（环境科学专业论文）复合材料化学修饰玻碳电极及环境分析应用研究.pdf

a b s t r a c t a bs t r a c t i nt h i sp a p e r , c a r b o nn a n o t u b e s c h i t o s a nm o d i f i e dg l a s s yc a r b o ne l e c t r o d e sa n d p l a t i n u mp a r t i c l e s p o l y a n i l i n em o d i f i e dg l a s s yc a r b o ne l e c t r o d e sw e r ep r e p a r e d t h e t w om o d i f i e de l e c t r o d e sw e r er e s p e c t i v e l yu s e da st h ee l e c t r o c h e m i c a ls e n s o r so f 1 3 - n i c o t i n a m i d ea d e n i n ed i n u c l e o t i d e ( n a d h ) a n df o r m a l d e h y d et ol a u n c hr e l e v a n t r e s e a r c ho fe l e c t r o a n a l y t i c a lc h e m i s t r y m u t i w a l lc a r b o nn a n o t u b e sw e r eo x i d i z e di n c o n c e n t r a t e dn i t r i ca c i da n dc h i t o s a nw a sm o d i f i e d t h em a t e r i a lw a sc h a r a c t e r i z r d b yc y c l i cv o l t a m m e t r y am i x t u r eo fo x i d i z i n gc a b o nn a n o t u b e sa n dc h i t o s a nw a s d r o p e do n t ot h es u r f a c eo fag l a s s yc a r b o ne l e c t r o d et op r e p a r ec a r b o nn a n o t u b e m o d i f i e de l e c t r o d ea p p l i e di nt h ed e t e r m i n a t i o no fn a d h t h ee x p e i m e n t a l c o n d i t i o n so fd e t e r m i n i n gn a d hw e r eo p t i m i z e d t h el i n e a rr e s p o n s er a n g eo ft h e m o d i f i e de l e c t r o d et on a d hi s1 o xlo 一。9 。0 xl0 4m o l lw i 暖ad e t e c t i o nl i m i to f 9 2 1 0 一m o l l a n i l i n em o n o m e r sw e r ep o l y m e r i z e do n t ot h es u r f a c eo fag l a s s yc a r b o n e l e c t r o d eb yc y c l i cv o l t a m m e t r yt op r e p a r ec o n d u c t i n gp o l y m e ro f p o l y a n i l i n ef i l m m o d i f i e de l e c t r o d e 。p l a t i n u mp a r t i c l e sw e r et h e ne l e c t r o d e p o s i t e dt ot h ep o l y a n i l i n e f i l mt op r e p a r ep l a t i n u mp a r t i c l e s p o l y a n i l i n e g l a s s yc a r b o ne l e c t r o d e e x p e r i m e n t a l r e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h em o d i f i e de l e c t r o d ep o s s e s s e s g o o dp r o p e r t i e s o f e l e c t r o c a t a l y s i st of o r m a l d e h y d ei na c i do ra l k a l i n es o l u t i o n s 。