一种氧化钴/介孔碳复合材料电化学传感器的制备及应用的制作方法

本发明属于食品安全快速检测领域，具体涉及一种基于氧化钴/介孔碳的纳米复合材料的电化学传感器的制备及应用，特别是利用本专利发明的电化学传感器快速检测食品中的亚硝酸盐含量。

背景技术：

亚硝酸盐是氮循环的活性中间产物之一，普遍存在于土壤、水、食物和各种生理系统中，也是食品工业中常用的添加剂和防腐剂。尤其在肉制品加工工业中，亚硝酸盐常作为添加剂，使肉品发色，增强风味，并具有抗菌防腐的作用。亚硝酸盐作为一种允许使用的食品添加剂，在控制的安全范围内使用不会对人体造成伤害。但高剂量的亚硝酸盐具有很大的毒性，人体摄入0.3～0.5g的亚硝酸盐即可引起中毒，3g即导致死亡。人体内如果摄入过量的亚硝酸盐，会使正常携氧的血红蛋白变成三价铁离子的高铁血红蛋白，造成组织缺氧，使人体出现高铁血红蛋白症状。生物体或食品中的亚硝酸盐可与胺类、酰胺类结合产生强致癌物亚硝胺。另外，亚硝酸盐对人体的心血管系统有害，还会干扰机体对维生素a的利用。亚硝酸盐能够透过胎盘进入胎儿体内，对胎儿有致畸作用。随着人们环境意识和食品安全意识的增强，亚硝酸盐已成为环境检测和食品分析的重要项目。检测亚硝酸盐含量的方法是多种多样的，如分光光度法、色谱法、荧光光度法、化学发光法和毛细管电泳法等，但是这些方法存在一些缺点，如使用仪器价格昂贵、操作专业性强、样品准备复杂、灵敏度和选择性低、成本高等问题，因此寻找出一种操作简单、高效快速检测食品中亚硝酸盐的方法对保障食品安全具有极其重要的意义。

技术实现要素：

本发明针对当前技术存在缺点和不足，电化学方法是一种高灵敏度、高选择性的传感器技术，其具有成本低、操作简便、响应迅速、灵敏度高、进样量小且在反应过程中不需要加入其它化学试剂从而有利于环境保护因而受到广泛应用。因此将电化学传感器应用在食品领域，为食品安全检测提供一种新颖、快速、准确的检测手段，也为电化学传感器开辟了一条新的应用领域。

本发明用一种基于氧化钴/介孔碳复合材料的电化学传感器快速检测食品中的亚硝酸盐。电化学传感器检测系统所采用的是三电极系统：以饱和甘汞电极作为参比电极、铂丝电极为对电极、玻碳电极及其修饰电极作为工作电极。本发明提供的电化学传感器所使用的电极修饰材料为氧化钴/介孔碳纳米复合材料，氧化钴良好的电子传输特性和有序介孔碳良好的有序孔结构、大的孔体积、高比表面积和可调节的孔径大小等特性可以催化亚硝酸盐的氧化还原反应，从而实现对食品中亚硝酸盐的快速检测。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的基于氧化钴/介孔碳复合材料电化学传感器的制备方法，包括以下步骤：

s1.氧化钴颗粒和石墨化介孔碳纳米复合材料的合成：把六水硝酸钴的酚醛树脂溶液滴加到ps-b-peo的四氢呋喃溶液中，反应至暗紫色溶液，室温下挥发1～2h，加热至50℃保持18～24小时，加热至100～120℃保持18～24小时，在氮气气氛下600℃焙烧2～3小时得到氧化钴颗粒/石墨化介孔碳的纳米复合材料；

其中，所述六水硝酸钴的酚醛树脂溶液的浓度为0.1～0.5mol/l；

其中，所述ps-b-peo的四氢呋喃溶液的浓度为0.01-0.04g/m；

其中，所述六水硝酸钴的酚醛树脂溶液与所述ps-b-peo的四氢呋喃溶液的体积比为1：1.25-5。

s2.电化学传感器工作电极的修饰：将a中的负载有氧化钴颗粒和石墨化有序介孔碳的纳米复合材料溶于水后(优选的，溶于少量二次蒸馏水)，均匀的滴凃在传感器的电化学工作电极表面，用氮气吹干即可制得电化学传感器。

