一種細菌纖維素石墨烯複合物修飾玻碳電極的製備方法及其在檢測亞硝酸鹽中的應用與流程
2023-06-02 00:45:06
本發明涉及一種細菌纖維素石墨烯複合物修飾玻碳電極的製備方法和在檢測水體中亞硝酸鹽含量的應用方法，屬於細菌纖維素石墨烯複合物修飾玻碳電極的製備技術領域，還屬於檢測水體中亞硝酸鹽含量的方法技術。
背景技術：
亞硝酸鹽常用於肥料和食品加工行業，可通過食物轉移到水中或人體內。研究表明：若過量攝入亞硝酸鹽將對人體產生毒害作用嚴重時甚至可引起癌變。因此，對水中亞硝酸鹽的實時檢測是非常重要的。用於檢測亞硝酸鹽的方法有很多，其中電化學法操作簡單，不需要持續添加化學試劑且靈敏度高，是檢測亞硝酸根的常用方法之一。要想獲得較寬的檢測限和較高的靈敏度，電極和電極修飾材料的選擇尤為重要。解決這一問題的辦法之一就是選擇高效經濟的納米複合材料修飾的玻碳電極。
碳質材料一直是常用的模板材料，如石墨烯、碳納米管等。纖維素也屬於碳質材料的一種，分為植物纖維素和動物纖維素，前者主要來自秸稈、棉花、木材中,後者多來源於細菌和一些海洋生物。細菌纖維素具有類似碳納米管的結構，具有較大的比表面積，能作為納米複合物模板材料，且細菌纖維素較其他碳質材料廉價。若能製備細菌纖維素的複合物電極修飾材料，不僅可以新型的電催化模板材料，還能實現亞硝酸鹽的實時檢測。
技術實現要素：
本發明首要目的是提出一種方便檢測的碳納米管狀秸稈纖維素-二硫化鉬納米複合物修飾玻碳電極的製備方法。
實現本發明目的的技術解決方案是：一種細菌纖維素石墨烯複合物修飾玻碳電極的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟：
（1）分別稱取10~30克D-葡萄糖、2~10克酵母粉、2~10克蛋白腖、1~2克檸檬酸、3~10克硫酸鎂、1~5克氯化鈉、2~5克磷酸一氫鈉、0.2~1.0克磷酸鉀及體積分數為1~5%的乙醇，配置成木醋桿菌培養基；
（2）將木醋桿菌靜置培養2~5天後移入100~500毫升的木醋桿菌培養基中，25~30℃下繼續培養，得到細菌纖維素膜；
（3）將步驟（2）得到的細菌纖維素膜切割成小塊，得到小塊的細菌纖維素；
（4）將步驟（3）得到的小塊的細菌纖維素在超純水中煮沸至培養基殘餘物基本去除；
（5）將經步驟（4）處理後的細菌纖維素在0.05~0.2摩爾/升的氫氧化鈉溶液中煮沸2~5次；
（6）用超純水清洗步驟（5）所得的細菌纖維素至pH接近中性即得透明狀細菌纖維素；
（7）將步驟（6）所得的細菌纖維素冷凍乾燥後稱重備用；
（8）分別稱取步驟（7）的所得的細菌纖維素和石墨烯氧化物；
（9）將步驟（8）稱取的兩種物質分散在超純水/乙醇混合液中超聲分散，即得不同比例的細菌纖維素石墨烯複合物混合液，將細菌纖維素石墨烯複合物混合液滴塗在清潔的玻碳電極表面，室溫下乾燥，得到細菌纖維素石墨烯複合物修飾玻碳電極。
步驟（1）中，培養液的體積為2~5升；
步驟（2）中，25~30℃下培養的天數為7~15天；
步驟（3）中，細菌纖維素的小塊體積為1~5立方釐米；
步驟（4）中，煮沸時間為1~2小時；
步驟（5）中，煮沸時間為每次10~30分鐘；
步驟（7）中，所述的冷凍乾燥時間為24~48小時；
步驟（8）中，所稱細菌纖維素和石墨烯氧化物的質量分別為0.5~2.0毫克和0.5~1.0毫克，石墨烯氧化物是用改進的hummer法製備的；
