一种检测酚类的电化学传感器及其制备方法和检测方法

1.本发明涉及一种电化学传感器，具体地说是一种检测酚类的电化学传感器及其制备方法和检测方法。


背景技术：

2.酚类化合物是一种结构中带有芳香环和1~2个羟基的物质，具有抗炎、抗氧化和抗菌的特性，在自然界中广泛存在。大多数酚类化合物及其衍生物不可降解，可溶于水，因此作为化学和制药工业的废水很容易对生态系统造成污染。邻苯二酚(cc)和对苯二酚(hq)是苯二酚的两种主要异构体，常用于农药、医药、化妆品、油漆、塑料和皮革等与生活密切相关的生产领域。由于它们具有低降解性和高毒性的特点，即使在非常少量的情况下也会对人体健康和生态环境造成损害，被美国和欧盟列为剧毒污染物。目前，已有很多检测邻苯二酚和对苯二酚的方法，例如分光光度法、高效液相色谱法、电化学发光法、基于ph的流动注射分析法以及同步荧光法等多种分析检测方法。但是，这些分析检测方法普遍存在的问题是分析费用高、操作时间长以及样品制备复杂，不能满足实时监控的市场需求。由于邻苯二酚和对苯二酚的结构和性质相似，并且在环境中共存并相互干扰，因此，开发一种高效、简便、灵敏、选择性高的方法来同时检测邻苯二酚和对苯二酚就显得至关重要。


技术实现要素：

3.本发明的目的之一就是提供一种检测酚类的电化学传感器，以解决因缺少适宜的电化学传感器导致酚类物质检测普遍存在检测速度慢和检测成本高的问题。
4.本发明的目的之二就是提供一种检测酚类的电化学传感器的制备方法，以满足对酚类检测的市场需求。
5.本发明的目的之三就是提供一种酚类检测方法，以实现高准确度、高速度和低成本的酚类物质的检测。
6.本发明的目的之一是这样实现的：一种检测酚类的电化学传感器，该电化学传感器是由钴单原子催化剂co-sacs修饰在抛光后的玻碳电极表面，形成一层修饰层，这种带修饰层的玻碳电极即为检测酚类的电化学传感器。
7.进一步地，所述钴单原子催化剂co-sacs是在室温下合成zif-8材料，再将其高温煅烧后生成n-c骨架，加入koh固体研磨均匀后高温煅烧使其活化，经酸洗后，将co负载在活化后的骨架上，即生成钴单原子催化剂co-sacs。
8.本发明的目的之二是这样实现的：一种检测酚类的电化学传感器的制备方法，包括以下步骤：在室温下合成zif-8材料，将其高温煅烧后生成n-c骨架，加入koh固体研磨均匀后高温煅烧使其活化，经酸洗后，将co负载在活化后的骨架上，生成钴单原子催化剂co-sacs；将钴单原子催化剂co-sacs滴涂到经抛光处理后的玻碳电极的表面，自然干燥后，在玻碳电极的表面形成一层修饰层，这
种带修饰层的玻碳电极即为检测酚类的电化学传感器。
9.进一步地，玻碳电极的抛光处理方式是：用0.05μm的al2o3抛光粉打磨玻碳电极，打磨完毕后，对电极水洗并进行超声处理，在红外灯照射下干燥，备用。
10.本发明的目的之二还可这样实现：一种检测酚类的电化学传感器的制备方法，包括以下步骤：s1、金属有机骨架材料zif-8的制备：将2-甲基咪唑与zn(no3)2·
6h2o分别溶于水中，在搅拌状态下将金属盐溶液缓慢倒入配体溶液中，其中，2-甲基咪唑与zn(no3)2·
6h2o的摩尔比为1︰2~40，溶液的体积比为1︰1；反应2h，然后离心、水洗、再离心，离心所得产物于烘箱中干燥，得到金属有机骨架材料zif-8；s2、n-c骨架的制备：将所制备的金属有机骨架材料zif-8研磨均匀，置于真空管式炉中，在n2保护下，以3℃/min ~5℃/min的升温速率升温至800℃~1000℃，保持5h，然后自然冷却至室温，即得n-c骨架。
11.s3、n-c骨架的活化：将所制备的n-c骨架与koh以1︰2~5的质量比进行混合并研磨均匀，再将混合物置于真空管式炉中，在n2保护下以3℃/min ~5℃/min的升温速率升至500℃~800℃，保持1h，然后自然冷却至室温，再用2m的hcl洗涤3次，用蒸馏水将反应生成物反复洗涤至中性，干燥，得到活化的n-c骨架，称为acn-c骨架。
