一种用于检测三氯生的电化学传感器及其制备方法和应用与流程

本发明涉及电化学检测技术领域，具体涉及一种用于检测三氯生的电化学传感器及其制备方法和应用。

背景技术：

三氯生是一种白色或灰白色的粉末晶状体，具有较强的抗菌防霉作用，已被广泛应用在肥皂、化妆品、牙膏、洗涤液和消毒剂等众多轻工业产品的生产中。由于三氯生的广泛使用，它会随着工业废水和生活污水流入下水道系统，随之流入河流、湖泊、海洋中；其难以被微生物降解，还能附着到其他生物上而悬浮在水中，导致生物体内三氯生的进一步积累，会危及水生系统安全。还有研究中表明，大约有75％的三氯生存在于污泥中，这对生态环境安全存在着极大危害。因此，加强三氯生的监控对环境和生态系统的保护具有重要作用。

目前用于三氯生检测的方法主要有气相色谱法、气相色谱-质谱分析法和高效液相色谱法等。而这些方法都需要昂贵的仪器，且操作复杂、分析时间长，分析之前还需一些特殊的预处理，不利于现场原位检测。而电化学检测方法所需设备简单、检测速度快、灵敏度高，还能用于现场原位检测。三氯生含有易被氧化的羟基，对其进行电化学检测成为可能。而电化学测定方法中用到的工作电极若未经修饰直接使用，其较低的电催化活性将导致分析物的电化学响应信号弱，灵敏度和检出限达不到痕量检测要求。目前，用于检测三氯生的化学修饰电极主要有：pdni纳米立方体(检出限为3.3×10^-5mol/l；冯亚娟等，化学研究与应用29(2017)300-305)、碳量子点/壳聚糖复合膜电极(检出限为9.2×10^-9mol/l；hongdaietal,electrochimicaacta80(2012)362-367)和石墨烯修饰电极(检出限为3.0×10^-9mol/l；张维，福建分析测试，21(2012)5-8)等。但是这些电极存在着催化性能、检出限或检测范围欠佳等问题。鉴于此，发展新纳米材料修饰电极用于三氯生的电化学检测还有进一步提升的空间。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于检测三氯生的化学修饰电极以及电化学传感器，所述的化学修饰电极以及电化学传感器成本低、检出限低。

本发明所要解决的上述技术问题，通过以下技术方案予以实现：

一种用于检测三氯生的化学修饰电极的制备方法，包含如下步骤：

(1)取15～25mg氮掺杂石墨烯用15～25ml水分散，得氮掺杂石墨烯分散液；

(2)在步骤(1)所述的氮掺杂石墨烯分散液中先加入0.05～0.15ml的0.05～0.2mol/l的cucl2溶液，再加入0.08～0.09g十二烷基硫酸钠，搅拌，充分溶解；

(3)再先后加入0.1～0.25ml的0.5～1.5mol/l的naoh溶液和0.3～0.8ml的0.05～0.2mol/l的葡萄糖溶液，搅拌；加热至微沸腾，保持3～10min，冷却至室温，分离、洗涤后得cu2o/nrgo；

(4)将cu2o/nrgo用3～8ml水分散，得cu2o/nrgo分散液；

(5)称取3～6mgpbcl2用1～3ml水溶解后逐滴加入到cu2o/nrgo分散液中搅拌均匀得混合液；

(6)再取0.3～0.8g抗坏血酸用1～3ml水溶解后逐滴加入到步骤(5)得到的混合液中，然后置于30～40℃的水浴中反应0.5～2h，分离、干燥得pd-cu2o/nrgo纳米复合材料；

(7)取3～8mgpd-cu2o/nrgo纳米复合材料分散在3～8mln,n-二甲基甲酰胺中，取该分散液4～8μl涂覆在直径为2～5mm的玻碳电极的表面，得用于检测三氯生的化学修饰电极(pd-cu2o/nrgo修饰电极)。

