一种碳纳米管/二氧化钛/羧甲基壳聚糖纳米复合电化学传感材料的制备方法和应用

摘要

本发明公开了一种碳纳米管/二氧化钛/羧甲基壳聚糖纳米复合电化学传感材料的制备方法和应用，该方法将多壁碳纳米管(MWCNTs)的电化学性能和纳米二氧化钛(TiO

说明书

技术领域

本发明属于纳米复合材料和功能材料技术领域，具体涉及一种利用原位溶胶-凝 胶法制备MWCNTsTiO₂/CMCS纳米复合电化学传感材料的方法和应用。

背景技术

敌百虫是农业生产中广泛应用的一种有机磷农药，它可以抑制乙酰胆碱酯酶的活 性，导致体内神经递质乙酰胆碱的大量蓄积，从而引起一系列的神经反应，比如产生恶心、 头疼、无力、胸闷等中毒症状，严重的可以导致死亡。使用敌百虫农药后，不能用肥皂等碱性 洗涤剂洗脸洗手，否则会引起中毒，以致死亡，这是因为敌百虫在碱性溶液中可变成挥发性 很强的敌敌畏，敌敌畏的毒性比敌百虫要大10倍以上。因此，如果敌百虫在环境和食品中残 留蓄积，会对人类的健康造成直接或潜在的危害，所以对其进行快速检测非常重要。传统的 检测方法主要是色谱法，例如，气相色谱和火焰光度法(GC–FPD)、气相色谱-质谱法(GC– MS)、高效液相色谱二极管阵列法(HPLC–DAD)、液相色谱分析-质谱法(LC–MS)等等，但这些 方法需要专业人员操作，样品处理复杂，耗时，不适于进行现场检测等。而电化学传感器具 有灵敏度高、操作简单，并且花费较少等优点，广泛应用于污染物的快速检测。除此之外，它 还具有仪器易于微型化、智能化，为现场的检测分析提供了可能。化学修饰电极是当前电化 学、电分析化学方面十分活跃的研究领域，因此，各种电极修饰材料的研究也就应运而生。

纳米TiO₂具有颗粒小、比表面积大、吸收性能好和光催化性能好等优点，还兼具表 面活性大、分散性好、热导性好和制得的悬浮液稳定以及对人体没有害处等诸多的优良性 能。TiO₂作为一种重要的半导体材料，因其独特的物理和化学性能，被广泛地应用于高活性 修饰电极的制备、太阳能电池组装和光催化降解有机物等领域。多壁碳纳米管(MWCNTs)有 着优良的机械性能，化学稳定性能，电化学性能，光学性能，热传导性能等，比表面积大，吸 附性强，稳定性高，在材料学和生物医学等领域受到了广泛关注。但由于碳纳米管在水中和 有机溶剂中分散性较差，用TiO₂来修饰碳纳米管，不仅放大了碳纳米管的这一特点，而且还 将碳纳米管的电分离和电催化性能与生物高分子的识别能力相结合，通过原位溶胶-凝胶 反应法可制备出高灵敏度的MWCNTsTiO₂纳米电化学传感器材料。原位溶胶-凝胶法具有反 应条件温和两相混合比较均匀的优点，操作容易，室温下就可以反应，条件易控制，合成产 物品质高，而且复合反应中有机与无机的构成比例可以精确控制，并且形成的互穿网络结 构可以对有机相与无机相之间的分离起到很强的制约作用，通过改变有机、无机组分的比 例以合成少量无机材料改性有机材料或少量有机材料改性无机材料的一系列复合材料，这 些优势在制备功能性复合材料的方面显示了巨大的潜力。