12.s4、钴单原子催化剂co-sacs的制备：将acn-c骨架、α-d-葡萄糖与co的金属盐分散在水中，超声处理30min，得到均匀的黑色悬浮液，然后离心、水洗、再离心，得到的固体产物放入烘箱中干燥；将干燥后的制得物与三聚氰胺按照1︰5的比例混合并研磨均匀，置于真空管式炉中，在n2保护下以3℃/min的升温速率升温至800℃，保持2h；反应结束后自然冷却至室温，得到钴单原子催化剂co-sacs。
13.s5、电化学传感器的制备：将钴单原子催化剂co-sacs滴涂到经抛光处理后的玻碳电极的表面，经自然干燥，在玻碳电极的表面形成一层修饰层，这种带修饰层的玻碳电极即为电化学传感器。
14.进一步地，玻碳电极的抛光处理方式是：用0.05μm的al2o3抛光粉打磨玻碳电极，打磨完毕后，对电极水洗并进行超声处理，在红外灯照射下干燥，备用。
15.本发明所制备的电化学传感器，可应用于对酚类物质的检测，包括对邻苯二酚、对苯二酚以及其他多种含酚类物质的检测。
16.本发明的目的之三是这样实现的：一种酚类检测方法，包括以下步骤：(1) 构建酚类的差分脉冲伏安特性曲线：将酚类用pbs缓冲液稀释成不同浓度的标准溶液，然后将本发明电化学传感器置于上述不同浓度的标准溶液中，然后利用差分脉冲伏安法对各标准液进行检测，获得差分脉冲伏安特性曲线；(2) 构建酚类浓度-电流强度标准曲线：以酚类浓度为横坐标、电流强度为纵坐标，利用上述差分脉冲伏安法所检测的数据，构建酚类浓度-电流强度标准曲线；(3) 待测样品中酚类含量的测定：将本发明电化学传感器置于待测样品溶液中，然后用差分脉冲伏安法进行检测，记录样品溶液的差分脉冲伏安曲线，对照步骤(2)构建的酚类浓度-电流强度标准曲线，获得待测样品中所含酚类的浓度。
17.进一步地，在差分脉冲伏安法中使用的电化学检测池为三电极体系，其中，本发明
电化学传感器作为工作电极，ag/agcl (3m kcl溶液) 作为参比电极，铂丝电极作为辅助电极，电解质溶液使用0.1m的pbs缓冲溶液。
18.本发明电化学传感器的检测原理是：钴单原子催化剂co-sacs可以提供大比表面积和良好的导电性，极高的原子利用率提供了丰富的活性位点，并且其活性位点的组成和结构单一，由此提高了电催化过程的选择性。co-sacs具有与天然金属酶相似的金属-氮活性位点，可以实现类酶行为。将其修饰在玻碳电极表面后，在电化学检测过程中会有明显的氧化还原峰出现，从而实现对包括cc和hq在内的酚类物质的灵敏检测。另外，随着待测物浓度的增加，电流强度也有明显增加，从而得以对照标准曲线获得待测溶液中cc和hq的浓度。
19.本发明通过将zif-8煅烧后生成的n-c骨架进行化学活化，在使n-c骨架中氮元素的含量降低的同时，还可提高电极的比表面积和孔隙率，这就使得单原子可以被更好地锚定在n-c骨架上。n-c骨架的活化，还可让n-c骨架富含氧元素，使其能够更好地与葡萄糖相结合，达到防止单原子迁移和聚集的效果。总之，n-c骨架的活化可以使n-c骨架成为一种非常适合负载单原子的碳基板，由此使得单原子的负载量大幅提高。
20.n-c骨架与koh活化的机理如下：(1)附着在n-c骨架上的koh转化为中间体k2co3，进一步分解为co2和中间体k2o：6koh+2c
→
2k2co3+2k+3h2k2co3→
co2+k2o(2)中间体k2co3和k2o分别与n-c骨架继续反应生成co：k2co3+2c
→
3co+2kk2o+c
→
co+2k(3)k2co3和k2o分别与吡啶和吡咯中的c-n键反应，形成co和中间产物kocn：k2co3+2c-n
→
2kocn+cok2o+c-n
→
kocn+k(4)中间产物kocn进一步分解为k2o、co和no：2kocn+3h2o
→
