一种汞修饰的金纳米盘电极、制备方法及其对农药中甲基磺草酮的检测应用

技术领域

本发明属于电极制备领域，具体涉及一种汞修饰的金纳米盘电极、制备方法及其对农药中甲基磺草酮的检测应用。

背景技术

在不增加使用农药的情况下，全球粮食增产是难以想象的。这个事实的负面结果是这些农药化合物增加了环境污染，在某些情况下可能是生态毒性的，有毒，甚至基因毒性。因此，对新的进行监测的分析方法需求不断增加。这些方法应该是快速，便宜，用户和环境友好，并且具有足够的敏感性和选择性。此外，它们应适用于大规模和高吞吐量监测，用于现场和现场应用，与便携式仪器兼容，以及适合小型化。

现代分离和光谱测定方法令人感兴趣的是它使得大多数农药非常敏感和有选择地测定。然而，在大多数情况下，它们相当昂贵，耗时，需要庞大的仪器，因此不允许现场应用。另一方面，现代电分析方法可以作为用于筛选目的的分离和光谱测定方法的便宜的替代方法或现场应用，来检查特定的农药的浓度是否达到环境最大允许浓度。电化学监测系统的许多特征使其对上述现场测量，高通量测量和大规模监测特别有吸引力。

甲基磺草酮是农业上比较常用的一种农药，多用于玉米种植时的一些阔叶草和禾本科杂草的防治，为低毒除草剂。容易随雨水进入土壤、河流和地下水中，对水生生态系统和水资源质量造成危害。我们需要开发出新的简单有效分析方法用于甲基磺草酮的检测。由文献可知，电化学技术已广泛用于含C＝C的农药的测定。巴克和詹金提出了伏安脉冲技术，以提高伏安测量的灵敏度，允许在10-7到10-8M的浓度进行定量测定。灵敏度的提高是通过显着增加法拉第和电容电流。Freitas等人报道了液相色谱-串联质谱法定量测定天然水体中甲基磺草酮的含量。Alferness等人报道了用荧光检测液相色谱法测定农作物，土壤和水体中甲基磺草酮残留和代谢产物。

综上所述，现有的检测技术的仪器复杂而昂贵，方法费时，而且样品制备可能很复杂，仪器大不便现场检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种汞修饰的金纳米盘电极及其制备方法，先制备金纳米盘电极，然后在金电极表面沉积汞。

本发明的另一目的在于提供一种汞修饰的金纳米盘电极对农药中甲基磺草酮的检测应用。

具体技术方案：

本发明提供的一种汞修饰的金纳米盘电极的制备方法，包括以下步骤：

1)、制备金纳米盘电极；

2)利用计时电流法在步骤1)制备的金纳米盘电极沉积汞；即得汞修饰的金纳米盘电极。

进一步的，步骤1)所述制备金纳米盘电极，包括以下步骤：

a、将金丝封装在毛细管中，并用激光拉制仪熔融；

b、熔融后的毛细管/金属丝，用激光拉制仪拉制成两个尖端为纳米级的探针；

c、然后封装在玻璃管中；

d、最后，砂纸上打磨抛光，纳米级的探针尖端露出，制成金纳米盘电极。

步骤a具体为：将直径25μm长度1-3cm的金丝封装在长度为7-10cm长的毛细管中，然后用P-2000激光拉制仪拉制，加热参数为：加热温度400-460℃，加热四个循环，每个循环加热15-25s，冷却35-45s，始终保持抽真空状态。以上加热参数防止毛细管和金属丝熔断，熔融效果好。

步骤b具体为：加热温度400-460℃，拉力130-150N，速率45-55m/s,至探针尖端直径小于100纳米。拉制时间由熔融状态决定，仪器自动拉制，无需手动操作，拉制之后界面上会显示拉制时间，一般拉制时间在3-4s。拉制好的纳米电极用OLYMPUS生物显微镜观察。将拉制好的两个纳米探针放置在显微镜下，可观察到探针尖端在纳米范围内，直径小于100纳米。