壳聚糖因其除了具有良好的生物相容性和生物可降解性和抗菌、止血、促进伤口 愈合等诸多功能外还有较好的成膜性、透气性和吸附性。在医药、环境、化妆品、食品行业， 以及化工、农业等各领域中应用广泛。但由于其仅溶于稀酸，不溶于水和碱性溶液，也不溶 于常见的有机溶剂，导致其应用受到一定的制约。为改变它的溶解性能，许多研究者将其结 构进行修饰，利用壳聚糖的化学性质可制备出一系列的壳聚糖衍生物。如将壳聚糖进行羧 甲基化，可大大改善它的溶解性。本发明利用了羧甲基壳聚糖(CMCS)良好的水溶性和成膜 性与MWCNTsTiO₂纳米复合材料相结合，制备了MWCNTsTiO₂/CMCS这种新型的纳米复合材料 并组装成薄膜并对敌百虫的残留量进行了检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳纳米管/二氧化钛/羧甲基壳聚糖纳米复合电化学 传感材料的制备方法和应用，通过溶胶-凝胶反应的方法改善了碳纳米管在纳米复合材料 中易团聚、分散性差，因而电化学传感性差等缺点；通过改变碳纳米管和二氧化钛在复合材 料中的质量分数，获得最佳特性的电化学传感材料，最终得到可以检测食物中敌百虫残留 量检测的电化学传感器材料。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种碳纳米管/二氧化钛/羧甲 基壳聚糖纳米复合电化学传感材料的制备方法，具体制备步骤如下：

步骤（1）：通过原位溶胶-凝胶反应制得多壁碳纳米管/二氧化钛(MWCNTsTiO₂)纳米复 合材料，其中原料MWCNTs与钛酸四丁酯的添加比例为25%~75%:75%~25%；

步骤（2）：将步骤（1）中制备的MWCNTsTiO₂复合材料分散在羧甲基壳聚糖(CMCS)的水 溶液中，在60℃经超声作用得到MWCNTsTiO₂/CMCS纳米复合电化学传感材料，其中多壁碳 纳米管、纳米二氧化钛、羧甲基壳聚糖的添加比例为5%~30%:15%~10%:80%~60%或15%~10%: 5%~30%:80%~60%；或者MWCNTsTiO₂和CMCS的添加比例为20%~40%:80%~60%。

上述一种碳纳米管/二氧化钛/羧甲基壳聚糖(MWCNTsTiO₂/CMCS)纳米复合电化 学传感材料的制备方法，所述MWCNTsTiO₂/CMCS电化学传感材料的最优组成为多壁碳纳米 管10%，纳米二氧化钛10%，羧甲基壳聚糖80%。

一种碳纳米管/二氧化钛/羧甲基壳聚糖(MWCNTsTiO₂/CMCS)纳米复合电化学传 感材料的应用，由上述一种碳纳米管/二氧化钛/羧甲基壳聚糖(MWCNTsTiO₂/CMCS)纳米复 合电化学传感材料的制备方法中步骤（2）所制备的MWCNTsTiO₂/CMCS电化学传感材料可组 装为电化学传感薄膜元件，并应用于食物中农药敌百虫等残留量的检测，其检测限低至3.3 ×10^-12摩尔/升，对痕量残留农药有非常高的敏感性。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：1、本发明利用羧甲基壳聚糖CMCS良好的 水溶性和成膜性与MWCNTsTiO₂纳米复合材料相复合，制备了MWCNTsTiO₂/CMCS新型纳米复 合材料，碳纳米管或MWCNTsTiO₂纳米复合材料得以在体系中很好地分散稳定；2、通过调控 二氧化钛、碳纳米管、羧甲基壳聚糖的组成比例，很好地调控和优化了纳米复合材料的电化 学性能，找到电化学行为良好的最佳用量；特别是，本发明结合了TiO₂的电催化特性，使其 电化学性能得到优化，获得最佳特性的电化学传感薄膜。；3、本发明纳米复合薄膜元件可用 于食物中农药残留量的检测，其检测限低至3.3×10^-12mol/L，对痕量残留农药有非常高的 敏感性；且在相当宽的农药浓度范围内，修饰电极氧化峰电流与敌百虫浓度呈现良好的线 性关系。

