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CN109250704A - 一种沙枣胶基多孔碳材料的制备方法及应用 - Google Patents

一种沙枣胶基多孔碳材料的制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种沙枣胶基多孔碳材料的制备方法及应用，该方法以生物质沙枣胶为碳源，硫酸锰、尿素、三聚硫氰酸、次磷酸作为辅助合成剂，采用热解法和高温碳化制备N、S、P共掺杂的沙枣胶基多孔碳材料。通过该方法合成的沙枣胶基多孔碳材料作为电极修饰材料，应用于药品和食品中抗生素的电化学检测。结果表明：沙枣胶基多孔碳材料修饰的玻碳电极具有灵敏度高、重复好、抗干扰能力强、检出限低等特点，是一种应用于制备电化学传感器件的理想材料。为解决药品和食品中的甲硝唑的检测提供了一个快速，简便的新途径。

Description

一种沙枣胶基多孔碳材料的制备方法及应用
技术领域
本发明涉及一种生物质作为碳源，合成多孔碳纳米材料的方法和应用，具体涉及沙枣胶基多孔碳材料的制备方法及应用。
背景技术
众所周知，随着中国经济的增长、国民收入的增加和消费观念、健康观念的变化，药品和食品品安全问题逐渐成为公众关注的焦点。近年来，重大的食品和药品安全事件时有发生，严重危害了广大消费者身体健康。抗生素广泛应用于农业和水产业中动物疾病的治疗，同时还可以作为生长促进剂加快动物的生长。其中甲硝唑(Metronidazole，MNZ)为硝基咪唑的一类抗生素，是各类家禽、家畜、水产品及蜂蜜制品的各种细菌性传染性疾病的源头控制和治疗中最常用的硝基咪唑类药物。然而最近研究发现，甲硝唑具有致癌、致畸的潜在风险，不合理使用该药物将会对生物体产生一定的伤害。不仅如此，向环境大量排放甲硝唑也会对水体和土壤造成污染，人体若长期微量摄入会导致多种疾病，因此，在食品和药品领域中，常用抗生素的定量分析对食品及药品的质量监控和消费者健康的保障具有重要的义。在此，开发快速、灵敏、可靠的食品和药品安全检测方法是当前众多科研工作者工作的重中之重。
目前国内外报道检测甲硝唑的方法主要有：高效液相色谱、化学发光、毛细管电泳、荧光分析和分光光度法已经开发为食品药品中抗生的检测方法。虽然这些方法都可以有效检测甲硝唑残留量，但是上述定量方法需要昂贵的仪器、特定的实验条件和繁琐的样品准备过程、检测时间长、要专业技术人员进行操作与维护、不适用于现场检测等不足。因此，应用电化学传感器检测食品药品抗生素残留具有积极的研究意义。电化学传感器是一个非常活跃的研究前沿，因其具有经济简便、快速准确、大批量检测和无需专业技术人员维护等特性，已被广泛应用到食品检验、药物分析、生物医药、环境检测等各个领域。基于多孔碳材料构建的电化学传感器具有快速反应、良好的选择性和灵敏性等优势，可广泛用于药物分析领域。
生物质作为一种可再生资源，是人类取之不尽用之不竭的资源宝库，其充分利用具有重大的意义。从碳材料的出现幵始，以可再生的生物质为碳源制备碳材料便成为研究者们关注的重点。沙枣胶是沙枣树的天然分泌物，我国是农业大国，沙枣种植面积大，原料来源丰富，以沙枣胶为碳源合成多原子掺杂的多孔碳材料可以提高碳材料的比表面积、改善孔结构，增加导电性等电化学性质；这能有利于电化学传感器对药物分子的吸附和电极反应的进行。基于上述优势，沙枣胶基多孔碳材料用于抗生素电化学传感有巨大的应用空间。然而，目前关于多原子掺杂沙枣胶基多孔碳材料的制备和应用未见报道。
本发明公开了一种沙枣胶基多孔碳材料的制备方法及应用，以沙枣胶为碳源氮、硫、磷共掺杂的多孔碳材料的制备方法和应用。同时，该多孔碳材料具有良好的抗生素电化学传感性能。
