基于纳米多孔金的电化学传感器构建及其在食品快速检测的应用研究

作     者：张巧云 

作者单位：南京财经大学 

学位级别：硕士

导师姓名：汤晓智

授予年度：2021年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 09[农学] 070302[理学-分析化学] 080501[工学-材料物理与化学] 0903[农学-农业资源与环境] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0703[理学-化学] 0702[理学-物理学] 

主      题：食品快速检测 电化学传感器 纳米多孔金 石墨烯 电极修饰材料 

摘      要：在食品安全快速检测领域,电化学传感器因为灵敏、便携、检测成本低等优点深受质检企业的喜爱,也被广泛用于科学研究。近年来,特色各异的纳米材料不断涌现并被用作电极修饰材料,大大扩宽了电化学传感器的应用研究范围。本文以纳米多孔金为主要修饰材料,结合其他纳米复合材料或者电化学聚合物构建了三种不同的电化学传感器;分析了不同修饰材料的电化学性质及电化学传感器性能,并将其应用于四种食品组分的检测。具体研究内容如下:(1)通过腐蚀法制备了纳米多孔金(NPG),构建了纳米多孔金电化学传感器(NPG/GCE),对抗坏血酸在该NPG/GCE上的循环伏安行为(CV)、差分脉冲伏安行为(DPV)行为进行了表征。NPG大的比表面积和独特的三维网状结构有利于被测物或者修饰材料的吸附;同时,电催化了抗坏血酸中的活性-OH发生氧化还原,提高了抗坏血酸峰电流强度,可以用于抗坏血酸的定量检测。峰电流值与抗坏血酸浓度在一定范围内呈线性相关,经过线性拟合,得到方程j(μA/cm)=0.76526 Cvc(μg/m L)+27.8992。该检测方法电极制备简单,无需复杂的样品前处理,避免了抗坏血酸的氧化,检测过程迅速。检测设备便于携带,可以满足食品质检中对样品现场快速检测的需求。(2)制备了石墨烯/壳聚糖/离子液体纳米复合物(GO/CS/IL),用于修饰NPG/GCE构建GO/CS/IL/NPG/GCE电化学传感器,研究了纳米复合物和传感器电极的表面结构、形貌和不同修饰电极的电化学行为。实验结果表明:NPG和GO/CS/IL具有协同作用,使得新型GO/CS/IL/NPG/GCE电极具有优异的电化学性能;所制备的NPG/GCE的比表面积为0.3765 cm,滴加GO/CS/IL后比表面积提高至0.625 cm,有效表面积增加了近1.66倍,GO/CS/IL/NPG/GCE大的比表面积可以促进电子的快速转移;GO/CS/IL/NPG/GCE对苋菜红呈现了最高氧化还原峰值电流响应信号,可以用于饮料中苋菜红的检测,检测浓度范围在8～1200n M。与文献中报道的相关传感器相比,GO/CS/IL/NPG/GCE优秀的电化学性能提高了传质速率,具有较低的检出限(8 n M)和高至27.74 A Mcm的灵敏度。(3)研究了Cd在GO/CS/IL/NPG/GCE上的阳极溶出伏安(ASV)行为,进一步扩展了GO/CS/IL/NPG/GCE的应用范围。在电极表面,含有石墨烯的GO/CS/IL纳米复合物和NPG均带有负电荷,在静电引力作用下,对带正电的重金属有吸附作用,可以提高重金属的富集量。成功的将GO/CS/IL/NPG/GCE用于大米中Cd的检测,对Cd浓度和峰电流值进行拟合,得到线性方程:y(μA)=2.296 x+2.225(R=0.990)。将GO/CS/IL/NPG/GCE用于检测大米样品,标准样品回收率在104%～106%,对Cd的检测具有抗干扰能力和稳定性。(4)在NPG/GCE电极表面,以巯基苯胺为功能单体,三氯丙醇(3-MCPD)为模板分子,经过电聚合形成分子印迹聚合膜(MIP),构建新型分子印迹膜电化学传感器MIP/NPG/GCE。在氢键作用下,3-MCPD中的羟基和巯基苯胺中的氨基结合,再经过模板洗脱,电极表面留下了与3-MCPD结构相匹配的三维空穴。通过铁离子在CV、EIS、DPV中的电化学行为对MIP/NPG/GCE电极进行了表征,对分子印迹聚合膜形成条件进行了优化。最后将MIP/NPG/GCE用于3-MCPD的检测。结果表明铁的峰电流值与3-MCPD浓度的对数值在一定范围内呈线性关系,线性回归方程为:I(μA)=-3.76748 lg C+20.81759,(R=0.998),最低检出限为1×10mol/L。形成的分子印迹膜对3-MCPD具有特异性识别功能,MIP/NPG/GCE表现出优异的抗干扰能力和选择性。