轮型多金属氧酸盐复合物膜的制备及在检测亚硝酸盐中的应用

doi:10.7503/cjcu20210579

摘要/Abstract

摘要：

利用自组装和电沉积交替的方法制备了基于磷钨酸盐K₂₈Li₅H₇P₈W₄₈O₁₈₄·92H₂O(P₈W₄₈)、碳纳米管和Ni纳米颗粒的复合膜电极, 用于NO₂^-的检测. 由于复合膜中P₈W₄₈, CNTs和Ni纳米颗粒3种活性成分的协同作用, 所制备的传感器表现出低的检出限、宽的线性范围和较高的选择性. 将该传感器用于检测果汁中的NO₂^-, 所得到的回收率在允许的误差范围内. 这种复合膜电极传感器有望在实际应用中高度灵敏地检测NO₂^-.

关键词: 多金属氧酸盐, 镍纳米粒子, 碳纳米管, 亚硝酸盐

Abstract:

A composite film based on a coronal phosphotungstate K₂₈Li₅H₇P₈W₄₈O₁₈₄·92H₂O（P₈W₄₈）， CNTs and Ni nanoparticles（Ni NPs） was successfully constructed on the glassy carbon electrode（GCE） by using layer-by-layer self-assembly in conjunction with electrodeposition for determination of NO₂^-. The conductivity and detection signal of NO₂^- of the composite film were greatly increased due to the synergistic effect of the three active components， P₈W₄₈， CNTs and Ni NPs in composite film. Under the optimized conditions， the as-prepared sensor exhibited impressive sensing performance with a widely linear range from 1.25 μmol/L to 2500 μmol/L and a low detection limit（LOD） of 0.02 μmol/L. The good selectivity was confirmd in presence of several possible co-existing substances. The applica-bility of the method was investigated by determination of NO₂^- in fruit juice with a satisfied recovery. This composite sensor is promising for highly sensitive determination of NO₂^- in real application.

Key words: Polyoxometalate, Nickel nanoparticles, Carbon nanotubes, Nitrite

中图分类号:

O615.4

TrendMD:

初明月, 李峰博, 高宁, 杨昕, 于婷婷, 马慧媛, 杨桂欣, 庞海军. 轮型多金属氧酸盐复合物膜的制备及在检测亚硝酸盐中的应用. 高等学校化学学报, 2022, 43(1): 20210579.

CHU Mingyue, LI Fengbo, GAO Ning, YANG Xin, YU Tingting, MA Huiyuan, YANG Guixin, PANG Haijun. Construction of a Coronal Polyoxometalate-based Composite Film for Determination of Nitrite. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(1): 20210579.

图/表 12

Fig.1 TEM image of Ni NPs

Fig.2 SEM micrograph(A) and cross?sectional SEM image of the {PEI/P8W48/CNTs?CS/Ni/P8W48}(B)

Fig.3 XPS spectra of W4f(A), P2p(B), N1s(C), C1s(D), O1s(E), Ni2p(F), and of the {PEI/P8W48/CNTs?CS/Ni/P8W48} composite film

Fig.4 CVs of the {PEI/P8W48/CNTs?CS/Ni/P8W48} composite film in 0.2 mol/L PBS(pH=7.0) at 50 mV/s(A), and from 50 mV/s to 400 mV/s(step 50 mV/s)(B) and plots of the cathodic and anodic peak currents of waves against the scan rate(C)

Fig.5 EIS plots of different films(A) and influence of pH on the peak current(Ipa) of {PEI/P8W48/CNTs?CS/Ni/P8W48}(B)The inset is an partially enlarged view of the Nyquist impedance plots of {PEI/P8W48/CNTs?CS/Ni/P8W48}.

Fig.6 Differential pulse voltammograms of {PEI/P8W48/CNTs?CS/Ni/P8W48} in 0.2 mol/L PBS(pH=7.0) containing different concentrations of NO2-c(NO2- )=0—0.7 mmol/L, step 0.1 mmol/L. The inset shows the relationship between catalytic current and concentration of NO2- in 0.2 mol/L PBS(pH=7.0).

Fig.7 DPVs of the {PEI//P8W48/PEI//P8W48}(A) and {PEI//P8W48/Ni/PEI//P8W48}(B) composite films in 0.2 mol/L PBS(pH=7.0) containing different concentrations of NO2-c(NO2- )=0—0.6 mmol/L, step 0.1 mmol/L.

