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铜纳米粒子电化学传感器的构建及在亚硝酸盐检测中的应用研究

褚光雷  
【摘要】:亚硝酸盐是一种无机含氮盐,有较强毒性和致癌性,是食品安全检测中的重要指标之一,准确快速检测食品中的亚硝酸盐含量对保障食品安全和人类健康具有重要意义。与传统的仪器分析方法相比,电化学传感方法具有成本低、灵敏度高、能够实现现场检测等优点,是快速检测领域最具潜力的分析方法。铜纳米粒子具有低成本、高催化性和大比表面积等优点,能够与碳纳米材料、导电聚合物等材料结合产生协同增效作用,增加电化学传感器对亚硝酸盐的电催化能力。本文以铜纳米粒子为修饰材料,旨在制备可适配便携式快速检测仪的新型亚硝酸盐电化学传感器。主要研究内容如下:(1)利用电沉积法合成了三维树枝状纳米铜(Cu NDs),并以还原性氧化石墨烯(RGO)为基底,构建了PDDA-RGO/Cu NDs/GCE新型亚硝酸盐电化学传感器。采用聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)对RGO进行了功能化处理,有效减少了RGO的聚集;二维片层状RGO能够为Cu NDs的生长提供支撑框架,促进高比表面积的Cu NDs形成,两种纳米材料的协同增效作用能够极大提高复合材料的导电性和比表面积,进而提高传感器对NO_2~-的催化性能。在最优条件下,传感器检测亚硝酸盐最低检出限(LOD)为0.06μM(S/N=3),灵敏度为0.763μA·μM~(-1)·cm~(-2),对1~15,000μM范围内的亚硝酸盐具有良好的线性关系。(2)为降低铜纳米粒子在空气中的氧化速度,采用化学合成法制备了羧甲基纤维素钠@铜纳米粒子(CMC@Cu NPs)纳米材料,修饰在含有还原性氧化石墨烯-羧甲基纤维素钠(RGO-CMC)的玻碳电极(GCE)表面,成功制备了一种防氧化新型亚硝酸盐电化学传感器。实验利用CMC高水溶性、高化学稳定性和成膜能力的特点,为Cu NPs表面镀上了一层2.5 nm的抗氧化膜;同时利用亲水性的CMC对RGO进行修饰,有效增加RGO在水溶液中的分散能力,并能够在不使用其他粘合剂的情况下牢牢固定于GCE表面。传感器的线性检测范围为1~15,000μM和15,000~41,000μM,最低检测限为0.05μM(S/N=3),灵敏度分别为0.171μA·μM~(-1)·cm~(-2)和0.108μA·μM~(-1)·cm~(-2)。在稳定性测试中,传感器暴露于空气中(4℃)储存25天后依旧能够保持初始灵敏度的91.1%,优于PDDA-RGO/Cu NDs/GCE的稳定性。(3)制备了一种成本低廉的新型聚苯胺-羧甲基纤维素钠@铜纳米粒子(PANI-CMC@Cu NPs)亚硝酸盐电化学传感器。选用电化学性能优异且成本低廉的PANI为基底,与低合成成本的CMC@Cu NPs进行结合,制备的传感器不仅成本低廉其灵敏度与线性检测范围也令人满意。经过测试,传感器的线性检测范围为3~15,000μM和15,000~29,000μM,LOD=0.170μM(S/N=3),灵敏度分别为0.113μA·μM~(-1)·cm~(-2)和0.049μA·μM~(-1)·cm~(-2)。上述研究为电化学传感技术快速检测食品中的亚硝酸盐提供了新的思路,同时为亚硝酸盐快速检测仪器的研制奠定了基础。


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