一种GSH@Fe3O4/GSH@AAO膜修饰的微纳通道电极及在镉离子检测中的应用

本发明涉及一种gsh@fe3o4/gsh@aao膜修饰的微纳通道电极及在镉离子检测中的应用，属于电化学传感器和食品安全检测。

背景技术：

1、随着工业化和农业化的不断推进，环境污染问题日益严重，尤其是重金属污染。镉(cd)作为一种高毒性的重金属元素，广泛存在于自然界和工业废弃物中，其通过食物链进入人体后，能够对肾脏、肝脏等器官造成严重的危害。因此，开发高效、灵敏、简便的镉离子检测方法，对于环境监测和食品安全具有重要意义。

2、传统的镉离子检测方法包括原子吸收光谱法、荧光法和电感耦合等离子体质谱法等。这些方法虽然灵敏度高，但通常需要昂贵的仪器设备和复杂的样品处理过程，不适合现场快速检测。

3、目前，已经兴起了一些采用丝网印刷电极来检测镉离子的方法，比如：文献(barton j,garcía,maría begoa gonzález,santos,david hernández,et al.screen-printed electrodes for environmental monitoring of heavy metal ions:a review[j].microchimica acta,2016,183(2):503-517.doi:10.1007/s00604-015-1651-0.)公开了汞涂层spe、金涂层spe，其是基于汞、金对于镉离子进行检测；文献(p.pasakon；w.kamsong；v.primpray；a.wisitsoraat；t.lomas；a.tuantranont；c.karuwan.simultaneous electrochemical sensing of cd2+and pb2+using screen-printed ionic liquid/graphene electrodes[j].international journalofenvironmental analytical chemistry,:1-1)公开了离子液体/石墨烯电极对于spe进行修饰来提升检测灵敏度和选择性；文献(haidong xing；xiangxiang zhang；siyao zhai；wei mu；chao li；xiaojun han.screen-printed electrode containing bismuth/graphene oxide hybrid for simultaneous detection of cadmium and lead ions[j].journal ofelectroanalytical chemistry,2024,vol.961:118222)公开了利用铋和氧化石墨烯的协同效应，增强对镉离子的检测能力；但是这些方法对于镉离子的精度较低，灵敏性差，检测范围小，且操作较为复杂。

4、微纳米通道电化学传感技术由于其独特的物理化学特性，如高比表面积、高传质效率和优异的电化学性能，成为一种新兴的检测手段。其中，多孔阳极氧化铝(aao)膜是一种典型的纳米通道阵列，具有高密度的纳米通道结构。与单纳米孔相比，多孔aao膜能够提供数个数量级更大的离子电流变化，从而显著提高传感器的灵敏度和响应速度。多孔aao膜的纳米通道尺寸可控，与待检测分子的尺寸相近，使其能够实现高选择性和高精度的检测。这种结构不仅增加了检测表面积，还提高了检测效率和精确度。纳米通道的高比表面积使得更多的目标分子能够与电极表面接触，增强了电化学信号的强度。

5、为了增强多孔阳极氧化铝(aao)膜用于电化学检测的精度，常规会在aao膜的纳米孔道中沉积金属或金属氧化物纳米粒子，使得纳米粒子可以作为镉离子的吸附剂或催化来提升电化学检测的效果；也有一些采用有机分子如巯基化合物、炔基化合物等对aao膜进行功能化，以提高对检测物质的亲和力等；但是不同的物质性能不同，对于检测的要求也不同，目前并未发现采用多孔阳极氧化铝(aao)膜或者改性的多孔阳极氧化铝(aao)膜来检测镉离子的文献。

技术实现思路

1、[技术问题]

2、电化学检测方法虽然便于现场应用，但易受其他物质的干扰，影响检测的准确性；

3、自制电极的稳定性不足也可能干扰检测结果；

4、未发现采用多孔阳极氧化铝(aao)膜或者改性的多孔阳极氧化铝(aao)膜来检测镉离子的文献。

5、[技术方案]

6、为了解决上述问题，本发明先采用谷胱甘肽(gsh，cas：70-18-8)结合四氧化三铁(fe3o4)得到gsh@fe3o4纳米颗粒；谷胱甘肽(gsh)结合微纳米通道膜(aao)形成gsh@aao膜；之后将gsh@fe3o4纳米颗粒负载在gsh@aao膜上，形成功能化的gsh@fe3o4/gsh@aao复合膜；再采用导电胶将功能化的gsh@fe3o4/gsh@aao复合膜粘附在丝网印刷电极表面，形成修饰后的丝网印刷电极(gsh@fe3o4/gsh@aao/spce)；最后，将修饰后的丝网印刷电极(gsh@fe3o4/gsh@aao/spce)用于检测镉离子。本发明的方法能用于cd2+含量的快速和准确检测，操作简单，且灵敏度高和检测限极低，稳定性和重现性的优良。