Fig.8 Anti?interference performance of the {PEI//P8W48/CNTs?CS/Ni/P8W48} composite film obtained with glucose, acetic acid, citric acid, KBrO3, KIO3, Na2CO3, KCl, fructose and NaNO2 at different applied potentials in 0.2 mol/L PBS(pH=7.0）a. Glucose; b. acetic acid; c. citric acid; d. KBrO3; e. KClO3; f. Na2CO3; g. KCl; h. fructose; i. NaNO2. DI1.0: NO2- oxidation peak current at 0.75 V; DIx: oxidation peak current values of different interferences at different voltages.

Fig.9 i?t curve of the {PEI/P8W48/CNTs?CS/Ni/P8W48} composite film during successive additions of NO2- at 0.75 V(A), and calibration plot of current and concentration of NO2- obtained at the {PEI/P8W48/CNTs?CS/Ni/P8W48} composite film(B)

Table 1 Comparison of the sensor performance between the prepared sensor and other sensors for the determination of nitrite

Electrode	Working potential/V	Linear range/（μmol·L^-1）	LOD/（μmol·L^-1）	Ref.
CG/Au@Ag/GCE	0.95	2.5—1250	0.15	［65］
Fe₃O₄@Au@Cys/rGO/GCE	0.75	0.03—344	0.008	［66］
		344—2215
LIG/f?MWCNT?AuNPs	0.58	10—140	0.9	［67］
GO?PANI?AuNPs/GCE	1.1	0.5—240	0.17	［68］
		240—2580
NPG/GCE	0.75	20—400	0.36	［69］
Cu²⁺?Cu⁺/Biochar/GCE	0.75	1—300	0.63	［70］
Ag/Halloysite nanotube/MoS₂/CPE	0.80	2—425	0.7	［71］
PEI/P₈W₄₈/CNTs?CS/Ni/P₈W₄₈/GCE	0.75	1.25—2500	0.02	This work

Fig.10 CVs of the {PEI/P8W48/CNTs?CS/Ni/P8W48} multilayer film for 100 circles in 0.2 mol/L PBS(pH=7.0)

Table 2 Results of the recovery tests obtained for determination of NO2- in real sample

Sample	c_NO2^- added/（μmol·L^-1）	c_NO2^- obtained/（μmol·L^-1）	Recovery（%）
1	25	24.94	99.76
2	50	49.89	99.78
3	75	74.9	99.87
4	100	99.89	99.89
5	125	124.97	99.98
6	250	250.03	100.01