2no+2co+k2o+3h2活化过程中产生的气体从n-c骨架中逸出，导致孔隙率增加，而金属钾则被嵌入n-c骨架中，在随后的酸洗过程中被洗掉，留下孔洞；并且，c-n键的去除进一步增加了孔隙率，增大了孔径。这些变化都将使n-c骨架具有丰富的孔隙结构和较大的比表面积。同时，活化还可将氧元素引入n-c骨架中，形成新的含氧官能团。
21.用活化后的n-c骨架所合成的钴单原子催化剂co-sacs具有与天然金属酶相似的金属-氮活性位点，可以实现类酶行为，并且其丰富的含氧官能团可以通过形成氢键来吸附酚类化合物。其比表面积大、导电性良好，并且具有极高的原子利用率，可以提供丰富的活性位点来实现对酚类的高灵敏度检测。本发明酚类的检测方法具有操作简便，无需对待测样本进行复杂的前处理，检测成本低，检测灵敏快速，对检测仪器的要求低。
22.由于本发明是采用电化学方法进行检测，而电化学方法具有使用仪器简单、检测成本低、检测速率快、灵敏度高和准确度高等优点，因而满足了高准确度、高速度和低成本的酚类物质检测的市场需求。
附图说明
23.图1为zif-8的透射电镜图。
24.图2为zif-8的扫描电镜图。
25.图3为n-c骨架的透射电镜图。
26.图4为n-c骨架的扫描电镜图。
27.图5为acn-c骨架的透射电镜图。
28.图6为acn-c骨架的扫描电镜图。
29.图7为co-sacs的透射电镜图。
30.图8为co-sacs的扫描电镜图。
31.图9为不同浓度对苯二酚和邻苯二酚的差分脉冲伏安曲线图。
32.图10为不同浓度对苯二酚和邻苯二酚与响应峰电流之间的标准曲线图。
33.图11为不同浓度邻苯二酚和固定浓度对苯二酚的差分脉冲伏安曲线图。
34.图12为不同浓度邻苯二酚和固定浓度对苯二酚与响应峰电流之间的标准曲线图。
35.图13为固定浓度邻苯二酚和不同浓度对苯二酚的差分脉冲伏安曲线图。
36.图14为固定浓度邻苯二酚和不同浓度对苯二酚与响应峰电流之间的标准曲线图。
37.图15为利用不同修饰材料的电化学传感器检测邻苯二酚和对苯二酚的差分脉冲伏安曲线图。
具体实施方式
38.术语解释：“cc”为邻苯二酚；“hq”为对苯二酚；“zif-8”为锌基金属-有机框架材料；“n-c骨架”为含有氮元素的碳骨架；“acn-c骨架”为活化后的n-c骨架；“co-nps”为未经活化的n-c骨架合成的钴纳米颗粒；“co-sacs”为钴单原子催化剂。
39.本发明检测酚类的电化学传感器的制备方法，包括以下步骤：s1、金属有机骨架材料zif-8的制备：将8.5g 2-甲基咪唑溶于50ml水中，7.9g zn(no3)2·
6h2o溶于50ml水中，待完全溶解后，在搅拌状态下将金属盐溶液缓慢倒入配体溶液中，反应2h，反应完全后离心、水洗、再离心，离心所得产物于60℃烘箱中干燥过夜，得到zif-8。如图1、图2所示，zif-8呈现一枣核状的结构，其平均粒径为191nm。
40.s2、n-c骨架的制备：n-c骨架的制备：将所合成zif-8研磨均匀，置于真空管式炉中，在n2保护下以5℃/min的升温速率升至1000℃，保持5h。反应结束后自然冷却至室温，得到n-c骨架。如图3、图4所示，n-c经过高温碳化后的结构被破坏，发生了堆积，但仍保持前驱体的部分形貌。
41.s3、n-c骨架的活化：将所合成n-c骨架与koh以1:3的质量比充分研磨均匀，然后将混合物置于真空管式炉中，在n2保护下以3℃/min的升温速率升至800℃，保持1h，自然冷却至室温，用2m hcl洗涤3次以除去无机杂质，用蒸馏水反复洗涤至中性，干燥过夜，得到acn-c骨架。如图5、图6所示，acn-c经过化学活化后，表面出现了小颗粒，变得更加不规则，孔洞和缺陷位点变得更多。
42.s4、钴单原子催化剂co-sacs的制备：将120mg acn-c骨架、0.6mmol cocl2·
6h2o和13.4mmol α-d-葡萄糖分散在10ml超纯水中，超声30min，得到均匀的黑色悬浮液，然后离心、水洗、再离心，离心所得产物于60℃烘箱中干燥过夜。将干燥后的样品与三聚氰胺以1:5
