一种旋转式H2O2含量检测仪的测定方法与流程

本发明涉及一种化学实验仪器的使用方法，具体是用于H2O2含量的测定方法。

背景技术：

过氧化氢H2O2是一种通用的氧化剂，广泛应用于化工、临床应用、药物分析、食品生产和环境保护等领域。同时它也是一种活性氧物种ROS，是人体一些新陈代谢反应的氧化产物，在细胞内的产生和积累可能导致各种疾病，其浓度与人类的健康有着密不可分的关系。因此，快速、精确、可靠的检测H2O2含量在生物医学、环境和工业研究领域中具有着重大的意义。

目前，双氧水的检测国标方法是高锰酸钾滴定法，该方法操作繁琐，测定较慢。其他方法，如分光光度法、荧光法，灵敏度高，检测较快，但是仪器设备较贵。电化学方法因其检测灵敏、快速、低成本、对设备要求低等特点，目前被广泛使用。

现有的H2O2传感器大多是基于酶的生物传感器；但是酶的价格昂贵、容易失活、反应条件较为苛刻，限制了它的进一步应用。因此，研制无酶H2O2传感器具有很重要的意义。

氮掺杂多孔碳材料由于其灵敏度高、成本低、机械强度大、比表面积大、导电率高等优点，已经被广泛应用于电化学传感器中。ZIF-67是一种由中心钴原子和2-甲基咪唑配位而成的金属有机骨架材料MOFs，是多孔碳复合材料的有用前体。研究表明，ZIF-67前驱体得到的纳米复合材料由于其多孔结构、较大的比表面积和较高的电导率，对氧还原反应ORR具有良好的催化活性，Advanced Materials，2016年第28卷1668页。然而，由ZIF-67前体制备的多孔碳材料对H2O2还原和检测的研究还未见报道。H2O2作为ORR的中间产物，ORR与H2O2还原反应之间存在内在的相关性。本申请在基于ZIF-67衍生的Co-NC 十二面体Co-NC RDCs修饰的玻碳电极为工作电极，结合Co-NC RDCs能催化H2O2还原的特性设计了一种新颖简便的H2O2含量测定仪及其测定方法。

另外，本申请提供的H2O2含量测定仪为旋转式，目前H2O2传感器均为在电解液中加入搅拌子进行磁力搅拌，本申请提供的H2O2含量测定仪其灵敏度更高，检测限更低，检测范围更广。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种旋转式H2O2含量测定仪及其测定方法。

为解决上述问题，本发明提供了一种旋转式H2O2含量测定仪，它由检测部分和控制部分通过电缆连接组成；所述检测部分由电解池、旋转杆、工作电极、辅助电极、参比电极、电解液注射入口组成，所述电解池顶部下方中心设有旋转杆，旋转杆上设有工作电极；所述电解池顶部下方工作电极两侧分别设有辅助电极和参比电极；所述电解池上方一侧设有电解液注射入口；所述控制部分由仪表盒、显示屏、控制按钮、手柄和电路板组成，所述仪表盒上设有显示屏，显示屏下方设有一排控制按钮；所述仪表盒下方设有手柄；所述仪表盒内部设有电路板；所述电路板由电源模块、旋转控制模块、信号收集模块、运算控制模块和输出模块组成，所述电源模块分别通过导线与旋转控制模块、信号收集模块、运算控制模块和输出模块相连；所述信号收集模块通过导线与运算控制模块相连，运算控制模块通过导线与输出模块相连，输出模块通过导线与仪表盒上所设显示屏相连。

所述旋转杆通过导线与旋转控制模块相连；所述工作电极、辅助电极、参比电极均通过导线与信号收集模块相连。

所述电源模块通过导线与控制按钮相连。

用上述测定仪检测H2O2含量的方法按如下步骤进行：

步骤一：备料：市购或网购足量的2-甲基咪唑、六水合硝酸钴、甲醇、5%萘酚溶液、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、质量浓度为30%的双氧水标准溶液；