参考文献 71

1	Dou B. T.， Yan J.， Chen Q.， Han X. J.， Feng Q. M.， Miao X. M.， Wang P.， Sensors. Actuat. B： Chem.， 2021， 328（1）， 129082
2	Liu X. R.， Huang X. D.， Wu Y. X.， Xu Q. X.， Du M. T.， Wang D. B.， Yang Q.， Liu Y. W.， Ni B. J.， Yang G. J.， Yang F.， Wang Q. L.， Chem. Eng. J.， 2020， 387， 124174
3	da Silva S. M.， Mazo L. H.， Electroanalysis， 1998， 10（17）， 1200—1203
4	Jakszyn P.， González C. A.， World J. Gastroenterol.，2006， 12（27）， 4296—4303
5	Najm I.， Trussell R. R.， J. Am. Water Works Assoc.， 2001， 93（2）， 92—99
6	Nakatani N.， Kozaki D.， Mori M.， Tanaka K.， Anal. Sci.， 2012， 28（9）， 845—852
7	Jobgen W. S.， Jobgen S. C.， Li H.， Meininger C. J.， Wu G. Y.， J. Chromatogr. B， 2007， 851（1/2）， 71—82
8	Vishnuvardhan V.， Kala R.， Rao T. P.， Anal. Chim. Acta， 2008， 623（1）， 53—58
9	Filik H.， Giray D.， Ceylan B.， Apak R.， Talanta， 2011， 85（4）， 1818—1824
10	Luiz V. H. M.， Pezza L.， Pezza H. R.， Food Chem.， 2012， 134（4）， 2546—2551
11	Tsikas D.， J. Chromatogr. B， 2007， 851（1/2）， 51—70
12	Senra⁃Ferreiro S.， Pena⁃Pereira F.， Lavilla I.， Bendicho C.， Anal. Chim. Acta， 2010， 668（2）， 195—200
13	Gupta S.， Prakash R.， RSC Adv.， 2014， 4（15）， 7521—7527
14	Zhang D.， Ma H. Y.， Chen Y. Y.， Pang H. J.， Yan Y.， Anal. Chim. Acta， 2013， 792， 35—44
15	Moheimanian N.， Raoof J. B.， Safavi A.， Ojani R.， J. Iran. Chem. Soc.， 2014， 11（4）， 1217—1222
16	Wei W.， Jin H. H.， Zhao G. C.， Microchim. Acta， 2009， 164（1）， 167—171
17	Zhou L.， Wang J. P.， Gai L.， Li D. J.， Li Y. B.， Sensor. Actuat. B： Chem.， 2013， 181， 65—70
18	De Marco R.， Clarke G.， Pejcic B.， Electroanalysis， 2007， 19（19/20）， 1987—2001
19	Xiao F.， Liu L.， Li J.， Zeng Z. Z.， Zeng B. Z.， Electroanalysis， 2008， 20（18）， 2047—2054
20	Manea F.， Remes A.， Radovan C.， Pode R.， Picken S.， Schoonman J.， Talanta， 2010， 83（1）， 66—71
21	Pal M.， Ganesan V.， Analyst， 2010， 135（10）， 2711—2716
22	Wang Z.， Liao F.， Guo T.， Yang S. W.， Zeng C. M.， J. Electroanal. Chem.， 2012， 664， 135—138
23	Xiao F.， Mo Z.， Zhao F.， Zeng B. Z.， Electrochem. Commun.， 2008， 10（11）， 1740—1743
24	Navratil T.， Kopanica M.， Crit. Rev. Anal. Chem.， 2002， 32（2）， 153—166
25	Hill C. L.， Chem. Rev.， 1998， 98（1）， 1—2
26	Keita B.， Zhang G. J.， Dolbecq A.， Mialane P.， Secheresse F.， Miserque F.， J. Phys. Chem. C， 2007， 111， 8145—8148
27	Tang Z. Y.， Liu S. Q.， Wang E.， Dong S. J.， Langmuir， 2000， 16（13）， 5806—5813
28	Armatas G. S.， Bilis G.， Louloudi M.， J. Mater. Chem.， 2011， 21（9）， 2997—3005
29	Kang L.， Ma H. Y.， Yu Y.， Pang H. J.， Song Y. B.， Zhang D.， Sensors. Actuat. B: Chem.， 2013， 177， 270—278
30	Wang Y. P.， Jiang F. C.， Chen J. F.， Sun X. F.， Xian T.， Yang H.， Nanomaterials， 2020， 10， 178
31	Chen J. H.， Li W. Z.， Wang D. Z.， Yang S. X.， Wen J. G.， Ren Z. F.， Carbon， 2002， 40（8）， 1193—1197
32	Isari A. A.， Mehregan M.， Mehregan S. Hayati F.， Kalantary R. R.， Kakavandi B.， J. Hazard. Mater.， 2020， 390， 122050
33	Goh P. S.， Ismail A. F.， Ng B. C.， Desalination， 2013， 308， 2—14
34	Li X.， Chen S.， Li L.， Quan X.， Zhao H. M.， J. Colloid Interface Sci.， 2014， 415， 159—164
35	Li X.， Chen S.， Quan X.， Zhang Y. B.， Enviro. Sci. Technol.， 2011， 45（19）， 8498—8505
36	Liu H.， Zuo K.， Vecitis C. D.， Enviro. Sci. Technol.， 2014， 48（23）， 13871—13879
37	Zhang M.， Smith A.， Gorski W.， Anal. Chem.， 2004， 76（17）， 5045—5050
38	Wu Z.， Feng W.， Feng Y.， Liu Q.， Xu Y. H.， Sekino T.， Fujii A.， Ozaki M.， Carbon， 2007， 45（6）， 1212—1218
39	Koch M.， Nicolaescu R.， Kamat P. V.， J. Phys. Chem. C， 2009， 113（27）， 11507—11513
