功能化微納米材料的制備及應(yīng)用

王 輝

（山西師范大學(xué)，山西 臨汾 041000）

引 言

近年來，碳材料因具有成本低、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、電催化活性好等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于工業(yè)電化學(xué)及分析電化學(xué)領(lǐng)域中。但是，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，傳統(tǒng)的碳材料已經(jīng)不能滿足某些行業(yè)的需求。當(dāng)物質(zhì)的尺寸減小到納米量級時其化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)均會發(fā)生質(zhì)的變化。為了充分發(fā)揮碳材料的功能，科研工作者將“納米”的概念引入碳材料的制備中［1］。經(jīng)研究表明，相對于傳統(tǒng)碳材料，納米碳材料由于其獨特的結(jié)構(gòu)使其擁有更加優(yōu)越的電化學(xué)性能。

此外，電化學(xué)傳感技術(shù)由于其靈敏度高、操作方便、成本低等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于電化學(xué)分析領(lǐng)域，且電化學(xué)傳感器技術(shù)是當(dāng)前科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需求。因此，在科學(xué)技術(shù)新的要求下，功能化納米材料與電傳感技術(shù)的結(jié)合將大力推進(jìn)分析化學(xué)的發(fā)展。目前，為了能夠得到更佳的電化學(xué)傳感性能，碳基碳材料被廣泛應(yīng)用。本文將著重研究某些功能化納米材料的制備及其在電化學(xué)分析中的應(yīng)用。

1 碳紙－鉍膜電極的制備及應(yīng)用

近年來，在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時也會環(huán)境造成不同程度的污染，其中以水污染為主。據(jù)統(tǒng)計表明，全球僅有33%的人口可以獲得干凈的水資源。而造成水污染的罪魁禍?zhǔn)诪橹亟饘匐x子。醫(yī)學(xué)表明，長期飲用含有重金屬的水會對人體造成極大的傷害，其中以Pb2＋和Cd2＋最為嚴(yán)重。因此，嚴(yán)格檢測和控制水中的重金屬離子十分重要。

常規(guī)檢測水中重金屬離子的方法需要借助精密儀器才能夠完成，且操作相對繁瑣，檢測成本較高，故常規(guī)檢測方法無法在日常檢測中推廣應(yīng)用［2］。采用電化學(xué)分析方法具有檢測成本低、操作簡便、檢測結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)勢。為了提供更加準(zhǔn)確的檢測結(jié)果，需要為其匹配新型電極材料。其中，鉍膜電極由于其獨特的優(yōu)勢備受人們的青睞。

1.1 碳紙－鉍膜電極的制備

1）碳紙的制備：將聚酰亞胺分3檔溫度進(jìn)行碳化處理，而后在氮氣保護(hù)環(huán)境下對其進(jìn)行石墨化處理，得到石墨薄膜碳紙。

2）碳紙的激光處理：采用光纖激光器對1）所制備的碳紙進(jìn)行激光處理，要求孔徑為50μm，孔距為240μm。

3）電極制備：將上述制備所得多孔碳紙剪成固定的形狀，并采用電極加注固定。圖1所示為采用上述方法所制備的碳紙－鉍膜電極。

圖1 碳紙－鉍膜電極圖

1.2 碳紙－鉍膜電極的應(yīng)用

碳紙－鉍膜的主要用途之一即為對水中Pb2＋和Cd2＋的檢測，其檢測結(jié)果如第12頁圖2所示。

圖2 Pb2＋和Cd2＋檢測結(jié)果

圖2（A）所示為對Cd2＋的檢測結(jié)果。隨著Cd2＋濃度的升高，峰電流不斷增加。經(jīng)校對后得出如A右上角所示的校正曲線，進(jìn)而得出峰電流值與Cd2＋濃度的關(guān)系式，如式（1）所示。

圖2（B）所示為對Pb2＋的檢測結(jié)果。隨著Pb2＋濃度的升高，峰電流不斷增加。經(jīng)校對后得出如B右上角所示的校正曲線，進(jìn)而得出峰電流值與Pb2＋濃度的關(guān)系式，如式（2）所示。