d e p o s i t i o no fp l a t i n u m p a r t i c l e so np o l y a n i l i n ec a ng r e a t l yi n c r e a s et h es p e c i f i cs u r f a c ea r e a 。 e l e c t r o c a t a l y t i co x i d a t i o no ff o r m a l d e h y d ea tb a r ep l a t i n u md i s ce l e c t r o d e s ， p o l y a n i l i n e g l a s s y c a r b o ne l e c t r o d e sa n dp l a t i n u m p a r t i c l e s p o l y a n i l i n e g l a s s y c a r b o ne l e c t r o d e sw e r er e s p e c t i v e l ys t u d i e d t h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sw e r e o p t i m i z e d s o d i u mc a r b o n a t e ，s o d i u mb i c a r b o n a t ea n dd i l u t es u l f u r i ca c i ds o l u t i o n sw e r e r e s p e c t i v e l yu s e da ss u p p o r t i n ge l e c t r o l y t es o l u t i o n st op e r f o r mc y c l i cv o l t a m m e t r y e x p e r i m e n t s i tw a sf o u n dt h a tf o r m a l d e h y d e r e a c t i o n si na c i da n da l k a l i n e s u p p o r t i n ge l e c t r o l y t es o l u t i o n so c c u r e db yd i f f e r e n tr e a c t i o nm e c h a n i s m s w h e n p l a t i n u mp a r t i c l e sa n dp o l y a n i l i n em o d i f i e dg l a s s yc a r b o ne l e c t r o d ew a su s e da s 北京工业大学工学硕十学位论文 曼曼, i ii ! ! l l ! ! ： a mu i u i i i i i i i ii i i i ii i ii i i i i i i m w o r k i n ge l e c t r o d et op e r f o r mc y c l i cv o l t a m m e t r ye x p e r i m e n t si na c i ds o l u t i o n s ，t h e a n o d i ep e a kc u r r e n to ff o r m a l d e h y d ei n c r e a s e dl i n e a r l yw i t ht h ec o n c e n t r a t i o no f f o r m a l d e h y d ei nt h er a n g eo f1 2 xlo 。吒1 o xlo 。m o l l 。髓ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t a n dt h ed e t e c t i o nl i m i tw e r e0 9 9 7 6a n d6 o xlo v m o l l ，r e s p e c t i v e l y i na l k a l i n e s o l u t i o n s ，t h ev o l t a m m e t r i cp e a kc u r r e n to ff o r m a l d e h y d ea tt h ep l a t i n u mp a r t i c l e s a n dp o l y a n i l i n em o d i f i e dg l a s s yc a r b o ne l e c t r o d ep r e s e n t e dg o o dl i n e a rr e l a t i o n s h i p w i t ht h ec o n c e n t r a t i o no ff o r m a l d e h y d eo v e rt h er a n g eo f3 。