基于石墨烯/金@银纳米颗粒修饰电极检测碘离子的方法与流程

本发明属于分析检测技术领域，具体涉及一种基于石墨烯/金@银纳米颗粒修饰电极检测碘离子的方法。

背景技术：

碘是甲状腺激素不可或缺的组成部分，在调节细胞代谢、肌肉组织生长和神经发育中起着至关重要的作用，人体缺碘或过量摄入碘均会引起重大的健康问题。如孕期碘缺乏会导致胎儿甲状腺肿、克汀病、智力障碍和新生儿甲状腺功能减退，而碘过量则会导致甲状腺功能亢进症。因此，开发出简单、快速、灵敏的碘离子检测方法具有重要意义。到目前为止，已有各种方法被成功的应用于碘离子的检测，如电感耦合等离子体质谱、色谱法、毛细管电泳、表面增强拉曼散射法、原子吸收光谱法等。而这些方法在实际使用时具有一定的缺陷，如检测成本高、操作繁琐、耗时长，需要精密的仪器、训练有素的操作人员和复杂的样品前处理过程。而电化学方法具有检测成本低、仪器设备简单、省时和操作简单等优点，如氟离子选择性电极就被广泛应用于氟离子的快速检测。但是与其他卤素离子相比，碘离子的体积更大，碱度更低，因此开发对碘离子高灵敏检测的电化学检测方法仍然具有很大的挑战性。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明提供一种基于石墨烯/金@银纳米颗粒修饰电极检测碘离子的方法，该方法采用石墨烯/金@银纳米颗粒修饰电极作为工作电极，结合氧化还原反应及电化学溶出伏安检测手段，利用碘离子可以在铜离子的存在下将电极表面的银单质氧化为碘化银，通过工作电极表面银的溶出伏安信号的降低来实现对碘离子的快速、高灵敏检测。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于碘离子检测的石墨烯/金@银纳米颗粒修饰电极的制备方法，包括如下步骤：

步骤(1)，取1mg/ml氧化石墨烯悬水液滴作为修饰溶液，涂于处理干净的电极表面，将电极自然晾干；

所述的电极为玻碳电极，所述的修饰溶液的用量为0.71μl/mm²，相当于直径为3mm的电极取5μl修饰溶液；

步骤(2)，经步骤(1)处理后的电极置于0.1mol/lkh2po4溶液中，在-0.8v恒电位还原600s，将电极表面的氧化石墨烯还原，得到石墨烯修饰电极；

步骤(3)，将石墨烯修饰电极置于5mmol/lhaucl4溶液中，施加-0.2v的电位还原60s，得到石墨烯/纳米金修饰电极；

步骤(4)，依次取5μl0.05mol/lagno3溶液、485μl0.1mol/l的ph9.8二乙醇胺-hno3缓冲溶液和10μl1mmol/l抗坏血酸混合均匀，并迅速将石墨烯/纳米金修饰电极浸泡在混合溶液中，在37℃条件下避光反应5min，即得到用于碘离子检测的石墨烯/金@银纳米颗粒修饰电极。

进一步，优选的是，将玻碳电极分别用0.5μm和0.05μm的氧化铝粉末在湿润的麂皮上打磨，抛光至镜面，之后依次用超纯水、无水乙醇、超纯水超声清洗各lmin，接着将玻碳电极置于1mmol/l铁氰化钾溶液中，于-0.2v～0.6v的电势范围内进行循环伏安扫描，当铁氰化钾的氧化还原峰的电势差在80mv以下时表明玻碳电极清洗干净。

本发明还提出上述用于碘离子检测的石墨烯/金@银纳米颗粒修饰电极在检测碘离子中的应用。

本发明提供一种用于碘离子检测的石墨烯/金@银纳米颗粒修饰电极在检测碘离子中的应用，包括如下步骤：

步骤(1)，将含碘离子的待测物溶液按质量比为1:1加入到含有硫酸铜的磷酸缓冲溶液中，得到反应液；

所述的含有硫酸铜的磷酸缓冲溶液含有：0.4mmol/l硫酸铜和ph为7.2的0.2mol/l磷酸缓冲，溶剂为水；

步骤(2)，将石墨烯/金@银纳米颗粒修饰电极作为工作电极插入步骤(1)得到的反应液中，于37℃避光反应20分钟，然后用超纯水将工作电极冲洗干净后，置于1mol/lkcl水溶液中进行线性伏安扫描测定，根据检测到的银的氧化信号的强弱，采用标准曲线法对碘离子进行定量；