优选地，步骤(1)中取20mg氮掺杂石墨烯用20ml水分散，得氮掺杂石墨烯分散液。

优选地，步骤(2)中所述的氮掺杂石墨烯分散液中先加入0.1ml的0.1mol/l的cucl2溶液，再加入0.0878g十二烷基硫酸钠，搅拌，充分溶解。

优选地，步骤(3)中再先后加入0.18ml的0.1mol/l的naoh溶液和0.5ml的0.1mol/l的葡萄糖溶液。

优选地，步骤(5)中称取5mgpbcl2用2ml水溶解。

优选地，步骤(6)中再取0.5g抗坏血酸用2ml水溶解。

优选地，步骤(7)中取5mgpd-cu2o/nrgo纳米复合材料在5mln,n-二甲基甲酰胺中超声分散，取该分散液5μl涂覆在直径为3mm的玻碳电极的表面。

一种由上述制备方法制备得到的用于检测三氯生的化学修饰电极。

对于使用纳米复合材料制备测定具体某种化学成分含量的电极，则需要发明人根据具体待测定的化学物质的性质制备不同的纳米复合材料。制备出的电极对所要测定物质的检出限、灵敏度、稳定性和抗干扰性等效果的好坏主要由纳米复合材料的制备方法决定。纳米复合材料的制备方法主要包括原材料的选择、原材料的配比，以及各个步骤反应条件等。对于用作电极的纳米复合材料，其制备方法中原材料的选择、配比以及各个步骤反应条件的不同都会导致后续制备得到的电极电性能的巨大差异，从而导致检出限、灵敏度、稳定性和抗干扰性等效果的巨大差异。

根据三氯生的特性，为得到具有低检出限的三氯生检测电极，本发明发明人通过大量的实验，不断调整原料组成、配比以及制备过程中的工艺参数；制备得到粒径为50nm左右的pd纳米粒子并成功将其包裹在粒径为500nm左右cu2o纳米立方体上，即pd-cu2o/nrgo中的pd以“壳”的形式高分散在cu2o“核”表面上，极大提高了pd纳米颗粒的分散性、有效防止其团聚，可增加纳米材料的有效使用表面积，提高了金属的pd使用效率，从而可以极大提高修饰电极的稳定性和催化活性。氧化石墨烯拥有大的比表面积和较多的含氧基团，可以作为功能纳米粒子的分散载体。而将氮掺杂进氧化石墨烯(n-rgo)后会进一步增强其电催化性能，这是因为氮原子的电负性大，易吸电子，使氮原子上的负电荷增多，相邻的碳原子上的正电荷增加导致其催化性能得到极大改善。基于这些优势，本发明可有效提高制备得到的pd-cu2o/nrgo修饰电极的催化性能和稳定性能，同时降低了其测定三氯生的检出限。

一种用于检测三氯生的电化学传感器，其包含上述用于检测三氯生的化学修饰电极。

优选地，所述的用于检测三氯生的电化学传感器以上述用于检测三氯生的化学修饰电极为工作电极、ag-agcl为参比电极和铂电极为辅助电极构成三电极体系，将三电极体系组装后与电化学工作站相连构成电化学传感器。

一种应用检测三氯生的化学修饰电极检测三氯生含量的方法，其使用上述电化学传感器，用差分脉冲伏安法检测样品中的三氯生的含量。

优选地，所述的方法，包含如下步骤：

配置待测样品溶液；

使用权利要求8所述的电化学传感器，用差分脉冲伏安法测定待测样品溶液中三氯生的峰电流值，根据线性方程换算出三氯生的浓度，进而得出样品中三氯生的含量；

所述线性方程为logip(a)＝0.67225logc(mol/l)-2.91014(r²＝0.9940)，该方程中c为三氯生浓度，ip为脉冲伏安法得到氧化峰电流值；

所述的差分脉冲伏安法的检测条件为以ph为6.0的磷酸缓冲液为底液，富集时间为600s；所述的差分脉冲伏安法设置的操作条件为：电位扫描范围0.2～1.1v、电位增幅4mv、电位振幅50mv、脉冲周期0.5s、静止时间5s。

有益效果：(1)本发明提供了一种全新的用于三氯生定量检测的化学修饰电极以及电化学传感器，该电极或传感器对三氯生具有优异的电催化活性；(2)所述的用于三氯生定量检测的化学修饰电极或电化学传感器具有极低的检出限(实施例表明其检出限为2.5×10^-10mol/l，低于现有技术中的3.3×10^-5mol/l、9.2×10^-9mol/l和3.0×10^-9mol/l)以及良好的稳定性、抗干扰性和重现性；(3)基于本发明构建的三氯生电化学传感器操作简单、成本低廉，在对环境和生态系统的保护方面有着广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明所述的cu2o/nrgo(a)和pd-cu2o/nrgo(b)纳米复合材料的扫描电镜图。