步骤s2中所述电化学传感器是三电极工作体系，以饱和甘汞电极作为参比电极、铂丝电极为对电极、玻碳电极为工作电极。

其中，步骤s2中所述电化学传感器工作电极在修饰之前，要进行清洗的预处理。所述清洗的预处理可以是将玻碳电极在0.05mol/l的硫酸溶液中浸泡5min，取出后依次用0.3μmol/l和0.05μmol/l的三氧化二铝抛光打磨至镜面，分别用无水乙醇、二次蒸馏水超声10～15min，最后在氮气环境下吹干待用。

其中，步骤s2中所述氧化钴颗粒/石墨化介孔碳的纳米复合材料溶于水后的浓度约为1.5～1.8mg/ml。

其中，步骤s2中所述氧化钴颗粒/石墨化介孔碳的纳米复合材料溶于水后滴涂的量为5～10μl。

其中，步骤s2中所述氮气的流速为100ml/min。

上述制备方法制成的基于氧化钴/介孔碳复合材料电化学传感器。本发明的电化学传感器采用的是以介孔碳为基底复合氧化钴的纳米复合材料作为修饰电极，有序介孔碳良好的有序孔结构、大的孔体积、高的比表面积和可调节的孔径大小等特性可以催化亚硝酸盐的氧化还原反应，而介孔碳与金属氧化物的结合可以很好的改变介孔碳的物理化学性质。以介孔碳为基底复合氧化钴的纳米复合材料起的作用是对亚硝酸盐的氧化还原起到良好的催化效果，加速电子的传递，从而提高灵敏度，达到高效快速的检测目的。

用本发明提供的电化学传感器检测食品中亚硝酸盐的方法，所述检测食品中亚硝酸盐的方法包括以下步骤：

(1)亚硝酸盐标准溶液的标定：将亚硝酸盐标准液进行梯度稀释，制备成0.5μm～1mm的溶液，用所述电化学传感器进行测试，并记录不同浓度的亚硝酸盐对应的信号响应值，从而确定亚硝酸盐浓度与响应值之间的线性关系；

(2)待测食品的标定：将碎的待测食品用国标gb5009.33-2010食品中亚硝酸盐与硝酸盐的测定中样品的前处理方法进行处理，用所述电化学传感器进行测试，与步骤(1)中的亚硝酸盐各浓度与电流值之间的线性关系进行比较，即可得到待测食品的亚硝酸盐含量。

本发明方法检测食品中亚硝酸盐的优点和特点如下：

(1)电化学传感器作为一种高选择性传感器，具有装置体积小、成本低廉、便于携带等优点，可以快速高效的对食品中的亚硝酸盐进行检测。将其运用到食品中亚硝酸盐的检测，具有操作简单、检测快速、选择性好、灵敏度和准确性高等优点，并能够实时快速检测到食品中微量的亚硝酸盐。

(2)有序介孔碳作为一种新型碳材料，具有规则的孔道结构，且在一定范围内可以调节，孔壁结构和介孔形状可以改变，具有良好的热稳定性和导电特性，具有高的比表面积，在电分析化学方面有着非常好的应用。此外，有序介孔碳具有较大的比表面积、孔径分布规则等特点有利于实现主客体的组装。在相同的主体碳材料中添加相同或不同的客体物质，介孔碳的复合材料能够显示出与介孔碳不同的物理化学性质。其中最有前景的是金属与介孔碳材料结合成的复合物，本发明采用氧化钴与有序介孔碳结合构成的复合物修饰电极，与纯的有序介孔碳修饰电极相比，极大提高了电极的性能。基于此复合材料的电化学传感器可以快速高效的实现对食品中亚硝酸盐的检测，其操作简单，检测速度快，灵敏度高，为高效快速检测食品中亚硝酸盐的含量提供了一种新的检测方法，也为食品安全检测提供一种新颖、快速、准确的检测手段。

附图说明

图1为实施例1-3制得的氧化钴/介孔碳复合材料的光散射结果图，其中1为实施例1，2为实施例2，3为实施例3。

图2为实施例1-3制得的氧化钴/介孔碳复合材料的透射电镜图，其中a为实施例1，b为实施例2，c为实施例3。

图3为实施例1-3制得的氧化钴/介孔碳复合材料运用广角x-射线衍射得到的表征图。

图4为实施例4制得的的电化学传感器和未修饰的电化学传感器的工作电极的循环伏安图。

图5为实施例4制得的的电化学传感器对溶液中no2^-响应的电流-时间曲线。

图6为实施例5中应用实施例4制得的电化学传感器对榨菜中no2^-进行测定得到的电流-时间曲线。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步说明：