o x10 5 6 o xlo m o l l ， 。7 w i t hac o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n to f0 。9 9 9 3a n dad e t e c t i o n1 i m i to f8 o x10m o l l k e y w o r d s ：n h ，f o r m a l d e h y d e ，c a r b o nn a n o t u b e ，p l a t i n u mp a r t i c l e s ，m o d i f i e d e l e c t r o d e s 雅- 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：坚监导师签名：越日期： 第一章绪论 皇曼曼i i , i i i l l11 i i i i i i i i i i i i i l l ii i i 第一章绪论 1 1 甲醛的危害及污染现状 甲醛又称蚊醛，是一种无色，有挥发性的，并有强烈刺激性气味的化学物 质。易溶于水、醇和醚。甲醛在常温下是气态，通常以水溶液形式出现。其中 4 0 的水溶液称为福尔马林，此溶液沸点茺1 9 ，故在室温时极易挥发。固态 甲醛为三聚甲醛结晶。其对人体的危害主要有：对人的眼睛，呼吸道，消化道 有强烈的刺激作用；甲醛是中性毒性物质，入一次误服1 0 9 即可导致死亡，美 国环境保护局建议的每日容许摄入量为不超过0 2 m g k g 体重日。甲醛可凝固蛋 白质，当它与蛋白质、氨基酸结合后，可使蛋白质变性，严重干扰人体细胞正 常代谢，因此对细胞具有很强的伤害作用。甲醛经口腔进入人体后可直接损伤 人的口腔、咽喉、食道和胃黏膜，同时产生中毒反应，轻者头晕、咳嗽、呕吐、 上腹疼痛，重者出现昏迷、休克、肺水肿、肝肾功能障碍，并导致出血、肾衰 竭和呼吸衰弱而死亡；长期接触低浓度甲醛，可引起神经系统、免疫系统、呼 吸系统和肝脏的损害，出现头昏( 痛) 、乏力、嗜睡、食欲减退、视力下降等中 毒症状。研究表明，甲醛容易与细胞亲核物质发生化学反应，形成化合物，导 致d n a 损伤，因此，国际癌症机构已将甲醛列为致癌物之一【l 2 1 。 世界卫生组织( w h o ) 以及美国环境保护局( e p a ) 均将甲醛( h c h o ) y o 为危险 致癌物与重要的环境污染物，我国食品卫生法明确规定甲醛或含甲醛的化合物禁 止作为食品添加剂使用，但在食品生产经营和销售环节中，违反食品卫生法甚至 大量使用甲醛作为添加剂事件令人触鳃惊心。不法商贩往往违法使用甲醛作为食 品加剂使食品达到以次充好、谋取暴利的目的。面粉，米粉等加入吊白块可达到 增自的目的【孤。水产品中加入甲醛可延长食品货架寿命，使萁色泽鲜亮。1 9 9 8 年5 月，北京市各级卫生局对市售水发食品中甲醛进行一次全面监督检查，监测结果 报告如下：全市共抽检7 8 个单位，检出甲醛阳性样品的单位有5 3 个，占6 7 。9 。 全市共抽检样品7 4 5 件，2 0 0 件甲醛阳性，甲醛阳性率2 6 8 。其中，在食品商场 抽检1 0 1 件，甲醛阳性2 9 件，阳性率2 8 。7 ，在集贸市场抽检6 4 4 件，甲醛阳性1 7 1 件，甲醛阳性率2 6 6 。抽查的1 0 种水发食品中有9 种检出甲醛，只有海蛰未检出 【4 】。水产品窦身甲醛的产生机理国内懑来进行相关研究，国外邑有报道。研究认 北京1 _ 业大学丁学硕十学位论文 为在水产品中甲醛的产生是由于水产品中存在的与氧化三甲胺相关的酶及微生 物的作用，水产品一般采用冰冻，冷冻，冷藏贮藏。在贮藏过程中低温抑制了微 生物的生长，微生物的作用对甲醛的产生影响很小，酶是主要影响因素，其中氧化三 甲胺酶是最主要的酶，这种酶以氧化三甲胺为底物。氧化三甲胺酶广泛存在于海 产动物组织中，但是淡水动物中则没有氧化三甲胺酶，即使存在含量也极微。这 一点可以解释在鳕鱼体内甲醛含量很高，在乌贼类和贝类中也有一定的含量，而 在淡水鱼类中甲醛的含量很低的现象。氧化三甲胺酶是使氧化三甲胺产生甲醛的 最主要的酶，可生成三甲胺( t m a ) 、二甲胺( d m a ) 和甲醛( f l a ) 等产物，使水产品 质地包括气味、弹性、色泽等表观特性发生一定变化。 另一方面，不法商贩为了自身物质利益，在水产品中人为添加甲醛及其制品， 为了维护消费者的利益，保障人民群众的身体健康，严厉打击食品领域的违法行 为，必须对这类产品进行严格检验，避免这些食品危害广大消费者，从源头解决问 题。 w h o 规定饮用水中甲醛的最高容许浓度为0 9 m g l ，甲醛作为水环境污染物 主要产生源是工业废水，在工业生产中甲醛广泛用于制造树脂，橡胶，塑料等工 业产品及大量存在于建筑材料中，还存在于各类装饰材料如贴壁布，壁纸，化 纤地毯，泡沫塑料，油漆，涂料和一些纺织品内。这些甲醛源挥发释放到空气中 并经雨水淋溶进入水体，人饮用和沐浴含有甲醛的水均会对身体造成伤害【5 1 。 