石墨纸基普鲁士蓝电化学传感器及其制备方法和应用与流程

本发明涉及石墨纸基电化学传感器，具体地，涉及一种石墨纸基普鲁士蓝电化学传感器及其制备方法和应用。

背景技术

过氧化氢(h2o2)是一种重要的工业原料和常用消毒剂，在药品、工业以及生活等领域应用广泛。但是当h2o2的浓度过大时，对环境和人体健康有一定的影响，因此构建能够快速灵敏地检测h2o2的方法具有一定的积极意义。目前国内外检测h2o2的主要方法有化学发光法，荧光法，分光光度法以及电化学方法，其中电化学法具有操作简单，灵敏度高等优点，但是存在制备复杂，花费较高等缺陷。

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nadh)产生于糖酵解和细胞呼吸作用中的柠檬酸循环。nadh分子是线粒体中能量产生链中的控制标志物。nadh水平的上升表明代谢出现失衡。因此快速精确地检测nadh对人体健康有重要的意义。目前测定nadh的方法主要有分光光度法、荧光分析法以及电化学分析法。其中电化学分析方法因为操作简单，灵敏度高而被广泛关注，但是存在制备复杂，花费较高缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种石墨纸基普鲁士蓝电化学传感器及其制备方法和应用，该石墨纸基普鲁士蓝电化学传感器具有优异的灵敏度、抗干扰能力、选择性和稳定性，进而使得其能够应用于过氧化氢或烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的高效检测，同时该制备方法具有操作简单、成本低廉的优点。

为了实现上述目的，本发明提供了一种石墨纸基普鲁士蓝电化学传感器，包括石墨纸，石墨纸的表面形成有普鲁士蓝膜，普鲁士蓝膜上沉积有金纳米层。

本发明还提供了一种上述的石墨纸基普鲁士蓝电化学传感器的制备方法，包括：

1)将石墨纸的表面进行预处理以形成毛面；

2)将石墨纸置于混合溶液中进行电化学处理以在石墨纸的表面形成普鲁士蓝膜；

3)在形成有普鲁士蓝膜的石墨纸的表面沉积金纳米层以制得石墨纸基普鲁士蓝电化学传感器；

其中，混合溶液含有三价铁盐和铁氰化物。

本发明进一步提供了一种上述的石墨纸基普鲁士蓝电化学传感器在过氧化氢或烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的检测中的应用。

在上述技术方案，本发明首先通过在石墨纸的表面形成普鲁士蓝膜(普鲁士蓝pb，分子式为：fe^ⅲ4[fe^ⅱ(cn)6]3)，接着在普鲁士蓝膜上沉积金纳米层；最后通过石墨纸优良的导电性和比表面积大特性、混合价态过渡金属配合物普鲁士蓝以及金纳米特性的结合使得制得的石墨纸基电化学传感器具有优异的灵敏度、抗干扰能力、选择性和稳定性，进而使得其能够应用于过氧化氢或烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的高效检测，同时该制备方法具有操作简单、成本低廉的优点。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是应用例1中的h2o2检测的抗干扰图；

图2是应用例1中的nadh检测的抗干扰图；

图3是检测例1中实施例1中步骤1)处理后的石墨纸的sem谱图；

图4是检测例1中b3的sem谱图；

图5是检测例1中a1的sem谱图；

图6是检测例1中石墨纸的xrd谱图；

图7是检测例1中b3的xrd谱图；

图8是检测例1中a1的xrd谱图。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

本发明提供了一种石墨纸基普鲁士蓝电化学传感器，包括石墨纸，石墨纸的表面形成有普鲁士蓝膜，普鲁士蓝膜上沉积有金纳米层。

在上述石墨纸基电化学传感器中，各层的厚度可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高石墨纸基电化学传感器的灵敏度、抗干扰能力、选择性和稳定性，优选地，石墨纸的厚度为0.1-2mm，普鲁士蓝膜的厚度为20-100nm，金纳米层的厚度为40-100nm。

本发明还提供了一种上述的石墨纸基普鲁士蓝电化学传感器的制备方法，包括：

1)将石墨纸的表面进行预处理以形成毛面；

2)将石墨纸置于混合溶液中进行电化学处理以在石墨纸的表面形成普鲁士蓝膜；

3)在形成有普鲁士蓝膜的石墨纸的表面沉积金纳米层以制得石墨纸基普鲁士蓝电化学传感器；

其中，混合溶液含有三价铁盐和铁氰化物。

在上述制备方法中，三价铁盐的种类可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高石墨纸基电化学传感器的灵敏度、抗干扰能力、选择性和稳定性，优选地，在步骤2)中，三价铁盐选自六水合三氯化铁、无水三氯化铁和六水合三氯化铁中的至少一者。

