZnSe/GC电极上获得相对小的阳极峰电流响应。在ZnSe/GC电极上引入MWCNT后，检测到铜离子的峰电流明显增加，这主要归因于MWCNT诱导的电子传导性和比表面积的增加，这同样促进了金属离子从溶液到电极表面的有效沉积。当在电极上使用ZnSe-XG纳米复合物替代ZnSe量子点时，观察到铜离子的氧化峰电流最强。这是因于电极表面的ZnSe-XG纳米复合膜通过氢键和络合缔合作用，牢固结合到MWCNT/GC电极表面，其稳定性得到明显改善。同时，增加的比表面积为金属离子的沉积提供了更多的结合位点。总之，ZnSe-XG纳米复合膜中存在的XG不仅充当粘结剂的作用，可以将量子点捕获并固定在MWCNT上，而且在电极表面上形成高比表面积的网络结构。

附图7为硒化锌量子点-黄原胶纳米复合材料修饰电极检测不同浓度铜离子的峰电流-浓度工作曲线，拟合的两段线性关系式是：y＝42.301x+32.725(R²＝0.994)，本发明的修饰电极对铜离子的检测限(基于3倍噪声)为0.074μg/L。如图所示，发现Cu(II)的特征氧化峰在0.23V，在0.19-2.54mg·L^-1的浓度范围内，其峰值电流随Cu(II)浓度的增加而增大。插图显示了Cu(II)离子的线性回归方程，其相关系数为0.994，检测灵敏度(拟合曲线的斜率)为42.301μA·mg^-1·L^-1。基于信噪比3，计算检测出限为0.074μg·L^-1。

实施例3：

(1)ZnSe量子点溶液的制备：同实施例1。

(2)配制浓度为0.6mg/mL的黄原胶溶液，将200μL黄原胶溶液加入1mL量子点溶液后，超声分散，得到硒化锌量子点-黄原胶纳米复合材料溶液。

(3)制备硒化锌量子点-黄原胶纳米复合材料修饰电极：首先，将多壁碳纳米管(MWCNT)溶于N,N二甲基甲酰胺中，超声分散配成浓度为1.5mg/mL的悬浮液，并取10μL悬浮液滴涂于玻碳(GC)电极表面，烘箱中干燥30min，得到MWCNT/GC电极；然后，取20μL步骤(2)中硒化锌量子点-黄原胶纳米复合材料溶液滴涂于MWCNT/GC电极表面，室温下干燥12小时。

(4)本实验采用线性扫描伏安法测定水中Cd²⁺和Cu²⁺。实验采用三电极体系，其中工作电极为硒化锌量子点-黄原胶纳米复合材料修饰的MWCNT/GC电极，银/氯化银和铂丝作为参比电极和对电极。将硒化锌量子点-黄原胶纳米复合材料修饰的MWCNT/GC电极置于含有不同浓度的Cd²⁺和Cu²⁺离子pH为8的PBS缓冲溶液中，搅拌富集12min，之后将此电极去离子水冲洗后置于pH为6的PBS缓冲溶液中，使用LSV加载正向扫描电压，扫描范围是-1.0V-0.5V，扫描速度是150mV/s，静止时间为3min对Cd²⁺和Cu²⁺的溶出峰电流进行记录。

附图8为硒化锌量子点-黄原胶纳米复合材料修饰电极在Cd²⁺和Cu²⁺离子共同存在时的线性扫描伏安图；如图所示，Cd²⁺和Cu²⁺离子的氧化峰保持良好的分离，同时，两种金属离子的峰值电流都相应减小。这主要是Cd²⁺和Cu²⁺离子之间的协同效应，两种离子相互竞争电极表面有限的结合位点造成的，并且Cu²⁺具有更高的结合亲和力。由此说明：硒化锌量子点-黄原胶纳米复合材料修饰电极对Cd²⁺和Cu²⁺可实现同时且高灵敏检测。同时，表2列出了以往不同纳米材料测定Cd²⁺和Cu²⁺电化学方法的对比，通过对比我们发现，本发明的检测方法具有线性范围宽、检出限低和灵敏度高等优点。

表2不同纳米材料测定Cd²⁺和Cu²⁺电化学方法的对比

[1]V.Sosa,C.Barceló,N.Serrano,C.J.M.Díaz-Cruz,M.Esteban,Antimony film screen-printed carbon electrode for stripping analysis of Cd(II),Pb(II),and Cu(II)in natural samples,Anal.Chim.Acta.855(2015)34-40.

[2]P.K.Sahoo,B.Panigrahy,S.Sahoo,A.K.Satpati,D.Li,D.Bahadur,In situ synthesis and properties of reduced graphene oxide/Bi nanocomposites:As an electroactive material for analysis of heavy metals,Biosens.Bioelectron.43(2013)293-296.

[3]D.Merli,F.Zavarise,I.Tredici,M.Pesavento,A.Profumo,Characterization and Analytical Applications of a Coenzyme‐A Chemically Modified Gold Electrode,Electroanalysis,24(2012)825-832.

[4]E.Pereira,B.L.Rivas,M.Heitzman,J.C.Moutet,C.Bucher,G.Royal,et al.,Complexing polymer films in the preparation of modified electrodes for detection of metal ions,Macromol.Symp.304(2011)115-125.

[5]X.Guo,Y.Yun,V.N.Shanov,H.B.Halsall,W.R.Heineman,Determination of trace metals by anodic stripping voltammetry using a carbon nanotube tower electrode,Electroanalysis,23(2011)1252-1259.