【葡萄糖的电化学法测定分析7200字（论文）】

葡萄糖的电化学法测定研究目录TOC\o"1-2"\h\u272261．引言 142392．实验部分 1201952.1实验仪器 2106882.2实验试剂 275662.3电极材料制备 389962.4实验方法 4258142.5电化学测试 420663．结果与讨论 416213.1修饰剂的制备和表征 4125073.2葡萄糖的伏安特性 6270823.3实验条件的优化 10235933.4葡萄糖的含量测定 1265253.5样品测定 1482844．结论 15摘要：葡萄糖是生命体中最重要的特征化合物，检测葡萄糖在临床医学和实际生活的应用中都具有十分重要的意义。本文制备单质镍并用此作为电极修饰材料，对修饰材料进行表征，修饰条件优化，制备Ni-CPE修饰电极。研究该修饰电极对葡萄糖的伏安性质的特殊响应，表明线性范围、检出限、精密度、抗干扰能力。研究过程中观察循环伏安曲线，发现出现一对形状规则的氧化还原峰。结果表面，该修饰电极对葡萄糖有良好的催化氧化功能。线性范围为1.0x10-5~6.0x10-3mol/L，检出限2.5μmol/L，线性加标回收率在96%~101.2%之间。该修饰电极灵敏度较高、制备方法相对简单。该方法已用于日常生活葡萄糖样品检测。关键词：葡萄糖；碳糊电极；单质镍；循环伏安引言论文通过研究葡萄糖在碳糊电极上的伏安行为，测定水样中葡萄糖的回收率。在实验中制备了碳糊电极，用循环伏安法测定葡萄糖在碳糊电极上的伏安行为。包括底液浓度、葡萄糖浓度和修饰成分含量的选择，扫速对测定的影响以及扫速与峰电位值，峰电流值之间的关系，从而确定葡萄糖在碳糊电极上的反应机理，总结出葡萄糖的电极反应方程，通过工作曲线的测定，确定线性范围和检出限，随后测定精密度和干扰物对实验的影响，优化条件之后，加样测定水样中的葡萄糖回收率。实验部分2.1实验仪器表2-1主要实验仪器仪器生产厂家CS350a电化学工作站武汉科思特仪器有限公司85-2恒温磁力搅拌器常州园华电器有限公司E-201-C-pH复合电极上海仪电科学仪器有限公司电子分析天平北京赛多利斯仪器系统有限公司微量进样器上海安亭微量进样器长离心机武汉科思特仪器有限公司X射线多晶衍射仪布鲁克公司2.2实验试剂表2-2主要实验试剂试剂类型生产厂家无水乙醇分析纯上海市爱建试剂场氢氧化钾分析纯天津市科密欧化学试剂有限公司葡萄糖分析纯天津市科密欧化学试剂开发中心氢氧化钠分析纯天津市科密欧化学试剂有限公司氯化镍分析纯天津市科密欧化学试剂有限公司尿酸（ＵＡ）分析纯天津市科密欧化学试剂有限公司抗坏血酸（ＡＡ）分析纯天津市科密欧化学试剂有限公司石墨粉分析纯国药集团试剂类型生产厂家液体石蜡分析纯天津化学试剂有限公司水合肼分析纯山东旭晨化工科技有限公司氯化钠分析纯天津市光复科技发展有限公司氯化钙分析纯天津市大茂化学试剂场水为去离子水2.3电极材料制备2.3.1碳糊的制备在分析天平上称取0.3g的石墨粉于碘量瓶之中，用胶头滴管向其中滴加入液体石蜡，将上述石墨粉和液体石蜡按照3:1的质量之比用玻璃棒在碘量瓶中充分混合，然后用杵头进行强烈研磨。此过程应进行至少几分钟，然后，用刮刀将碳糊从壁上刮下来，并再次进行研磨。多次重复以上步骤，用玻璃棒将其充分搅拌均匀。再向其中加入石墨粉质量的1.5%的单质镍粉，充分搅拌均匀，待用。2.3.2修饰剂制备方法将2.27g的NiCl2·6H2O溶解在15mol的无水乙醇中为溶液（1），将7.6gKOH溶解在2.55g的水合肼中形成溶液（2）。将混合物（1）逐滴滴入混合物（2）中并用玻璃棒剧烈搅拌，两混合物完全混合之后，再用玻璃棒持续搅拌一个小时。观察到有黑色沉淀生成说明反应完成。将上述反应液加入到离心管内，设置离心机为80000转/s离心20分钟，溶液离心分离之后，得到的固体产物用蒸馏水洗涤，直至洗涤液为中性。再用丙酮洗涤三次，除去产物中的残余水分，最后将得到的固体产物置于表面皿上，放入烘箱直接烘干，用研钵将其研磨均匀，所得固体粉末即为实验所需的修饰材料。