附图说明

下面通过附图并结合实施例具体描述本发明，其中附图所示内容仅用于对本发明 的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制。

图1为本发明MWCNTsTiO₂/CMCS纳米复合材料的合成示意图。

图2为本发明实施例中的(a)MWCNTs，(b)MWCNTsTiO₂，(c)MWCNTsTiO₂/CMCS复 合材料分散稳定性测定结果。

图3（A）为本发明实施例中不同浓度敌百虫溶液的示差脉冲伏安法(DPV)曲线，图3 （B）为敌百虫溶液浓度与峰电流之间的线性关系。

图4为本发明实施例中不同材料修饰电极的电化学行为。

图5(A)和(B)为不同比例组成的MWCNTsTiO_2/CMCS/GCE纳米复合材料修饰电极 的电化学行为检测结果。

图6（A）和（B）为本发明实施例中不同pH电解质溶液中的电化学行为检测结果。

图7（A）和（B）为本发明MWCNTsTiO₂/CMCS/GCE复合材料在0.2MPBS(pH=7)电解 液中不同扫描速率下的电化学行为及峰电流与扫描速率之间的线性关系。

表1为本发明中MWCNTsTiO₂/CMCS/GCE纳米复合材料修饰电极对于真实样品的 检测结果。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进 行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些都属于本发明保 护范围。

实施例1：

一种碳纳米管/二氧化钛/羧甲基壳聚糖纳米复合电化学传感材料的制备方法，其特征 在于它由下面多步反应完成，制备过程示意图如图1所示。具体步骤如下：

步骤（1）：将干燥后的一定量的多壁碳纳米管在无水乙醇中超声分散1-2h形成A液，将 一定量的钛酸四丁酯溶于无水乙醇中形成B液，将B液缓慢地滴加到A液中，在滴加的过程 中，依次加入一定量的冰醋酸溶液、95%的乙醇和0.1M硝酸溶液，滴加氨水调节pH约为7，持 续搅拌6h，形成均匀的纳米MWCNTsTiO₂混合溶液，将其静置24h，待溶剂挥发后，得到需 要的凝胶；将凝胶收集在培养皿上，放在鼓风干燥箱中80℃烘干，研磨，马费炉中450℃煅烧 4h；得到黑色粉末状的MWCNTsTiO₂纳米复合材料；各原料的具体用量及制备工艺参数如 下：

a、纳米二氧化钛的制备

A液：量取3.4ml钛酸四丁酯，向其中加入16ml无水乙醇，搅拌约30min，使其充分混匀；

B液：在5ml0.1M的硝酸中加入3ml的冰醋酸，再加入16.5ml95%的乙醇，搅拌约30min， 使其混匀；

将A液加入到恒压漏斗中，边搅拌边把A液缓慢加到B液中，加氨水调节溶液pH约为7，继 续搅拌60min形成均匀透明的白色溶胶，搅拌6h后，室温放置24h，待溶剂挥发后，得到需要 的凝胶。将凝胶收集在培养皿上，放在鼓风干燥箱中80℃烘干，研磨，马费炉中450℃煅烧 4h；得到白色粉末状的纳米TiO₂。

b、参照上面制备纳米TiO₂的过程，将一定量的MWCNTs（与纳米二氧化钛按百分比25%~ 75%:75%~25%）在无水乙醇中超声分散1~2h，得到C溶液，将一定量的钛酸四丁酯溶解在无水 乙醇中，搅拌，使其混匀，得到D液。将D液置于恒压漏斗中，缓慢滴入C液中，不断搅拌，再加 入一定量的乙酸溶液，95%的乙醇和0.1M硝酸溶液，滴加氨水调节pH约为7，持续搅拌60h，形 成均匀的纳米MWCNTsTiO₂混合溶液，将其静置24h，待溶剂挥发后，得到需要的凝胶。将凝 胶收集在培养皿上，放在鼓风干燥箱中80℃烘干，研磨，马费炉中450℃煅烧4h；得到黑色粉 末状的纳米MWCNTsTiO₂复合材料。