7、本发明的第一个目的是提供一种制备功能化的gsh@fe3o4/gsh@aao复合膜的方法，包括如下步骤：

8、(1)gsh@fe3o4纳米颗粒的制备：

9、将fe3o4纳米颗粒分散在无水乙醇中，之后加水进行超声处理；再加入还原型谷胱甘肽，继续超声处理；最后利用磁铁收集，洗涤，干燥，得到gsh@fe3o4纳米颗粒；

10、(2)gsh@aao膜的制备：

11、将阳极氧化铝(aao)膜浸渍在naoh溶液中进行处理，取出；再置于(3-氨丙基)三乙氧基硅烷(aptes)溶液中处理，处理结束之后，洗涤，得到处理后的阳极氧化铝(aao)膜；

12、将处理后的阳极氧化铝(aao)膜在n-羟基琥珀酰亚胺(nhs)的mes缓冲溶液中进行孵育，再置于谷胱甘肽(gsh)溶液中孵育，得到gsh@aao膜；

13、(3)gsh@fe3o4/gsh@aao复合膜的制备：

14、将gsh@fe3o4纳米颗粒分散在水中，形成gsh@fe3o4纳米颗粒悬浮液；

15、将gsh@fe3o4纳米颗粒悬浮液滴于gsh@aao膜上，干燥，得到功能化的gsh@fe3o4/gsh@aao复合膜。

16、在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中fe3o4纳米颗粒、无水乙醇、水、还原型谷胱甘肽的用量比为1.0g：10ml：30ml：0.4g。

17、在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中分散是通过搅拌进行，搅拌的转速为200-500rpm。

18、在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中加水后的超声是在20-30℃、35-45kw下超声1.5-2.5h。

19、在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中继续超声是在20-30℃、35-45kw下超声0.5-1.5h。

20、在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中洗涤是用水洗涤。

21、在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中干燥是在55-65℃下真空干燥6-10h。

22、在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中阳极氧化铝(aao)膜和丝网印刷电极尺寸相同。

23、在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中naoh溶液为naoh水溶液，浓度为0.2-0.3％，进一步优选为0.25％，％为质量百分数。

24、在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中在naoh溶液中处理是超声处理，具体是35-45kw下处理1-3min，目的是改善亲水性。

25、在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中(3-氨丙基)三乙氧基硅烷(aptes)溶液的浓度为4-6％，溶剂为无水乙醇，％为体积百分数。

26、在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中在(3-氨丙基)三乙氧基硅烷(aptes)溶液中处理是在20-30℃下处理1.5-2.5h，目的是确保aptes分子充分与aao表面形成硅氧键。

27、在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中洗涤是采用无水乙醇洗涤，去除未反应的aptes。

28、在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中n-羟基琥珀酰亚胺(nhs)的mes缓冲溶液中n-羟基琥珀酰亚胺(nhs)的浓度为0.05-0.15m，mes缓冲溶液的ph为5-6。

29、在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中在n-羟基琥珀酰亚胺(nhs)的mes缓冲溶液中孵育是在20-30℃下孵育1-3h；使用n-羟基琥珀酰亚胺(nhs)的mes缓冲溶液使aao膜表面进行化学修饰；nhs是一种活化试剂，能有效地与膜表面的羟基反应，形成稳定的酰亚胺键；这种键的形成为后续的生物分子接枝提供了必要的活化位点，使谷胱甘肽能够牢固地结合到膜表面；在ph 5-6的mes缓冲溶液中进行孵育能够优化nhs活化过程的效率，确保aao膜表面羟基的最大活化，从而增强膜的功能化效果。

30、在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中谷胱甘肽(gsh)溶液的浓度为4-6mm，溶剂为水。

31、在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中在谷胱甘肽(gsh)溶液中孵育是在20-30℃下孵育0.5-1.5h。

32、在本发明的一种实施方式中，步骤(3)中gsh@fe3o4纳米颗粒悬浮液的浓度为0.5-1.5mg/ml。

33、在本发明的一种实施方式中，步骤(3)中gsh@fe3o4纳米颗粒悬浮液在gsh@aao膜上的用量为5-15μl/6.25πmm2。

34、在本发明的一种实施方式中，步骤(3)中干燥是在40-60℃下干燥20-40min。

35、本发明的第二个目的是本发明所述的方法制备得到的功能化的gsh@fe3o4/gsh@aao复合膜。

36、本发明的第三个目的是提供一种制备修饰后的丝网印刷电极(gsh@fe3o4/gsh@aao/spce)的方法，包括如下步骤：

37、采用导电胶先将磁性材料(柔性磁铁片)粘贴在丝网印刷电极表面，之后采用导电胶将功能化的gsh@fe3o4/gsh@aao复合膜粘贴在磁性材料(柔性磁铁片)表面，之后采用密封胶四周密封，干燥，得到修饰后的丝网印刷电极(gsh@fe3o4/gsh@aao/spce)。