步骤c具体为：

将金丝和钨丝用银导电胶连接，作为导电接触面，将拉制的纳米探针装进玻璃管中，用树脂胶将纳米探针封装在玻璃管中。

步骤d具体为：

经过步骤c封装后的探针在砂纸上打磨抛光，至纳米级的探针尖端露出，即得金纳米盘电极。

步骤2)中所用金纳米盘电极尺寸147nm；

步骤2)中所用电化学方法为计时电流法，电位设置为-0.9～0V，沉积时间为300s。

步骤2)中所述使用电化学方法将汞修饰在金纳米电极上，具体方法为：

在CHI660D的电化学工作站上，使用计时电流法，以Ag/AgCl电极做参比，铂丝电极做对电极，工作电极为0.5M硫酸活化后的金纳米盘电极，在-0.9V至0V电位下，脉冲宽度300s，采样间隔0.001V，使用含有1mM HgCl₂、0.1M>2SO₄和0.1M>

一种汞修饰的金纳米盘电极，采用上述方法制备得到。

本发明提供的一种汞修饰的金纳米盘电极对农药中甲基磺草酮的检测应用。

为了证明汞修饰的金纳米电极对甲基磺草酮具有更好的响应，在-0.2V至-0.95V之间，使用方波伏安法进行测定。金纳米电极修饰汞前、后分别在5uM的样品溶液中进行检测。由实验结果可知修饰汞之后的纳米电极对甲基磺草酮的响应比单纯金纳米电极更好；

为了获取更好灵敏度，我们需要优化实验条件。即在不同支持电解质中，加入相同浓度的甲基磺草酮，在相同条件下之间观察各自的电化学信号，从结果可知以PBS缓冲液做电解质效果最好。

由于缓冲溶液的pH对实验结果的影响较大，所以在不同pH的PBS缓冲溶液中，加入相同浓度的样品，在相同条件下测定、由电流峰值的变化和电位的移动来看，以pH＝7的缓冲溶液效果最好。

检测方法为：

利用方波伏安法，利用上述制备的汞修饰的金纳米盘电极对不同浓度的甲基磺草酮的检测，构建甲基磺草酮浓度与电信号的线性关系，进而实现对甲基磺草酮的检测。

具体检测方法为：

以pH＝7的PBS缓冲液做电解质，分别加入1、10、20、40、60、80、100、120、140、160、180、200uM一系列浓度的浓度的甲基磺草酮溶液，使用方波伏安法，电位-0.2V至-0.95V，振幅25mV,频率25Hz，电位增量0.004V，在-0.4V附近出现甲基磺草酮的还原峰，随浓度增加，还原峰信号增强，由峰值与浓度的关系可建甲基磺草酮浓度与电信号的线性关系，进而实现对甲基磺草酮的检测。

构建的线性关系为：y＝0.8364x+6.3037，R＝0.99747，相关性很好。

本发明提供的提供汞修饰的金纳米盘电极及其对农药中甲基磺草酮的检测，相对成本低，更快的分析和简单的样品处理，本发明使用了固体汞合金电极，固体电极的汞半月面即其表面实际上是液体并是光滑的，能够实现对甲基磺草酮的灵敏检测，降低析氢电位，减少干扰，使用纳米尺寸的汞电极能有效的减小汞挥发的毒性，且该电化学方法不需要复杂的样品处理步骤，装置小巧简单，方法便宜省时。与现有技术相比，本发明的显著优点就是对人体安全，防止汞中毒；操作简单，该方法不需要繁琐的样品预处理步骤，且可以很快的得到结果；仪器小、轻便、廉价，花费小；电极尺寸小，传质速率快，检测更灵敏。