1 2 国内外研究现状 在过去的几十年里，人们通过大量的研究已开发出各种成熟的甲醛检测测 技术，如气相色谱法、高效液相色谱法、电化学传感器法、比色法以及分光光 度法等。 1 2 1 现场光谱分析法 1 2 1 1 差分光学吸收光谱法( d o a s ) 该法利用光线在大气传输时各气体分子在不同波段对其有不同的差分吸收 特征来反演这些气体在大气中的浓度。测甲醛时，在离检测器5 1 0 k m 的地方 第章绪论 放爨一个高压氨灯，光线通过望远镜进入接收装置，经多次反射后到达检测器， 记录其在3 2 3 - 3 4 8 n m 处的光谱，通过与甲醛标准气体的光谱比较，来计算甲醛 的含量。该方法的检测限可达9 0 1 王g m 3 。尽管该方法检测甲醛的灵敏度很高， 但因为需要很长的光程来达到高灵敏度，因此，很少被用来做常规检测【6 l 。 1 2 i2 傅垂时转换红外光谱法( f t i r ) 在该法中，甲醛麴检测是通过特征的2 7 7 9 和2 7 8 1 5 c m 双波长来检测的， 红外光束经过近2 k m 的多级反射光程到达样晶池，方法的检测限约为1 2 9 9 m 3 。 最近，也有入利用太阳光和月光彳睾为光源来检测甲醛。 1 2 1 3 激光诱导荧光光谱法( l i f s ) 主要通过激光器发射激光( 3 2 0 - 3 4 5 n m ) 照射甲醛，产生荧光来检测甲醛。 它的检测限较差，一般大于3 0 1 t g m 3 ，因此应用不多。 1 2 1 。4 调制二极管激光吸收光谱法( t d l a s ) 该方法是应用最广泛的光谱分析方法。检测时，激光束经过近1 5 0 m 的光 程和多级吸收池到达样品池，样品池中的甲醛在1 7 4 0 c m d 处有吸收。该方法的 检测限为7 5 t x g , m 3 ，两且每次检测仅需3 m i n 。有人通过改进，利用一个散光样 品池( 在3 l 的体积里可得到l o o m 的光程) ，在2 9 1 2 和2 9 1 4 c m q 测甲醛的吸收， 5 m i n 的分辨时间检测限可达4 。1 t g m 3 。遴过快速的背景扣除后，在o 。5 h 的分辨 时间内检测限为7 5 1 t g m 3 ，当信噪( s n ) = l 时，2 0 s 时间内检出限为1 7 x l o 之 l x g m 3 。由予方法灵敏度高，可以连续测定，因此，被安装在飞机上测对流层中 的甲醛【刀。 1 2 1 5 衰荡光谱法( c r d s ) 该方法是一种新型的光谱技术。它利用可调谐脉冲激光器测量原予、分子 和自由基在衰荡腔里的衰荡时间来计算物质的浓度。最近被用来检测甲醛，它 在2 s 的采样时间内检测限可达6 0 1 t g m 3 ，是种很有应用前景的检测方法f 8 】。 北京工业大学工学硕十学何论文 量皇量皇曼曼曼曼皇皇曼鼍! 曼曼曼皇曼舅! 曼曼曼! 曼! 曼曼皇曼! 蔓曼曼! lr a ! 曼皇曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 皇曼曼曼曼曼皇曼! 曼曼曼曼! 曼曼! 曼量曼曼曼曼 以上方法能够现场、实时、准确的测量甲醛，而且主要是用于空气中的甲醛 的现场监测，但是它们大多需要很长的光通道或使用多级转换装置来达到足够 的灵敏度，而且需要大型、精密、昂贵的仪器，因此，很难用做常规的分析检 测。 1 2 2 比色法 1 2 2 1 变色酸法 主要通过甲醛和变色酸( 4 ，5 一二羟基萘2 ，7 一二磺酸) 在硫酸存在的条件下反 应，生成特征的紫色化合物，比色测定甲醛的含量。该方法虽然简便易行，但 灵敏度不高，需要长时间的采样。有人采用了2 0 0 l m i n 的高流量的空气采样器， 采样5 m i n 检测限可达3 0 肛g m 3 9 1 。但由于流量大，甲醛的回收率不高，只有 5 0 。 1 2 2 2 改良副品红法 该方法主要是利用副品红、亚硫酸钠和甲醛的三元反应。反应后，生成在 5 7 0 r i m 处有强烈吸收的紫色基团，再经比色法定量。由于反应后的复合物的吸 光强度与温度有很大关系，因此，分析检测时同一的温度条件显得十分重要。 该方法的检出限也比较差，适合于污染严重的地方采集甲醛。另外，低碳分子 的羰基化合物如乙醛、丙烯醛、丙醛会产生干扰，而大气中的s 0 2 、氰化物和 羟胺也因为与甲醛和副品红反应而产生干扰。 1 2 2 3m b t h 法 空气中的甲醛用含有3 - 甲基一2 一苯并噻唑( m b t h ) 的液滴采集，反应后加入 f e c l 3 ，再比色检测，5 m i n 的采样时间甲醛的检测限为6 2 5 9 9 m 3 。该法首次利 用液滴采甲醛，而且仪器也小，可现场读数，适于现场的甲醛卫生检测。也有 用采样管采样，采样时间为1 5 m i n ，检出限为3 9 9 m 3 1 们。 第一章绪论 曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼鼍曼皇鼍曼舅曼鼍曼鼍曼曼皇曼曼曼曼蔓曼鼍曼! 曼曼曼! 曼曼皇量曼曼曼曼! 曼曼曼鼍m i 曼 1 2 2 4 其它比色分析法 主要有4 氨基3 联氨一5 巯基一l ，2 ，4 三氮杂茂( a h m t ) 法和7 一胺一5 - 羟基2 一 萘氨基磺酸法等。