2.3.3碳糊电极的制备和修饰电极的预处理截取适当长度的直径为3mm的PVC塑料管，将其两端打磨平整。将上述自制碳糊依次均匀地填入PVC塑料管空隙内。取一截粗细均匀的铁丝，一端磨平，用砂纸将其打磨光滑使其表面没有杂质，将上述碳糊均匀填入内径3mm的PVC塑料管,用打磨光滑的铁丝将其压紧。将碳糊电极的一端在称量纸上反复打磨，直至平滑抛光像镜面，在另一端插入长度适中的铜丝，铜丝的另一端露在PVC塑料管外，用于连接导线。然后，将混合均匀的碳糊转移至PVC塑料管中并用打磨光滑的铁丝充分压实。如果碳糊没有密实会导致电极中局部电阻过大从而影响到电流响应。这样就做成了Ni-CPE，每次测定之前都应该更新碳糊电极表面，并将电极表面打磨抛光至镜面。由于液体石蜡的疏水性和不导电性，新制备的电极不宜马上使用。为降低系统误差，本实验一直使用同一个碳糊电极，此电极保存在室温中待用。2.4实验方法本实验采用循环伏安法研究Ni-CPE电极在含葡萄糖的NaOH缓冲液中的电化学行为。将上述制备好的Ni-CPE碳糊电极作为工作电极，铂电极为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极。在20mL0.15mol/L的NaOH溶液中插入三个电极，电位范围选定为0.00~0.80v之后进行循环伏安扫描，待基线稳定后记录伏安（CV）图。每次扫描测定之后，三个电极都需用去离子水进行反复冲洗，特别是工作电极，以确保不会影响下次实验测定。另外每次测定之前，工作电极重新在称量纸上反复打磨抛光至镜面以确保其更新。用上述同样的方法测定含葡萄糖的NaOH溶液，电位范围同样选择为0.00~0.80v进行循环伏安扫描，待基线稳定，记录扫描伏安图，根据工作曲线确定葡萄糖在修饰电极上的氧化还原性质。2.5电化学测试将上述制作的Ni-CPE作为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂电极为辅助电极构成的三级系统，在室温下进行葡萄糖的电化学测试。电位选择范围为0.00~0.80v，电位扫描速率设置为100mV/s,用循环伏安法(CV)测定葡萄糖在Ni-CPE电极上的伏安性质，用交流阻抗法来表征修饰材料的电荷传输能力的强弱。在进行优化之后的最佳的实验条件下，分别测定葡萄糖的线性范围，检出限，精密度，干扰等。每次实验检测之前碳糊电极都需要更新表面，在称量纸上反复打磨直至电极表面为镜面般平滑光亮，再用去离子水冲洗干净，待用。结果与讨论3.1修饰剂的制备和表征3.1.1修饰剂制备原理因为NiCl2·6H2O具有很强的可溶性，可以溶于无水乙醇之中，无水乙醇作为溶剂时，根据无水乙醇溶剂自身的性质，它具有—OH集团可与生成的单质镍相互作用，使镍粉表面得到较小的粒径，从而形成一层薄的保护膜防止生成单质镍粉聚集从而结块。Ni2+在加入KOH和水合肼之后发生反应Ni2++2OH-=Ni(OH)2↓，生成绿色的产物Ni(OH)2。KOH不仅参与系统反应，而且为水合肼还原Ni2+提供碱性环境。水合肼自身的还原性非常强，系统发生的反应如：N2H4·H2O+2Ni(OH)2=2Ni+N2↑+5H2O．对于加入的反应所需的材料顺序不同同样也会影响实验的结果，本实验采用KOH与水合肼直接混合之后，再向其中逐滴加入无水乙醇和NiCl2的混合溶液，并用玻璃棒不断搅拌。滴加过程中会冒出白烟，生成黑色沉淀。由于反应过程中只有单质镍粉的颜色为黑色，可以判断生成的黑色沉淀为单质镍。直接混合法的应速率快，制备完成的溶液不浑浊，镍的络合物和镍离子同时被水合肼还原，因此它的还原率也较高。3.1.2修饰材料的XRD表征在2θ为44.05°、51.25°和76.18°处的尖峰分别对应于金属Ni的（111）、（200）和（220）面心立方晶面（PDF#04-0850），没有出现其他衍射峰，说明制备的产品为单质金属Ni。