基于MIL-101修饰碳糊电极和丝网印刷碳糊电极的电化学传感器研究

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金属有机骨架(Metal-Organic Frameworks,MOFs)材料作为一种新兴的多孔材料,具有结构多样性、比表面积大、孔体积高、功能多样化等优点,其结构具有优良的可设计性和可调控性,近年来受到了广泛的关注。MOFs材料在气体储存和分离、催化、药物储存及运输和超级电容器等方面有着广阔的应用前景。MIL-101拥有较大的比表面积和较大的孔容积,水热稳定性和化学稳定性也非常好,在电化学传感器方面有着潜在的应用。碳糊电极(Carbon Paste Electrodes,CPEs)制备过程简单,具有成本低廉,电势窗口宽和电极表面容易更新等特点。与丝网印刷技术结合而发展起来的丝网印刷碳糊电极(Screen-Printed Carbon Paste Electrodes SPCEs)不仅具有碳糊电极的优点,还可以批量生产,具有一次使用可抛弃的特点。SPCEs实现了电化学传感器的小型化,携带方便,因而被广泛应用在电化学分析的各个领域。本论文主要研究了MIL-101修饰碳糊电极和预处理的SPCE的电化学性能及其在电化学分析方面的应用,主要研究工作和研究成果如下:(1)利用水热合成法制备了MIL-101材料,通过扫描电镜(Scanning ElectronMicroscope,SEM)和N2吸脱附测试对其进行了表征,并构建了MIL-101修饰的碳糊电极(MIL-CPE)。利用交流阻抗(Electrochemical Impedance Spectroscopy,EIS)和循环伏安(Cyclic Voltammetry,CV)法研究了MIL-CPE的基本电化学性能,以及K3[Fe(CN)6]和Ru(NH3)6Cl3在MIL-CPE上的电化学行为。由交流阻抗谱图和伏安特性曲线可知,与CPE相比,MIL-CPE的电荷转移阻抗(Rct)显著降低(从1200Ω降低到400Ω),对K3[Fe(CN)6]和Ru(NH3)6Cl3的响应电流明显增加,同时K3[Fe(CN)6]的氧化还原反应的可逆性显著增强,表明MIL-CPE具有良好的电子传导能力。此外,MIL-CPE降低了多巴胺(DA)和尿酸(UA)的氧化反应的过电势,两者的氧化峰电位差增加到118mV,对DA和UA表现出了优良的催化活性。在pH7.0的磷酸盐缓冲溶液中,MIL-CPE对DA和UA的检测线性范围分别为5~250μM(r=0.997)和30~200μM(r=0.995),检测限分别为2.0和20μM。因此,MIL-101有望用于电化学分析领域。(2)在MIL-101材料中的不饱和配位金属点Cr(III)上成功嫁接乙二胺,得到EN-MIL-101,并通过SEM和N2吸脱附测试和红外吸收光谱对其进行了表征。利用EN-MIL-101修饰碳糊电极(EN-MIL-CPE),通过EIS和CV对比研究了不饱和配位金属中心对MIL-CPE的基本电化学性能的影响,以及K3[Fe(CN)6]在EN-MIL-CPE上的电化学行为。EN-MIL-CPE表现出了更小的Rct值(约100Ω),K3[Fe(CN)6]在EN-MIL-CPE上的氧化和还原电流也有明显增加,可逆性增强,表明乙二胺的嫁接增强了MIL-101的电子传导能力。在DA和UA的催化氧化方面,不饱和配位金属中心对其产生了重要的影响,被认为是催化的活性中心。(3)在0.1M的KCl溶液中通过CV法对SPCE进行预处理,利用EIS和CV法研究了预处理过程对SPCE电化学性能的影响。结果显示,预处理过程增强了SPCE的电子传导能力,增加了电极表面的活性位点。利用同位镀铋膜差分脉冲溶出伏安法(DPSV)研究了预处理后的SPCE(P-SPCE)对重金属Pb2+的响应,并优化了检测Pb2+的实验条件,包括pH值、Bi3+的浓度、沉积电位和沉积时间。在优化的实验条件下,P-SPCE对Pb2+的检测在低浓度和高浓度范围内均表现了良好的线性,线性范围为2~1500μg L-1,检出限为0.868μg L-1。在实际样品的检测中,也取得了令人满意的结果。
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