发明内容
本发明目的在于，提供一种沙枣胶基多孔碳材料的制备方法及应用，该方法以生物质沙枣胶为碳源，硫酸锰、尿素、三聚硫氰酸、次磷酸作为辅助合成剂，采用热解法和高温碳化制备N、S、P共掺杂的沙枣胶基多孔碳材料。通过该方法合成的沙枣胶基多孔碳材料作为电极修饰材料，应用于药品和食品中抗生素甲硝唑(MNZ)的电化学检测。结果表明：沙枣胶基多孔碳材料修饰的玻碳电极具有灵敏度高、重复好、抗干扰能力强、检出限低等特点，是一种应用于制备电化学传感器件的理想材料。为解决药品和食品中的甲硝唑的检测提供了一个快速，简便的新途径。
本发明所述的一种沙枣胶基多孔碳材料的制备方法，按下列步骤进行：
a、称取沙枣胶0.30-0.50g和硫酸锰0.45-0.50g，加入到10ml的超纯水里，超声溶解，得到均匀的混合溶液A；
b、分别称取尿素0.45-0.50g，次磷酸钠0.40-0.55g和三聚硫氰酸0.30-0.40g，加入到10ml的超纯水里，超声溶解，得到混合溶液B；
c、将得到的混合溶液A和混合溶液B混合，得到均匀的混合溶液C；
d、将步骤c中得到的混合溶液C放入到温度100-130℃的烘干箱里热解反应4-6小时，水分完全挥发成淡黄色干燥物为止，得到淡黄色固体，再经研磨得到粉末物；
e、将步骤d得到的粉末物装入到瓷盅中，在氮气氛围中以3-5℃/min的升温速率加热到600-800℃，保温2-3小时，待自然冷却到室温后获得碳化的沙枣胶基多孔碳，经浓度为10％的盐酸、超纯水洗涤，完全除去金属锰离子和氧化锰，再经温度60℃真空干燥12h得到氮、硫、磷杂原子共掺杂的沙枣胶基多孔碳材料。
所述方法获得的沙枣胶基多孔碳作为电极修饰材料，在制备药品和食品中抗生素的电化学检测中的应用。
本发明所述的一种沙枣胶基多孔碳材料的制备方法及应用，该方法先用热解法使沙枣胶和辅助合成剂充分反应，再用碳化的方法合成沙枣胶基多孔碳材料，该材料制备方法简单、原料来源丰富、可再生资源；通过本发明所述方法获得的沙枣胶基多孔碳材料应用于电极修饰材料，构建新型电化学传感器，检测甲硝唑(MNZ)具有电化学传感性质。对食品和药品中抗生素残留的电化学传感具有很大应用前景，具备良好的选择性、重现性、准确性、稳定性、高的回收率等特点。与现有的工艺相比，本发明所述方法获得的沙枣胶基多孔碳材料是一种应用于制备电化学传感器件的理想材料。为解决快速、简便检测食品和药品中常见抗生素提供了一个新的途径。
附图说明
图1为本发明检测甲硝唑(MNZ)中的应用示意图；
图2为本发明材料表征图，其中a为扫描电子显微镜(TEM)图像，b为透射电子显微镜(TEM)图像；
图3为本发明检测甲硝唑(MNZ)在不同修饰电极上的电化学行为比较图；
图4为本发明扫描速度对甲硝唑(MNZ)在沙枣胶基多孔碳材料修饰电极上的还原的影响图，其中a为扫描速度与还原峰电流的线性拟合图；b为扫描速度与还原峰电位的线性拟合图；
图5为本发电解质溶液pH值对甲硝唑(MNZ)在沙枣胶基多孔碳材料修饰电极上的还原的影响图；其中(a)为pH与还原峰电流的关系图；(b)为pH与还原峰电位的线性拟合图；实验结果表明，甲硝唑(MNZ)电化学检测的最优化条件分为：扫描速度为100mV s-1,电解质溶液pH 7.0；
图6为本发明对甲硝唑(MNZ)电化学传感图，其中图A和插图a为沙枣胶基多孔碳材料对不同浓度MNZ的电化学响应关系线性扫描伏安(LSV)图；(b)和(c)分别为沙枣胶基多孔碳材料的响应线性关系低，高浓度拟合图；
图7为本发明抗干扰能力测试图，实验结果表明，沙枣胶基多孔碳材料修饰的电极具有强的抗干扰能力。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步说明：
