本發(fā)明涉及電化學傳感器，更具體地，涉及一種基于碳納米管-富勒烯復合物的非酶電化學傳感器的構建方法及應用。

背景技術：

卟啉具有四吡咯的大環(huán)結構，它的結構十分穩(wěn)定。當卟啉環(huán)中的兩個質子被金屬原子取代后就成為了金屬卟啉。無論是卟啉還是金屬卟啉化合物，它們具有高熔點，顏色深，大多數(shù)都不溶于水和對熱穩(wěn)定等物理性質。同時它們又具易發(fā)生有氧化還原反應，絡合反應，配體交換反應等化學性質。具有獨特的三維空間立體結構和電子結構的富勒烯c60，具有比較小的電子重組能和較強的吸電子的特性，使得富勒烯c60成為性能良好的電子受體。而具有共軛大π結構的卟啉化合物又是性能良好的電子給體，所以二者可以復合成給體—受體(d-a)衍生物。由于這類化合物的分子內存在著明顯的光誘導電子轉移，所以基于卟啉為基體的衍生物備受化學家的親睞，尤其在電化學傳感器的構建上得到廣泛地應用。

卟啉和金屬卟啉都是高熔點比較高、深顏色的固體，大多數(shù)都難溶于水，不溶于堿，不會發(fā)生酯化作用，并且對熱極其穩(wěn)定。金屬卟啉化合物中的金屬離子和卟啉基之間的所形成的化學鍵具有可變性并且m-n鍵的反應活性也比較高。由于卟啉環(huán)的自身又可以發(fā)生一些代表性的芳香性取代反應，所以這就決定了金屬卟啉化合物具有許多特殊的化學反應活性。比如配體之間的交換反應和分子之間的氧化原反應等，使其卟啉以及它的衍生物已經被廣泛的應用與生物學，仿生學以及化學。

c60是一種有60個碳原子構成的籠狀結構的球形分子，它有十二個五元環(huán)以及若干個六元環(huán)所組成，60個碳原子在空間上構成了空間三維的32個面，每個頂點都由碳原子所占據(jù)，這種結構和足球的結構極其相似，所以人們常稱之為足球烯。c60的密度較低熔點較高，是具有大π的球狀的非極性分子，因此它易溶于內部具有大π鍵的這一類芳香性溶劑。c60所具有的這些結構物理化學上的特點，就決定了它的獨特的物理化學生物活性，同時也決定著它的用途和應用的前景。c60本身不溶于水，但其所形成的易溶于水的復合物在醫(yī)學、生物學、化學方面都有廣泛的應用。

c60是一種缺電子化合物，所以它具有易得到電子的這一反應活性。具有給電子能力的卟啉和作為電子受體的c60，二者結合在一起具有可以使正向電子轉移加速以及使逆向電子轉移減小的性能。與此同時，卟啉-c60這一類化合物是通過單鍵連接在一起的，這類化合物溶解在溶劑中就能發(fā)生自由轉動，因此可以自發(fā)地調整卟啉和c60分子之間的距離，又因為c60和卟啉二者之間或者卟啉-c60自身的分子和分子間是可以通過π-π電子或者π-π軌道之間的相互作用從而發(fā)生電荷傳遞，更進一步的提高分子內電荷轉移的速度。

碳納米管(cnt)修飾電極在電化學實驗中已經屢見不鮮，然而為了達到某種特定的效果，碳納米管復合物修飾電極也經常出現(xiàn)在電化學實驗中。例如，當在電化學試驗中用到一種利用比較傳統(tǒng)常見的印跡方法制成的厚度很難控制的印跡膜進行實驗時，它的電子傳輸效率很差，同時重復性也很差，從而導致這種修飾的電化學傳感器的應用較為困難?，F(xiàn)有技術中以多壁碳納米管(mwcnt)構建的電化學傳感器仍舊存在著檢測靈敏度低、不穩(wěn)定、重現(xiàn)性差等技術缺陷。

因此，發(fā)明一種穩(wěn)定性強、電化學活性高的納米復合材料，并應用于電化學傳感器的構建和分析檢測，對于電化學分析具有重要意義。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個目的在于提供一種檢測靈敏度高的以多壁碳納米管(mwcnt)構建的電化學傳感器。

為達到上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案：

(1)多壁碳納米管(mwcnts)的活化；

(2)mwcnts和鋅卟啉富勒烯(znp-c60)復合材料的制備

(3)非酶電化學傳感器的構建及應用。

根據(jù)上述步驟(1)的具體方法：

稱取0.30gmwcnts加入到25ml的混酸中，混酸為濃度98wt％的濃硫酸和濃度67wt％的濃硝酸在體積比為3:1的條件下混合得到；然后超聲分散30min，并在90℃的溫度下回流半個小時；先將此混合物在空氣中冷卻40min，再將其倒入到1000ml的超純水靜置10小時；此后，將混合物過濾，并將所得固體在120℃下烘干，充分研磨即可得到純化改性的mwcnts。