进一步，优选的是，线性伏安扫描的扫描范围为-0.2～0.4v，扫描速率为100mv/s。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

1、本发明检测方法是将含碘离子的待测液加入到含有硫酸铜的磷酸缓冲溶液中，然后将石墨烯/金@银纳米颗粒修饰电极插入上述反应液中进行孵育，由于碘离子在铜离子的存在下可以将电极表面的银单质氧化为碘化银，因此可以利用修饰电极表面银的溶出伏安信号的降低来实现对目标i^-的检测。

2、本发明将氧化还原反应与电化学检测相结合，建立了一种简单、高灵敏的电化学检测方法并将其应用于i^-的特异性检测。本发明结合氧化还原反应，将碘离子通过氧化还原反应将电极表面的银单质转化碘化银，通过修饰电极表面银的溶出伏安信号的降低来实现对i^-的检测，该整体策略有效放大了本方法的检测灵敏度；采用石墨烯/金@银纳米颗粒修饰电极作为工作电极，可以使检测灵敏度进一步放大。

3、本发明方法将化学修饰电极、氧化还原反应、以及金属溶出伏安法相结合，利用在铜离子的存在下i^-可以通过氧化还原反应将修饰电极表面的银单质转化为碘化银，利用修饰电极表面银的溶出伏安信号降低可以实现对i^-的高灵敏检测，该策略可以有效提高方法的检测灵敏度。

4、本发明通过修饰电极表面银的溶出伏安信号的降低(δi)对碱性磷酸酶进行定量检测，i^-的浓度与δi在0.01μmol/l～20μmol/l之间呈线性相关，检出限为4.6nmol/l，证明该方法具有非常高的检测灵敏度。

5、本发明方法还具有很好的特异性和抗干扰能力，可以实现实际样品中碘离子的检测。

6、本方法具有操作简单、快速，所用仪器简单，特异性好、检出限低、实用性强等优点，在碘离子(i^-)的检测领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为依据本发明提出的碘离子的检测原理示意图。

图2为采用不同浓度agno3制备的石墨烯/金@银纳米颗粒修饰玻碳电极检测i^-前后电极表面银的溶出伏安信号对比图，其中a表示与i^-反应前银的溶出伏安信号；b表示与10μmol/li^-反应后银的溶出伏安信号。

图3为电极表面扫描电镜表征图；其中的(a)裸玻碳电极；(b)石墨烯修饰玻碳电极；(c)石墨烯/金@银纳米颗粒修饰玻碳电极；(d)石墨烯/金@银纳米颗粒修饰玻碳电极检测10μmol/li^-后的电极表面。

图4为不同检测条件对i^-检测信号δi的影响，其中的(a)为反应温度的影响；(b)为反应时间的影响；(c)缓冲液ph的影响；(d)铜离子浓度的影响。

图5为采用本方法检测不同浓度i^-所得到的电化学信号，其中的(a)检测不同浓度的i^-时电极表面银的溶出伏安信号图，i^-浓度依次为：(a)0μmol/l,(b)0.01μmol/l,(c)0.10μmol/l,(d)1.0μmol/l,(e)10μmol/l,(f)20μmol/l,(g)30μmol/l,(h)40μmol/l；(b)检测不同浓度的i^-前后电极表面银的溶出伏安信号差值δi变化图(插图为线性拟合曲线)。

图6为本方法对i^-的特异性柱状图(图中各种离子的浓度均为10μmol/l)。

图7为不同修饰电极检测10μmol/li^-时所得到的检测信号对比图，其中的a表示与i^-反应前不同电极银的溶出伏安信号；b表示与i^-反应后银的溶出伏安信号。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