实施例1
a、准确称取沙枣胶0.30g和硫酸锰0.50g，加入到10ml的超纯水里，超声溶解，得到均匀的混合溶液A；
b、分别称取尿素0.45g，次磷酸钠0.55g和三聚硫氰酸0.40g，加如到10ml的超纯水里，超声溶解，得到混合溶液B；
c、将得到的混合溶液A和混合溶液B混合，得到均匀的混合溶液C；
d、将步骤c中得到的混合溶液C放入到温度100℃的烘干箱里热解反应4小时，水分完全挥发成淡黄色干燥物为止，得到淡黄色固体，再经研磨得到粉末物；
e、将步骤d得到的粉末物装入到瓷盅中，在氮气氛围中以3℃/min的升温速率加热到600℃，保温2小时，待自然冷却到室温后获得碳化的沙枣胶基多孔碳，经浓度为10％的盐酸、超纯水洗涤，完全除去金属锰离子和氧化锰，再经温度60℃真空干燥12h得到氮、硫、磷杂原子共掺杂的沙枣胶基多孔碳材料。
实施例2
a、称取沙枣胶0.50g和硫酸锰0.45g，加入到10ml的超纯水里，超声溶解，得到均匀的混合溶液A；
b、分别称取尿素0.50g，次磷酸钠0.40g和三聚硫氰酸0.30g，添加到10ml的超纯水里，超声溶解，得到混合溶液B；
c、将得到的混合溶液A和混合溶液B混合，得到均匀的混合溶液C；
d、将步骤c中得到的混合溶液C放入到温度100℃的烘干箱里热解反应4小时，水分完全挥发成淡黄色干燥物为止，得到淡黄色固体，再经研磨得到粉末物；
e、将步骤d得到的粉末物装入到瓷盅中，在氮气氛围中以5℃/min的升温速率加热到700℃，保温2小时，待自然冷却到室温后获得碳化的沙枣胶基多孔碳，经浓度为10％的盐酸、超纯水洗涤，完全除去金属锰离子和氧化锰，再经温度60℃真空干燥12h得到氮、硫、磷杂原子共掺杂的沙枣胶基多孔碳材料。
实施例3
a、称取沙枣胶0.40g和硫酸锰0.45g，加入到10ml的超纯水里，超声溶解，得到均匀的混合溶液A；
b、分别称取尿素0.48g，次磷酸钠0.45g和三聚硫氰酸0.35g，加入到10ml的超纯水里，超声溶解，得到混合溶液B；
c、将得到的混合溶液A和混合溶液B混合，得到均匀的混合溶液C；
d、将步骤c中得到的混合溶液C放入到温度130℃的烘干箱里热解反应6小时，水分完全挥发成淡黄色干燥物为止，得到淡黄色固体，再经研磨得到粉末物；
e、将步骤d得到的粉末物装入到瓷盅中，在氮气氛围中以5℃/min的升温速率加热到750℃，保温3小时，待自然冷却到室温后获得碳化的沙枣胶基多孔碳，经浓度为10％的盐酸、超纯水洗涤，完全除去金属锰离子和氧化锰，再经温度60℃真空干燥12h得到氮、硫、磷杂原子共掺杂的沙枣胶基多孔碳材料。
实施例4
a、称取沙枣胶0.45g和硫酸锰0.50g，加入到10ml的超纯水里，超声溶解，得到均匀的混合溶液A；
b、分别称取尿素0.50g，次磷酸钠0.50g和三聚硫氰酸0.38g，加入到10ml的超纯水里，超声溶解，得到混合溶液B；
c、将得到的混合溶液A和混合溶液B混合，得到均匀的混合溶液C；
d、将步骤c中得到的混合溶液C放入到温度100℃的烘干箱里热解反应4小时，水分完全挥发成淡黄色干燥物为止，得到淡黄色固体，再经研磨得到粉末物；
e、将步骤d得到的粉末物装入到瓷盅中，在氮气氛围中以5℃/min的升温速率加热到800℃，保温2小时，待自然冷却到室温后获得碳化的沙枣胶基多孔碳，经浓度为10％的盐酸、超纯水洗涤，完全除去金属锰离子和氧化锰，再经温度60℃真空干燥12h得到氮、硫、磷杂原子共掺杂的沙枣胶基多孔碳材料。
实施例5
a、称取沙枣胶0.38g和硫酸锰0.45g，加入到10ml的超纯水里，超声溶解，得到均匀的混合溶液A；
b、分别称取尿素0.50g，次磷酸钠0.45g和三聚硫氰酸0.35g，加入到10ml的超纯水里，超声溶解，得到混合溶液B；