步骤（2）：将步骤（1）中制备的MWCNTsTiO₂纳米复合材料0.03g~0.08g分散到0.17g~ 0.12g羧甲基壳聚糖（CMCS）的水溶液中(MWCNTsTiO₂加入量占总量的15%~40%，CMCS的加入 量为总量的85%~60%），在60℃条件下超声分散1~2h，得到分散均匀的混合液，其分散稳定性 如图2所示，然后根据多壁碳纳米管和纳米二氧化钛的不同取用比例制作出不同原料组成 比的目标样品，组装成电化学传感薄膜，研究其最优电化学性能对应的各原料最佳用量和 对农药残留成分的检测。

其中，CMCS的具体制备过程为：10.0g的壳聚糖加入到50mL质量分数为50%的NaOH溶液 中，室温下碱化12h，然后除去过多的碱溶液，将碱化的壳聚糖加入到250mL的烧瓶中，同时 将10.0g的一氯乙酸溶解到40.0mL的异丙醇中，逐滴地滴加到含有壳聚糖的烧瓶中；形成的 混合溶液在60℃下搅拌、回流4h，然后用稀盐酸中和；反应之后的混合液在丙酮中沉淀和过 滤；沉淀物用75%的乙醇反复清洗，直到无一氯乙酸存在；再将粗产品用无水乙醇清洗，然后 在35℃下干燥直到恒重。

（3）上述一种MWCNTsTiO₂/CMCS纳米复合电化学传感材料的制备方法和应用，利用得 到的目标样品制备MWCNTsTiO₂/CMC/GCE修饰电极和相关对比电极，本发明实施例采用循 环伏安法测定的缓冲溶液（PBS）由0.2M的H₃PO₄，0.2M的NaH₂PO₄，0.2M的Na₂HPO₄配制，用1.0M 的HCl和1.0M的NaOH调节pH；电解质溶液由0.2M的PBS缓冲溶液和0.2M的KCl溶液组成；氧化 还原探针溶液由2.0mmol的K₃Fe(CN)₆/K₄Fe(CN)₆/KCl(1:1:100,mol:mol:mol)组成。将裸电 极（GCE）依次用0.3μm和0.05μm的Al₂O₃粉抛光成镜面，用无水乙醇和蒸馏水超声清洗待用。 将制好的样品超声分散30min，取目标样品悬浮液6μl均匀滴到处理好的GCE表面上，静置， 待其晾干；为了进行区别，分别将纳米TiO₂，MWCNTs，CMCS，MWCNTsTiO₂，MWCNTsCMCS单独分 散，按上述方法制备好TiO₂/GCE，MWCNTs/GCE，CMCS/GCE，MWCNTsTiO₂/GCE，MWCNTsCMCS/ GCE，MWCNTsTiO₂/CMCS/GCE电极待用；所有检测都在电化学工作站中进行。

实施例2：

在实施例1的基础上，将所述实验步骤（1）b中所用MWCNTs与纳米二氧化钛比例调整为 50%:50%；

步骤（2）：将步骤（1）中制备的MWCNTsTiO₂纳米复合材料0.04g分散到0.16g羧甲基壳 聚糖（CMCS）的水溶液中；即将步骤（2）中MWCNTsTiO₂和CMCS的比例调整为20%:80%，其它步 骤与实施例1相同，得到MWCNTsTiO₂/CMCS纳米复合电化学传感材料。

实施例3：

在实施例1的基础上，将所述实验步骤（1）b中所用MWCNTs与纳米二氧化钛比例调整为 33%:67%；步骤（2）中MWCNTsTiO₂和CMCS的比例调整为15%:85%，其它步骤与实施例1相同， 得到MWCNTsTiO₂/CMCS纳米复合电化学传感材料。测试结果见图5(A)中的曲线a。