实施例1：碘离子的检测。

下面以碘离子的检测为例，对基于au@ag纳米颗粒刻蚀的电化学检测方法进行详细的说明。

一、基于石墨烯/金@银纳米颗粒修饰电极检测碘离子的方法

1、电极的修饰

将直径为3mm的裸玻碳电极依次用0.5μm和0.05μm的氧化铝粉末在湿润的麂皮上打磨，抛光至镜面。用超纯水、无水乙醇和超纯水依次超声清洗各lmin。接着将玻碳电极置于1mmol/l铁氰化钾溶液中，于-0.2v～0.6v的电势范围内进行循环伏安扫描，当铁氰化钾的氧化还原峰的电势差在80mv以下时表明玻碳电极清洗干净。

称取一定量的氧化石墨烯分散于超纯水中配成1mg/ml的氧化石墨烯水溶液。取5μl上述氧化石墨烯水溶液滴涂到处理干净的玻碳电极表面；自然晾干后，将其置于0.1mol/lkh2po4溶液中，在-0.8v恒电位下还原氧化石墨烯600s，即得石墨烯修饰电极；然后将石墨烯修饰电极置于5mmol/lhaucl4溶液中，施加-0.2v的电位还原60s，制得石墨烯/纳米金修饰电极。

依次取5μl0.05mol/lagno3溶液、485μl0.1mol/l的ph9.8二乙醇胺-hno3缓冲溶液和10μl0.001mol/l抗坏血酸溶液均匀混合，并迅速将石墨烯/纳米金修饰电极浸泡在混合溶液中，在37℃条件下避光反应5min，即得用于检测碘离子的修饰电极(石墨烯/金@银纳米颗粒修饰电极)。

2、碘离子的检测

将250μl含有i^-的溶液加入到250μl含有0.4mmol/lcuso4溶液的磷酸缓冲溶液(0.2mol/l，ph7.2)中，混合均匀后将石墨烯/金@银纳米颗粒修饰电极作为工作电极置于上述混合溶液中浸泡，在32℃条件下避光反应20min。然后将工作电极取出并用超纯水冲洗后将其置于1mol/lkcl溶液中，用线性伏安扫描法(lsv)从-0.2v到0.4v进行扫描(扫描速率为100mv/s)，得到电极表面银的溶出伏安信号。

利用上述方法对一系列已知浓度的i^-进行检测并绘制标准曲线，利用检测待测样品时所获得的电化学信号在标准曲线上对应的i^-浓度来实现对i^-的定量检测。

3、特异性实验

为了考察方法的特异性，采用实际样品中可能存在的干扰离子，如10μmol/lf^-、cl^-、br^-、no3^-、so4^2-、co3^2-、hpo4^2-作为阴性对照，采用步骤2中所述的方法进行检测。

4、实际样品中i^-的检测

将饮用矿泉水用超纯水稀释十倍、自来水不作处理，直接采用步骤2中所述的方法对其中的i^-进行检测。另外还将一定量的i^-加入到上述实际样品中测定其加标回收率。

二、结果

1、检测原理

图1是该方法对i^-的检测原理示意图，采用石墨烯/金@银纳米颗粒修饰电极作为工作电极，当溶液中没有i^-时，检测液中的cu²⁺不能将电极表面的银氧化，因此能够检测到比较大的银的溶出伏安信号。当检测液中i^-和cu²⁺同时存在时，电极表面主要发生了以下氧化还原反应：

2cu²⁺+4i^-＝2cui+i2(1)

2ag+i2＝2agi(2)

检测液中的i^-能够在cu²⁺的存在下将电极表面的银单质氧化成agi，电极表面银的溶出伏安信号会降低。由于小于所以溶液中的cu²⁺不能氧化电极表面的ag⁰。尽管比低，但因为cui的生成能够使(0.860v)显著增加，从而使cu²⁺能够氧化i^-生成i2。所以，在cu²⁺存在的条件下，溶液中的i^-能够被氧化为i2(反应1)，生成的i2进一步与电极上的ag⁰发生氧化还原反应生成agi(反应2)，从而使电极上银的溶出伏安信号减小，因此可以利用电极表面银溶出伏安信号的降低来实现对i^-的检测。