步骤二：Co-NC十二面体催化剂的制备：

1）试剂A的制备：取0.498 g的六水合硝酸钴，溶于50 mL无水甲醇溶液中，制得试剂A备用；

2）试剂B的制备：取0.656 g的2-甲基咪唑，溶于50 mL无水甲醇溶液中，制得试剂B备用；

3）ZIF-67的制备：搅拌条件下，将试剂B缓慢添加至试剂A中，室温下静置反应24 h得到ZIF-67沉淀；抽滤、甲醇洗涤、收集沉淀并于60 ℃下干燥备用;

4）将ZIF-67置于管式炉中，N2气氛下600 ℃碳化5 h，获得Co-NC十二面体，即Co-NC RDCs；

步骤三：工作电极的制备：

1）玻碳电极的预处理：将玻碳电极分别用0.05 μm、0.3 μm和0.5 μm的Al2O3抛光打磨，随后分别用去离子水、硝酸与水的体积比为3:1的溶液、去离子水和乙醇超声1 min，吹干备用；

2）浆料的制备：取8 mg Co-NC RDCs催化剂，加入100 μL 5% 萘酚溶液和900 μL异丙醇水溶液，异丙醇与水的体积比为1:3，超声1 h形成均匀的浆料；

3）工作电极滴涂：取10 μL浆料滴涂于预处理好的玻碳电极表面，自然干燥。获得工作电极，备用；

步骤四：溶液的制备：

1）试剂C的制备：取3.12 g二水合磷酸二氢钠，用蒸馏水配制成100 mL浓度为0.2 mol·L^-1的溶液，制得试剂C备用；

2）试剂D的制备：取7.16 g十二水合磷酸氢二钠，用蒸馏水配制成100 mL浓度为0.2 mol·L^-1的溶液，制得试剂D备用；

3）取19 mL试剂C和81 mL试剂D，用蒸馏水配制成200 mL浓度为0.1 mol·L^-1 pH=7.4的磷酸盐缓冲溶液；

步骤五：电流强度-H2O2浓度标准曲线的建立：启动电源和旋转按钮12，将已知浓度的H2O2标准液连续注入含50 mL磷酸缓冲溶液的电解池4中，分别检测其电流强度，此电流强度经芯片拟合后得到以电流强度为纵坐标，H2O2浓度为横坐标的电流强度-H2O2浓度标准曲线；

步骤六：样品H2O2浓度的测定：启动电源和旋转按钮，将10 μL待测样品注入含50 mL磷酸缓冲溶液的电解池中，检测其电流强度，此电流强度经过芯片代入已拟合的电流强度-H2O2浓度标准曲线中，得到对应的H2O2浓度即为该样品的H2O2浓度。

本发明的有益效果是能够提供一种更便捷、灵敏的H2O2含量的测定方法，而且所提供的仪器检测限低，检测范围广，样品量低，操作简单，应用范围广。

附图说明

图1为本发明旋转式H2O2含量检测仪结构示意图。

图中：1-检测部分、2-控制部分、3-电缆、4-电解池、5-旋转杆、6-工作电极、7-辅助电极、8-参比电极、9-电解液注射入口、10-仪表盒、11-显示屏、12-控制按钮、13-手柄、14-电路板。

