[发明专利]基于生物质碳的电化学传感器及其制备方法和电催化应用

说明书

本发明公开了基于生物质碳的电化学传感器的制备方法及电催化应用，以具有中空、薄壁结构的狗尾草纤毛为前驱体，通过一步高温热解活化的方法制得一种纳米多孔材料，将材料制成溶液后滴涂在玻碳电极表面，并以该修饰电极为工作电极，制备基于生物质碳的电化学传感器。将所制备的电化学传感器应用于色氨酸的电化学氧化，结果显示色氨酸在该电化学传感器上的超电势明显降低且氧化峰电流显著增加，说明纳米多孔材料的引入在促进电子转移和质量扩散的同时，还提供了更多的活性位点，进而实现了该传感器对色氨酸的电催化作用。本发明涉及的原料是危害性大、利用价值低且处理困难的杂草，具有较好的社会效益。

技术领域

本发明涉及电化学技术领域，具体涉及基于生物质碳的电化学传感器及其制备方法和电催化应用。

背景技术

色氨酸是一种人体必需的氨基酸之一，在新陈代谢中具有至关重要的作用。除了用于合成人体生长的蛋白质以外，色氨酸还是制造血清素、烟酸和褪黑激素的前驱体。合理的色氨酸摄入可以预防和治疗诸如阿尔茨海默氏病、肝脏病、抑郁症和精神分裂症等多种疾病。因此，色氨酸灵敏、准确的检测对于疾病防治和人体健康具有重要的意义。目前，包括高效液相色谱、荧光分析和化学发光等多种方法已用于检测色氨酸，但上述方法存在着设备昂贵、操作复杂和费时的缺点。电化学方法具有高灵敏度、低成本和操作简单的特点，近年来被广泛应用于分析检测领域。色氨酸虽然具有电氧化活性，但在传统电极上过高的超电势导致了电极污染、灵敏度低且选择性差，不利于其电化学定量检测。因此，制备一种具有良好生物相容性、能加速电子转移和降低分析物超电势的功能材料，是设计高灵敏度电化学传感器的关键技术。

在众多材料中，生物质碳材料以其高导电性、大比表面积、天然的特殊结构和来源广泛使其成为人们研究的热点。近年来，生物质碳材料被广泛应用于电化学储能、水体净化、催化和气体吸附等领域，但用于分析检测方面的报道极少。狗尾草是我国多地常见的一种杂草，其繁殖能力强、对作物生长危害性大、利用价值低且处理困难。但其纤毛具有特殊的薄壁、中空结构有利于碳材料网状多孔结构的形成。纳米孔道结构的形成一方面有效地促进电子转移和质量传递，另一方面提高了材料的比表面积，提供更多的活性位点，这对于电化学传感器检测性能的提升具有至关重要的作用。此外，以生物质为原料制备多孔碳材料的方法一般以先碳化再活化的方法为主，该方法存在着操作步骤繁琐、生产周期长的缺点。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供基于生物质碳的电化学传感器的制备方法，选择具有合适结构的狗尾草纤毛为低成本碳源，以磷酸作为活化剂，通过简单的一步高温热解的方法制备了纳米多孔材料，通过滴涂法构建了电化学传感器，并将该传感器成功应用于色氨酸的电催化氧化，具有灵敏、高效、简单的优点。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

基于生物质碳的电化学传感器的制备方法，包括如下步骤：

S1：制备生物质纳米多孔材料

S11：将狗尾草纤毛预处理后，备用；

S12：将预处理后的狗尾草纤毛加入50％磷酸溶液中进行酸刻蚀，得到酸刻蚀狗尾草纤毛，其中狗尾草纤毛和50％磷酸溶液的料液比为1g：6～10mL；

S13：将S12得到的酸刻蚀狗尾草纤毛置于管式炉中，在惰性气氛中先以2～5℃/min的升温速率升温至150℃，保温6h，然后以5～10℃/min的升温速率继续升温至550～600℃，保温1h；

S14：将热处理后的产物冷却至室温后，交替用100℃热水和冷水洗涤至中性，100～105℃充分干燥，得到生物质纳米多孔材料；

S2：制备修饰电极

S21：将S1制备得到的生物质纳米多孔材料加入N，N-二甲基甲酰胺中进行超声分散，制得2mg/mL的生物质纳米多孔材料分散液；