2、电极修饰条件的优化

由于该方法是基于i^-与电极表面银的氧化还原反应所建立起来的电化学检测方法，故修饰电极对方法的灵敏度、检测限等有重要的影响。本发明采用石墨烯/金@银纳米颗粒修饰电极作为工作电极，由于电极表面银层的厚度对检测信号的影响最大，通过控制与抗坏血酸反应时硝酸银的浓度来控制石墨烯/金@银纳米颗粒修饰电极表面银壳层的厚度。

在制备石墨烯/金@银纳米颗粒修饰电极时，本发明固定反应温度、时间以及抗坏血酸的浓度，改变硝酸银的浓度，检测所制得的石墨烯/金@银纳米颗粒修饰电极表面银的溶出伏安信号，并与对10μmol/l的碘化钠溶液进行检测所得到的银溶出伏安信号进行比较。检测结果如图2所示，当硝酸银浓度为0.1mmol/l时电极表面银层太薄，以至于电极表面银被刻蚀完全，在此条件下检测范围太窄；当硝酸银浓度为1mmol/l时电极表面银层太厚，以至于低浓度范围内的i^-对电极表面的银刻蚀不明显，在此条件下会降低检测的灵敏度；当硝酸银的浓度为0.5mmol/l时，相同浓度i^-对电极表面的银刻蚀最明显，刻蚀前后电极表面银的溶出伏安信号差值最大，有利于提高方法的检测灵敏度及降低检出限。因此，选择制备石墨烯/金@银纳米颗粒修饰电极时的硝酸银浓度为0.5mmol/l。

3、电极的表征

采用扫描电镜对不同电极进行表征，结果如图3所示。从图中可以看出未加任何修饰的裸玻碳电极表面光滑平整(图3a)，在电极上修饰上石墨烯后电极表面有明显的石墨烯膜层(图3b)。在电极上镀上金纳米颗粒并且利用抗坏血酸将银离子还原形成au@ag纳米颗粒后，从扫描电镜图上可以看到石墨烯膜表面均匀地分布着粒径均匀的纳米颗粒(图3c)。当利用石墨烯/金@银纳米颗粒修饰电极检测i^-以后，电极表面的纳米颗粒明显变得更小更密集(图3d)。说明石墨烯/金@银纳米颗粒修饰电极表面的银在铜离子的存在下能够与i^-发生反应，该结果也可以从侧面证明石墨烯/金@银纳米颗粒修饰电极被成功制备，而且可以利用i^-与石墨烯/金@银纳米颗粒修饰电极表面银的特异性反应来实现对i^-的检测

4、检测条件的优化

为了提高检测的灵敏度，对影响i^-与电极表面ag⁰反应的因素进行了研究，如反应温度、时间、溶液ph值、cu²⁺浓度等因素。

首先对检测i^-时的反应温度进行了优化，在其它反应条件不变的情况下，在不同的反应温度下对1μmol/l的碘化钠溶液进行检测。实验发现，在温度低于32℃时，随着反应温度的升高与i^-反应前后电极表面银的溶出伏安信号的差值δi逐渐变大；在温度高于32℃时，δi又逐渐变小(图4a)。检测相同浓度碘离子(i^-)时，与i^-反应前后电极表面银的溶出伏安信号差值δi越大表明检测方法灵敏度越高，因此，选择32℃为检测i^-的最佳反应温度。

对反应时间进行了优化，固定其它反应条件，用石墨烯/金@银纳米颗粒修饰电极在检测液中与1μmol/l的i^-反应不同的时间。检测结果如图4b所示，随着反应时间的增加，δi逐渐增大，当反应时间达到20min后，检测信号δi基本趋于稳定。因此，选择20min为检测碘离子的最佳反应时间。

还对反应液的ph进行了优化，在其它反应条件均不变的情况下，使反应在不同ph的pbs缓冲溶液中进行，实验发现，在ph5.8～8.0范围内石墨烯/金@银纳米颗粒修饰电极对1μmol/li^-的检测信号δi基本保持不变(图4c)，所以在ph介于5.8～8.0时ph值对该反应基本无影响，因此，选择ph7.2的磷酸缓冲溶液作为检测碘离子的反应ph条件。

