检测4‑硝基酚的光引发的自供能电化学传感器及其应用的制作方法

本发明属于电化学传感器领域，更具体地，涉及一种检测4-硝基酚的光引发的自供能电化学传感器及其应用。

背景技术：

电化学传感作为化学传感领域最重要的方法之一，由于其具有响应速度快、灵敏度高等优点，已被广泛用于生物分析、环境监测等领域。

4-硝基酚是一种重要的化工原料，广泛用于染料、农药、医药等化工行业。由于其具有高毒性、强刺激性，4-硝基酚已被美国环保局列入“优先控制污染物”名单。目前4-硝基酚的检测方法主要有光度法、色谱法、电化学法等方式。光度法检测易受到异构体的干扰且显色试剂不稳定，色谱法虽然具有较好的选择性，但是操作复杂，样品预处理繁琐。现阶段采用电化学检测水中4-硝基酚含量方法一般都基于三电极传感体系，如cn104458881a公布的检测4-硝基酚的新型电极材料，其使用方式是以发明作为工作电极，搭配参比、辅助电极以及恒电位仪构成传感装置。这种传统的三电极体系，在使用时需要通过恒电位仪控制工作电极的电位，不利于传感器的小型化和现场使用。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种检测4-硝基酚的光引发的自供能电化学传感器及其应用，其中通过对电化学传感器中关键组件的结构及其设置方式、材料等进行改进，使得检测所依据的电化学反应机理相应变化，与现有技术相比能够有效解决4-硝基酚的检测方法不稳定或操作复杂等的问题，本发明利用光照射下光敏材料(如p-型半导体，例如，硫化铅pbs量子点等)对4-硝基酚的还原反应的催化以及分子印迹聚合物对4-硝基酚的特异性识别，从而构建一种新型的检测4-硝基酚的自供能电化学传感器；本发明中的传感体系以硫化铅修饰电极作为光阴极，以石墨烯修饰电极作为阳极，通过电极材料与电化学传感器内其他组件的整体配合，利用阳极和阴极之间自发的光电化学氧化还原反应构建成两电极体系的光催化燃料电池，以电池的开路电位为定量依据，可对4-硝基酚含量进行检测，对测量环境不敏感，灵敏度高，选择性好。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种检测4-硝基酚的电化学传感器，其特征在于，包括阳极室(4)、阳极(2)、阴极室(3)、以及光阴极(1)；其中，

所述阳极(2)设置于所述阳极室(4)内，所述光阴极(1)设置于所述阴极室(3)内，所述阴极室(3)与所述阳极室(4)之间通过质子交换膜(5)分隔；

所述光阴极(1)包括第一导电基底、光敏材料层以及分子印迹聚合物层；所述阳极(2)包括第二导电基底以及催化剂层，所述催化剂层用于对所述阳极室(4)内放置的阳极电解液的氧化起催化作用；

所述阴极室(3)用于放置待检测4-硝基酚浓度的待检测溶液，所述光阴极(1)用于在光源的照射下，并通过与所述阳极(2)之间的电位差对所述待检测溶液中4-硝基酚的浓度进行检测。

作为本发明的进一步优选，所述第一导电基底和所述第二导电基底均选自导电玻璃电极、玻碳电极、石墨电极或钛电极。

作为本发明的进一步优选，所述光敏材料层为p型半导体层；优选的，该p型半导体为硫化铅、碘氧化铋或氧化亚铜。

作为本发明的进一步优选，所述催化剂层包括石墨烯或金属纳米颗粒中的一种或多种；优选的，所述阳极电解液包括0.001m～0.30m的抗坏血酸。

作为本发明的进一步优选，所述检测4-硝基酚的电化学传感器还包括电位计，该电位计用于检测所述光阴极(1)与所述阳极(2)之间的电位差。

作为本发明的进一步优选，所述光源用于提供波长为大于400nm的激发光。

按照本发明的另一方面，本发明提供了一种利用上述检测4-硝基酚的电化学传感器在4-硝基酚检测中的应用，其特征在于，该应用包括以下步骤：

(1)将待检测4-硝基酚浓度的待检测溶液作为阴极电解液加入到阴极室中，然后通入氮气至少15min除去所述阴极电解液中的溶解氧；并且，将包括0.001m～0.30m的抗坏血酸的溶液作为阳极电解液加入到阳极室中；