图3.1单质镍XRD表征3.1.3Ni-CPE阻抗实验研究为了更明确的说明CPE和Ni-CPE的电极电荷传递阻抗行为，将上述制作的CPE和Ni-CPE分别放入5mmol/L含有K3［Fe(CN)6］和K4［Fe(CN)6］混合溶液，用交流阻抗的方法分别测定两个电极的交流阻抗的行为。待扫描完成之后，记录扫描图。从图中可看到两个电极都是由电子传递电阻，扫描出的图形由一个圆弧和一条直线组成，已知电子转移高频部分为半圆弧，低频部分为直线。修饰电极的电阻的大小由圆弧的半径表示。半径越小说明电子传质阻力越小，更有利于葡萄糖分子在电极的电极反应。图3.2CPE电极的EIS谱图图3.3Ni-CPE的EIS谱图如图3.2和图3.3的EIS谱图中都有一个比较明显的半圆弧，对比两图的弧半径，可以看出图3.2曲线的弧半径比图3.3曲线大，说明在CPE电极上修饰了修饰物Ni之后，Ni-CPE电极的电子传质阻力减小，使得［Fe(CN)6］3－/［Fe(CN)6］4－的电子转移阻力也减小，证明葡萄糖的电催化氧化反应在修饰电极上更容易进行。3.2葡萄糖的伏安特性3.2.1葡萄糖溶液在不同电极上的循环伏安特性本实验采用了循环伏安法研究了在0.15mol/LNaOH溶液中葡萄糖分子分别在CPE和Ni-CPE电极上的电化学性质行为，待扫描基线稳定之后记录CV图。观察葡萄糖在相同条件下在两电极上的CV曲线。图3.4加葡萄糖前后CPE电极在NaOH溶液中的CV图图3.5加葡萄糖前后Ni-CPE电极在NaOH溶液中的CV图对比图3.4中曲线a和b可知，用CPE电极作为工作电极，在0.15mol/L的NaOH溶液中用循环伏安法测定，溶液中加入葡萄糖前后均无明显变化,未出现响应电流的峰值,由此可以说明CPE电极对葡萄糖没有特殊响应。对比图3.5中的曲线A和B可知，0.15mol/LNaOH缓冲液中，用Ni-CPE修饰电极作为工作电极检测葡萄糖，电极电位在0.23V出现一个形状规则的还原峰，电极电位在0.46v出现一个形状规则的氧化峰。对比两图可知，加入葡萄糖之后氧化峰的峰电流值增大，表明CPE修饰了修饰物Ni之后增加了电催化氧化葡萄糖的能力。另外，CPE本身就具有良好的导电性，在修饰了修饰物Ni之后，Ni-CPE修饰电极具有更强的导电能力，电子的输运能力增强，从而使该修饰电极电催化氧化葡萄糖的能力得到进一步的提高。3.2.2不同扫描速度下Ni-CPE工作电极的电化学行为图3.6不同扫速下Ni-CPE在NaOH溶液中的CV图图3.7Ni-CPE在NaOH溶液中扫速和峰电流值的线性关系图图3.8Ni-CPE在NaOH溶液中logv和电位的线性关系图图3.9不同扫速下Ni-CPE在加入葡萄糖的NaOH溶液中的CV图图3.10Ni-CPE在加入葡萄糖的NaOH溶液中扫速和峰电流值的线性关系图图3.11Ni-CPE在加入葡萄糖的NaOH溶液中logv和电位的线性关系图图3.6为Ni-CPE电极在0.15mol/LNaOH溶液中设置不同扫描速度(扫描的速度分别设置为20～1200ｍＶ/ｓ)情况下的CＶ曲线图。从图3.6中可见，在电化学测定的过程中随着扫描速度的逐渐加大，图中响应电流的氧化峰的峰电流值逐渐增大、还原峰的峰电流值逐渐减小。图3.7的线性图为Ni-CPE电极在0.15mol/L的NaOH溶液中所对应的氧化峰和还原峰的峰电流值与扫描速率的关系，从图中所显示的线性关系中我们可以看出氧化峰的峰电流值和还原峰的峰电流值与扫描速率呈现出了良好的线性关系。线性方程为:Ipa(mA)=118.3+0.1958υ(mV/s),R1=0.99105,图3.9为Ni-CPE电极在含有葡萄糖的0.15mol/LNaOH溶液中设置不同扫描速度(扫描速度设置为５～50ｍＶ/ｓ)下的ＣＶ曲线图。从图3.9中可见，在电化学测试过程中随着扫描速度的加大，图中氧化峰的峰电流逐渐增加，还原峰的峰电流值逐渐减小。