基于碳纳米管复合修饰电极对酚类物质的检测研究

摘要

酚类物质广泛存在于环境和食品中，如食品中经常添加的抗氧化剂-叔丁基对苯二酚、丁基羟基茴香醚，食品和药品中常见的中药有效成分-木犀草素等黄酮类物质，还有环境领域很难降解，对人体有极大危害的苯二酚异构体。伴随着经济的快速发展，这些酚类化合物的使用在逐年增加，而对于黄酮类化合物-木犀草素等活性成分的含量也是科学家和学者研究的热点。因此，对食品和环境中酚类物质快速、灵敏的检测对于保护人体健康和维持生态环境可持续发展都有十分重要的意义。化学修饰电极用于定量分析其实是把分离、富集和检测三合为一，提高了电极的灵敏度和选择性。本文利用多壁碳纳米管、离子液体、二氧化锰半导体材料、染料有机分子等多种材料复合修饰电极，利用多种材料之间的协同效应，制备选择性好、灵敏度高、检出限低和稳定性高的化学传感器，用于叔丁基对苯二酚、丁基羟基茴香醚、木犀草素和苯二酚异构体等酚类物质的检测。并对酚类物质的电化学氧化机理进行研究。本研究主要内容包括：
　　⑴木犀草素在聚合结晶紫-多壁碳纳米管复合电极上的电化学研究。两步法制备聚合结晶紫/多壁碳纳米管(PCV/MWCNTs)修饰电极，先在裸玻碳电极(GCE)滴涂一定量的MWCNTs，接着在多壁碳纳米管修饰电极基底上电聚合结晶紫。实验采用循环伏安法、电化学交流阻抗技术和扫描电镜技术对新型修饰电极进行表征，木犀草素在PCV/MWCNTs/GCE上的电化学行为表明此电极促进木犀草素的电化学氧化，氧化还原电流明显增加。含有羧基官能团的MWCNTs和带正电荷的结晶紫之间有很强的静电引力和π-π共轭效应增加电极稳定性，结晶紫膜充当电子传递的媒介，促进木犀草素氧化反应。在磷酸盐缓冲溶液(pH7.0)中，木犀草素的浓度与氧化峰电流成正比，线性范围为2.0×10-8～7.0×10-5 M，检出限为5.0×10-9 M，该电极具有灵敏度高、重现性好和稳定性高的优点。
　　⑵多壁碳纳米管-离子液体复合电极对木犀草素的灵敏检测。制备多壁碳纳米管-1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐(MWCNTs-BMIMPF6)复合修饰玻碳电极用于研究木犀草素的电化学性质。扫描电镜技术用来表征电极的表面形貌，相比于裸电极、多壁碳纳米管修饰电极、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐修饰电极，MWCNTs-BMIMPF6复合电极对木犀草素的电化学反应过程有最佳的催化效果，一是碳纳米管具有优良的导电性能和较大的电极面积，二是离子液体导电能力强，电势窗口宽，二者复合以后协同催化。实验对支持电解质的pH和富集时间等一系列条件进行优化，在酸性BR缓冲溶液中，木犀草素的浓度在5.0×10-9到1.0×10-6M范围内与峰电流呈良好的线性关系，检出限可达5.0×10-10 M，菊花中木犀草素的检测回收率在95％-103％之间。
　　⑶多壁碳纳米管-MnO2纳米线复合电极对邻苯二酚和对苯二酚的同时检测。首先制备MnO2纳米线，通过物理混合实现MWCNTs和MnO2纳米线二种材料的复合，制备碳纳米管-二氧化锰(MWCNTs-MnO2)修饰玻碳电极。电化学交流阻抗结果表明MWCNTs的引入使MWCNTs-MnO2复合材料具有很小的电荷传递电阻（Rct）。与裸电极相比，邻苯二酚和对苯二酚在MWCNTs-MnO2修饰电极上可逆性更好，峰电流更大，主要归功于碳纳米管和二氧化锰复合材料有较大的电极活性面积和催化速率，二氧化锰作为电子传递媒介加速了邻苯二酚和对苯二酚电子传递。邻苯二酚和对苯二酚氧化峰电位差可达102mV，完全可以满足二者同时分析测定的要求。二者的氧化峰电流和浓度在5.0×10-7到8.0×10-5 M之间呈良好的线性关系，检出限分别为5.0×10-8 M（对苯二酚）和8.0×10-8 M（邻苯二酚），此修饰电极检测饮用水中的邻苯二酚和对苯二酚获得满意的结果。
　　⑷叔丁基对苯二酚和丁基羟基茴香醚的同时检测和氧化机理研究。使用多圈电位扫描技术将有机染料分子-曙红沉积于电极表面形成曙红修饰电极(eosin Y/GCE)，此电极对于叔丁基对苯二酚和丁基羟基茴香醚的氧化具有很强的催化作用，从电化学研究可以发现，二者最终的氧化产物是一致的，差示脉冲伏安技术实现对二者同时定量检测，线性范围为0.10μg·mL-1到7.00μg·mL-1，检出限分别为0.01μg·mL-1（丁基羟基茴香醚）和0.015μg·mL-1（叔丁基对苯二酚）。此修饰电极的重现性和稳定性良好，用于食用油中抗氧化剂（叔丁基对苯二酚和丁基羟基茴香醚）的检测，获得满意结果。实验采用电化学和现场红外光谱技术讨论了叔丁基对苯二酚和丁基羟基茴香醚在乙腈中氧化历程，叔丁基对苯二酚在乙腈体系氧化经历2e，2H+的转移过程，形成终产物叔丁基对苯醌。丁基羟基茴香醚在乙腈体系中氧化是不可逆过程，最终产物也是叔丁基对苯醌，二者的氧化产物一致也与电化学结果相符。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 碳纳米管修饰电极