的质量比研磨以混合均匀，然后将其置于真空管式炉中，在n2保护下以3℃/min的升温速率升至800℃，保持2h。反应结束后自然冷却至室温，得到co-sacs。当然，co的金属盐除了氯化钴之外，还可使用硝酸钴和醋酸钴等。
43.如图7、图8所示，co-sacs负载上单原子后，在表面覆盖了一层片状结构，这是热解葡萄糖的典型特征。
44.s5、电化学传感器的制备：s5-1对玻碳电极进行抛光清洗处理工作，用0.05μm的al2o3抛光粉打磨玻碳电极表面，打磨完毕后，用超纯水对电极清洗后进行超声处理，得到如镜面般的电极表面，在红外灯下烤干，备用；s5-2用微量移液枪移取3μl co-sacs悬浮液滴涂到玻碳电极的表面，最好滴在中间部位，将电极放置在红外灯下烤干，在玻碳电极表面形成一层黑色的修饰层，这种带修饰层的玻碳电极即为电化学传感器。
45.另外，如果使用fe和cu的金属盐（如硝酸铁、氯化铁、硝酸铜、氯化铜等）制备出fe单原子催化剂fe-sacs或是cu单原子催化剂cu-sacs，也都可以用来作为玻碳电极的表面修饰层，以形成本发明电化学传感器。
46.利用本发明电化学传感器同时检测cc和hq的方法，具体操作如下：(1) 构建酚类的差分脉冲伏安特性曲线：将cc和hq一起用pbs缓冲液(0.1m)分别稀释成0.1、0.2、0.4、0.8、1.0、2.0、4.0、8.0、10.0、20.0、40.0、80.0、100.0、130.0、190.0、230.0、300.0 μmol/l的标椎溶液5ml，然后将实施例5制备的电化学传感器置于上述不同浓度的标准溶液中，然后用差分脉冲伏安法进行检测，通过电化学平台仪器(chi440b，上海辰华仪器公司)记录并获得差分脉冲伏安曲线。
47.上述电化学检测池为三电极体系，其中，将玻碳电极(gce)作为工作电极、ag/agcl (3m kcl溶液) 作为参比电极、铂丝电极作为辅助电极，pbs磷酸盐缓冲液(0.1m)作为电解质溶液。在玻碳电极上修饰(即实施例5制备的电化学传感器)，再将三个电极放进电解质溶液，玻碳电极接绿线，ag/agcl电极接白线，铂丝电极接红线，即组装好三电极体系，电压为-0.1～0.35v。
48.(2) 构建酚类浓度-电流强度标准曲线：绘制cc和hq同时检测的差分脉冲伏安曲线如图9所示，随着cc和hq浓度的增加，电化学差分脉冲伏安曲线的电流强度不断增加。
49.(3) 待测样品中酚类含量的测定：以cc和hq的浓度为横坐标，差分脉冲伏安曲线中的电流强度响应为纵坐标，构建cc和hq的浓度-电流强度标准曲线，如图10所示：将图9中在电压为-0.1～0.35v的条件下获得的cc和hq差分脉冲伏安曲线利用origin操作软件绘制有关于cc和hq浓度与响应峰电流之间的标准曲线图，从而实现同时对cc和hq的定量分析，另外可以获得电化学传感器对hq的检测范围在2 μmol/l-230 μmol/l之间，检测下限达到0.046 μmol/l；对cc的检测范围在4 μmol/l-300 μmol/l之间，检测下限达到为0.108 μmol/l。
50.利用本发明电化学传感器分别检测cc和hq的方法，具体操作如下：(1) 构建酚类的差分脉冲伏安特性曲线：将cc用pbs缓冲液(0.1m)分别稀释成0.4、0.7、1.0、2.0、4.0、7.0、10.0、20.0、40.0、70.0、100.0、130.0、190.0、230.0、300.0 μmol/l的标椎溶液5ml，并且溶液中固定hq的浓度为20μmol/l，然后将实施例5制备的电化学
传感器置于上述不同浓度的标准溶液中，然后用差分脉冲伏安法进行检测，通过电化学平台仪器(chi440b，上海辰华仪器公司)记录并获得cc的差分脉冲伏安曲线。