图3.10是响应电流的氧化峰的峰值与扫描速率之间的线性关系图，从图中可以看出，氧化峰的峰电流值和扫描速率呈现良好的线性关系，线性方程为:Ipa(mA)=27.57+1.142υ(mV/s),R2=0.99762,氧化峰的电极电位随扫描速度的增大而逐渐向正电位移动，还原峰的电极电位随扫描速度的增大而逐渐向负电位移动，由此可见Ni-CP修饰电极的电极反应是典型的吸附控制的可逆过程。3.3实验条件的优化3.3.1修饰剂含量的优化在按3:1的比例配置的石墨粉末和液体石蜡混合制作的碳糊中分别加入不同含量的单质镍粉作为修饰材料，将上述碳糊填充进直径相当的PVC塑料管内制成Ni-CPE修饰电极。使自制Ni-CPE修饰电极在相同条件下在20mL0.15mol·L-1的NaOH溶液中加入2mmol/L葡萄糖溶液后进行循环伏安扫描，扫描速度设置为100mV·s-1，电极电位设置为0.00-0.80V。修饰材料的含量百分比分别为0.05%、0.1%、1.5%、2.0%、2.5%。图3.12不同修饰量Ni-CPE修饰电极测定葡萄糖的CV图 图3.13不同修饰量的Ni-CPE测定葡萄糖的关系图在CPE碳糊电极上修饰单质镍粉，由于加入的修饰剂的含量不同，电极的导电性能会发生变化，所以修饰电极对葡萄糖的电催化氧化性能也发生相应的变化。所以优化修饰剂Ni的含量有助于Ni-CPE修饰电极在测定葡萄糖的时候的电化学性能的提高。图3.12是分别修饰了不同含量Ni的Ni-CPE电极利用循环伏安测定葡萄糖的CV图。以修饰剂Ni粉含量的不同（0.5%，1%，1.5%，2%，2.5%）的Ni-CPE的修饰电极作为工作电极的电化学法测定葡萄糖。图3.13是加入不同含量的Ni的修饰电极的峰电流Ip值和Ni含量的线性关系图，结合图3.12可知，随着Ni含量的增大过程中修饰电极对应的电流响应值增大，氧化峰的峰电流值逐渐增大，还原峰的峰电流值逐渐减小，整体表现为氧化还原峰的峰电流值的绝对值都增大；但是增大至Ni含量达到1.5%之后，电极所对应的氧化还原峰值绝对值又逐渐减小。考虑到氧化峰电位越小、电极电位越小、电化学检测葡萄糖的性能就越好。结合图3.12和图3.13的可知,本试验制作的Ni-CPE的Ni的最佳修饰量为石墨粉质量的1.5%,此时制作的修饰电极具有较大的氧化峰峰值电流和较小的电极电位。因此,将修饰1.5%的Ni-CPE修饰电极用于后续的葡萄糖检测。3.3.2NaOH浓度对峰电流的影响使自制Ni-CPE修饰电极在20mL含有2mmol/L的葡萄糖的不同浓度的NaOH溶液中进行循环伏安扫描，设置扫描速度为100mV·s-1，扫描电极电位的范围为0.00-0.80V。NaOH浓度分别为0.05mol/L,0.1mol/L，0.15mol/L,0.2mol/L，0.25mol/L。图3.14Ni-CPE在不同浓度NaOH溶液中的CV图图3.15Ni-CPE在不同浓度NaOH溶液中关系图图3.14Ni-CPE在不同浓度NaOH溶液中的CV图，曲线a,b,c,d,e分别对应NaOH的浓度为0.05mlo/L,0.2mol/L,0.15mol/L,0.2mol/L,0.25mol/L，可知Ni-CPE电极在底液浓度不同的情况下，对葡萄糖的氧化还原能力不同。从图中可以看出，随着底液浓度的增大，循环伏安法对应的氧化还原峰绝对值都在增大，但是底液浓度超出0.15mol/L时，电极所对应的氧化还原峰值绝对值又逐渐减小。考虑到氧化峰电位越小、过电位越小、检测性能就越好。为了更好说明，根据图3.15的线性关系可知，底液浓度为0.15mol/L时最佳。所以本实验研究Ni-CPE的底液NaOH浓度的最佳为0.15mol/L,此时电极具有最大的氧化峰电流和较小的电位。因此,底液NaOH的浓度为0.15mol/L用于后续的葡萄糖检测。3.4葡萄糖的含量测定3.4.1线性范围和检出限的测定修饰碳糊电极在50mL0.15mol·L-1NaOH的底液中加入不同浓度范围的葡萄糖下做循环伏安扫描（扫速为100mV·s-1，扫描范围为0.00v~0.80v）的循环伏安图。