功能化微納米材料的制備及應用

王 輝

（山西師范大學，山西 臨汾 041000）

引 言

近年來，碳材料因具有成本低、化學性質穩定、電催化活性好等優勢被廣泛應用于工業電化學及分析電化學領域中。但是，隨著應用領域的不斷擴展，傳統的碳材料已經不能滿足某些行業的需求。當物質的尺寸減小到納米量級時其化學性質和物理性質均會發生質的變化。為了充分發揮碳材料的功能，科研工作者將“納米”的概念引入碳材料的制備中［1］。經研究表明，相對于傳統碳材料，納米碳材料由于其獨特的結構使其擁有更加優越的電化學性能。

此外，電化學傳感技術由于其靈敏度高、操作方便、成本低等優勢被廣泛應用于電化學分析領域，且電化學傳感器技術是當前科學技術發展的需求。因此，在科學技術新的要求下，功能化納米材料與電傳感技術的結合將大力推進分析化學的發展。目前，為了能夠得到更佳的電化學傳感性能，碳基碳材料被廣泛應用。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分析中的應用。

1 碳紙－鉍膜電極的制備及應用

近年來，在經濟高速發展的同時也會環境造成不同程度的污染，其中以水污染為主。據統計表明，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首為重金屬離子。醫學表明，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＋最為嚴重。因此，嚴格檢測和控制水中的重金屬離子十分重要。

常規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，故常規檢測方法無法在日常檢測中推廣應用［2］。采用電化學分析方法具有檢測成本低、操作簡便、檢測結果準確等優勢。為了提供更加準確的檢測結果，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檔溫度進行碳化處理，而后在氮氣保護環境下對其進行石墨化處理，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，其檢測結果如第12頁圖2所示。

圖2 Pb2＋和Cd2＋檢測結果

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

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

經實際應用可知，采用上述方法所制備的碳紙－鉍膜電極能夠準確、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響應性能。

2 碳紙－金納米顆粒復合電極的制備與應用

臨床醫學表明，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，其主要功能是活細胞氧化還原反應中的電子傳遞介質。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，在生物制藥行業及醫學行業能夠精準地檢測出NADH的含量十分重要。

目前，NADH檢測的方法主要有毛細管電泳法、化學發光法等。然而，上述檢測方法需要昂貴、精準的檢測設備作依托，檢測步驟相對繁瑣，檢測成本高等［3］。因此，常規的NADH檢測方法無法在實際中推廣應用。同樣，電化學檢測方法能夠完美地解決上述問題，但是，采用電化學檢測方法需要較大的過電位支撐氧化反應的進行。為解決上述問題，引入了碳紙－金納米顆粒復合電極。

2.1 碳紙－金納米顆粒復合電極的制備

圖3所示為碳紙－金納米顆粒復合電極的制備原理示意圖。

圖3 碳紙－金納米顆粒復合電極的制備原理

1）碳紙的制備：將聚酰亞胺分3檔溫度進行碳化處理，而后在氮氣保護環境下對其進行石墨化處理，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－金納米顆粒復合電極（顯微鏡視圖）。

圖4 碳紙－金納米顆粒復合電極

2.2 碳紙－金納米顆粒復合電極的應用

碳紙－金納米顆粒復合電極在實際的主要用途之一是對NADH的測定。基于碳紙－金納米顆粒復合電極對NADH的測定，通過反應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，對應電極上的氧化峰電流值不斷增加。而且，當NADH濃度在10μmol／L～1 000μmol／L的范圍之內，電極氧化峰電流值與NADH濃度值呈線性關系，具體關系式如第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系曲線

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

3 結語

電化學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用于各個行業中。為了得到更加準確的分析結果，需要性能更加優越的電極為之服務。其中，碳紙由于其較好的導電性、較低的成本以及可批量生產等特點可用于修飾電極的制備，最終得出靈敏度較高、導電率較高的電極材料，對電化學領域的發展具有實際推動作用。