1．2．1 CNTs作为电极表面的修饰材料

1．2．2 离子液体分散剂

1．3 纳米氧化物-碳纳米管复合修饰电极

1．3．1 纳米氧化物-碳纳米管合成方法

1．3．2 各类MOs／CNTs复合电极

1．4 导电聚合物／碳纳米管复合修饰电极

1．4．1 导电聚合物／碳纳米管制备

1．4．2 导电聚合物／碳纳米管复合电极表征

1．5 酚类物质的检测研究现状

1．5．1 光谱法

1．5．2 色谱法

1．5．3 电化学法

1．5．4 酚类物质氧化还原机理研究

1．6 选题意义和研究内容

参考文献

第二章 木犀草素在聚合结晶紫-多壁碳纳米管复合电极上的电化学研究

2．1 实验部分

2．1．1 药品和试剂

2．1．2 Luteolin传感器制备

2．1．3 仪器设备

2．1．4 实验条件优化

2．1．5 样品处理

2．2 结果与讨论

2．2．1 修饰电极的表征

2．2．2 修饰电极上Luteolin的电化学行为

2．2．3 聚合圈数的影响

2．2．4 MWCNTs滴涂量的影响

2．2．5 扫速的影响

2．2．6 pH的影响

2．2．7 木犀草素检测

2．2．8 修饰电极的选择性

2．2．9 方法应用

2．3 结论

参考文献

第三章 多壁碳纳米管-离子液体复合电极对木犀草素的灵敏检测

3．1 实验部分

3．1．1 药品和试剂

3．1．2 修饰电极的制备

3．1．3 仪器设备

3．1．4 实验条件优化

3．1．5 样品处理

3．2 结果与讨论

3．2．1 修饰电极的表征

3．2．2 木犀草素在修饰电极上的电化学行为

3．2．3 实验条件优化

3．2．4 木犀草素定量检测

3．2．5 修饰电极的重现性、稳定性和选择性

3．2．6 方法应用

3．2．7 方法对比

3．3 结论

参考文献

第四章 多壁碳纳米管-MnO2纳米线复合电极对邻苯二酚和对苯二酚的同时检测

4．1 实验部分

4．1．1 药品和试剂

4．1．2 邻苯二酚和对苯二酚传感器制备

4．1．3 仪器设备

4．2 结果与讨论

4．2．1 修饰电极的表征

4．2．2 修饰电极上邻苯二酚和对苯二酚的电化学氧化行为

4．2．3 实验条件优化

4．2．4 HQ和CC的同时测定

4．2．5 修饰电极的重现性、稳定性和选择性

4．2．6 方法应用

4．3 结论

参考文献

第五章 叔丁基对苯二酚和丁基羟基茴香醚的同时检测和氧化机理研究

5．1 实验部分

5．1．1 仪器设备

5．1．2 药品和试剂

5．1．3 Eosin Y修饰电极制备

5．1．4 电化学实验条件

5．1．5 HPLC分析

5．1．6 样品处理

5．2 结果与讨论

5．2．1 修饰电极的表征

5．2．2 TBH2Q和BHA的电化学行为

5．2．3 实验条件的优化

5．2．4 BHA和TBH2Q同时定量检测

5．2．5 修饰电极的选择性

5．2．6 方法应用

5．2．7 TBH2Q和BHA在乙腈体系中氧化机理研究

5．3 结论

参考文献

全文总结

致谢

攻读博士学位期间发表论文