40	Walter E. C.， Ng K.， Zach M. P.， Favier F.， Microelectronic Eng.， 2002， 61， 555—561
41	Oliveira M. M.， Castro E. G.， Canestraro C. D.， Zanchet D.， Ugarte D.， Roman L. S.， Zarbin A. J. G.， J. Phys. Chem. B， 2006， 110（34）， 17063—17069
42	Cordente N.， Amiens C.， Chaudret B.， J. Appl. Phys.， 2003， 94（10）， 6358—6365
43	Guskos N.， Maryniak M.， Typek J.， Podsiadly P.， Narkiewicz U.， Senderek E.， Roslaniec Z.， J. Non⁃cryst. Solids， 2009， 355（24—27）， 1400—1404
44	Wang S. F.， Xie F.， Hu R. F.， Anal. Bioanal. Chem.， 2007， 387（3）， 933—939
45	Metin O.， Mazumder V.， Ozkar S.， Sun S. H.， J. Am. Chem. Soc.， 2010， 132（5）， 1468—1469
46	Huang X. H.， Tu J. P.， Zhang B.， Li Y.， Yuan Y. F.， Wu H. M.， J. Power Sources， 2006， 161（1）， 541—544
47	Hosono E.， Fujihara S.， Honma I.， Zhou H. S.， Electrochem. Commun.， 2006， 8（2）， 284—288
48	Zayim E. O.， Turhan I.， Tepehan F. Z.， Ozer N.， Sol. Energ. Mat. Sol. C.， 2008， 92（2）， 164—169
49	Garcia⁃Miquel J. L.， Zhang Q.， Allen S. J.， Rougier A.， Blyr A.， Davies H. O.， Jones A. C.， Leedham T. J.， Williams P. A.， Impey S. A.， Thin Solid Films， 2003， 424（2）， 165—170
50	Ojani R.， Raoof J. B.， Zavvarmahalleh S. R. H.， Electrochim. Acta， 2008， 53（5）， 2402—2407
51	Xu C.， Hu Y.， Rong J.， Jiang S. P.， Liu Y. L.， Electrochem. Commun.， 2007， 9（8）， 2009—2012
52	Niu X.， Lan M.， Zhao H.， Chen C.， Anal. Chem.， 2013， 85（7）， 3561—3569
53	Sattarahmady N.， Heli H.， Vais R. D.， Biosensors. Bioelectron.， 2013， 48， 197—202
54	Aydoğdu G.， Zeybek D. K.， Zeybek B.， Pekyardimci S.， J. Appl. Electrochem.， 2013， 43（5）， 523—531
55	Lu L. M.， Zhang L.， Qu F. L.， Lu H. X.， Zhang X. B.， Wu Z. S.， Huan S. Y.， Wang Q. A.， Shen G. L.， Yu R. Q.， Biosensors Bioelectron.， 2009， 25（1）， 218—223
56	Chen H.， Zhang Z.， Cai R.， Rao W.， Long F.， Electrochim. Acta， 2014， 117， 385—392
57	Yu H. C.， Huang X. Y.， Lei F. H.， Tian X. C.， Wei Y. C.， Li H.， Electrochim. Acta， 2014， 141， 45—50
58	Couto G. G.， Klein J. J.， Schreiner W. H.， Mosca D. H.， de Oliveira A. J. A.， Zarbin A. J. G.， J. Coll. Inter. Sci.， 2007， 311（2）， 461—468
59	Neiva E. G. C.， Bergamini M. F.， Oliveira M. M.， Zarbin A. J. G.， Sensor. Actuat. B： Chem.， 2014， 196， 574—581
60	Qiu S.， Wu L.， Shi G.， Zhang L.， Chen H. L.， Gao C. J.， Ind. Eng. Chem. Res.， 2010， 49（22）， 11667—11675
61	Contant R.， Teze A.， Inorg. Chem.， 1985， 24（26）， 4610—4614
62	Legrand J.， Taleb A.， Gota S.， Guittet M. J.， Petit C.， Langmuir， 2002， 18（10）， 4131—4137
63	Sciortino L.， Giannici F.， Martorana A.， Ruggirello A. M.， Liveri V. T.， Portale G.， Casaletto M. P.， Longo A.， J. Phys. Chem. C， 2011， 115（14）， 6360—6366
64	Liu S.， Kurth D. G.， Bredenkötter B.， Volkmer D.，. J. Am. Chem. Soc.， 2002， 124（41）， 12279—12287
65	Bao Z. L.， Zhong H.， Li X. R.， Zhang A. R.， Liu Y. X.， Chen P.， Cheng Z. P.， Qian H. G.， Sensors. Actuat. B： Chem.， 2021， 345， 130319
66	Riahifar V.， Haghnazari N.， Keshavarzi F.， Nasri F.， Microchem. J.，2021， 166， 106217
67	Nasraoui S.， Al⁃Hamry A.， Teixeira P. R.， Ameur S.， Paterno L. G.， Air M. B.， Kanoun O.， J. Electroanal. Chem.， 2021， 880， 114893
68	Chen G. Z.， Zheng J. B.， Microchem. J.， 2021， 164， 106034
69	Wang H. M.， Zhang X. L.， Wang S. J.， Ma H. Y.， Shen Y. L.， Wang X.， J. Aoac. Int.， 2021， 104（3）， 860—866
70	Gao L. P.， Kang Z. W.， Ding Q.， Zhang X. H.， Lin H. T.， Lin M. S.， Yang D. P.， Sci. Total Environ.， 2020， 733， 138008—138016
71	Ghanei⁃Motlagh M.， Taher M. A.， Biosensors Bioelectron.， 2018， 109， 279—285