图2为图1中电路板结构示意图。

图中：14-电路板、15-电源模块、16-旋转控制模块、17-信号收集模块、18-运算控制模块、19-输出模块。

图3为Co-NC/RDC的XRD（a）、SEM（b）、TEM（c）和SAED（d）图。

图4为Co-NC/RDC电极在一定转速下于0.1 mol·L^-1 pH 7.4磷酸盐缓冲溶液中催化H2O2还原的循环伏安曲线。

图5为Co-NC/RDE电极在一定转速下催化不同浓度H2O2的循环伏安曲线。

图6为Co-NC/RDE电极在-0.3 V电压、一定转速下连续添加H2O2时的电流-时间关系曲线。

图7为Co-NC/RDE电极在-0.3 V电压、一定转速下相应的电流强度-H2O2浓度关系曲线。

图8为Co-NC/RDE电极在-0.3 V电压、搅拌下连续添加H2O2时的电流-时间关系曲线。

图9为Co-NC/RDE电极在-0.3 V电压、搅拌下相应的电流强度-H2O2浓度关系曲线。

具体实施方式

下面本发明将结合实例并参照附图作进一步详述：

一种旋转式H2O2含量测定仪，如图1和图2所示：它由检测部分1和控制部分2通过电缆3连接组成；所述检测部分1由电解池4、旋转杆5、工作电极6、辅助电极7、参比电极8、电解液注射入口9组成，所述电解池4顶部下方中心设有旋转杆5，旋转杆5上设有工作电极6；所述电解池4顶部下方工作电极6两侧分别设有辅助电极7和参比电极8；所述电解池4上方一侧设有电解液注射入口9；所述控制部分2由仪表盒10、显示屏11、控制按钮12、手柄13和电路板14组成，所述仪表盒10上设有显示屏11，显示屏11下方设有一排控制按钮12；所述仪表盒10下方设有手柄13；所述仪表盒10内部设有电路板14；所述电路板14由电源模块15、旋转控制模块16、信号收集模块17、运算控制模块18和输出模块19组成，所述电源模块15分别通过导线与旋转控制模块16、信号收集模块17、运算控制模块18和输出模块19相连；所述信号收集模块17通过导线与运算控制模块18相连，运算控制模块18通过导线与输出模块19相连，输出模块19通过导线与仪表盒上所设显示屏11相连。

所述旋转杆5通过导线与旋转控制模块18相连；所述工作电极6、辅助电极7、参比电极8均通过导线与信号收集模块19相连。

所述电源模块17通过导线与控制按钮12相连。

本H2O2含量测定仪的电解池5为玻璃器皿；工作电极5为Co-NC十二面体催化剂修饰的玻碳电极（直径为5mm）；参比电极6为Ag/AgCl电极，其内部电解液为3 mol·L^-1 KCl溶液；辅助电极7为1×1 cm的铂网电极；信号收集模块17是一个微型电化学工作站，将电化学信号收集，并传输给运算控制模块18；运算控制模块18是根据操作规程自行编程制成的芯片，由于不属专利法保护范畴，准备申请计算机软件保护，因此不赘述；光电倍增管19将光信号转化为点信号并放大；显示屏11是液晶触摸显示屏，用于数据的显示及键入变量、设定参数等的输入。

本H2O2含量测定仪使用时，将50 mL磷酸缓冲溶液注入电解池5中，打开电源和旋转按钮12，将样品注入至电解液中，三电极体系检测电流强度，此电流强度通过信号收集模块17进行收集并传输给运算控制模块18，最后经过芯片计算出样品的H2O2含量，并由输出模块19传输给液晶显示屏11向用户显示正确的H2O2含量。

用上述测定仪检测H2O2含量的方法按如下步骤进行：

步骤一：备料：市购或网购足量的2-甲基咪唑、六水合硝酸钴、甲醇、5%萘酚溶液、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、质量浓度为30% 的双氧水标准溶液；

步骤二：Co-NC十二面体催化剂的制备：

1）试剂A的制备：取0.498 g的六水合硝酸钴，溶于50 mL无水甲醇溶液中，制得试剂A备用；

2）试剂B的制备：取0.656 g的2-甲基咪唑，溶于50 mL无水甲醇溶液中，制得试剂B备用；

3）ZIF-67的制备：搅拌条件下，将试剂B缓慢添加至试剂A中，室温下静置反应24 h得到ZIF-67沉淀；抽滤、甲醇洗涤、收集沉淀并于60 ℃下干燥备用;

4）将ZIF-67置于管式炉中，N2气氛下 600 ℃碳化5 h，获得Co-NC十二面体，即Co-NC RDCs；

步骤三：工作电极的制备：

1）玻碳电极的预处理：将玻碳电极分别用0.05 μm、0.3 μm和0.5 μm的Al2O3抛光打磨，随后分别用去离子水、硝酸与水的体积比为3:1的溶液、去离子水和乙醇超声1 min，吹干备用；

2）浆料的制备：取8 mg Co-NC RDCs催化剂，加入100 μL 5% 萘酚溶液和900 μL异丙醇水溶液，异丙醇与水的体积比为1:3，超声1 h形成均匀的浆料；