这些方法由于灵敏度低、生成的颜色不稳定，较少被使用【1 1 1 。 1 2 3 荧光法 通过甲醛与衍生剂反应生成荧光物质，再检测荧光物的浓度来计算甲醛的 浓度。生成二乙酰一1 ，4 二氢吡啶法：该法基于汉栖反应( h a n t z s c hr e a c t i o n ) 原理， 通过b 二酮、氨和醛的环化反应，生成二氢吡啶衍生物。该反应最早被用来通 过比色法测甲醛，乙酰丙酮和氨与甲醛反应生成3 ，5 二乙酰基1 ，4 。二氢吡啶， 经分离在4 1 2 n m 处测定。由于二氢吡啶也能发出荧光，因此可以用荧光检测器 来检测。甲醛衍生物的荧光最强，而其它醛类衍生物产生的荧光很弱，因此可 用来特异性的检测甲醛。通过扩散涤气器( d i f f u s i o ns c r u b b e r ) 甲醛与乙酰丙酮在 9 5 0 反应，检测限可达1 2 1 0 。g g m 3 。通过用1 ，3 环己二酮( c h d ) 溶液作吸收 液，甲醛气体经过高氟化树脂膜扩散涤气器，扩散进入吸收液，与反应生成一 个强荧光物。在采样流速为1 4 l m i n 情况下，甲醛的检测限可达到 2 7 x 1 0 。7 t g m 3 。该方法由于能实时检测甲醛，灵敏度高，被用在甲醛含量很低 环境下的检测，如北极大气。也有用5 ，5 二甲基环己二酮作为衍生剂，通过流 体注射荧光分析甲醛，检测限可达2 7 x 1 0 7 9 9 m 3 ，但是需要较高的反应温度 ( 1 3 0 ) 【1 2 】。 1 2 4 生物酶法 1 2 4 1 生物酶荧光法 该方法的原理是利用甲酸脱氢酶( f d h ) 作为催化剂，催化氧化型辅i ( n a d + ) 将甲醛氧化为甲酸的反应，n a d + 则被还原成n a d h ，而n a d h 为荧光物质， 通过测n a d h 的浓度来测定甲醛。利用该原理也可以做成一个连续自动的检测 装置。含甲醛的空气和酸性吸收液( p h = 2 ) 从不同入1 2 1 吸入玻璃管圈，在玻璃管 圈里混合反应后，用荧光检测。该装置吸收甲醛的效率大于9 5 ，方法的检测 北京t 业大学工学硕十学位论文 限可达1 5 x 1 0 。1 0 t g m 3 【1 3 1 4 1 。 1 2 4 2 生物酶电化学法 利用酶反应的原理与电化学检测联合也能很方便、快速地测甲醛。酶f d h 和n a d + 与硅油混合，固定在反相逆胶束介质上，作为一个生物传感器。采样 时甲醛气体扩散到传感器上的逆胶束介质中与酶反应，还原态的辅酶i 在工作 电极上被氧化，产生电势，通过测定电流的强弱来计算甲醛的浓度。 另一种方法是在铂工作电极上涂上一层亲脂性的盐( 1 v r f t c n q ) 作为电子 媒介体，再涂上酶f d h 和辅酶因子f ；- n a d + 。以亚硫酸纳溶液作吸收液，最后 用伏安法检测。尽管酶方法的选择性和灵敏度都很高，干扰少，检测速度快， 但是为了达到较快的反应速度，需要大量的酶。酶是生物活性物质，其活性随 着时间的延长而下降，而且酶的价格比较昂贵，因此该方法很少用作常规检测 【1 5 ，1 6 1 。 1 2 5 电化学分析法 1 2 5 1 格氏试剂t ( g r t ) 伏安法 根据氯化三甲氨基乙酰肼与甲醛反应生成甲醛腙化合物，再用伏安仪测定。 该方法在采样流速为1 l m i n ，采集3 0 l 空气时的检出限为l g g m 3 【1 7 1 。 1 2 5 2 离子色谱脉冲电流分析法 使用亚硫酸钠溶液吸收甲醛，形成羟甲基硫酸盐复合物，经离子排阻离子 交换色谱分离，最后用电化学分析仪检测。该法能很好的检测出含量为 1 3 9 2 1 t g m 3 的甲醛。缺点是由于在碱性溶液中检测，电极容易腐蚀，使用4 6 h 后就得擦亮电极【1 8 ，19 1 。 1 2 5 3 极谱法 甲醛与乙酰丙酮反应产物的极谱波灵敏，波形好，在甲醛溶液浓度 0 0 0 2 - 1 0 m g l 的范围内，极谱峰电流和甲醛的含量有良好的线性关系。也有文 6 - 第一章绪论 献报道用膜反应池( m e m b r a n ec e l l ) 吸收空气中的甲醛到含2 ，4 二硝基苯肼( 2 ， 4 - d i n i t r o p h e n y lh y d r o z a n e ，d n p h ) 的溶液中，反应生成2 ，4 二硝基苯腙，最后 通过极谱法检测，甲醛的检出限为2 o 1 0 。o m o l l 。但是，极谱法需要用到汞电 极，汞属于有毒物质，会对环境造成污染，因而限制了极谱法的广泛应用 2 0 , 2 1 】。 1 2 5 4 电化学传感器法 电化学传感器的检测原理是依据被测定物质在电化学传感器表面反应过程 中产生电流、电位差、或电导性质的变化，该变化在一定条件下与溶液中的待测 定物质的浓度呈正比关系，因而能指示待测物的浓度。目前所报道的甲醛电化学 传感器通常是通过测定甲醛的的电化学氧化峰电流来进行检测的。甲醛电化学传 感器检测限低，线性范围宽，与生物传感器相比使用寿命长，具有广阔的应用前 景。 