图2为本发明所述的cu2o/nrgo(a)和pd-cu2o/nrgo(b)纳米复合材料的红外光谱图。

图3为本发明所述的pd-cu2o/nrgo纳米复合材料的能谱图。

图4为玻碳电极(a)、cu2o-nrgo修饰电极(b)和本发明所述的pd-cu2o/nrgo修饰电极(c)在5×10^-3mol/lk3[fe(cn)6]+0.10mol/lkcl底液中的循环伏安图。

图5为1×10^-3mol/l三氯生在本发明所述的pd-cu2o/nrgo修饰电极上于不同ph值下的循环伏安图。

图6为不同浓度三氯生在pd-cu2o/nrgo修饰电极上的dpv曲线(a)和三氯生浓度的对数值与其氧化峰电流的对数值之间的线性关系图(b)。

具体实施方式

以下结合具体实施例来进一步解释本发明，但实施例对本发明不做任何形式的限定。

实施例1用于检测三氯生的化学修饰电极的制备

(1)取20mg氮掺杂石墨烯加入20ml水，超声15min分散均匀；

(2)在上述分散液中加入0.1ml0.1mol/lcucl2搅拌均匀后加入0.0878g十二烷基硫酸钠磁力搅拌作用下在35℃水浴里充分溶解；

(3)之后加入0.18ml的1.0mol/lnaoh溶液，随后再加入0.5ml的0.1mol/l葡萄糖，磁力搅拌下加热至微沸腾5mim后冷却至室温后离心分离、水洗涤两次后离心分离得到cu2o/nrgo；

(4)用5ml水将制得的cu2o/nrgo超声分散于烧杯中；

(5)称取5mgpbcl2，用2ml水溶解后逐滴加入到cu2o/nrgo分散液中搅拌均匀；

(6)再取0.5g抗坏血酸，用2ml水溶解后逐滴加入到上述混合液中，将混合溶液置于35℃的水浴中反应1h。冷却到室温离心，用乙醇、水洗涤后再次离心，随后在60℃下烘干得到pd-cu2o/nrgo纳米复合材料；

(7)将5mgpd-cu2o/nrgo纳米复合材料在5mln,n-二甲基甲酰胺中超声分散后，取5μl该分散液涂覆在洗净的直径为3mm的玻碳电极的表面，在红外灯下烤干得用于检测三氯生的化学修饰电极(pd-cu2o/nrgo修饰电极)。

图1显示步骤(3)制备得到的cu2o/nrgo和步骤(6)制备得到的pd-cu2o/nrgo纳米复合材料在相同放大率下的扫描电镜图(a，b)。从a图中可见大量的高分散的小立方块状的cu2o颗粒附着在褶皱的氮石墨烯上，负载的cu2o纳米粒子粒径在200–400nm之间。从b图中，未见明显的立方体状纳米粒子出现，这是因为颗粒更小的pa纳米粒子包覆在cu2o上，形成了壳核结构的pd-cu2o负载在氮石墨烯上，表明pd-cu2o/nrgo复合材料已被成功制备。小尺寸的pd纳米粒子分散在cu2o上形成核壳结构，有利于提高pd的催化效率，减少贵金属催化剂使用量，降低成本。核壳结构负载的氮掺杂石墨烯还有利于提高其修饰电极的电催化活性比表面积。图2显示了步骤(3)制备得到的cu2o/nrgo和步骤(6)制备得到的pd-cu2o/nrgo纳米复合材料的红外光谱图(a，b)。通过红外光谱结果对比，发现图2(b)在470cm^-1附近出现一个明显的pd的特征峰，说明pd成功负载在cu2o上。图3显示了步骤(6)制备得到的pd-cu2o/nrgo纳米复合材料的能谱图。从图3可知，目标产物中主要含有c、o、cu、pd等元素，进一步证实成功合成了pd-cu2o/nrgo纳米复合材料；其它元素如cl是合成过程中反应物引入的，对材料的使用性能无影响。