附图说明

图1为不同尺寸的金纳米盘电极在5mM的二茂铁乙腈溶液中的循环伏安图；

图2为在金电极表面沉积汞的i-t曲线；

图3为显示电极表面电沉积汞的特征峰；

图4为电极在沉积汞前后的循环伏安图；

图5为修饰汞前后对甲基磺草酮溶液的方波伏安图，插图是在甲基磺草酮在0.5V附近的还原峰的放大情况；

图6为在不同电解质溶液中的方波伏安法；

图7将各不同pH下的信号大小用柱状图来表示；

图8汞修饰的金电极对不同浓度的甲基磺草酮的检测；

图9汞纳米电极检测甲基磺草酮的线性关系图；

图10为同一电极在连续七天里测量；

图11同一电极在五组溶液下平行测量。

具体实施方式

实施例1

一种汞修饰的金纳米盘电极的制备方法，包括以下步骤：

1)、制备金纳米盘电极；

1-1)、将直径25μm长度1-3cm的金丝封装在长度为7-10cm长的毛细管中，然后用P-2000激光拉制仪拉制，加热参数为：加热温度400-460℃，加热四个循环，每个循环加热15-25s，冷却35-45s，始终保持抽真空状态。以上加热参数防止毛细管和金属丝熔断，熔融效果好。

1-2)、熔融后的毛细管/金属丝，用激光拉制仪拉制成两个尖端为纳米级的探针；

1-3)、将金丝和钨丝用银导电胶连接，作为导电接触面，将拉制的纳米探针装进玻璃管中，用树脂胶将纳米探针封装在玻璃管中；

1-4)、经过步骤c封装后的探针在砂纸上打磨抛光，至纳米级的探针尖端露出，即得金纳米盘电极。

2)步骤1)制备一根尺寸147nm的金纳米盘电极，用计时电流法沉积汞，电位为-0.9～0V，时间为300s。在该电位下沉积得到的是半球形生长的汞。

图1为不同尺寸的金纳米盘电极在5mM的二茂铁乙腈溶液中的循环伏安图，扫速50mV/s。纳米盘电极的伏安响应具有理想的S形曲线，说明电极制备成功。可以用极限扩散电流来计算电极半径，公式为i_d＝4nFDC_bR。i_d是极限扩散电流，n是电子转移数目，F是法拉第常数，D是扩散系数，C_b是溶液物质的量浓度，R是电极半径。由公式计算得到图中相应的盘电极半径分别为3nm,17nm,28nm,35nm。

图2为在金电极表面沉积汞的i-t曲线。制备一根尺寸147nm的金纳米盘电极，用计时电流法沉积汞，电位为-0.9～0V，时间为300s。在该电位下沉积得到的是半球形生长的汞。电解质溶液中含有1mM HgCl₂、0.1M>2SO₄和0.1M>

图3显示电极表面电沉积汞的特征峰，沉积之后的电极在0.5M>2SO₄中的循环伏安图，电位扫描反转后，在0.12V附近有一个尖锐的脱汞特征峰，表明汞电极沉积成功。

图4为是电极在沉积汞前后的循环伏安图，溶液为5mM的二茂铁(乙腈)溶液，电位0～0.8V，扫速50mV/s。根据下面这个公式可以估算汞电极半径约153nm。

i_lim＝4π(ln>

i_lim是极限电流，n是电子转移数目，F是法拉第常数，D是扩散系数，C_b是溶液物质的量浓度，R是电极半径。

实施例2

一种汞修饰的金纳米盘电极对农药中甲基磺草酮的检测应用。

具体检测方法为：

为了证明汞修饰的金纳米电极对甲基磺草酮具有更好的响应，在-0.2V至-0.95V之间，使用方波伏安法进行测定。金纳米电极修饰汞前、后分别在5uM的样品溶液中进行检测。由实验结果可知修饰汞之后的纳米电极对甲基磺草酮的响应比单纯金纳米电极更好；

为了获取更好灵敏度，我们需要优化实验条件。即在不同支持电解质中，加入相同浓度的甲基磺草酮，在相同条件下之间观察各自的电化学信号，从结果可知以PBS缓冲液做电解质效果最好。