目前，市场上销售的基于电化学传感器原理的甲醛检测仪器主要有美国的 4 1 6 0 型甲醛测定仪、英国p p m 4 0 0 型手持式现场甲醛测定仪和日本的x p 2 3 0 8 i 型和 x p 2 3 0 8 i i 型甲醛测定仪。美国生产的4 1 6 0 型便携式甲醛测定仪的工作原理是空气 中的甲醛通过泵抽入电化学传感器，在适当的电极电位下发生氧化反应，氧化电 流被仪器自动换算成空气中甲醛的浓度之后，由仪器的数码显示屏实时显示出 来。该仪器体积小，重量轻，操作方便，避免了化学法采样后带回实验室分析的 烦琐程序；日本生产的m d 2 x p 一3 0 8i i 型甲醛气体检测仪是利用自动吸引式采样、 定电位电解的原理工作的，英国生产的b h l f o r m a l d e m e t e r t m 4 0 0 手持式现场甲醛 测定仪是基于电化学燃烧池传感器对甲醛的响应而工作的，传感器寿命可达5 年， 仪器只有2 7 0 9 重。该类仪器操作简单，可用于空气中甲醛的快速测定，但是对甲 醛测定专一性不强，其它物质如酚、醛类和醇类会干扰测定结果【2 2 , 2 3 】。 比较以上检测甲醛的各种分析方法可知，分光光度法，气相色谱法、高效液 相色谱法、极谱法、荧光法等仪器分析方法均需先在监测现场采集气体样品，再 回实验室分析，分析周期长，成本高，步骤繁琐，不能实时地反映室内空气甲醛 污染的状况及满足现场大批测点的监测需求。而电化学传感器快速测定仪虽然可 以对甲醛进行现场的快速检测，但是目前市场上出售的该检测仪基本上都是从国 外进口的设备，价格比较昂贵，难以普及和推广。因此，开展甲醛电化学传感器 的应用基础性研究对于开发新型的甲醛快速检测仪器，并且实现产业化，都具有 北京t 业大学工学硕十学位论文 ! i m 一一 i 曼曼鼍曼曼蔓兰曼舅鼍皇皇皇曼 重要意义。 近年来，关于对甲醛有催化氧化作用的化学修饰电极制各的研究已经有很多 报道，但是将对甲醛具有催化氧化作用的化学修饰电极用于制备电化学传感器来 检测甲醛的研究并不多见，国内在该方面的研究还几乎是空白。因此，研制对甲 醛有催化氧化作用的化学修饰电极，并将其用于设计可以现场连续检测甲醛的电 化学气体传感器对开发新型的甲醛快速检测仪具有重要意义。 总而言之，电化学传感器法由于避免了使用有机溶剂而造成环境污染，操 作简单，是比较有前途的方法。 1 2 6 生物传感器法 1 2 6 1 基于化学修饰电极的生物传感器 在电分析化学和电化学研究中所用的工作电极一般是汞、贵金属和石墨电 极等，一般的电极反应是在电极与溶液界面发生电子转移的非均相反应，只有 电子授受的单一作用，溶液中大多数离子在电极上的转移速度较慢。在伏安研 究中，传统的电极常遇到的问题是，由于电极表面活性的改变，使测得的电流 随时间延长而变小。如何使电极能够有选择性地进行所期望的反应，并提供更 快的反应速度，一直是电化学工作者着重研究解决的问题。化学修饰电极( c m e ) 是通过化学修饰的方法在电极表面进行分子设计，有目的地将具有功能性( 如： 催化、配合、电色、光电等) 和优良性质的分子、离子或聚合物引入电极表面， 使之形成某种具有特别功能的结构，从而使电极成为具有特定功能和特定化学 和电化学性质的电极。 化学修饰电极自1 9 7 5 年问世以来【2 4 】，已引起人们日益广泛的兴趣，它是当 前电化学和电化学分析领域中最活跃的研究方向之一。电化学反应一般在电极 表面进行，因此电极表面的性能是影响电化学反应的重要因素。c m e 是通过人 工设计表面微结构，在电极表面附着某种化学基团，使电极具有特定的功能， 如对分析组分的渗透选择性、预富集作用、电催化在未修饰电极上速度较慢的 反应等。经过化学修饰的电极，既可以用作一般的电位型或者电流型传感器， 也可以将化学修饰方法应用于酶电极中，这大大提高了传感器的灵敏度和选择 第一章绪论 曼曼曼曼鼍i i 一一 i i i 曼! 曼曼皇鼍皇 性。 此外，基于化学修饰电极的生物传感器的固定酶方法近年来发展很快。在 电极表面紧贴一层酶膜可以制成酶电极，即可以研制成电化学生物传感器。溶 液中待测物质通过扩散进入酶膜，发生酶催化反应，产生或消耗一种电活性物 质，这种物质与待测物之间具有严格的化学计量关系。用电极来检测由电活性 物质的产生或消耗而发生的电活性物质浓度变化，利用酶催化反应，在恒电位 下快速将电子从反应中心转移到电极表面。电子转移的难易和速度决定着传感 器的性能。但是发生在酶与电极之间的直接电子转移很难进行，因为酶的活性 中心是深埋在蛋白质内部的，氧化态的酶从电极上直接得到电子非常困难【2 5 】。 所以电极信号需要依靠一个中间体来实现电子的传递，这样一种辅助底物中间 体称为媒介体，它将酶反应过程中产生的电子从酶反应中心转移到电极表面， 使电极响应增强的分子导电体。 1 2 6 2 制备化学修饰电极的方法 用于制备生物传感器的c m e 的制备方法，依电极材料、修饰试剂、电极 功能性要求不同，主要分为电化学沉积法、电化学聚合法、化学键合法、不可 逆吸附法、聚合物涂饰法、掺入法、等离子体聚合法、印刷法等。 由于早期的c m e 大部分是采用共价键合法和吸附法制备的，修饰剂基本 上以单分子层覆盖在电极表面，电极响应的重现性不高，使用寿命较短。