图3.16Ni-CPE在浓度不同的葡萄糖溶液中线性关系图图3.16是Ni-CPE对不同浓度葡萄糖的电流响应图和电流值葡萄糖浓度线性关系图。向空白溶液中连续滴加入不同量的葡萄糖时,随着葡萄糖浓度的增加,氧化峰的峰电流值急剧增大,而还原峰几乎没有变化。加入葡萄糖之后，Ni-CPE电极对于葡萄糖有着较快的响应时间。说明该修饰材料具有良好的电催化氧化葡萄糖的能力，电子传递性能也良好。从图3.16中可见，当实验过程中加入不同浓度的葡萄糖溶液，随着葡萄糖浓度的增加,响应电流也会增加,在一定范围之内响应电流的峰电流值与葡萄糖浓度呈现出好的线性关系。并且在1x10-5~6x10-3mol/L浓度范围内,存在良好的线性关系,其线性方程为:Ipa(mA)=0.3374+0.5895c(mmol/L),R=0.99865。检出限为：2.5μmol/L3.4.2精密度的测定待伏安扫描基线稳定后，在最佳条件下多次测定Ni-CPE电极在2mmol/L的葡萄糖标准液溶液的氧化峰峰电流值，平行测定6组，将所测得的数据列表如下：表3-1精密度测定测定/次123456峰电流值/µA156.4158.2157.6160.8158.9160.7 计算相对标准偏差为1.79%，表明该修饰电极具有很好的精密度。3.4.3干扰测定人体血液中具有一些干扰物，在葡萄糖的检测过程中会产生一定的影响，因此电化学测定葡萄糖时需具备很强的抗干扰性质。在2mol/Ｌ的葡萄糖溶液此电极产生了极高的响应电流，对应氧化还原峰值都比较高，而加入0.1mol/L的抗环血酸和0.1mol/L尿酸后，对应的峰电流值并没有明显的变化。同理，分别加入Na+,Fe2+,Ga2+响应电流值也没有明显变化。由此说明，这些干扰物质对修饰电极响应葡萄糖的能力几乎不受影响。在干扰不超过±5%条件下，测得50倍的抗环血酸、尿酸，100倍的Na+，500倍的Fe2+,Ca2+对实验均无影响。因此，本实验中Ni-CPE修饰电极在葡萄糖检测过程中具备很强的抗干扰性质。证明所得Ni-CPE电极可以很好的选择葡萄糖。图3.17Ni-CPE加入不同干扰物的循环伏安（CV）图表3-2水样中干扰物的测定干扰物允许存在倍数/干扰率%抗坏血酸502.63尿酸50-4.74Na+1002.37Fe2+5004.21Ca2+5003.953.5样品测定分别向三份来源不同的水样中定量加入葡萄糖标准液，配置的模拟水样进行加标回收实验。测定组数加入值（c/mol/L）测定值（c/mol/L）回收率（%）11×10-59.6×10-696.023×10-42.93×10-497.735×10-35.06×10-3101.2表3-3水样中葡萄糖回收率测定在三份来源不同的水样中分别加葡萄糖标准溶液，用自制的Ni-CPE修饰电极在水样中进行循环伏安扫描，扫速为100mV·s-1电极电位设置为0.00~0.80V，每一份水样分别平行测定3-5次，取氧化峰的峰电流值得出平均值，所得氧化峰平均值与0.15mol/LNaOH溶液中加入相同浓度的葡萄糖溶液在相同条件下用循环伏安扫描测得的氧化峰值（同样取3-5次测量平均值）进行比较，测得的回收率分别为96.0%,97.7%,101.2%采用该修饰碳糊电极测定该样品中葡萄糖的平均回收率在96%~101.2%之间。故自制的Ni-CPE碳糊修饰电极制作成本低，测量的结果较准确，测量方法也比较简单，说明所得Ni-CPE电极对葡萄糖的检测结果具有良好的可靠性。结论本文主要描述了制作的单质镍修饰在碳糊电极上，对葡萄糖的电化学性质测定。所制备的Ni-CPE电极比CPE电极具有更强的导电性，导电性的增强有助于电子在葡萄糖分子和修饰电极间的快速转移，在碳糊电极上修饰单质镍对葡萄糖氧化还原表现出很高的电催化活性。所构建的Ni-CPE电极对葡萄糖的循环伏安测定具有响应快、线性范围宽、检出限低、灵敏度高、抗干扰能力强、回收率高等特点，为葡萄糖的快速检测提供了一种有效的电化学方法，对现实