經(jīng)實際應(yīng)用可知，采用上述方法所制備的碳紙－鉍膜電極能夠準(zhǔn)確、快速地檢測出水中的重金屬離子，即碳紙－鉍膜具有良好的電化學(xué)響應(yīng)性能。

2 碳紙－金納米顆粒復(fù)合電極的制備與應(yīng)用

臨床醫(yī)學(xué)表明，NADH（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸）作為人體中非常重要的活性物質(zhì)，其主要功能是活細(xì)胞氧化還原反應(yīng)中的電子傳遞介質(zhì)。鑒于其獨特的性能被作為某些藥物的重要成分所使用。因此，在生物制藥行業(yè)及醫(yī)學(xué)行業(yè)能夠精準(zhǔn)地檢測出NADH的含量十分重要。

目前，NADH檢測的方法主要有毛細(xì)管電泳法、化學(xué)發(fā)光法等。然而，上述檢測方法需要昂貴、精準(zhǔn)的檢測設(shè)備作依托，檢測步驟相對繁瑣，檢測成本高等［3］。因此，常規(guī)的NADH檢測方法無法在實際中推廣應(yīng)用。同樣，電化學(xué)檢測方法能夠完美地解決上述問題，但是，采用電化學(xué)檢測方法需要較大的過電位支撐氧化反應(yīng)的進(jìn)行。為解決上述問題，引入了碳紙－金納米顆粒復(fù)合電極。

2.1 碳紙－金納米顆粒復(fù)合電極的制備

圖3所示為碳紙－金納米顆粒復(fù)合電極的制備原理示意圖。

圖3 碳紙－金納米顆粒復(fù)合電極的制備原理

1）碳紙的制備：將聚酰亞胺分3檔溫度進(jìn)行碳化處理，而后在氮氣保護(hù)環(huán)境下對其進(jìn)行石墨化處理，得到石墨薄膜碳紙。

2）碳紙的激光處理：采用光纖激光器對1）所制備的碳紙進(jìn)行激光處理，要求孔徑為50μm，孔距為240μm。

3）采用不同pH的鹽酸緩沖溶液按照不同體積混合并稀釋后制備所得，并采用多通道電化學(xué)工作站制備碳紙－金納米顆粒，將其裁剪為5mm×5mm的大小固定于電極上。

圖4所示為制備所得的碳紙－金納米顆粒復(fù)合電極（顯微鏡視圖）。

圖4 碳紙－金納米顆粒復(fù)合電極

2.2 碳紙－金納米顆粒復(fù)合電極的應(yīng)用

碳紙－金納米顆粒復(fù)合電極在實際的主要用途之一是對NADH的測定?；谔技垼鸺{米顆粒復(fù)合電極對NADH的測定，通過反應(yīng)電極上氧化峰電流得到實時NADH的濃度值［4］。第13頁圖5所示為不同NADH濃度所對應(yīng)的電極上的氧化峰電流。

如圖5所示，隨著NADH濃度值的增加，對應(yīng)電極上的氧化峰電流值不斷增加。而且，當(dāng)NADH濃度在10μmol／L～1 000μmol／L的范圍之內(nèi)，電極氧化峰電流值與NADH濃度值呈線性關(guān)系，具體關(guān)系式如第13頁式（3）所示。

圖5 不同NADH濃度與電極上的氧化峰電流的關(guān)系曲線

將上述檢測結(jié)果與采用常規(guī)方法檢測后的結(jié)果進(jìn)行對比可知，采用碳紙－金納米顆粒復(fù)合電極對NADH檢測能夠得到更加的檢測結(jié)果，且其檢測步驟簡單、成本較低適合在實際中推廣應(yīng)用。

3 結(jié)語

電化學(xué)分析方法由于其檢測手段簡單、成本較低、靈敏度高以及精確度高等特點被廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)中。為了得到更加準(zhǔn)確的分析結(jié)果，需要性能更加優(yōu)越的電極為之服務(wù)。其中，碳紙由于其較好的導(dǎo)電性、較低的成本以及可批量生產(chǎn)等特點可用于修飾電極的制備，最終得出靈敏度較高、導(dǎo)電率較高的電極材料，對電化學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展具有實際推動作用。