步驟（9）中，超純水/乙醇混合液中超純水與乙醇混合液的體積比為4:1~5:1，或超純水與乙醇的體積比為3：1~6：1，並保持總體積在0.8~1.2毫升，超聲時間為30~60分鐘；滴塗的細菌纖維素石墨烯複合物混合液的體積為4~10微升。
一種細菌纖維素石墨烯複合物修飾玻碳電極在檢測水體中亞硝酸鹽含量的應用方法，其特徵在於，檢測的操作過程如下：
a)準備細菌纖維素石墨烯複合物修飾玻碳電極；
b)將步驟a) 中準備的細菌纖維素石墨烯複合物修飾玻碳電極與鉑金絲及飽和甘汞電極組成三電極體系；
c)將步驟b)組成的三電極體系置於含有不同濃度亞硝酸根的硝酸溶液中，以循環伏安法確定細菌纖維素石墨烯複合物對亞硝酸根的催化性能；
d)將三電極體系放入置於磷酸緩衝溶液中，滴加入不同濃度亞硝酸鈉溶液，以恆電位法分別測得不同濃度的亞硝酸鈉溶液對應的響應電流值，並製得亞硝酸根濃度與響應電流的線性關係圖；
e) 通過採用含有與步驟d)相同的亞硝酸根濃度的磷酸緩衝溶液製成的所述線性關係圖，獲得待測磷酸緩衝溶液中亞硝酸根離子的濃度值。
步驟c)中，循環伏安法的電位範圍為-0.5~1.5伏特。
步驟d)中，恆電位法的電位範圍為0.5~1.2 伏特。
相對於現有技術，本發明取得了以下有益效果：
（1）步驟（3）保持細菌纖維素的體積在1~5立方釐米，可以使得細菌纖維素得到充分的清潔，從而或得具有較高純度和結構均一的納米管狀產物。
（2）步驟（9）的體積比為4:1~5:1，所得的細菌纖維素石墨烯氧化物才能具有優良的電化學性能，從而或得較寬的檢測限。
本發明製得的細菌纖維素石墨烯複合物，具有優異的電催化水中亞硝酸鹽的性能，且成本較低。在0.1 mol dm-3的磷酸緩衝溶液中，能夠檢測的亞硝酸根離子的濃度範圍為0.5~4590 μmol dm-3。
綜上所述，本發明涉及一種細菌纖維素纖維素石墨烯複合物製備及其應用。包括如下步驟：木粗桿菌在合適的固體培養基中培養一定時間；將培養好的木粗桿菌從固體培養基上取出適量放入液體培養基培養數天後上層白色固體物質即為細菌纖維素；將細菌纖維素取出後切塊並用超純水煮沸清洗殘餘培養基至塊狀物接近透明；繼續使用一定濃度的氫氧化鈉溶液煮沸清洗數次；超純水繼續清洗數次至溶液pH接近中性；所得細菌纖維素冷凍乾燥備用；取適量細菌纖維素和石墨烯氧化物不同比例分散在一定體積比的超純水/乙醇中溶液中超聲分散即得不同比例的細菌纖維素石墨烯複合物混合液；取適量細菌纖維素纖維素石墨烯的混合液中，滴塗在清潔的玻碳電極表面；自然風乾後作為工作電極與鉑金絲及飽和甘汞電極組成三電極體系。結果證明細菌纖維素纖維素石墨烯複合物檢測亞硝酸鹽方便快速，靈敏度高，檢測濃度範圍寬。
附圖說明
圖1為本發明實施例1的細菌纖維素圖片。
圖2為本發明實施例2的細菌纖維素石墨烯複合物掃描電鏡圖。
圖3為本發明實施例3的細菌纖維素石墨烯複合物在不含（實線）及含（虛線）亞硝酸根的磷酸緩衝溶液中的循環伏安圖。
圖4是本發明涉及的細菌纖維素石墨烯修飾電極的安培響應曲線。
圖5是本發明涉及的亞硝酸根濃度與響應電流圖。
具體實施方式
結合具體實施例進一步說明細菌纖維素石墨烯複合物的製備。
實施例1：
（1）分別稱取10克D-葡萄糖，5克酵母粉，5克蛋白腖，1克檸檬酸，5克硫酸鎂，2克氯化鈉，3克磷酸一氫鈉，0.5克磷酸鉀及2%的乙醇（體積分數），配置成木醋桿菌培養基2升；