本发明的具体实施如下。

实施例1氧化钴颗粒和石墨化有序介孔碳纳米复合材料的合成

取0.06g六水硝酸钴溶于2ml预配置好的酚醛树脂溶液中搅拌0.5h，标记为a液。0.1gps-b-peo溶解在5mlthf中配成b液。把b逐滴加入到a中，室温下搅拌2h。将得到的暗紫色溶液转移到培养皿中，室温下挥发2h。然后转移到50℃烘箱中，保持24小时，接着将烘箱温度继续升高到100℃保持24小时。最后在表面皿上得到浅黄色透明复合膜。用单片刀将该膜从培养皿中刮下来，置于管式炉中，在氮气气氛下，600℃焙烧3小时，升温速率为1.0℃/min。得到黑色样品，命名为co/c-0.1-600,其中0.1代表六水硝酸钴的酚醛树脂溶液的浓度，600代表焙烧温度。

实施例2氧化钴颗粒和石墨化有序介孔碳纳米复合材料的合成

取0.12g六水硝酸钴溶于2ml预配置好的酚醛树脂溶液中搅拌0.5h，标记为a液。0.1gps-b-peo溶解在5mlthf中配成b液。把b逐滴加入到a中，室温下搅拌2h。将得到的暗紫色溶液转移到培养皿中，室温下挥发2h。然后转移到50℃烘箱中，保持24小时，接着将烘箱温度继续升高到100℃保持24小时。最后在表面皿上得到浅黄色透明复合膜。用单片刀将该膜从培养皿中刮下来，置于管式炉中，在氮气气氛下，600℃焙烧3小时，升温速率为1.0℃/min。得到黑色样品，命名为co/c-0.2-600,其中0.2代表六水硝酸钴的酚醛树脂溶液的浓度，600代表焙烧温度。

实施例3氧化钴颗粒和石墨化有序介孔碳纳米复合材料的合成取0.35g六水硝酸钴溶于4ml预配置好的酚醛树脂溶液中搅拌0.5h，标记为a液。0.1gps-b-peo溶解在5mlthf中配成b液。把b逐滴加入到a中，室温下搅拌2h。将得到的暗紫色溶液转移到培养皿中，室温下挥发2h。然后转移到50℃烘箱中，保持24小时，接着将烘箱温度继续升高到100℃保持24小时。最后在表面皿上得到浅黄色透明复合膜。用单片刀将该膜从培养皿中刮下来，置于管式炉中，在氮气气氛下，600℃焙烧3小时，升温速率为1.0℃/min。得到黑色样品，命名为co/c-0.3-600,其中0.3代表六水硝酸钴的酚醛树脂溶液的浓度，600代表焙烧温度。

实施例1-3制得的氧化钴颗粒和石墨化有序介孔碳纳米复合材料的光散射结果图见图1。由图1可以看出钴前驱体对酚醛树脂的比例由0.1到0.3，衍射峰逐渐变弱，表明钴源的加入影响了结构的有序性，钴源加入量越大，结构的有序性越差。

实施例1-3制得的氧化钴颗粒和石墨化有序介孔碳纳米复合材料的透射电镜图见图2。为制得的钴前驱物和酚醛树脂不同比例的复合纳米材料的透射电镜图。由图2可以看到在600℃氮气焙烧的氧化钴颗粒均均匀的分散到介孔碳骨架上。但是随着钴源量的增加，介孔碳孔道的有序性变差。综合钴的负载量以及介孔碳材料孔道的有序性，钴源和酚醛树脂的比例为0.2时介孔碳的有序性最好。

实施例1-3制得的氧化钴颗粒和石墨化有序介孔碳纳米复合材料运用广角x-射线衍射得到的表征图见图3。从三条曲线可以看，不同位置明显衍射峰出现在31.3°,36.9°,44.9°,59.6°,和65.4°，分别对应四氧化三钴的(220),(311),(400),(511),和(440)峰。证明得到的金属颗粒主要是四氧化三钴。

实施例4基于氧化钴/介孔碳复合纳米材料电化学传感器的制备及对no2^-检测范围的测定

称取1.7mg实施例2中制得的氧化钴颗粒和石墨化有序介孔碳的纳米复合材料溶解于1ml二次蒸馏水中后，用微量注射器吸取7μl均匀的滴凃在经过预处理的电化学工作电极表面，用氮气吹干即可制得电化学传感器。