(2)测量光阴极与阳极之间的开路电位ocpt，然后通过预先得到的开路电位与4-硝基酚浓度之间的关系曲线得出所述待检测溶液中4-硝基酚的浓度。

作为本发明的进一步优选，所述步骤(2)中，所述预先得到的开路电位与4-硝基酚浓度之间的关系曲线满足：ocp/mv＝29.5lg(c4-np/μm)+130；式中，ocp为开路电位，c4-np为4-硝基酚浓度。

作为本发明的进一步优选，所述步骤(2)中，所述预先得到的开路电位与4-硝基酚浓度之间的关系曲线是通过将已知4-硝基酚浓度的4-硝基酚作为阴极电解液加入到阴极室中，然后通入氮气至少15min除去该阴极电解液中的溶解氧；并且，将包括0.001m～0.30m的抗坏血酸的溶液作为阳极电解液加入到阳极室中；接着，测量光阴极与阳极之间的开路电位ocpi，如此重复n次，从而得到不同4-硝基酚浓度ai与开路电位ocpi之间的关系曲线；其中，n为自然数，i为小于等于n的自然数；优选的，n满足6～20。

作为本发明的进一步优选，所述待检测溶液中4-硝基酚浓度满足0.05μmol/l～20μmol/l；优选的，所述待检测溶液为按比例稀释后得到的溶液。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明与现有技术相比，其有益效果是：

1、采用基于光催化燃料电池的两电极体系建立传感体系，提出了一种新型的光激发的自供能电化学传感器；本发明利用阳极、阳极电解液、光阴极、阴极电解液的整体配合，通过在导电基底上设置催化剂层，得到附着有催化剂层的导电基底作为阳极，利用该阳极对阳极电解液的氧化催化作用，使阳极氧化反应的起始电位不高于阴极还原反应的起始电位(起始电位的大小均指其绝对值)，从而使本发明检测4-硝基酚的电化学传感器利用的氧化还原反应可以自发进行，从而实现自供能电化学传感。

2、以p-型半导体(如硫化铅量子点)为光电活性物质，利用光照条件下硫化铅产生的光生电子的高化学活性，实现了对4-硝基酚的催化还原。同时将分子印迹聚合物修饰在阴极表面，利用分子印迹聚合物对4-硝基酚的特异性识别作用，提高了光阴极的选择性；

3、以催化剂修饰电极作为阳极，利用催化剂对电子供体氧化反应的高催化活性，提高燃料电池的能量输出性能；

4、采用自供能电化学传感的方式检测4-硝基酚，与光催化技术相结合，通过光催化燃料电池开路电位的不同，经验证实现了在0.05μmol/l～20μmol/l4-硝基酚的检测，灵敏度高，选择性好。

综上，本发明的4-硝基酚传感器以两电极体系实现了自供能检测，对环境不敏感，灵敏度高，选择性好。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2a为石墨烯修饰阳极的极化曲线，电解质溶液为含有20mmol/l抗坏血酸的0.1mol/l磷酸盐缓冲液(ph7.4)。

图2b为光照下光阴极的极化曲线，电解质溶液为含有50μmol/l4-硝基酚的0.1mol/l磷酸盐缓冲液(ph7.4)。

图3a为阴极室含有不同浓度4-硝基酚时电池的开路电位，从下向上4-硝基酚浓度依次为0.05μmol/l，0.10μmol/l，0.50μmol/l，5.0μmol/l，10μmol/l，20μmol/l；

图3b为不同4-硝基酚浓度下的传感器开路电位ocp与4-硝基酚浓度c4-np线性关系图，其中线性关系是指(ocp/mv)与lg(c4-np/μm)两者之间呈线性关系；