根據(jù)上述步驟(2)的具體方法：

(1)以超純水為溶劑，配制2.00ml濃度為2.55mg/ml的mwcnts，置于冰水浴中超聲2h，在使用前將其放置于攪拌器上不挺攪拌。

(2)利用甲苯為溶劑，配制znp-c60濃度為5×10^-4mol/l，冰水浴中，密封超聲30min，使其充分溶解為均一穩(wěn)定的溶液。

(3)上述濃度均為經過條件優(yōu)化后得到的最佳濃度，分別取100μl的znp-c60和100μl的mwcnts混合，冰浴超聲1h，使其成乳狀液，得到mwcnts-znp-c60復合物。

根據(jù)上述步驟(3)的具體方法：

(1)以超純水為溶劑，配制toab濃度為0.01mol/l，控溫超聲10min，使其充分溶解。

(2)向200μl的mwcnts-znp-c60復合物中加入100μl的toab，再次超聲30min，混合均勻。

(3)取混合溶液10.00μl滴加在gce上，電極表面密封，使其緩慢揮發(fā)至成均勻膜狀，制成toab/mwcnts-znp-c60/gce電化學傳感器。

基于toab/mwcnts-znp-c60/gce電化學傳感器的用途，將該傳感器應用于亞硝酸鹽的樣品檢測。該傳感器對亞硝酸鹽具有良好的催化能力。并具有靈敏度高、檢出限低、選擇性強、重現(xiàn)性和和穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

本發(fā)明的有益效果如下：

znp-c60具有優(yōu)良的電化學性質，在較寬電位范圍內具有良好的電催化性能。而多壁碳納米管是一種良好的新型電極修飾材料，比表面積大，導電性好，彈性高，本發(fā)明創(chuàng)新之處在于利用自己設計合成的znp-c60作為電化學催化的中間電子介體，以mwcnts為電子轉移促進材料，并利用toab喚醒znp-c60的電化學活性，實現(xiàn)該難溶性材料在水溶液中的傳感器構建和應用。該新型復合材料用于電化學傳感器的構建，可增大電極的比表面積，增加電極的導電性，加快電子的傳遞速率，改善znp-c60的電化學性質，增強電極反應活性，提高電催化性能。從而拓寬了碳基材料的應用，并為非酶電化學傳感器的應用提供了新的研究思路。

本發(fā)明制備得到的傳感器對亞硝酸鹽具有良好的催化能力。與toab/znp-c60/gce比較，toab/mwcnts-znp-c60/gce具有檢測線性范圍寬，檢出限低，靈敏度高等優(yōu)點。

本發(fā)明利用znp-c60為電子中間介體，以mwcnts為電子轉移促進劑，以toab為中間介體znp-c60的電子喚醒劑，三者協(xié)同作用，制備成具有良好的電化學活性的mwcnts-znp-c60納米復合物，在toab膜內，構建具有優(yōu)良電催化性能的非酶電化學傳感器，并應用于亞硝酸鹽的檢測。采用掃描電鏡、循環(huán)伏安法表征了傳感器界面及電化學行為，明確了znp-c60在修飾電極表面的氧化還原機理。結果表明，僅僅在toab存在時，mwcnts促進znp-c60的電子傳輸速率，增加了znp-c60氧化還原的可逆性，提高了傳感器的響應靈敏度。該傳感器對亞硝酸鹽具有良好的催化能力。并具有靈敏度高、檢出限低、選擇性強、重現(xiàn)性和和穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

附圖說明

下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細的說明。

圖1.znp-c60的結構示意圖。

圖2.不同材料修飾電極的掃描電鏡圖(a：znp-c60/gce，b：mwcnt/gce，c：toab/znp-c60/gce；d：toab/mwcnts-znp-c60/gce)。

圖3.toab/znp-c60/gce(a)與toab/mwcnts-znp-c60/gce修飾電極在0.5m的kcl溶液中的循環(huán)伏安圖(掃速：0.1v/s)。

圖4a至圖4d：(4a)toab/znp-c60/gce修飾電極在不同掃速下的循環(huán)伏安圖；(4b)峰i的峰電流與掃速的平方根的關系曲線；(4c)toab/mwcnts-znp-c60/gce修飾電極在不同掃速下的循環(huán)伏安圖；(4d)峰i電流與掃速的平方根的關系曲線；(4a和4b圖中從內到外掃速分別為1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.2v/s)。