实施例4：

在实施例1的基础上，将所述实验步骤（1）b中所用MWCNTs与纳米二氧化钛比例调整为 60%:40%；步骤（2）中MWCNTsTiO₂和CMCS的比例调整为25%:75%，其它步骤与实施例1相同， 得到MWCNTsTiO₂/CMCS纳米复合电化学传感材料。测试结果见图5(A)中的曲线c。

实施例5：

在实施例1的基础上，将所述实验步骤（1）b中所用MWCNTs与纳米二氧化钛比例调整为 75%:25%；步骤（2）中MWCNTsTiO₂和CMCS的比例调整为40%:60%，其它步骤与实施例1相同， 得到MWCNTsTiO₂/CMCS纳米复合电化学传感材料。测试结果见图5(A)中的曲线d。

实施例6：

在实施例1的基础上，将所述实验步骤（1）b中所用MWCNTs与纳米二氧化钛比例调整为 67%:33%；步骤（2）中MWCNTsTiO₂和CMCS的比例调整为15%:85%，其它步骤与实施例1相同， 得到MWCNTsTiO₂/CMCS纳米复合电化学传感材料。测试结果见图5(B)中的曲线a。

实施例7：

在实施例1的基础上，将所述实验步骤（1）b中所用MWCNTs与纳米二氧化钛比例调整为 40%:60%；步骤（2）中MWCNTsTiO₂和CMCS的比例调整为25%:75%，其它步骤与实施例1相同， 得到MWCNTsTiO₂/CMCS纳米复合电化学传感材料。测试结果见图5(B)中的曲线c。

实施例8：

在实施例1的基础上，将所述实验步骤（1）b中所用MWCNTs与纳米二氧化钛比例调整为 25%:75%；步骤（2）中MWCNTsTiO₂和CMCS的比例调整为40%:60%，其它步骤与实施例1相同， 得到MWCNTsTiO₂/CMCS纳米复合电化学传感材料。测试结果见图5(B)中的曲线d。

为了证明本发明的有益效果，发明人采用上海晨华仪器有限公司生产的CHI660E 型电化学工作站对实施例样品的电化学性能及实际应用性能进行了检测，实验结果如图3 ～7所示。

图3（A）采用示差脉冲伏安法(DPV)对一定浓度的敌百虫溶液进行了检测。在pH=7 的PBS电解液中，当富集电位为0.9~1.15V，电位增量0.001V，振幅0.025V，脉冲宽度0.5s，脉 冲周期0.5s时，敌百虫的氧化峰电流与其浓度在1×10^-5~1×10^-11mol/L的范围内呈良好的 线性关系，线性方程为iP(μA)=0.5077logC-6.3407；相关系数为0.9915，如图3（B）所示。

使用MWCNTsTiO₂/CMCS/GCE修饰电极在最优化条件下对苹果、香菇和黄瓜三个样 品使用标准曲线法进行DPV测定，每个样品测定5次，取平均值，测定结果如表1所示。由表1 可见，本发明公开的MWCNTsTiO₂/CMCS纳米复合电化学传感材料用于苹果、蘑菇和黄瓜中 农药敌百虫含量的测定，具有低的标准偏差(苹果0.7%~3.9%；香菇0.8~8.1%；黄瓜0.6%~ 7.3%)及高的回收率(苹果82.0~96.5%；香菇72.0~96.0%；黄瓜78.0~98.0%)。因此，本发明公 开的MWCNTsTiO₂/CMCS纳米复合电化学传感材料可以用于真实样品中敌百虫残留量的检 测。

表1真实样品中敌百虫含量的测定结果

a和b是平行测量的次数，该实验中(a=5)