用共 价键合法制备c m e 的程序繁杂费时，限制了c m e 在分析化学上的广泛应用。 自八十年代聚合物膜c m e 出现以后，c m e 在分析化学上的应用价值逐渐受到 人们的重视。与单分子层c m e 相比，聚合物膜c m e 的物理化学性质稳定，聚 合物膜中含有大量的活性体，约1 0 以o 1 0 击m o l c m 2 ，相当于1 1 0 5 个单分子层， 因而电化学响应灵敏。聚合物薄膜化学修饰传感器响应时间快、检测下限低， 这与修饰膜的厚度有直接关系；另外聚合物薄膜通过化学或物理的作用力牢固 的嵌在电极表面上，不容易发生活性的流失，故重现性好，电极使用寿命长， 而且还有抗干扰、制备和使用方便等优点。聚合物膜c m e 的制备方法简单、 多样，聚合膜在电极表面附着牢固，电极经久耐用。 关于用生物传感器用于检测甲醛的研究在上世纪8 0 年代就已经开始，m a r t i n 北京丁业大学丁学硕十学位论文 h a m m e r l e t 2 6 】等在电极中封入适量的甲醛脱氢酶，以微量的磷酸二氢钠以及苯醌溶 液为介质。当甲醛在酶作用下脱氢生成甲酸时，磷酸氢二钠获得质子还原为磷酸 二氢钠，最后将质子传递给苯醌，获得质子的苯醌将质子传递给电极。通过这种 电化学的循环伏安图谱，可以获得待测甲醛的浓度信息。原理如下： f d h h c h o + n a d + + 3 h 2 0 卜h c o o + n a d h + 2 h 3 0 + h + + n a d h + q n a d 十+ q h 2 q h 21 1 1 ：! ：! ! ! - q + 2 e 。+ 2 w y h e r s c h k o v i t z 2 7 1 等将甲醛脱氢酶和聚乙烯吡啶通过高分子膜包埋在电极上， 与微型流动注射系统耦合成传感器，通过测定电流信号对甲醛进行定量分析。因 微型流动注射系统的利用，传感器对样品的需求量仅为n g 级，对溶液和空气中甲 醛的检出限分别为o 0 3 1 t g l 和o 0 0 0 3 1 t g l 2 8 。2 1 。最近有文献报道的甲醛气体生物 传感器主要以烟酰胺腺嘌呤二核苷酸( n a d + ) 为底物，将甲醛脱氢酶( f d h ) 固定于 丝网印刷碳电极表面，制成电流型生物传感器，甲醛在f d h 的催化作用下被n d a + 氧化为甲酸，n d a + 则被还原为电活性的还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸( n a d h ) ， 其在基础电极上产生的氧化电流可用于检测甲醛，也可以采用电催化剂，例如： 锇( 二吡啶) 一聚( 乙烯毗啶) ，n a d h 可被氧化态的锇( o s o ) 【) 氧化为n a d + ，所产生的 还原态锇( o s 倒) 在基础电极上被氧化为氧化态的锇( o s o x ) ，如此进行催化循环， 可以加速电化学反应，降低n a d h 的氧化电位，提高检测的灵敏度和选择性。这 类生物传感器也可以用来检测气态甲醛【3 3 】。反应机理如下： f d h n a d +hcho+h 2 0 h c o o h+n a d h+ h + n a d h+o s o x n a d +o s f e d+一 o s r e d o s o x+2 e 但是，关于生物传感器用于环境中甲醛的监测仅停留在研究阶段，距离应 用还有一系列问题和难点熙待解决。与传统的分析方法相比，生物传感器这种 新的检测手段具有如下优点：( 1 ) 生物传感器是由选择性好的生物材料构成的 分子识别元件，因此一般不需要样品的预处理，样品中的被测组分的分离和检 第一章绪论 测同时完成，且测定时一般不需j n , x 其它试剂；( 2 ) 由于它的体积小，可以实 现连续在线监测；( 3 ) 响应快，样品用量少，且由于敏感材料是固定化的，可 以反复多次使用；( 4 ) 传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪 1 2 7 色谱法 1 2 7 1 高效液相色谱法 高效液相色谱法是在液相色谱柱层析的基础上，引入气相色谱理论并加以改 进而发展起来的色谱分析方法。高效液相色谱法能适合分析沸点高而不太容易汽 化、热不稳定和强极性物质，且可以与柱前提取、纯化及柱后荧光衍生化反应和 质谱等联用，实现分析自动化。同时一些新型检测器的问世在一定程度上提高了 高效液相色谱法的检测灵敏度。与气相色谱法相比，不仅分离效能好，灵敏度高， 检测速度快，而且应用面广。高效液相色谱法用于检测甲醛是采用水蒸气蒸馏将 水产品中游离和可逆结合的甲醛蒸馏出，然后经2 ，4 二硝基苯肼衍生化后，以 实现测定甲醛含量，该方法测定水产品中甲醛含量，以信噪l g ( s n ) 为3 条件下， 计算得到该方法的检出限为0 7 m g l ，并且具有很好的线性关系，重性好，专一 性强，是水产品包括鲜活水产品、水发水产品、干制水产品中甲醛痕量、灵敏、 精确的仪器分析方法之一p 引。但是该种方法须使甲醛与衍生试剂发生反应后才能 检测，操作比较复杂另外，目前常用的衍生试剂d n p h 与其他的醛、酮也反应， 所以当这些物质也存在时，将导致分析时间的延长和要求流动相梯度。 