在上述制备方法中，铁氰化物的种类可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高石墨纸基电化学传感器的灵敏度、抗干扰能力、选择性和稳定性，优选地，在步骤2)中，铁氰化物选自六水合铁氰化钾。

在上述制备方法中，混合溶液中三价铁盐以及铁氰化物的浓度可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高石墨纸基电化学传感器的灵敏度、抗干扰能力、选择性和稳定性，优选地，在混合溶液中，三价铁盐的浓度为2-4mmol/l，铁氰化物的浓度为2-4mmol/l。

在上述制备方法的步骤2)中，电化学处理的处理方式以及条件可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高石墨纸基电化学传感器的灵敏度、抗干扰能力、选择性和稳定性，优选地，在步骤2)中，电化学处理采用循环伏安法进行；循环伏安法满足以下条件：扫描圈数为10-20圈，扫速为45-55mv/s，电位范围为-0.2v～+0.6v。

在上述制备方法的步骤3)中，金纳米层的形成方式以及条件可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高石墨纸基电化学传感器的灵敏度、抗干扰能力、选择性和稳定性，优选地，在步骤3)中，金纳米层的形成通过以下方式进行：将石墨纸置于氯金酸溶液中进行i-t法电沉积。其中，i-t法电沉积的具体条件也可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高石墨纸基电化学传感器的灵敏度、抗干扰能力、选择性和稳定性，更优选地，在步骤3)中，i-t法电沉积满足以下条件：沉积电位为-0.3～-0.1v，沉积时间为180-220s。

在上述制备方法的步骤3)中，氯金酸溶液的浓度可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高石墨纸基电化学传感器的灵敏度、抗干扰能力、选择性和稳定性，优选地，氯金酸溶液的浓度为3-5mmol/l。

在上述制备方法的步骤3)中，石墨纸的规格可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高石墨纸基电化学传感器的灵敏度、抗干扰能力、选择性和稳定性，优选地，石墨纸的厚度为0.1-2mm，表面积为0.2-2cm²。

在上述制备方法的步骤3)中，混合溶液以及氯金酸溶液的用量可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高石墨纸基电化学传感器的灵敏度、抗干扰能力、选择性和稳定性，进一步优选地，以厚度为0.1-2mm、表面积为0.2-2cm²的石墨纸为基准，混合溶液的用量为5-7ml，氯金酸溶液的用量为4-6ml。

在上述制备方法的步骤3)中，预处理的具体方式可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高石墨纸基电化学传感器的灵敏度、抗干扰能力、选择性和稳定性，优选地，预处理通过以下步骤进行：通过胶带粘粘石墨纸的表面，然后置于清洁剂中进行清洗、干燥。其中，清洁剂的具体种类也可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高清洁效果，更优选为乙醇。

本发明进一步提供了一种上述的石墨纸基普鲁士蓝电化学传感器在过氧化氢或烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的检测中的应用。

在上述检测应用过程中，检测环境可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高检测结果的精准度，优选地，检测均是在ph为4.5-5.5的缓冲溶液中进行。

在上述检测应用过程中，检测的具体方式可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高检测结果的精准度，优选地，检测采用循环伏安法进行。其中，循环伏安法的具体条件也可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高检测结果的精准度，更优选地，在过氧化氢的检测过程中，电位范围为-0.1v～+0.4v；在烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的检测过程中，电位范围为-0.2v～+0.6v。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。

实施例1

1)通过小刀和刻度尺将石墨纸(厚度为0.3mm)裁剪为0.5cm×0.5cm的方块，接着用胶带粘去石墨纸的双面以使得其表面呈褶皱状毛面；

2)将具有毛面的石墨纸浸入6ml混合溶液(含有3mmol·l^-1的fecl3·6h2o和3mmol·l^-1的k3[fe(cn)6])中，通过循环伏安法进行扫描(扫描圈数为15圈，扫速为50mv·s^-1，电位范围为-0.2v-+0.6v)以使得在毛面上形成普鲁士蓝膜；

3)将形成有普鲁士蓝膜的石墨纸浸入到5ml、4mmol/l的haucl4溶液中，采用i-t法在-0.2v时进行电化学法沉积200s以在普鲁士蓝膜上形成金纳米颗粒以制得石墨纸基普鲁士蓝电化学传感器a1。