为了研究不同复合材料的电催化性能，图4给出了由这些材料制备的修饰电极在 PBS（pH=7）电解质溶液中，40mV/s的扫描速率下的循环伏安曲线。从图4可以看出，探针离 子在MWCNTsTiO₂/CMCS/GCE上的氧化还原峰电流明显，而在MWCNTs/GCE、CMCS/GCE、 MWCNTsTiO₂/GCE及MWCNTs/CMCS/GCE上几乎没有氧化还原电流。这说明电子在MWCNTs TiO₂/CMCS复合薄膜修饰电极上的转移速率最快，有利于活性物质发生氧化还原反应，从而 使得氧化还原峰电流急剧增加。与此同时，可以观察到在MWCNTsTiO₂/CMCS/GCE修饰电极 上的氧化和还原峰电流相对称，峰电位差较小，说明探针离子在此修饰电极上的电化学反 应是一个可逆过程。而在TiO₂/GCE修饰电极上尽管有明显的氧化还原电流，但氧化和还原 峰电流对称性差，峰电位差较大，因此探针离子在此修饰电极上的电化学反应的可逆性不 及本发明MWCNTsTiO₂/CMCS/GCE修饰电极。

MWCNTsTiO₂/CMCS纳米复合电化学传感材料的电催化性能受到体系组成比例的 影响，如图5所示。从图5(A)可以很明显看出，保持TiO₂含量不变，纳米管含量对氧化还原特 性有显著影响。低含量的碳纳米管(5%)不产生氧化还原电流，而过高的碳纳米管含量(30%) 也使氧化还原电流减小。当碳纳米管含量在10%和15%时强的峰电流出现说明，在这一组成 下复合材料易发生电化学氧化或还原反应。由于b曲线还原峰电势(0.211V)低于c曲线还 原峰电势(0.256V)，还原峰明显负移了45mV，且氧化波与还原波高度相近，对称性好，表明 碳纳米管含量10%的复合薄膜材料有着很好的电化学氧化还原性能，且电活性物质可逆性 良好。从图5(B)可与看出，四条曲线都产生了氧化还原峰，很明显c曲线氧化还原峰较弱，而 b曲线的氧化还原峰电流最高，氧化峰与还原峰对称性好，并且之间的电势差只有100mV，这 说明该比例组成的电化学复合薄膜材料的电化学传感器的可逆性好，电催化性能良好。因 此，10%MWCNTs复合10%TiO₂，并加入80%CMCS制备出的MWCNTsTiO₂/CMCS纳米复合薄膜修 饰电极氧化还原峰电流明显，可逆性好，电化学性能良好。

复合材料修饰电极在不同pH的PBS电解质溶液中的电催化性能如图6所示。在pH=7 的电解质溶液中，即(c)曲线所示，复合材料修饰电极具有明显的氧化还原峰，并且氧化和 还原峰电流相对称，峰电位差较小，说明探针离子在此修饰电极上的电化学反应是一个可 逆过程。因此，优选pH=7电解质溶液作为支持电解液。

扫描速率对复合材料修饰电极的电催化性能有影响。图7为MWCNTsTiO₂/CMCS/ GCE复合材料修饰电极在0.2MPBS(pH=7)电解液中于不同扫速下的循环伏安图和峰电流 与扫描速率之间的线性关系。从图7可以看出，随扫描速率的增加，氧化峰电流在减弱，氧化 峰的电位发生了正移；并且峰电流与扫描速率之间呈良好的线性关系，线性方程分别为Ipc (μA)=0.1230V+0.0026(r=0.9651)和Ipa(μA)=-0.1204V-0.0025(r=0.9912)。综合分析， 扫速速率在40mV/s时，复合材料的电化学催化性能最好。

因此，多壁碳纳米管、纳米二氧化钛、羧甲基壳聚糖的使用量依次为10%，10%，80% 时，制备的MWCNTsTiO₂/CMCS纳米复合薄膜修饰电极氧化还原峰明显，可逆性好，电化学性 能好；探针离子在此修饰电极上的电化学反应是一个可逆过程。同时发现在40mV/s电扫描 速率下，pH=7的电解质溶液作为支持电解液的条件下，本发明制备的复合材料的电化学催 化性能最好。

以上所述为本发明的优选应用范例，并非对本发明的限制，凡是根据本发明技术 要点做出的简单修改、结构更改变化均属于本发明的保护范围之内。