38、在本发明的一种实施方式中，磁性材料为柔性磁铁片，厚度为0.4-0.6mm。

39、在本发明的一种实施方式中，导电胶为银导电胶。

40、在本发明的一种实施方式中，密封胶为有机硅密封胶。

41、本发明的第四个目的是提供一种修饰后的丝网印刷电极(gsh@fe3o4/gsh@aao/spce)，其采用了本发明的功能化的gsh@fe3o4/gsh@aao复合膜。

42、本发明的第五个目的是提供一种制备基于微纳米通道与丝网印刷的电化学传感器的方法，包括如下步骤：

43、将修饰后的丝网印刷电极(gsh@fe3o4/gsh@aao/spce)作为工作电极，将工作电极、参比电极和对电极分别连接在便携式电化学工作站形成基于微纳米通道与丝网印刷电化学传感器。

44、在本发明的一种实施方式中，参比电极为ag/agcl，对电极为铂丝。

45、本发明的第六个目的是提供一种基于微纳米通道与丝网印刷的电化学传感器，其采用了本发明所述的功能化的gsh@fe3o4/gsh@aao复合膜或修饰后的丝网印刷电极(gsh@fe3o4/gsh@aao/spce)。

46、本发明的第七个目的提供一种基于微纳米通道与丝网印刷的电化学传感器来检测镉离子的方法，包括如下步骤：

47、将含有镉离子的待测溶液滴于基于微纳米通道与丝网印刷电化学传感器的工作电极上通过dpv法对镉离子进行检测。

48、在本发明的一种实施方式中，dpv法的参数设置为：校准时间1s，测试电压为-0.5v至0v，阶跃电位0.01v，扫描速率为0.002v/s.，ph为5。

49、在本发明的一种实施方式中，含有镉离子的待测溶液的滴加量为5-15μl/6.25πmm2。

50、在本发明的一种实施方式中，含有镉离子的待测溶液中镉离子的浓度为5μg/l-120μg/l。

51、在本发明的一种实施方式中，本发明所述方法的检测限为0.1μg/l。

52、本发明的第八个目的是本发明所述的功能化的gsh@fe3o4/gsh@aao复合膜、修饰后的丝网印刷电极(gsh@fe3o4/gsh@aao/spce)或基于微纳米通道与丝网印刷的电化学传感器在电化学检测领域的应用。

53、在本发明的一种实施方式中，所述的应用是用于检测镉离子。

54、[有益效果]

55、(1)本发明通过简化的结构和低成本的制备方法，采用四氧化三铁和谷胱甘肽修饰的微纳米通道膜直接应用于丝网印刷电极，不仅降低了生产成本，还提供了温和的反应条件。

56、(2)本发明采用的微纳米通道的独特结构增大了表面积，为更多的镉离子提供了捕捉位点，从而提高了传感器的灵敏度和检测效率。

57、(3)本发明制备的电化学传感器能够快速响应，几乎立即完成镉离子的检测。

58、(4)本发明采用的谷胱甘肽提供了高选择性的识别位点，结合四氧化三铁的信号增强作用，使得传感器显示出高灵敏度和极极低的检测限，检测限低至0.1μg/l。

59、(5)本发明制备的电化学传感器稳定性和重现性优良，能进一步保证了镉离子检测数据的准确性和可靠性。

60、(6)本发明集成了表面修饰和纳米技术，旨在提高gsh@fe3o4/gsh@aao复合膜的生物相容性和功能性，适用于高级传感的应用。

61、(7)本发明的电化学传感器中工作电极的设计使得阳极氧化铝膜的微纳米通道可以有效捕获目标分子；磁性材料(柔性磁铁片)的使用可以使四氧化三铁纳米粒子更牢固地附着在阳极氧化铝膜的表面，提高了复合材料的稳定性和耐用性；这种增强的附着力不仅确保了电化学传感器在长时间使用或者在较为恶劣的环境中的可靠性，而且促进了更有效的电子转移，增强了传感器的电化学活性。因此，这种基于微纳米通道和磁性纳米粒子的复合结构，在提高传感灵敏度和稳定性方面展现出了显著的优势。