圖5a和5b：toab/znp-c60/gce(5a)與toab/mwcnts-znp-c60/gce(5b)修飾電極對nano2的催化(a不含有nano2，b含有0.116mmol/lnano2)。

圖6a和6b：toab/znp-c60/gce(6a)與toab/mwcnts-znp-c60/gce(6b)修飾電極對不同濃度的nano2的電化學催化圖。

圖7：根據(jù)圖6中的催化氧化峰電流與nano2的標準曲線比較圖(a為toab/znp-c60/gce電極；b為toab/mwcnts-znp-c60/gce修飾電極)。

具體實施方式

為了更清楚地說明本發(fā)明，下面結合優(yōu)選實例和附圖對本發(fā)明做進一步的說明。附圖中相似的部件以相同的附圖標記進行表示。本領域技術人員應當理解，下面所具體描述的內容是說明性的而非限制性的，不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。

1.1儀器與試劑

電化學工作站(上海辰華公司)，三電極系統(tǒng)：玻碳電極(工作電極)，鉑絲電極(輔助電極)，ag/agcl電極(參比電極)，sb1000超聲波清洗機(寧波新芝公司)，四辛基溴化銨(toab,分析純)，富勒烯(c60，上海晶純試劑有限公司)，甲苯(分析純)，亞硝酸鹽，鋅卟啉富勒烯衍生物(p-och3)znp-c60(本文縮寫成znp-c60，根據(jù)本實驗室科研人員的技術和合成方法合成，具體參見《無機化學學報》2006，22(7)：1299-1302)，其結構如圖1所示。

1.2實驗方法

1.2.1電極的預處理

工作基體電極為玻碳電極(gce)，用三氧化二鋁拋光粉(粒度0.05μm)拋光后用大量蒸餾水沖洗，依次用1:1硝酸溶液(市售濃度為67wt％的濃硝酸與水按照體積比1:1配制)、無水乙醇、蒸餾水超聲30s，最后用大量蒸餾水沖洗，并用氮氣吹干待修飾。

1.2.2多壁碳納米管的活化

稱取0.30gmwcnts(多壁碳納米管，multi-walledcarbonnanotubes,簡寫為mwcnts)加入到25.0ml的混酸中，混酸為濃度98wt％的濃硫酸和濃度67wt％的濃硝酸在體積比為3:1的條件下混合得到。然后超聲分散30min，并在90℃的溫度下回流半個小時。先將此混合物在空氣中冷卻40min，再將其倒入到100ml的超純水靜置10小時。此后，將混合物過濾，并將所得固體在120℃下烘干，充分研磨即可得到純化改性的mwcnts。

1.2.3mwcnts-znp-c60復合材料的合成

(1)以超純水為溶劑，配制2.00ml濃度為2.55mg/ml的mwcnts，置于冰水浴中超聲2h，在使用前將其放置于攪拌器上不挺攪拌。

(2)利用甲苯為溶劑，配制znp-c60濃度為5×10^-4mol/l，冰水浴中，密封超聲30min，使其充分溶解為均一穩(wěn)定的溶液。

(3)上述濃度均為經過條件優(yōu)化后得到的最佳濃度，分別取100μl的znp-c60和100μl的mwcnts混合，冰浴超聲1h，使其成乳狀液，得到mwcnts-znp-c60復合物。

1.2.4非酶電化學傳感器的構建

(1)以超純水為溶劑，配制toab濃度為0.01mol/l，控溫超聲10min，使其充分溶解。

(2)向200μl的mwcnts-znp-c60復合物中加入100μl的toab，再次超聲30min，混合均勻。

(3)取混合溶液10.00μl滴加在gce上，電極表面密封，使其緩慢揮發(fā)至成均勻膜狀，制成toab/mwcnts-znp-c60/gce電化學傳感器。

1.2.5非酶電化學傳感器的檢測

所有測量均在濃度為0.5mol/l的kcl溶液中進行，測量前通氮氣10min除去溶解氧，采用循環(huán)伏安法，電位設置-1.4～1.0v。

1.3結果與討論

1.3.1不同修飾電極的界面表征

圖2為不同復合材料的修飾電極的界面掃描電鏡圖。如圖2a，znp-c60單獨再電極表面呈現(xiàn)顆粒圓球狀，但顆粒直徑較大，說明其易于團聚。圖2b是mwcnts的掃描電鏡圖，呈現(xiàn)其特有的管狀結構。znp-c60分散在toab時，被其包裹，扔顯示球形納米顆粒，與單獨的znp-c60相比，有較好的分散(圖2c)。圖2d是toab/mwcnts-znp-c60的電鏡圖，可以看出納米管表面附著一層toab膜，但是較難看到znp-c60大的納米顆粒，說明其得到較好的分散，toab和mwcnts較好地抑制了znp-c60的團聚。