c、将得到的混合溶液A和混合溶液B混合，得到均匀的混合溶液C；
d、将步骤c中得到的混合溶液C放入到温度130℃的烘干箱里热解反应6小时，水分完全挥发成淡黄色干燥物为止，得到淡黄色固体，再经研磨得到粉末物；
e、将步骤d得到的粉末物装入到瓷盅中，在氮气氛围中以5℃/min的升温速率加热到800℃，保温3小时，待自然冷却到室温后获得碳化的沙枣胶基多孔碳，经浓度为10％的盐酸、超纯水洗涤，完全除去金属锰离子和氧化锰，再经温度60℃真空干燥12h得到氮、硫、磷杂原子共掺杂的沙枣胶基多孔碳材料。
实施例6
将实施例1-5任意一种沙枣胶基多孔碳材料作为电极修饰材料，在制备药品和食品中抗生素的电化学检测中的应用：
图6为本发明对检测甲硝唑电化学传感性质图，其中图6(a)和(b)分别为N，S，P共掺杂的多孔碳材料检测不同浓度甲硝唑的电化学响应图，如图所示：随着甲硝唑(MNZ)浓度的增加，甲硝唑(MNZ)表示的电化学特征峰的峰强度也不断增加，低浓度和高浓度范围分别为(0.1-4 5μM)，(50-350μM)，表明本发明获得的N，S，P共掺杂的多孔碳材料对甲硝唑电化学检测有较宽的响应范围；从图6(b)和(c)中可以看出：电化学响应强度和MNZ浓度具有良好的线性关系；线性方程分别为：I pc(μA)＝0.29C(μM)+72.87,(R＝0.9903),Ipc(μA)＝0.07C(μM)+12.32,(R＝0.9929)，检测限为0.013μM；线性关系表明：N，S，P共掺杂的多孔碳材料对药品和食品中其他具有电化学活性的抗生素电化学快速检测具有应用前景；采用本发明检测甲硝唑片、甲硝唑注射液和牛奶样品中甲硝唑(MNZ)含量的测试，如表1：
表1甲硝唑的回收率测定结果
从表中可以看出：甲硝唑(MNZ)回收率在93.6％-100.1％，说明本发明获得的沙枣胶基多孔碳材料构建的电化学传感器有效地检测出甲药物和食品样品中甲硝唑(MNZ)含量；
在抗干扰性能性方面，实验结果表明：沙枣胶基多孔碳材料修饰的电极体现较好的抗干扰能力，一般常见的几种药物共存的情况下甲硝唑(MNZ)的电化学信号峰强度(还原峰电流和峰电位)和原来的信号强度相互接近，结果图7所示：表明采用本发明获得的沙枣胶基多孔碳材料构建的电化学传感器具有较强的抗干扰能力，使沙枣胶基多孔碳材料可以用于复杂样本中甲硝唑电化学检测的传感材料。

Claims (2)

1.一种沙枣胶基多孔碳材料的制备方法，其特征在于按下列步骤进行：
a、称取沙枣胶0.30-0.50g和 硫酸锰0.45-0.50g，加入到10ml的超纯水里，超声溶解，得到均匀的混合溶液A；
b、分别称取尿素0.45-0.50g，次磷酸钠0.40-0.55g和三聚硫氰酸0.30-0.40g，加入到10ml的超纯水里，超声溶解，得到混合溶液B；
c、将得到的混合溶液A和混合溶液B混合，得到均匀的混合溶液C；
d、将步骤c中得到的混合溶液C放入到温度100-130℃的烘干箱里热解反应4-6小时，水分完全挥发成淡黄色干燥物为止，得到淡黄色固体，再经研磨得到粉末物；
e、将步骤d得到的粉末物装入到瓷盅中，在氮气氛围中以3-5℃/min的升温速率加热到600-800℃，保温3小时，待自然冷却到室温后获得碳化的沙枣胶基多孔碳，经浓度为10%的盐酸和超纯水依次洗涤，待完全除去金属锰离子和氧化锰，再经温度60℃真空干燥12h 得到氮、硫、磷杂原子共掺杂的沙枣胶基多孔碳材料。
2.根据权利要求1所述方法获得的沙枣胶基多孔碳材料作为电极修饰材料，在制备药品和食品中抗生素的电化学检测中的应用。
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