实施例2

按照实施例1的方法进行石墨纸基普鲁士蓝电化学传感器a2，所不同的是石墨纸的厚度为1mm。

实施例3

按照实施例1的方法进行石墨纸基普鲁士蓝电化学传感器a3，所不同的是石墨纸的厚度为0.15mm。

实施例4

按照实施例1的方法进行石墨纸基普鲁士蓝电化学传感器a4，所不同的是混合溶液用量为7ml，haucl4溶液的用量为4ml。

实施例5

按照实施例1的方法进行石墨纸基普鲁士蓝电化学传感器a5，所不同的是混合溶液用量为5ml，haucl4溶液的用量为6ml。

实施例6

按照实施例1的方法进行石墨纸基普鲁士蓝电化学传感器a6，所不同的是循环伏安法条件为：扫描圈数为20圈，扫速为50mv·s^-1。

实施例7

按照实施例1的方法进行石墨纸基普鲁士蓝电化学传感器a7，所不同的是循环伏安法条件为：扫描圈数为10圈，扫速为55mv·s^-1。

对比例1

按照实施例1的方法进行石墨纸基普鲁士蓝电化学传感器b1，所不同的是步骤2)中混合溶液中未含有fecl3·6h2o。

对比例2

按照实施例1的方法进行石墨纸基普鲁士蓝电化学传感器b2，所不同的是步骤2)中混合溶液中未含有k3[fe(cn)6]。

对比例3

按照实施例1的方法进行石墨纸基普鲁士蓝电化学传感器b3，所不同的未进行步骤3)。

检测例1

通过扫描电子显微镜(sem,hitachis-4800,10kv)对实施例1中步骤1)处理后的石墨纸egp、b3、a1进行sem检测，具体结果见图3-图5，由图可知egp表面有明显的三维褶皱状结构，大大增加了石墨纸的比表面积；图4和图3相比，图4可明显观察到普鲁士蓝被修饰在石墨纸表面，分布均匀，图5与图4对比，可进一步观察到金纳米粒子被修饰在电极表面，粒径均一，分布均匀，进一步提高了电极的比表面积并有利于电极表面的电子转移。

通过xrd-6000x射线粉末衍射仪(日本岛津有限公司)对实施例1中步骤1)处理后的石墨纸egp、b3、a1进行xrd检测，具体结果见图6-图8，由图可知图6可观察到在衍射角2θ在26.2°以及54.0°出现强度不等的特征峰，对应高纯石墨的xrd特征峰，可以得知本实验所用的石墨纸具有高纯石墨烯的片层结构；图7和图6对比，可观察到图7中衍射角在24.76°、39.75°、51.12°以及57.14°出现强度不等的特征峰，分别对应普鲁士蓝(220)、(420)、(440)以及(620)衍射面，证明普鲁士蓝已经成功修饰到电极表面，图8没有出现明显的金纳米粒子的衍射峰，可能是物质较为复杂，是峰与峰之间相互覆盖了。

应用例1

将传感器a1在5mlpbs(ph为4.0)溶液(添加有1mmol/l的葡萄糖、1mmol/l的da(多巴胺)、1mmol/l的aa(抗坏血酸)、1mmol/l的h2o2)中(i-t法检测h2o2，检测电位为0.15v)，检测结果见图1。

将传感器a1在5mlpbs(ph为5.0)溶液(添加有0.1mmol/l的葡萄糖、0.1mmol/l的da、0.1mmol/l的aa抗坏血酸、0.1mmol/l的nadh)中用i-t法(电位为0.4v)对nadh进行检测，检测结果见图2。

在图2中，a为nadh、b为葡萄糖、c为da多巴胺、d为抗坏血酸、e为nadh，在图1中，a为h2o2、b为葡萄糖、c为多巴胺、d为抗坏血酸、e为h2o2；由图可知，本发明提供的电化学传感器具有优异的灵敏度以及抗干扰能力。

按照相同的方法对h2o2和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸进行检测，所不同的是将传感器a1换为b1-b3中任意一者，结果为b1-b3不能对h2o2和nadh进行灵敏检测，因为没有形成普鲁士蓝膜或者形成的普鲁士蓝膜不能稳定存在。

按照上述检测例和应用例对a2-a7进行相同的实验，结果显示a2-a7的检测结果与a1的检测结果。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。