两种稀土离子的新型印迹电化学传感器的研究与应用

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印迹材料具有优异的选择性,能够提供与目标模板在空间结构以及功能团上相匹配的印迹位点。将印迹材料与传感器相结合能使传感器兼具印迹材料的优点,近年来发展迅速。电化学传感器是传感器当中的一大分支,目前,关于印迹电化学传感器的报道已有很多,但是传统方法制备所得的印迹膜存在容易与基底电极分离、洗脱困难、灵敏度不高、选择性较差等问题。稀土肥料现已广泛的应用于农业增产当中,然而过量的稀土会对人体健康造成危害,因此需要对食物以及水源中的稀土元素含量进行定量检测、实时监控。不幸的是,稀土元素具有十分相似的原子结构,这导致各个离子之间的物理化学性质都十分接近,进一步地,对单个稀土离子的分离、富集、检测都十分困难。目前,已有一些关于稀土离子印迹电化学传感器的报道,但其灵敏度较低,制备方法不够完善,且抗干扰能力不能达到直接用于实际样品中检测目标离子的程度。针对目前存在的制备稀土离子电化学传感器的一些不足,本论文选择了常用于稀土肥料的两种稀土元素—Ce3+和Eu3+作为分析对象,引入具有巨大比表面积以及优异导电性的石墨烯、碳纳米管等纳米材料以及与Ce3+、Eu3+具有强烈螯合作用的聚邻苯二酚与聚多巴胺作为修饰材料,采用不同的方法制备了多种稀土离子的印迹传感器,并针对离子的电荷性引入了电洗脱方式,在优化了各个方法制备的印迹传感器的制备条件之后,这些传感器具有了较高的抗干扰能力与较低的检出限,能够直接用于实际样品的检测。具体内容如下:铈离子印迹电化学传感器:1、在利用紫外光谱法研究了CeCl3·7H2O与苯氧乙酸烯丙酯(APA)的相互作用之后,以CeCl3·7H2O为模板,APA为单体,乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)为交联剂,偶氮二异丁腈(AIBN)为引发剂,采用制备简单、产率较高的沉淀聚合法制备了铈离子印迹聚合物Ce3+-IIPs。以IR,SEM,BET等手段对IIPs进行表征之后,将其与石墨粉按1:4的比例混合并加入一定量的粘合剂石蜡油制备印迹碳糊电极。检测手段为吸附脉冲伏安法(DPASV),Ce3+的氧化峰在+0.93 V附近出现。在优化了影响传感器的一系列实验参数后,将其用于不同浓度Ce3+的检测,结果显示,Ce3+浓度在1×10-61.0×10-5 mol L-1以及1×10-52.0×10-4 mol L-1之间与其峰高呈线性关系,检出限(S/N=3)为1.5×10-7 mol L-1。实验发现,除Ce3+以外的其他稀土离子即使浓度为0.1 mol L-1时在0.93V附近也没有明显的氧化峰出现,且当其他稀土离子的浓度为Ce3+浓度的500倍时对Ce3+的峰高也并没有明显的影响。说明本实验制备的传感器具有良好的选择性以及抗干扰性。将此传感器用于两种催化剂样品的检测时,相对标准偏差RSD≤3.0%(n=5),回收率在97.8%到103.6%之间。2、为了能够在食物样品中直接检测Ce3+含量,本文首先将自制的具有巨大比表面积与优异导电性能的石墨烯(rGO)修饰于玻碳电极表面,然后以此为基底电极,以Ce3+为模板,丙烯酰胺(AM)为单体采用热引发原位聚合法制备了一种具有优异抗干扰能力的传感器Ce3+-IIM/rGO/GCE。在优化了模板离子、单体、交联剂之间的比例以及检测条件之后,采用吸附脉冲溶出伏安法(DPASV)对溶液中Ce3+的含量进行检测并绘制了标准工作曲线,其检测的线性范围为4.0×10-91.0×10-4 mol L-1,检出限(S/N=3)为5.0×10-10 mol L-1。该传感器具有优异的抗干扰能力,100倍于Ce3+的其它稀土离子以及200倍于Ce3+的Zn2+,Ni2+,Fe3+,Co2+和Cu2+等食物中含量较多的金属离子对Ce3+的检测均不产生干扰,因此可直接用于食物中Ce3+含量的检测。将此传感器用于实际食物样品的检测时,RSD≤3.3%,回收率在93.9%至103.6%之间。3、为了降低检测灵敏度,本文首先将与Ce3+具有强烈配位作用的邻苯二酚(PC)通过电聚合的方法修饰于玻碳电极上(PC/GCE),然后以邻苯二胺为单体,Ce3+为模板,在PC/GCE表面电聚合制备了铈离子印迹膜Ce3+-IIM,得到一种新型的印迹传感器:Ce3+-IIM/PC/GCE。以具有较高灵敏度的吸附溶出伏安法(DPASV)作为检测手段,将此传感器用于一些食物中Ce3+含量的检测。实验结果显示,该传感器在Ce3+浓度为3×10-12?1.0×10-4 mol L-1之间与其峰电流具有良好的线性关系,检出限为1×10-12 mol L-1。