实施例2一种用于三氯生定量检测的电化学传感器

将实施例1制备得到的pd-cu2o/nrgo修饰电极作为工作电极，以ag-agcl为参比电极、铂电极为辅助电极组装成三电极测试体系，并连接电化学工作站得用于三氯生定量检测的电化学传感器。

实施例3用于三氯生定量检测的化学修饰电极以及电化学传感器的电学性能测试

(1)不同电极的电子传递性能对比

在如实施例2制备得到的三电极测试体系中，分别以玻碳电极(a)、cu2o-nrgo修饰电极(b)和本发明所述的pd-cu2o/nrgo修饰电极(c)在5×10^-3mol/lk3[fe(cn)6]混合了0.10mol/lkcl底液中进行循环伏安测试，测试条件为：电位范围-0.2～0.6v，扫描速度0.05v/s，测试结果如图4。从图4可见k3[fe(cn)6]在玻碳电极(a)、cu2o-nrgo修饰电极(b)和本发明所述的pd-cu2o/nrgo修饰电极(c)上的氧化峰电流分别为2.2μa、14.5μa和47.6μa，结果表明探针离子在本发明所述的pd-cu2o/nrgo修饰电极上峰电流最大、阻抗最小，说明nrgo上负载核壳结构的pd-cu2o纳米粒子后其电子传递性能和催化活性得到极大增强。

(2)pd-cu2o/nrgo修饰电极对三氯生的电化学检测条件优化

在如实施例2制备得到的三电极测试体系中，以实施例1制备得到的pd-cu2o/nrgo修饰电极为工作电极在含有1×10^-3mol/l三氯生的不同ph的磷酸底液中进行差分脉冲伏安测试，测试的条件为：电位扫描范围0.2～1.1v、电位增幅4mv、电位振幅50mv、脉冲周期0.5s、静止时间5s，图5为测试结果。从图中可见三氯生在本发明所述的pd-cu2o/nrgo修饰电极上在ph值在2～10范围内均出现氧化峰，当ph从2变化到6时峰电流逐渐增大，直到ph为6时峰电流达到其最大值，当ph值继续增加，峰电流又逐渐减小。所以，ph＝6作为最优的ph检测条件。在ph条件确定为6后，进一步考察了富集时间对氧化峰电流的影响，结果表明峰电流随富集时间增加而逐渐增大；但当富集时间超过600s时，峰电流随富集时间增加的变化不显著，所以600s作为优化的富集时间。

(3)本发明制备得到的pd-cu2o/nrgo修饰电极对三氯生检测的线性关系曲线

以实施例1制备得到的pd-cu2o/nrgo修饰电极为工作电极、ag-agcl为参比电极和铂电极为辅助电极，利用三电极法组装电极测试体系，并连接电化学工作站(构建方法如实施例2所示)；在ph为6.0的磷酸底液中，富集600s、静止5s后对一系列三氯生溶液进行方波伏安法测试。脉冲伏安法设置的操作条件为：电位扫描范围0.2～1.1v、电位增幅4mv、电位振幅50mv、脉冲周期0.5s、静止时间5s。结果表明(见图6)三氯生的氧化峰电流随其浓度增加而增大，在1.0×10^-6～5.0×10^-4mol/l范围内三氯生氧化峰电流的对数值与其浓度的对数值呈良好的线性关系，线性回归方程为：logip(a)＝0.67225logc(mol/l)-2.91014(r²＝0.9940)，该方程中c为三氯生浓度，ip为脉冲伏安法得到的氧化峰电流值。检出限利用下面方程得到：

dl＝ksb/r

上式中，dl为检出限；sb为空白液测定20次所得信号标准偏差，实验中测得标准偏差为5.6203×10^-11；k为置信系数，通常k取3；r为方法的灵敏度；经计算可得检出限为2.5×10^-10mol/l。说明本发明所制备得到的电极具有良好的线性关系和较低的检出限。