图4为阴极室含有20μmol/l干扰物质2-硝基酚、苯酚、对苯二酚时，这种传感器对20μmol/l4-硝基酚的响应。

图1中各附图标记的含义如下：1为光阴极、2为阳极、3为阴极室、4为阳极室，5为质子交换膜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明中的4-硝基酚传感器，包括阳极室、阳极、阴极室、光阴极、光源、电位计；所述阳极室用于盛放阳极电解液，盛放的阳极电解液的ph值为6～8，还包括0.001mol/l～0.30mol/l的电子供体抗坏血酸；所述阴极室用于盛放阴极电解液，盛放的阴极电极液的ph值为6～8，所述阳极设置于阳极室内，所述光阴极设置于阴极室内，所述阴极室与所述阳极室之间以质子交换膜分隔；所述阴极室包括至少一个透明外表面，所述光源设置于所述透明外表面的对面，用于提供4-硝基酚传感器工作所需的，波长为405nm的激发光；所述电位计的第一输入端连接阳极，第二输入端连接光阴极，所述电位计用于测量所述阳极与所述光阴极之间的开路电位。

所述光阴极依次包括第一导电基底、硫化铅以及分子印迹聚合物层；

所述阳极依次包括第二导电基底以及催化剂层，所述催化剂层可包括石墨烯、氧化石墨烯或金属纳米颗粒等任意催化剂中的一种或多种(阳极电极上的催化剂层主要起到增大电极的表面积、降低电极阻抗的作用，与电解液的具体组成成分关系不大)；

所述第一导电基底以及第二导电基底可选取为导电玻璃电极、玻碳电极、石墨电极或钛电极，其中，导电玻璃电极由于预处理简单、重现性好而成为最常用的导电基底材料。

光阴极制备具体包括以下步骤：

s1.硫化铅量子点的合成：在50ml圆底烧瓶中加入20～30ml4.0～6.0mmpb(no3)2，加入10～50μl巯基乙酸，用1mol/lnaoh调节ph至10～12。室温下通氮除氧30分钟后加入2ml0.01～0.04mol/l的na2s，反应2～4小时后得到pbs量子点。可将量子点放在冰箱中储存备用。

s2.硫化铅修饰电极的制备：将玻碳电极浸入含有1～2％聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液15min，取出后用水洗涤；再浸入备用的1～1.5g/lpbs量子点溶液中约15min，取出后用水洗涤；该过程重复3-5次，得到所需的多层修饰膜电极。

s3.分子印记聚合物的合成。以30ml已腈为反应溶剂，然后分别加入0.6～0.8mmol的模版分子4-硝基酚，2～4mmol的功能单体丙烯酰胺，2～4mmol的甲基丙烯酸缩水甘油酯，10～20mmol的三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯和40mg的偶氮二异丁腈，混合后超声5分钟，通氮除氧15分钟，然后50～70℃水浴下反应12小时。将得到的混合物60℃干燥后，用甲醇乙酸体系洗脱模版分子。将洗脱后的分子印迹聚合物干燥，在5％～10％高氯酸中反应12小时，用二次水洗涤后干燥得到分子印记聚合物。

s4.将s3得到的分子印迹聚合物配成1～3g/l的分散液，取10μl滴涂在s2得到的修饰电极上，室温下干燥后获得所述光阴极。

利用该4-硝基酚传感器进行硝基酚的检测具体包括以下步骤：

s1.在阴极室中加入4-硝基酚浓度为ai的样品阴极电解液，通入氮气至少15分钟以除去电解液中的溶解氧。在阳极室中加入阳极电解液，打开光源；此时，光阴极上的分子印迹聚合物可以特异性的吸附4-硝基酚，pbs在光源发出的可见光的照射下产生光生电子(e^-)和空穴(h⁺)，光生电子可以还原吸附在电极表面的4-硝基酚，同时阳极室中电子供体抗坏血酸在阳极表面被氧化，阳极和光阴极出现电位差，当两电极之间没有电流通过时，此时的电位差即为开路电位。这种两电极体系的开路电位与阴极室中4-硝基酚的含量有关，本发明利用这种关系，构建了一种光引发的自供能电化学传感器。