将亚硝酸盐标准液进行梯度稀释，制备成0.5μm～1mm的溶液，用所述电化学传感器采用电流-时间法在施加电位为0v，0.2moll^-1的pbs溶液中进行测试，并记录不同浓度的亚硝酸盐对应的电流响应值。通过电流-时间曲线，得到no2^-浓度的线性范围为5μm～0.7mm，线性方程为y＝-0.004x+0.0367，相关系数r²＝0.9967，检测限为0.5μm。

实施例4制得的的电化学传感器和未修饰的电化学传感器的工作电极的循环伏安图见图4所示。曲线1是裸电极在缓冲溶液中的循环伏安图，曲线2是裸电极在0.5mmmno2^-条件下的循环伏安图，曲线3是修饰了氧化钴/介孔碳材料的工作电极在缓冲溶液中的循环伏安图，曲线4是修饰了氧化钴/介孔碳材料的工作电极在0.5mmno2^-条件下的循环伏安图。从图中可以明显看出曲线4存在明显的氧化峰，说明氧化钴/介孔碳复合材料对亚硝酸盐的氧化还原反应起到催化作用，加速了反应的进行。

实施例4制得的电化学传感器对溶液中no2^-响应的电流-时间曲线见图5所示。从图中可以看出，向介质中分段连续加入不同浓度的亚硝酸盐溶液时，产生很明显的电流阶跃。通过电流-时间曲线，得到no2^-浓度的线性范围为5μm～0.7mm，线性方程为y＝-0.004x+0.0367，相关系数r²＝0.9967，检测限为0.5μm。

实施例5应用实施例4制得的氧化钴/介孔碳电化学传感器检测榨菜中的亚硝酸盐含量

依照国标gb5009.33-2010中样品的前处理方法进行处理，即称取5.000g(精确至0.001g)制成匀浆的试样，至于50ml烧杯中，加12.5ml饱和硼砂溶液，搅拌均匀，以70℃左右的水约300ml将试样洗入500ml容量瓶中，于沸水浴中加热15min，取出置冷水浴中冷却，并放置至室温。在振荡上述提取液时加入5ml亚铁氰化钾溶液，摇匀，再加入5ml乙酸锌溶液以沉淀蛋白质。加水至刻度，摇匀放置30min。除去上层脂肪，上清液用滤纸过滤，弃去初滤液30ml，滤液备用。然后使用本发明制得的基于氧化钴/介孔碳的电化学传感器在施加电位为0v，0.2moll^-1的pbs溶液中对榨菜中的亚硝酸盐含量进行测定。采用标准加入法，将处理好的榨菜汁液中加入不同浓度的no2^-，随着no2^-的加入，i-t曲线出现明显的电流阶跃，no2^-浓度的线性范围为30μm～1.7mm，相应的线性方程为y＝-0.0017x-0.1418，相关系数r²＝0.9965。通过计算榨菜样品中亚硝酸根离子含量为10.55mg/kg。

应用国标gb5009.33-2010中的分光光度法测得榨菜中亚硝酸盐的含量为10.12mg/kg，说明本发明制得的电化学传感器可以较好的检测食品中亚硝酸盐的含量。

图6为实施例5里榨菜样品中加入不同浓度的no2^-的用实施例2的电化学传感器进行测定得到的电流-时间曲线。将处理好的榨菜汁液中加入不同浓度的no2^-，随着的加入no2^-，i-t曲线出现明显的电流阶跃，no2^-浓度的线性范围为30μm～1.7mm，相应的线性方程为y＝-0.0017x-0.1418，相关系数r²＝0.9965。

实施例6应用实施例4制得的氧化钴/介孔碳电化学传感器检测火腿中的亚硝酸盐含量

金华火腿样品的前处理同实施例5中榨菜的前处理方法。然后使用本发明制得的基于氧化钴/介孔碳的电化学传感器对金华火腿中的亚硝酸盐含量进行测定。采用循环伏安法在施加电位为0v，0.2moll^-1的pbs溶液中对金华火腿中的亚硝酸盐含量进行测定。所得氧化峰电流与实施例4测得的亚硝酸盐的标准曲线做比对，计算得到金华火腿中亚硝酸盐的含量为12.75mg/kg。

应用国标法国标gb5009.33-2010分光光度法测得火腿中亚硝酸盐的含量为12.16mg/kg，说明本发明制得的电化学传感器可以较好的检测食品中亚硝酸盐的含量。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。