基于炭黑的复合纳米材料对日用品中有毒有害物质的电化学检测

发布时间：2019-10-28 22:12

【摘要】：二十一世纪是信息时代,人们的社会活动主要依靠对信息资源的开发及获取、传输与处理。传感器作为感知、获取及检测信息的窗口,因此在科学研究中的地位非常重要。电化学法因具有仪器简单、分析速度快、灵敏度高及稳定性好等优点而迅速成为研究热点,并且在化工、医药、生物和环保领域均有广泛应用。尺寸在1-100 nm的物体或具有纳米结构的材料统称为纳米材料。纳米材料具有优良的物理化学性能,在电化学、胶体化学、固体化学、配位化学、化学动力学等方面的广泛应用,为化学研究带来了新的机遇和挑战。在各种纳米材料中,碳纳米材料具有独特的结构,使其具有优良的力学性能、电磁性能、光学性能、热学性能等。炭黑是一种三维的碳材料,与其它碳材料相比,催化性能好,导电性能更加优良,成本更加低廉。因此,在电化学研究领域有更广阔的应用前景。在纳米材料中,金属纳米粒子因具有高电子密度、导电特性和催化作用,能与多种生物大分子结合,且不影响其生物活性,而引起研究者们的兴趣。金属纳米粒子比表面积大、自由能高,其修饰电极时,可使电极灵敏度显著增加。将金属纳米粒子引入修饰电极可以实现对某些物质的催化以及快速检测。树状分子内部的空腔结构使其具有独特的性质,表面具有大量的氨基官能团。以树状分子为模板制备的纳米材料,不仅稳定,而且能够保持纳米粒子的优良性能。壳聚糖,作为一种天然高分子,具有良好的生物降解性、生物相容性等多种优异物理化学和生物性质,在众多领域中得到广泛地应用。本论文的工作致力于炭黑纳米粒子及其复合材料的制备用于电化学应用研究。主要内容分以下三个部分:一、Au NPs/CB NPs修饰玻碳电极对PPD(对苯二胺)的电化学测定本工作利用Au NPs/CB NPs复合纳米材料作为修饰材料,构建了一种新型传感器用于电化学检测PPD。通过循环伏安法、交流阻抗法、方波伏安法等电化学表征,实验结果表明,修饰电极Au NPs/CB NPs/GCE可以显著的增强PPD的氧化峰电流。该方法快速,简便、灵敏,并且Au NPs/CB NPs/GCE对PPD的检测线性范围是4μM~10μM和10μM~100μM,检出限为1.1μM(S/N=3)。该电化学传感器在染发剂中检测PPD也取得了良好的效果,具有较好的应用前景。二、修饰电极PAMAM/CB NPs/GCE的制备及其对六价铬的电化学检测本工作通过共价键将PAMAM和CB NPs复合纳米材料修饰在电极表面。该复合材料与单纯的炭黑相比,很好地提高了六价铬的电化学信号,并且在线性范围4 nM~60 nM和60 n M~500μM内呈现很好的线性关系,检出限为1 nM(S/N=3)。因此,PAMAM/CB NPs复合纳米材料因其制备方法简易,可以作为一种良好的电极修饰剂,有望得到广泛的应用。三、铋纳米粒子和炭黑及壳聚糖修饰玻碳电极对镉离子、铅离子的电化学测定本工作利用壳聚糖分散CB纳米粒子进一步增大修饰电极的活性表面积,通过电沉积方法引入铋纳米粒子,提高了对金属离子的灵敏度。氧化峰电流与Cd2+待测溶液的浓度在20 n M-100 n M范围内,呈线性关系(R=0.999),检出限可达5.50 n M(S/N=3)。氧化峰电流与Pb2+待测溶液在4 n M-10 n M和10 n M-100 nM范围内,浓度呈线性关系,检出限可达0.86 nM(S/N=3)。该传感器抗干扰性强、重现性好、成本低,并在实际样品中得到很好的应用。
【图文】：

超纯水,炭黑,纳米粒子,麂皮

图 2-2. 修饰电极的制备裸玻碳电极（GCE）在置有,0.3 μm Al2O3的麂皮上呈“8”字型进行.05 μm Al2O3打磨，用超纯水清洗去除掉表面粘附的 Al2O3，冲洗清次用乙醇、超纯水分别进行超声 2 分钟，室温晾干，在铁氰化钾溶伏安法测试。取 1 mg 炭黑，(CB)，纳米粒子放置于 1 ml DMF 中，充分超声分散 mgml-1的炭黑，(CB)，粒子分散液。取 6 μL 的炭黑分散液滴于电晾干，制得 CB NPs/GCE。将处理好的电极再置于在 1 mM HAuCl4 M Na2SO4溶液中，在电位为-0.25 V 下进行电沉积，沉积时间为极表面得到一层 Au，纳米粒子（图 2-2）。

曲线,溶液,对苯二胺,氧化还原

2-3. (a) 裸 GCE；(b) CB NPs/GCE；(c) Au NPs/ CB NPs/GCE;在含 50 μM PPD 和 4 mH2O2的 pH=4.5 HAc-NaAc 溶液中的 CV 图图 2-3 显示了各电极在含 50 μM PPD 和 4 mM H2O2的 pH=4.5 的 HAc-N液中的 CV 曲线。a 曲线中，对苯二胺在 0.335/0.203 V(Epc Epa = 132 mV一对氧化还原峰，氧化还原峰电流的比值约为 1（ipa/ipc= 1），表明对苯二氨基官能团发生的是转移一个电子的一步氧化反应，在电极上的氧化还原过可逆反应。曲线 b 与 a 相比，对苯二胺在 CB NPs/GCE 的氧化还原峰电流比 GCE 上明显增加，这主要是由于 CB NPs 粒径较小，导电性好，用于修饰电极，大程度增加了修饰电极的活性表面积，使电极的导电性增强。曲线 c、b 相比，对苯二胺在 Au NPs /CB NPs/GCE 的氧化还原峰电流都有所增加，是在裸 GCE 上的 4 倍，这是因为金纳米粒子不仅粒径较小有效地增加电极效表面积，，而且富有电子提高了电极表面的电子转移速率。由图可知，修饰和裸玻碳电极相比，很大程度上提高了对苯二胺的电化学信号。
【学位授予单位】：上海师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O657.1

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