通过电位计，测定4-硝基酚传感器的开路电位，取4-硝基酚浓度为ai的样品阴极电解液对应的开路电位ocpi；

s2.获得开路电位ocpi与4-硝基酚浓度ai之间的关系的工作曲线；在本发明中，通常取6个～20个样品阴极电解液进行工作曲线的绘制，样品阴极电解液的数量越多，工作曲线越准确，但前期处理时间会较长；

s3.将待测溶液按比例稀释获得待测阴极电解液，令所述待测阴极电解液的4-硝基酚浓度在工作曲线的线性范围内(线性范围对应的4-硝基酚的浓度为0.05μmol/l～20μmol/l；当然若待测溶液的浓度在该范围内，也可以直接将该待测溶液作为待测阴极电解液)，在阴极室中加入待测阴极电解液，通入氮气至少15分钟以除去电解液中的溶解氧。获得阴极电解液对应的4-硝基酚传感器的开路电位ocpt；

s5.根据ocpt以及工作曲线，获得所述待测阴极电解液的4-硝基酚浓度；

s6.根据步骤s3中稀释的比例以及待测阴极电解液的4-硝基酚浓度，获得待测溶液的4-硝基酚浓度。

以下为具体实施例

实施例1

本实施例主要涉及用于检测4-硝基酚的电化学传感器的结构。

4-硝基酚传感器如图1所示，包括光阴极1、阳极2、阴极室3、阳极室4、电压计以及光源；所述光阴极设置于阴极室内，所述阳极设置于阳极室内，所述阴极室与所述阳极室之间以质子交换膜5分隔；所述阴极室包括至少一个透明外表面，固定光源的功率，如采用100mw单波长激光(波长405nm，光斑直径3mm；当然，也可采用其他波长大于400nm的可见光波段的光源作为激发光)，设置于所述透明外表面的正对面；电位计为chi660a电化学工作站，所述电位计的第一端连接阳极，第二端连接光阴极。

实施例2

本实施例主要涉及用于检测4-硝基酚的电化学传感器的光阴极的制备方法。

光阴极从左至右(当然，也可以从右到左)依次包括玻碳电极、pbs层以及分子印迹聚合物层；阳极从左至右(当然，也可以从右到左)依次包括玻碳电极以及石墨烯；

光阴极可通过以下步骤制备得到：

(1)硫化铅量子点的合成：在50ml圆底烧瓶中加入25ml4.0mmol/lpb(no3)2，加入17μl巯基乙酸，用1mol/lnaoh调节ph至11。室温下通氮除氧30分钟后加入2ml0.05mol/l的na2s，反应4小时后得到pbs量子点。将量子点放在冰箱中储存备用。pbs量子点溶液中量子点的浓度为1g/l。

(2)硫化铅修饰电极的制备：将玻碳电极浸入含有2％聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液15min，取出后用水洗涤；再浸入备用的pbs量子点溶液中约15min,取出后用水洗涤；该过程重复4次，得到所需的多层修饰膜电极。

(3)分子印记聚合物的合成：以30ml已腈为反应溶剂，然后分别加入0.6mmol的模版分子4-硝基酚，3mmol的功能单体丙烯酰胺，4mmol的甲基丙烯酸缩水甘油酯，10mmol的三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯和40mg的偶氮二异丁腈，混合后超声5分钟，通氮除氧15分钟，然后60℃水浴下反应12小时。将得到的混合物60℃干燥后，用甲醇乙酸体系洗脱模版分子。将洗脱后的模版分子干燥，在10％高氯酸中反应12小时，用二次水洗涤后干燥得到分子印记聚合物。