51.将hq用pbs缓冲液(0.1m)分别稀释成0.4、0.7、1.0、2.0、4.0、7.0、10.0、20.0、40.0、70.0、100.0、130.0、190.0、230.0、300.0 μmol/l的标椎溶液5ml，并且溶液中固定cc的浓度为20μmol/l，然后将实施例5制备的电化学传感器置于上述不同浓度的标准溶液中，然后用差分脉冲伏安法进行检测，通过电化学平台仪器 (chi440b，上海辰华仪器公司) 记录并获得hq的差分脉冲伏安曲线。
52.上述电化学检测池为三电极体系，其中，将玻碳电极 (gce) 作为工作电极、ag/agcl (3m kcl溶液)作为参比电极、铂丝电极作为辅助电极，pbs磷酸盐缓冲液(0.1m)作为电解质溶液。在玻碳电极上修饰 (即实施例5制备的电化学传感器)，再将三个电极放进电解质溶液，玻碳电极接绿线，ag/agcl电极接白线，铂丝电极接红线，即组装好三电极体系，电压为-0.1～0.35v。
53.(2) 构建酚类浓度-电流强度标准曲线：绘制cc检测的差分脉冲伏安曲线如图11所示，随着cc浓度的增加，电化学差分脉冲伏安曲线的电流强度不断增加。
54.绘制hq检测的差分脉冲伏安曲线如图12所示，随着hq浓度的增加，电化学差分脉冲伏安曲线的电流强度不断增加。
55.(3) 待测样品中酚类含量的测定：以cc的浓度为横坐标，差分脉冲伏安曲线中的电流强度响应为纵坐标，构建cc浓度-电流强度标准曲线，如图13所示：将图11中在电压为-0.1～0.35v的条件下获得的cc差分脉冲伏安曲线利用origin操作软件绘制有关于cc浓度与响应峰电流之间的标准曲线图，从而实现对cc的定量分析，另外可以获得电化学传感器的检测范围在4 μmol/l-300 μmol/l之间，检测下限达到0.072 μmol/l。
56.以hq的浓度为横坐标，差分脉冲伏安曲线中的电流强度响应为纵坐标，构建hq浓度-电流强度标准曲线，如图14所示：将图12中在电压为-0.1～0.35v的条件下获得的hq差分脉冲伏安曲线利用origin操作软件绘制有关于hq浓度与响应峰电流之间的标准曲线图，从而实现对hq的定量分析，另外可以获得电化学传感器的检测范围在4 μmol/l-300 μmol/l之间，检测下限达到0.034 μmol/l。
57.在实际样品的检测过程中，将电化学传感器置于含有自来水、矿泉水和学校附近的河水的pbs溶液中，记录样品溶液的差分脉冲伏安曲线，结果显示，对实际样品进行的差分脉冲伏安没有检测出邻苯二酚和对苯二酚，说明矿泉水、自来水和学校附近的污水不含有这两种物质。
58.对比例：不同修饰材料的电化学传感器对cc和hq的检测效果。
59.选取裸玻碳电极、n-c/玻碳电极、acn-c/玻碳电极、co-nps/玻碳电极、co-sacs/玻碳电极 (实施例5所述电化学传感器)，其中，“n-c/玻碳电极”指的是玻碳电极上修饰有n-c骨架的电化学传感器；“acn-c/玻碳电极”指的是玻碳电极上修饰有acn-c骨架的电化学传感器；“co-nps/玻碳电极”指的是玻碳电极上修饰有由未经活化的n-c骨架合成的co纳米颗粒的电化学传感器；“co-sacs/玻碳电极”指的是玻碳电极上修饰有co-sacs纳米材料的电化学传感器。
60.将上述修饰了不同材料的电化学传感器各自置于5ml pbs缓冲液(0.1m)稀释的cc和hq(100 μmol/l)的待检测溶液中，然后用差分脉冲伏安法进行检测，通过电化学平台仪
器(chi440b，上海辰华仪器公司)记录溶液的差分脉冲伏安曲线。上述电化学检测池为三电极体系，其中，将玻碳电极(gce)作为工作电极、ag/agcl (3m kcl溶液)作为参比电极、铂丝电极作为辅助电极，pbs磷酸盐缓冲液(0.1m)作为电解质溶液。
61.检测结果如图15所示，由不同材料修饰的电极，其对cc和hq的响应是不同的；相对于其它修饰材料制备的电化学传感器，本发明所述co-sacs/玻碳电极制备的电化学传感器对cc和hq的电流响应更强，检测更灵敏，检测效果更好。
62.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。