然而,50倍以上的Fe3+,Cu2+和Ni2+对Ce3+的检测有较大干扰,而食物中又含有较多的Fe3+。为了能将此传感器用于食物中Ce3+的检测,且考虑到其它稀土离子对Ce3+的检测不存在干扰,我们先用萃取剂1-苯基-3-甲基-4-苯甲酰基-5-吡唑啉酮(PMBP)将稀土离子萃取出来再对样品溶液进行检测。萃取后的Ce3+在浓度为1×10-8?1.0×10-5 mol L-1范围内与其峰电流呈现线性关系,检出限为4.7×10-9 mol L-1。我们用此传感器检测了萃取后的菠菜、香菇、大米以及茶叶中Ce3+的含量,取得了较好的结果(回收率=94.9?102.2%,RSD≤3.3%(n=4))。铕离子印迹电化学传感器:1、考虑到多巴胺含有丰富的羟基,有望能与Eu3+形成强配位以增强其检测灵敏度。本文以Eu3+为模板,丙烯酰胺(AM)为功能单体,EGDMA为交联剂,磁性纳米Fe3O4为载体,采用能够增加吸附位点数目以及降低平衡时间的表面印迹聚合法合成铕离子印迹聚合物(IIPs@Fe3O4)之后,将其与导电碳粉、石蜡油混合之后填入碳糊电极空腔内,然后在电极表面电聚合一层聚多巴胺以期提高传感器对Eu3+的电化学响应。在优化了该传感器的检测条件之后,其检测Eu3+的线性范围为3×10-65×10-4 mol L-1,检出限为4.0×10-7 mol L-1。为了进一步说明印迹聚合物与多巴胺的作用,我们研究了未添加印迹聚合物以及未修饰聚合多巴胺层的传感器,其线性范围分别为1×10-55×10-4 mol L-1以及3×10-55×10-4 mol L-1,检出限均为1×10-6 mol L-1。说明修饰过多巴胺以及聚合物的传感器具有更宽的线性范围以及更低的检出限,证明了印迹聚合物的富集作用以及聚多巴胺的增敏效果。2、为了解决印迹膜容易从玻碳电极表面脱落的问题,本文选用表面较为粗糙的丝网印刷电极(SPE)作为基底电极,首先将具有巨大比表面积和优异导电性能的羧基化多壁碳纳米管通过滴涂的方式修饰在电极表面,然后通过紫外引发在其表面原位聚合Eu3+印迹膜。在优化了印迹膜的组成以及一系列的检测条件之后,所制备的传感器在Eu3+浓度为1.0×10-71.0×10-3 mol L-1的浓度范围内与其峰电流呈现良好的线性关系,检出限为4.0×10-8 mol L-1。该传感器具有良好的选择性、重现性以及稳定性,连续使用30次或储存于水中2个月仍能保持初始响应的95%以上。用于实际水样的检测时,RSD=3.5%,加标回收率在97.5104.5%之间。3、本文首先将对铕离子具有极大增敏效果的邻苯二酚采用循环伏安法(CV)电聚合于玻碳电极表面制得PC/GCE电极,然后在PC/GCE上以邻氨基酚(o-AP)为单体,Eu3+为模板采用电聚合的方法制备得离子印迹膜(IIM)以期提高传感器的选择性。检测手段为具有较高灵敏度的吸附溶出伏安法(DPASV),在优化了一系列的检测参数之后,Eu3+在浓度范围为3.0×10-71.0×10-4 mol L-1之间与其氧化峰具有良好的线性关系,线性方程为logI(μA)=0.6402×logC(μmol L-1)-0.0573(r=0.9999),检出限为8×10-8 mol L-1。将此传感器用于实际水样的检测时取得了令人满意的结果。4、为了提高铕离子印迹传感器的抗干扰能力以及解决离子印迹膜容易从玻碳电极表面脱落的问题,我们选用了表面较为粗糙的丝网印刷电极作为基底电极。首先,在基底电极上通过电聚合修饰上一层不导电且不溶于水的聚邻苯二酚(PC)层作为增大铕离子响应信号的修饰材料,然后将具有较强疏水性的离子印迹凝胶膜修饰于聚邻苯二酚层上用以提高对目标离子的选择性。当使用这种新型传感器进行检测时,目标离子的浓度对数在3.0×10-71.0×10-33 mol L-1浓度范围内与其峰电流对数有着良好的线性(r=0.9974),检出限为1.0×10-7mol L-1。结果显示,对于3×10-5mol L-1的Eu3+,500倍的Na+、Mg2+、Ca2+,100倍的Fe3+、Ni3+、Cu2+、Zn2+、Co2+,以及50倍的Ho3+、Dy3+、Er3+、Ce3+、Gd3+、Pr3+、Nd3+、Tb3+、Yb3+对铕离子检测的干扰都在±5%以内,说明该传感器具有优异的抗干扰能力。此外,该传感器具有良好的重现性、重复利用率以及稳定性:重复使用60次或将其保存在水中两个月,其电信号仍能保持初始电信号的90%。使用该传感器检测实际水样时,其加标回收率在98.5102.0%之间并且相对标准偏差RSD≤3.6%。
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