基于有序介孔碳材料的全固态钾离子选择性电极

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离子选择性电极作为电化学传感器的一个重要分支,由于其检测成本低廉、响应灵敏、适用性广等特点,近年来在医疗卫生、环境检测和过程控制等领域获得广泛应用。其中,与传统内充液式选择性电极相比较,全固态新型离子选择性电极更易于微型化,避免了日常的繁琐保养,耐用性久,但同时由于固态导电基底与离子选择性膜界面间存在电荷传输阻力、氧化还原电容/双电层电容以及水层等因素的影响,该电极的实际应用受到一定限制。随着无机纳米材料研究技术的迅速发展,大量新兴材料被用来作为离子选择性电极的固态接触层来改善电极电位稳定性。作为一种重要的碳纳米材料,有序介孔碳材料因具有高的比表面积、优异的导电性、良好的热稳定性以及化学稳定性等特点引起了广泛关注。基于此,本文将纳米技术与电化学传感技术相结合,构建了基于有序介孔碳材料的全固态新型离子选择性电极,实现了对钾离子和氯离子的快速、灵敏、准确检测。课题的研究内容如下:(1)建立了一种以有序介孔碳为离子-电子转导层的全固态钾离子选择性电极的制备方法。首先利用低浓度下水热法,以嵌段共聚物Pluronic F127为软模板,酚醛树脂为碳源,合成出有序介孔高分子的纳米球。通过惰性气氛下焙烧碳化,制备出高比表面的有序介孔碳球,以电容性质作为选择高性能离子传感膜的依据,通过不同的电容测试发现,750度氮气气氛下焙烧的OMC-750表现出了更为优异的电容性能。的确,将这些介孔碳材料作为固态接触层,并在其表面滴涂聚合物基钾离子选择性膜制备出基于玻碳电极的钾离子选择性电极,该体系在最优条件下对于钾离子检测的线性响应范围为10-4.19至100.01mol/L,其较宽的线性范围比同类电极有更广阔的实际应用价值;响应时间小于10 s,响应斜率为62 mV/decade(±0.6 mV/decade),检测限低至5.5μM,长达70 h的稳定性测试中,其电位漂移值低至为28±1.9 uV/h,表现出较高的电位稳定性;最后将该微型化的电极应用在手持式ISFET传感系统中,其优良的传感性能得到了证明。(2)提出了一种简单有效的氯离子选择电极的溶液加工方法,即基于上一章工作,选用电容性能较高的有序介孔碳OMC-750,将其与离子载体直接混合溶解于Nafion与环己酮的共溶剂,并滴涂在玻碳电极上,以减少检测体系的相界面,提高离子传输效率。与商业碳黑对应的工作电极相比,该体系表现出更优良的离子响应特征:检测下限为257μM,线性响应范围为10-3.29至100.01.01 mol/L,响应斜率为60mV/decade(±0.6 mV/decade),在室温条件下存储一个月,电极的灵敏度能保持初始值的90%,展现出较好的长期稳定性能。最后,对该类电极成功进行了微型化制备,并将其作为工作电极应用于手持式离子场效应晶体管(ISFET)传感系统,体系展现出了优良的传感性能,兼有良好的可再生性能。
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