1 2 7 2 气相色谱法 随着现代仪器分析方法的发展，气相色谱法已成为目前典型的，应用最广泛 的仪器分析方法。在各种新的检测方法不断出现的今天，气相色谱法仍占绝对的 优势，并且由过去的以填充柱为主转为目前的毛细管柱为主。由于石英毛细管柱 的出现和进样系统的不断改进，大大提高了气相色谱法的分析精度、准确度和灵 敏度，甲醛分子量小，沸点低，适合采用该方法。该方法是将甲醛溶液注入气相 色谱柱，程序化升温汽化后，甲醛在固定相中分离，经不同的检测器检测扫描绘出 气相色谱图，通过保留时间来定性，通过峰或峰面积与标准曲线对照来定量，色 北京下业大学t 学硕士学位论文 谱条件的最佳设定是气相色谱技术的关键。近年来毛细管气相色普法( c g c ) 得到 了不断的发展和完善，使毛细管柱基本代替了原来的填充柱，不仅提高了灵敏度， 分辨率和检测速度，而且稳定性，使用寿命都比填充柱优良。空气中的甲醛在酸 性条件下吸附在涂有2 ，4 二硝基苯肼( d n p h ) 的6 2 0 1 单上，生成稳定的2 ，4 一 二硝基苯腙，用二硫化碳洗脱后，经0 1 色谱柱分离，氢火焰离子化检测器测 定，检出下限为o 2 m g l ( 进样量为5 烬时) 【3 5 ，3 6 1 。气相色谱法具有高效、高速、 高灵敏度、样品用量少等优点，可将甲醛直接进样检测或解吸后进样检测，操作简 便，测定线性范围宽，分离度好等优点。但该方法仪器设备复杂、笨重、价格昂 贵等不利特点，所以不能广泛推广。 1 2 8 其它方法 t h o m a s 等用涂被2 一羟甲基哌啶( 2 一h m p ，2 - h y d r o m y x e t h y l p o p e r i d i n e ) 的采样 管采样，衍生物通过热脱附，吸附到t e n a x t a 管上，然后用g s m s 分离。它可 以检测浓度范围在0 0 3 - - 9 5 1 m g m 3 的甲醛。如果只分析甲醛，也可用乙酰丙酮 与甲醛反应后，再用分析，操作过程比较简单，检出限也比较低( o 1 g l ) ，是 一种简便快捷的方法。最新的一种简便方法是将空气直接采到1 3 m l 的线圈里， 再用氦气带到气相色谱里分离经脉冲氦电离检测器检测，检测限可达 1 2 x 1 0 。2 p 咖3 。该方法由于避免了化学前处理，仪器简易，操作方便，检出限 低，检测周期短( 1 1 次循环) ，因此可以应用在很多的场合 3 7 , 3 s 。 1 3 本文的构想及研究工作 壳聚糖( c h i t o s a n ，c h i t ) 又称脱乙酰几丁质、聚氨基葡萄糖、可溶性甲壳素， 是一种储量极为丰富的天然碱性高分子多糖，多为虾、蟹甲壳提取物，是由甲壳 素( c h i t i n ) 部分脱乙酰化衍生物。其结构式为【3 9 1 ： 第一章绪论 曼皇曼曼曼曼曼曼i 一! i 曼 由结构式可知，壳聚糖分子中既有亲水性和疏水性基团，又有一n h 2 、一 o h 等对金属离子有较强配位能力的基团，同时骨架链间的氢键形成了壳聚糖大 分子的二级结构，从而使得壳聚糖对许多离子、有机物、生物分子等具有离子交 换、螯合、吸附等作用，被广泛应用于化学领域f 4 0 , 4 1 】。而壳聚糖在医药、农业和 污水处理等领域的应用已初见成效。 在自然界中，壳聚糖广泛存在于低等植物菌类、藻类的细胞，节肢动物虾、 蟹、蝇蛆和昆虫的外壳，贝类、软体动物( 如鱿鱼、乌贼) 的外壳和软骨，高等 植物的细胞壁等，每年生物合成的资源量高达1 0 0 亿吨，是地球上仅次于植物 纤维的第二大生物资源，其中海洋生物的生成量在1 0 亿吨以上，可以说是一种 用之不竭的生物资源。壳聚糖经自然界中的壳聚糖酶、溶菌酶等的完全生物降 解后参与生态体系的碳和氮循环，对地球生态环境起着重要的调控作用。尽管 甲壳素和壳聚糖资源十分丰富，且价格低廉，但它的发展却一直比较缓慢。直 到1 9 7 7 年，日本首先将壳聚糖用于废水的处理，并于同年在美国波士顿召开了 第一届有关甲壳素和壳聚糖的国际会议，从此甲壳素和壳聚糖的开发应用才得 到较大发展。目前，壳聚糖被广泛应用在食品、化妆品、废水处理、重金属回 收、生物、医药、纺织、印染、造纸等领域。近几年来，由于人们充分利用壳 聚糖的生物官能性、生物相容性、低毒性，以及能被生物降解性和食用性，不 断拓展其在生物、医学、医药方面的市场，使甲壳素和壳聚糖的应用取得了巨 大发展，有较大部分已进入实用阶段或商品化阶段【4 2 】。 在高倍显微镜下所显示的是具有良好水溶性的接枝壳聚糖在溶液蒸干后形 成的无定型物，没有形成微孔；图b 是交联接枝壳聚糖放大1 0 万倍的结构形貌。由 于水溶性接枝壳聚糖在交联作用和搅拌时水力学共同作用下形成了不规则柱体 网状结构，具有巨大的比表面积。在不规则网状间存有4 - - 5 0 n m 的空隙，这种结 构所形成的吸附剂对于络合吸附是十分有利的。 北京工业大学- t 学硕士学位论文 由于壳聚糖所具有机械性能良好、化学性质稳定、耐热性强等优点，特别 是分子中存在的氨基易与蛋白质或酶结合，可络合金属离子，使酶免受金属离 子的抑制，同时它又易于通过接枝而改性，