（2）將木醋桿菌靜置培養2天後移入250毫升的液體培養基中，30℃下繼續培養7天；
（3）將步驟（2）得到的細菌纖維素膜切割成1立方釐米的小塊；
（4）將步驟（3）得到的細菌纖維素小塊在超純水中煮沸1.5小時至培養基殘餘物基本去除；
（5）步驟（4）得到的細菌纖維素在0.2摩爾/升的氫氧化鈉溶液中煮沸3次，每次30分鐘；
（6）用超純水清洗步驟（5）所得的細菌纖維素至pH接近中性即得透明狀細菌纖維素，如圖1所示；
（7）將步驟（6）所得的細菌纖維素冷凍乾燥48小時後稱重備用；
（8）分別稱取0.5毫克步驟（7）的所得的細菌纖維素和0.5毫克用改進的hummer法製備的石墨烯氧化物；
（9）將步驟（8）稱取的兩種物質分散在4：1的超純水/乙醇混合液中超聲分散即得質量比為1：1的細菌纖維素石墨烯複合物混合液。
實施例2：
（1）分別稱取10克D-葡萄糖，5克酵母粉，5克蛋白腖，1克檸檬酸，5克硫酸鎂，2克氯化鈉，3克磷酸一氫鈉，0.5克磷酸鉀及2%的乙醇（體積分數），配置成木醋桿菌培養基2升；
（2）將木醋桿菌靜置培養2天後移入250毫升的液體培養基中，28℃下繼續培養7天；
（3）將步驟（2）得到的細菌纖維素膜切割成1立方釐米的小塊；
（4）將步驟（3）得到的細菌纖維素小塊在超純水中煮沸2小時至培養基殘餘物基本去除；
（5）步驟（4）得到的細菌纖維素在0.1摩爾/升的氫氧化鈉溶液中煮沸3次，每次30分鐘；
（6）用超純水清洗步驟（5）所得的細菌纖維素至pH接近中性即得透明狀細菌纖維素；
（7）將步驟（6）所得的細菌纖維素冷凍乾燥36小時後稱重備用；
（8）分別稱取0.5毫克步驟（7）的所得的細菌纖維素和0.5毫克用改進的hummer法製備的石墨烯氧化物；
（9）將步驟（8）稱取的兩種物質分散在4：1的超純水/乙醇混合液中超聲分散即得質量比為1：1的細菌纖維素石墨烯複合物混合液。
所得的細菌纖維素石墨烯複合物的形貌如圖2掃描電鏡圖所示。
結合具體實施例進一步說明本發明中細菌纖維素石墨烯複合物電極催化水中亞硝酸根的方法。
實施例3
將實施例2製備的三電極體系放入置於不含及含有1、2、4 毫摩爾/升亞硝酸鈉的0.1 mol dm-3磷酸緩衝溶液中，以循環伏安法確定細菌纖維素石墨烯對亞硝酸鹽的催化性能，其循環伏安圖如圖3所示。
圖3為細菌纖維素石墨烯複合物修飾玻碳電極在不含及含有1、2 、4 毫摩爾/升亞硝酸鈉的0.1毫摩爾/升磷酸緩衝溶液中循環伏安圖。從圖中可以看出：當該複合物修飾玻碳電極從磷酸緩衝溶液移入到含有亞硝酸鈉的溶液後，在0.9 V附近出現了一個氧化峰，且隨著亞硝酸根濃度的增加該峰的電流增加。這個結果表明：亞硝酸根在細菌纖維素石墨烯複合物修飾玻碳電極發生了還原反應，轉變為了無毒的硝酸根離子。
結合具體實施例進一步說明本發明中細菌纖維素石墨烯複合物電極檢測水中亞硝酸根的方法。
實施例4
將實施例2製備的三電極系統置於0.1摩爾/升磷酸緩衝溶液中，滴加0.05~10毫摩爾/升不等濃度的亞硝酸鈉溶液，以恆電位法分別測得不同濃度的亞硝酸鈉溶液對應的響應電流值，並製得亞硝酸根濃度與響應電流的線性關係圖（圖4）；
從圖4中可以看出：細菌纖維素石墨烯複合物修飾玻碳電極對0.05毫摩爾/升的亞硝酸根都能產生響應。圖5是對圖4的亞硝酸濃度與響應電流做的圖。從圖中可以看出：在0.5 至 4590 毫摩爾/升的範圍內都保持良好的線性關係。