[1]	赵润瑶, 纪桂鹏, 刘志敏. 吡咯氮配位单原子铜催化剂的电催化二氧化碳还原性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(7): 20220272.
[2]	高京, 何文涛, 王欣欣, 向宇姝, 龙丽娟, 秦舒浩. DOPO衍生物改性碳纳米管的制备及对聚乳酸阻燃性能的影响[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(3): 20210670.
[3]	闫文卿, 张则尧, 李彦. 碳纳米管透明导电薄膜的可控制备[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(3): 20210626.
[4]	刘杰, 李金晟, 柏景森, 金钊, 葛君杰, 刘长鹏, 邢巍. 降低直接甲醇燃料电池浓差极化的含磺化碳管阻水夹层的构建[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(11): 20220420.
[5]	丁钦, 张梓轩, 徐培程, 李晓宇, 段莉梅, 王寅, 刘景海. Cu, Ni, Co掺杂对Fe碳纳米管的结构及电催化性能的影响[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(11): 20220421.
[6]	侯从聪, 王惠颖, 李婷婷, 张志明, 常春蕊, 安立宝. N-CNTs/NiCo-LDH复合材料的制备及电化学性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(10): 20220351.
[7]	许晓坚, 李博, 林猛枭, 詹硕. 多孔碳基复合膜的真空冷冻干燥制备及高效太阳能水蒸发性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(10): 20220361.
[8]	张太文, 郭军, 张丹, 袁常梅, 邱双艳. trz-Cl-Cu-PMo₁₂的合成、表征及催化氧化碘离子性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(10): 20220215.
[9]	蒋君, 宫田田, 张成鹏, 刘晓倩, 赵俊伟. 吡啶二羧酸修饰的稀土嵌入碲钨酸盐的合成及电化学生物识别性质[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(1): 20210561.
[10]	陈慧娜, 李新雄, 郑寿添. 铌多酸三维框架材料的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(1): 20210625.
[11]	梁宇, 刘欢, 宫丽阁, 王春晓, 王春梅, 于凯, 周百斌. 联咪唑修饰{SiW₁₂O₄₀}杂化物的合成及超级电容性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(1): 20210556.
[12]	赵凌云, 黄汉雄, 罗杜宇, 苏逢春. 复合材料柔软性对倒金字塔微结构阵列传感器性能的影响[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(9): 2953.
[13]	吴同华, 岳喜贵, 梅笑寒, 梁留博, 彭鑫, 马友美, 张淑玲. 三明治结构多壁碳纳米管/聚醚醚酮电磁屏蔽复合材料的制备[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2627.
[14]	梁平平, 刘帅, 李红艺, 丁亚丹, 温晓琨, 刘俊平, 洪霞. PVDF⁃CNT自漂浮多孔微珠的制备及在高效太阳能驱动界面水蒸发中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2689.
[15]	徐梦祎, 黄雪雯, 李小杰, 魏玮, 刘晓亚. “串珠状”复合纳米组装体修饰丝网印刷电极构建的生物传感器[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 1768.