还对反应液中cu²⁺浓度进行了优化。在其他条件不变的情况下，利用石墨烯/金@银纳米颗粒修饰电极在不同浓度的cuso4溶液中与1μmol/l的i^-进行反应。实验结果如图4d所示，浓度范围为0.01mmol/l～0.30mmol/l的cu²⁺对i^-的检测信号δi基本无影响，该结果也从侧面证明cu²⁺本身不能氧化电极表面的ag⁰。因此选择浓度为0.2mmol/l作为检测碘离子的反应液中铜离子的浓度。

5、i^-的检测

在最佳的反应条件下，采用溶出伏安法，对含有不同浓度i^-的溶液进行检测，实验结果如图5a所示，随着i^-的浓度增加，电极表面银的溶出伏安信号逐渐降低，i^-浓度的对数值在0.01μmol/l～20μmol/l的浓度范围内与δi呈良好的线性关系(图5b插图，r²＝0.994)。由3σ计算得方法的检出限为4.6nmol/l(s/n＝3)。相对于文献报道的i^-检测方法，本方法具有更高的检测灵敏度和更低的检出限。

6、特异性

为验证本方法的特异性，采用实际样品中可能存在的干扰离子，如：f^-、cl^-、br^-、no3^-、so4^2-、co3^2-、hpo4^2-(浓度均为10μmol/l)作为阴性对照，采用本方法进行检测，并与相同浓度i^-的检测信号进行比较。检测结果如图6所示，在相同的检测条件下，各种干扰离子的只能得到很小的背景信号，只有在i^-存在的情况下才能够对电极表面的银进行刻蚀。表明本方法对i^-的检测具有良好的选择性。

7、实际样品中i^-的检测

为考察本实验方法的实用性，对食用矿泉水(因为该矿泉水为山泉水，故碘离子含量较高，所以将其稀释十倍后进行检测)及自来水中的碘离子(i^-)进行了检测，检测结果如表1所示。样品的加标回收率在94.20％～107.4％之间，相对标准偏差小于5.00％，符合实际分析要求，表明本方法可以应用于实际样品中i^-的检测。

表1实际样品中i^-的检测结果

8、修饰电极的信号放大效果

为验证本方法中使用石墨烯/金@银纳米颗粒修饰电极表面各修饰材料的信号放大作用，采用与该电极相似的修饰方法将不同的纳米材料修饰到玻碳电极表面，得到不同的修饰电极(如：银纳米颗粒修饰玻碳电极(agnps/gce)石墨烯/银纳米颗粒修饰玻碳电极(agnps/石墨烯/gce)，金银纳米颗粒修饰玻碳电极(au@agnps/gce)作为对照，采用这三种不同的修饰电极对10μmol/l的i^-进行检测，并将检测结果与石墨烯/金@银纳米颗粒修饰玻碳电极(au@agnps/石墨烯/gce)所得到的检测结果进行比较。

从检测结果可以看出，电极表面纳米金以及石墨烯的修饰都有利于银沉积到修饰电极表面，而电极表面纳米金的存在更加有利于i^-与电极表面ag的反应，从而使检测前后电极表面银的溶出伏安信号的差值大大增加。因此在au@agnps/石墨烯/gce上所得到的刻蚀前后电化学信号差值远远大于agnps/gce，agnps/石墨烯/gce，au@agnps/gce电极上所得到的检测前后银的溶出伏安信号的差值。由于石墨烯的修饰不仅可以增加电极的导电性，而且还可以使电极的表面积大大增加。纳米金修饰到电极表面以后，电极的比表面积能够进一步增加，而且由于纳米金诱导银沉积效应，在aa的存在下可以使大量银被还原到纳米金表面，从而得到au@agnps/石墨烯gce，该电极更加有利于i^-刻蚀银的反应，因此表明采用au@agnps/石墨烯/gce作为工作电极可以显著增加本发明方法的检测灵敏度。

通过以上各项检测，证明本发明方法可以应用i^-的检测，而且操作简单、灵敏度高，检测限低至4.6nmol/l，而且该方法不需要复杂的仪器，可以实现实际样品中i^-的高灵敏检测。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，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，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。