(4)本发明制备得到的pd-cu2o/nrgo修饰电极的重现性和稳定性测试

按照实施例1的步骤制备10支相同的pd-cu2o/nrgo修饰电极，分别以这10支电极为工作电极、ag-agcl电极为参比电极和铂电极为辅助电极，用三电极法组装电极测试系统并连接电化学工作站(构建方法如实施例2所示)，在ph为6.0的磷酸底液中，富集600s，静止5s，利用差分脉冲伏安法对同一浓度的三氯生进行测定。脉冲伏安法设置的操作条件为：电位扫描范围0.2～1.1v、电位增幅4mv、电位振幅50mv、脉冲周期0.5s、静止时间5s，10支电极测定结果的相对标准偏差为3.11％。将其中一支pd-cu2o/nrgo修饰电极在室温下保存，保存前测试第1次，然后每10天利用上述同样条件和方法对同一浓度的三氯生进行测定，30天后三氯生在pd-cu2o/nrgo修饰电极上的电流值为初测值的90％以上；表明本发明提供的pd-cu2o/nrgo修饰电极具有较好的重现性和稳定性。

(5)本发明制备得到的pd-cu2o/nrgo修饰电极的抗干扰能力测试

将实施例1制备得到的pd-cu2o/nrgo修饰电极利用三电极法组装测试体系，并连接电化学工作站构成电化学传感器(构建方法如实施例2所示)，利用差分脉冲伏安法考察了外来干扰物质对三氯生测定的影响。差分脉冲伏安法设置的操作条件为：电位扫描范围0.2～1.1v、电位增幅4mv、电位振幅50mv、脉冲周期0.5s、静止时间5s。具体测试方法是，在9.5ml磷酸底液中加入0.5ml1×10^-3mol/l的三氯生，调节底液ph为6.0，在富集时间600s、静止5s后通过差分脉冲伏安法测定其氧化峰电流值，再加入0.5ml0.1mol/l的干扰物质，通过差分脉冲伏安法测定三氯生的氧化峰电流值。对比加入干扰物质前后三氯生的氧化峰电流值的变化情况，如果偏差在±5％以内，可以认为干扰物对分析物的检测无影响。测试结果表明，本发明所制备的传感器在100倍的葡萄糖、乳糖、维生素vb1、精氨酸、赖氨酸以及10倍以上的抗坏血酸、左旋多巴胺、邻苯二酚等物质的干扰下对三氯生的检测值偏差在±5％以内，说明本发明提供的pd-cu2o/nrgo修饰电极具有较好的检测选择性，能有效监测三氯生的存在。

实施例3一种应用检测三氯生的化学修饰电极检测三氯生含量的方法

配置待测样品溶液；

使用实施例2所述的电化学传感器，用差分脉冲伏安法测定待测样品溶液中三氯生的氧化峰电流值，根据线性方程换算出三氯生的浓度，进而得出样品中三氯生的含量；

所述线性方程为logip(a)＝0.67225logc(mol/l)-2.91014(r²＝0.9940)，该方程中c为三氯生浓度，ip为脉冲伏安法得到氧化峰电流值；

所述的差分脉冲伏安法的检测条件为以ph为6.0的磷酸缓冲液为底液，富集时间为600s；所述的差分脉冲伏安法设置的操作条件为：电位扫描范围0.2～1.1v、电位增幅4mv、电位振幅50mv、脉冲周期0.5s、静止时间5s。

实施例4实际样品检测

取某品牌洗衣粉10mg，加入10ml水中，采用标准加入法对该样品中的三氯生进行检测。先取0.1ml洗衣粉样品液加入3mlph为6.0的磷酸缓冲液底液中，然后将实施例1制备得到的pd-cu2o/nrgo修饰电极电极利用三电极法组装电极测试体系放入上述检测液，并连接电化学工作站构成电化学传感器，在实施例3优化的条件下利用差分脉冲伏安法进行测定。再分3次依次加入1.0ml浓度为1.0×10^-4mol/l的三氯生标准溶液，进行差分脉冲伏安测定，将检测的峰电流带入实施例3得到的线性关系中得三氯生在上述洗衣粉样品中的浓度为3.2×10^-6mol/l。测定的相对标准偏差在4.0％以间，回收率在97～102％之间；说明了本发明提供的化学修饰电极或电传感器可用于轻工业或化工产品中三氯生含量的准确测定。