由于缓冲溶液的pH对实验结果的影响较大，所以在不同pH的PBS缓冲溶液中，加入相同浓度的样品，在相同条件下测定、由电流峰值的变化和电位的移动来看，以pH7的缓冲溶液效果最好。

在最优条件下以pH7的磷酸缓冲溶液做支持电解质，分别配制1、10、20、40、60、80、100、120、140、160、180、200uM等一系列浓度的浓度的甲基磺草酮溶液，使用方波伏安法，电位-0.2V至-0.95V，振幅25mV,频率25Hz，电位增量0.004V。在-0.4V附近出现甲基磺草酮的还原峰，随浓度增加，还原峰信号增强。由峰值与浓度的关系可建甲基磺草酮浓度与电信号的线性关系，进而实现对甲基磺草酮的检测。

构建的线性关系为：y＝0.8364x+6.3037，R＝0.99747，相关性很好。

图5是不同电极对甲基磺草酮溶液的方波伏安图。裸的金电极在含有5uM甲基磺草酮的PBS缓冲溶液中，以银/氯化银电极做参比，在-0.2至-0.95的电位内，振幅25mV,频率25Hz，电位增量0.004V，可以看出在-0.8V附近有较强的氢的还原峰，而没有甲基磺草酮的峰，说明金电极在此条件下对甲基磺草酮检测不敏感，且析氢反应会对实验造成较大干扰。电极上修饰汞后在相同条件下中的SWV，在该扫描范围内没有出现氢峰，在-0.5V附近有待测物特征峰出现。说明修饰汞之后的电极对甲基磺草酮的检测效果是较好的。

图6是在不同电解质溶液中的方波伏安法，选择0.1M醋酸溶液、0.1M KCl溶液、0.1M pH7的磷酸缓冲溶液做支持电解质，均配制成含10uM甲基磺草酮的溶液，在带有微电流放大器的CHI660D电化学工作站上在由上图响应信号大小和信号电位，由于还原电位越正，检测效果更好，且电流信号越大，表示检测越灵敏，所以我们选择PBS溶液作为电解质溶液。上述电解质浓度均为0.1M，待测物浓度10uM。

图7是在不同pH的0.1M PBS(磷酸缓冲溶液)中的方波伏安响应，在室温下使用pHS-3C型pH计，将浓度为0.1M的磷酸一氢钾和0.1M磷酸二氢钾溶液混合，不断搅拌，分别配制不同pH(3、4、5、6、7、8、9、10、11)的缓冲溶液；使用9种不同pH的缓冲溶液配制成9份10uM的甲基磺草酮溶液，使用同一电极在-0.2V～0.95V扫方波伏安，比较不同pH下的甲基磺草酮还原峰的位置和大小。将各不同pH下的信号大小用柱状图来表示，待测物浓度130uM，pH从3至11，其他条件都相同。将与可以得出在pH7的缓冲溶液中峰的信号最大，且溶液pH值越大，出峰电位越正。故pH7的PBS溶液为最优条件。

图8为汞修饰的金电极对不同浓度的甲基磺草酮的检测，浓度范围从1到200uM，由上到下依次为1、10、20、40、60、80、100、120、140、160、180、200uM。

图9为汞纳米电极检测甲基磺草酮的线性关系图，y＝0.8364x+6.3037，R＝0.99747，y为电流峰值大小、x为甲基磺草酮浓度、R为该线性关系的相关系数。

相关性很好。

采用标准加入法检测甲基磺草酮农药样品，结果如下表1所示，结果表明回收率较好。

表1

制备的汞修饰的金纳米盘电极稳定性：

将制备的同一电极在连续七天里测量，信号变化很小，稳定性良好，如图10。

制备的汞修饰的金纳米盘电极重现性：

将制备的同一电极，在五组溶液下平行测量的重现性，重现性良好，如图11。