(4)光阴极的制备：将步骤(3)得到的分子印迹聚合物用水分散成1mg/ml的分散液，取3μl滴涂在步骤(2)得到的硫化铅修饰电极表面，室温下干燥，制成光阴极。

实施例3

本实施例主要涉及用于检测4-硝基酚的电化学传感器的修饰阳极的制备方法。

取6μl0.5mg/ml的石墨烯分散液滴涂在面积为0.07cm²的玻碳电极表面，红外灯下烘干制得石墨烯修饰阳极。

在三电极体系以及光照条件下，分别以阳极或光阴极作为工作电极、饱和甘汞电极作为参比电极，铂丝电极作为对电极，进行了该阳极和光阴极的极化曲线测试(如图2a、图2b所示)，测试前电解液通氮除氧15min以排除氧气的干扰。极化曲线表明这种阳极在含有抗坏血酸的阳极电解液中的氧化反应起始电位为-0.20v(相对饱和甘汞电极),而光照下，在50μmol/l4-硝基酚存在下，还原反应起始电位为0.18v，所以阳极和光阴极组装成的电池可以自发的反应，实现电能的自动输出，从而可以用来构建光激发的自供能4-硝基酚传感器。

实施例4

本实施例主要涉及用于检测4-硝基酚的电化学传感器的使用方法。

使用方法可包括如下步骤：

(1)将阳极和光阴极分别置于电解池的阳极室和阴极室，两室之间可以用nafion117膜隔开，在阴极室中分别填充含不同浓度4-硝基酚的0.1mol/l磷酸盐缓冲液(ph＝7.4)作为阴极电解质，阳极室中填充含20mmol/l抗坏血酸的0.1mol/l磷酸盐缓冲液(ph＝7.4)作为阳极电解质，构成多个光催化燃料电池。测试前阴极电解液通氮除氧15min以排除氧气的干扰。

(2)4-硝基酚自供能电化学传感器工作曲线的绘制：测定不同4-硝基酚浓度下光催化燃料电池的开路电位ocp。测定结果如图3a所示。其中，标号为1-6的曲线分别表示阳极电解液中4-硝基酚的浓度为0.05μmol/l，0.10μmol/l，0.50μmol/l，5.0μmol/l，10μmol/l，20μmol/l；

(3)以100mw405nm光源、电解液为0.1mpbs(ph7.4)、抗坏血酸浓度为20mm、且在室温条件下测试为例，以ocp与4-硝基酚浓度之间的线性关系建立工作曲线，线性结果如图3b所示，结果表明这种基于光催化燃料电池的自供能4-硝基酚传感器检测4-硝基酚的线性范围为0.05μmol/l～20μmol/l，检出限为0.031μmol/l，线性方程为ocp/mv＝29.5lg(c4-np/μm)+130(该线性方程所对应的线性拟合相关系数r＝0.998)。

(4)将待测溶液按比例稀释获得待测阴极电解液，令所述待测阴极电解液的4-硝基酚浓度在工作曲线的线性范围内，在阴极室中加入待测阴极电解液，获得阴极电解液对应的4-硝基酚传感器的开路电位，根据工作曲线，获得所述待测阴极电解液的4-硝基酚浓度。

实施例5

本实施例主要涉及用于检测4-硝基酚的电化学传感器的选择性测试。

为验证该4-硝基酚传感器对4-硝基酚的选择性，我们测试了实际样品中可能与4-硝基酚共存的相同浓度的2-硝基酚、苯酚、邻苯二酚对响应的干扰，结果如图4所示，可以看出在干扰物的存在下，这种传感器对目标物4-硝基酚的响应信号变化不大，看出这种自供能电化学传感器有良好的选择性。

本发明中除了可以采用硫化铅作为光敏材料层外，还可以采用碘氧化铋、氧化亚铜等其他p型半导体作为光敏材料层；本发明中的分子印记聚合物，除了可以采用功能单体丙烯酰胺外，还可以采用甲基丙烯酸、吡咯、邻苯二胺等其他分子印记聚合物。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。