1.3.2不同修飾電極的電化學行為比較

圖3為兩種不同修飾電極的電化學行為比較，利用循環(huán)伏安法可以明顯的看出兩者的優(yōu)缺。如圖3曲線a，toab/znp-c60/gce也出現(xiàn)四對良好地氧化還原峰，這是由于toab可以喚醒富勒烯內部的電化學性質，從而促進了電子的傳輸。但是，其峰電流和可逆性并沒有得到最好的發(fā)揮。因此，toab/mwcnts-znp-c60/gce(曲線b)的峰電流和峰電位差明顯得到改善。表1和表2中是兩種修飾電極的峰電位和可逆性峰電位差的比較。從表中數(shù)據(jù)可以看出，toab/mwcnts-znp-c60/gce的峰電位差明顯降低，可逆性和峰電流得到極大提高。說明在toab和mwcnts協(xié)同作用下，該修飾電極的電化學靈敏度將得到極大提高，更有利于分析檢測。

表1：tpp-c60與mwcnts/tpp-c60修飾玻碳電極在0.1v/s時峰電位

1.3.3傳感器的電化學性質

toab/np-c60/gce和toab/mwcnts-znp-c60/gce在不同掃速下的循環(huán)伏安行為如圖4a至圖4d所示，當掃速由0.02v/s增加到0.12v/s的過程中，各氧化峰和還原峰電位基本保持不變，峰電流逐漸增大(圖4a和圖4c)。在不同掃描速率時電對i的氧化還原峰電流與掃描速率的平方根呈正比(圖4b和圖4d)，說明修飾電極的電極反應過程受擴散速率控控制。

1.3.4修飾電極電催化性能研究

納米復合材料廣泛應用于電化學傳感器的構建是由于納米材料具有比表面積大、電子傳遞速率快、催化活性高、電子親和力強等特點，從而使得復合納米材料修飾的化學電極在電催化實驗中能表現(xiàn)出特殊的性能。本實施例進一步研究了znp-c60和mwcnts-znp-c60對亞硝酸鹽的電化學催化檢測，以此表征mwcnts-znp-c60復合材料的電化學性能。

如圖5所示，toab/znp-c60/gce和toab/mwcnts-znp-c60/gce在0.5mkcl并含有0.116mmol/lnano2的溶液中的循環(huán)伏安曲線。由圖可知，當含有nano2時，在0.8v附近的氧化峰電流增加而相對應的還原峰電流降低，因此呈現(xiàn)典型的電催化過程。而且，兩種修飾電極對亞硝酸鹽均具有良好的電催化。但是toab/mwcnts-znp-c60/gce對nano2的催化電流增加了43.6μa，而不含有mwcnts的修飾電極僅僅增加了31.8μa，由此可以看出由于碳納米管的存在，增加了電催化能力。從而提高了其響應靈敏度。

1.3.5兩種傳感器對亞硝酸鹽的催化檢測比較

圖7是toab/znp-c60/gce和toab/mwcnts-znp-c60/gce對不同濃度的nano2溶液的檢測。根據(jù)圖6中的催化電流與不同nano2濃度得到標準曲線，兩者的線性關系方程分別為：toab/znp-c60/gce的線性關系方程為i(ua)＝18.28+366.76c(mmol/l)(r＝0.9964)，其檢出限為由十次空白試驗測得第一線性范圍內檢出限為1.2μmol/l。toab/mwcnts-znp-c60/gce修飾電極的線性范圍i(ua)＝45.63+382.93c(mmol)(r＝0.99917)，檢出限為0.94μmol/l。其相關系數(shù)及催化參數(shù)如表3所示。因此，在toab和mwcnts的協(xié)同作用下，本項目設計構建的非酶電化學傳感器(toab/mwcnts-znp-c60/gce)具有線性范圍更寬、靈敏度更高、檢出限更低、催化性能變得更加優(yōu)越的特點。

表3：toab/znp-c60/gce和toab/mwcnts-znp-c60/gce的電催化性能參數(shù)

1.4結論

本專利利用自行設計合成的znp-c60衍生物作為電子中間介體，利用toab作為電子喚醒劑，mwcnts作為電子轉移加速試劑，構建了toab/mwcnts-znp-c60/gce非酶電化學傳感器。通過其與toab/znp-c60/gce的表面表征和電化學性能比較，可以得到本專利提出的toab/mwcnts-znp-c60納米復合材料構建的傳感器具有性能穩(wěn)定、線性范圍寬、靈敏度高、檢出限低等優(yōu)勢，能很好地應用于亞硝酸鹽的測定。

顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定，對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這里無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬于本發(fā)明的技術方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之列。