3）工作电极滴涂：取10 μL浆料滴涂于预处理好的玻碳电极表面，自然干燥。获得工作电极，备用；

步骤四：溶液的制备：

1）试剂C的制备：取3.12 g二水合磷酸二氢钠，用蒸馏水配制成100 mL浓度为0.2 mol·L^-1的溶液，制得试剂C备用；

2）试剂D的制备：取7.16 g十二水合磷酸氢二钠，用蒸馏水配制成100 mL浓度为0.2 mol·L^-1的溶液，制得试剂D备用；

3）取19 mL试剂C和81 mL试剂D，用蒸馏水配制成200 mL 浓度为0.1 mol·L^-1 pH=7.4的磷酸盐缓冲溶液；

步骤五：电流强度-H2O2浓度标准曲线的建立：启动电源和旋转按钮12，将已知浓度的H2O2标准液连续注入含50 mL磷酸缓冲溶液的电解池4中，分别检测其电流强度，此电流强度经芯片拟合后得到以电流强度为纵坐标，H2O2浓度为横坐标的电流强度-H2O2浓度标准曲线；

步骤六：样品H2O2浓度的测定：启动电源和旋转按钮12，将10 μL待测样品注入含50 mL磷酸缓冲溶液的电解池4中，检测其电流强度，此电流强度经过芯片代入已拟合的电流强度-H2O2浓度标准曲线中，得到对应的H2O2浓度即为该样品的H2O2浓度。

本检测仪测定H2O2含量的原理：

图3所示，由ZIF-67碳化后经过XRD、SEM和TEM表征，得到的Co-NC RDCs复合材料为Co纳米颗粒镶嵌的氮掺杂多孔碳材料，具有多孔结构、较大的比表面积（257.57 m²·g^-1）和较高的电导率。

图4所示，对比了在0.1 mol·L^-1磷酸盐缓冲溶液（pH 7.4）中存在和不存在H2O2的情况下，裸旋转圆盘电极（RDE）和Co-NC RDCs修饰的旋转圆盘电极（Co-NC/RDE）在一定转速下的循环伏安曲线。对于RDE，无论是否存在H2O2，都不能观察到氧化还原峰。对于Co-NC/RDE电极，由于Co-NC RDCs材料的相对较大的BET表面，在没有H2O2的情况下可观察到一定的电容行为。加入H2O2时在0 V显示特征性还原峰，说明Co-NC RDCs具有催化H2O2还原的活性。如图5所示，Co-NC/RDE电极在一定转速下对不同浓度的H2O2具有不同的电流响应。H2O2浓度从0.1增加至10 mM时，阴极电流强度明显增加。这一结果进一步证明了Co-NC RDCs对H2O2的还原具有较高的电催化活性，可进一步用于定量检测溶液中的H2O2。

如图6所示，Co-NC/RDE电极在-0.3 V电压、一定转速下连续添加H2O2时的电流-时间关系曲线，图7为相应电流强度-H2O2浓度关系曲线。可见Co-NC/RDE电极在一定转速下对H2O2浓度的变化迅速响应，在6 s内产生稳态信号，线性范围为1.0×10^–6~3.0×10^–2 mol·L^–1，线性方程为：I (μA) =46.043 ×c (mmol·L^–1) + 2.169，R² = 0.999；灵敏度为234.913 μA·mM^-1cm^-2；检测限LOD为0.143 μM。

如图8所示，Co-NC/RDE电极在-0.3 V电压、搅拌下连续添加H2O2时的电流-时间关系曲线，图9为相应电流强度-H2O2浓度关系曲线。可见，搅拌条件下Co-NC/RDE电极对H2O2的响应时间为8s，明显慢于旋转电极，线性范围为1.0×10^–6~2.4×10^–3 mol·L^–1，线性方程为：I (μA) =13.298 ×c (mmol·L^–1) -0.327，R² = 0.998；灵敏度为68.546 μA·mM^-1cm^-2。可见Co-NC/RDE电极在一定转速下对H2O2的检测响应更快、更灵敏、检测范围更广、检测限更低。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，并非对本发明保护范围的限制。所属领域技术人员应该明白，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进仍在本发明的保护范围之内。