本發(fā)明涉及電化學(xué)領(lǐng)域，特別是涉及一種Pd納米線修飾電極及其制備方法和用途。
背景技術(shù)：
糖尿病是世界性的多發(fā)病和常見病，隨著人們生活水平的提高和老年人口的增多，其發(fā)病率呈明顯上升趨勢。全世界約有兩億多病人，已成為全球性的衛(wèi)生保健問題，并嚴重地威脅著人類的健康，成為僅次于心血管病、癌癥的第三大危險疾病。我國現(xiàn)今約有5000萬病人。因而，糖尿病的診斷和治療不僅是我國也是全世界醫(yī)學(xué)界面臨的重大課題。
噻唑烷二酮類(TZDs)藥物是一類新的治療Ⅱ型糖尿病與胰島素抵抗的藥物，同時具有良好的耐受性和安全性，具有延緩糖尿病進展的潛力和巨大的應(yīng)用前景，除具有上述作用外，它在心血管疾病、多囊暖巢綜合征及某些腫瘤等發(fā)明表現(xiàn)出一定的治療前景，2,4-噻唑烷二酮是合成噻唑烷二酮類(TZDs)藥物的重要中間體，也是這類藥物結(jié)構(gòu)上的活性定位點，因此對其檢測具有重要意義，但現(xiàn)有技術(shù)對2,4-噻唑烷二酮的檢測鮮有報道。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
為解決上述問題，本發(fā)明提供一種靈敏度高、線性范圍寬、最低檢測限低的Pd納米線修飾電極及其制備方法和用途。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：Pd納米線修飾電極的制備方法，包括以下步驟，①制備AAO模板，AAO模板雙通后進行導(dǎo)電化處理；②將步驟①中的雙通AAO模板貼在Pt電極表面，進行直流電沉積以使AAO模板固定于Pt電極表面；③將表面固定有AAO模板的Pt電極于溶液中浸沒，取浸沒后的電極沖洗得到有序的PdNAs，陰干，即得Pd納米線修飾電極。
對上述技術(shù)方案的進一步改進為，步驟①中，AAO模板的制備方法為二次陽極化法。
對上述技術(shù)方案的進一步改進為，步驟②中，雙通AAO模板用環(huán)氧樹脂貼于Pt電極表面。
對上述技術(shù)方案的進一步改進為，步驟②中，沉積電壓為-1.7V～0V。
對上述技術(shù)方案的進一步改進為，步驟②中，沉積電解液為3.65g/L～5.65g/L的Pd(NH3)4Cl2與15g/L～30g/L的NH4Cl的混合液，沉積電解液的pH為7.0～9.0。
對上述技術(shù)方案的進一步改進為，步驟③中，用2M的NaOH溶液浸沒固定有AAO模板的Pt電極，浸沒時間為30min～50min，沖洗電極的水為二次蒸餾水。
Pd納米線修飾電極，是采用權(quán)利要求1～6中任一項所述的制備方法得到的。
Pd納米線修飾電極的用途，其特征在于：以權(quán)利要求7中所述的Pd納米線修飾電極檢測2,4-噻唑烷二酮的濃度。
對上述技術(shù)方案的進一步改進為，取2,4-噻唑烷二酮溶液，以Pd納米線修飾電極為工作電極，以PBS為底液，采用循環(huán)伏安法對2,4-噻唑烷二酮溶液進行檢測，得到響應(yīng)信號與2,4-噻唑烷二酮濃度的線性關(guān)系，再采用循環(huán)伏安法對干擾物質(zhì)進行對比測試。
對上述技術(shù)方案的進一步改進為，PBS底液的濃度為0.2M。
本發(fā)明的有益效果為：
1、采用本發(fā)明的制備方法，能成功對Pt電極進行修飾，得到Pd納米線修飾電極，相對于傳統(tǒng)的未修飾Pd納米線的玻碳電極，本制備方法得到的修飾電極電催化活性面積大，與底物的界面電子輸送速度快，在檢測2,4-噻唑烷二酮濃度時，具有更好的電流響應(yīng)及較高的靈敏度，較寬的線性范圍和較低的最低檢測限。
2、AAO模板的制備方法為二次陽極化法，先對鋁片進行退火、清洗去脂、拋光的前處理，再進行一次陽極氧化、去除氧化層、二次陽極氧化，最后進行后處理，即去鋁基、去阻擋層并通孔。具體步驟如下：
(1)退火
將0.3mm厚的高純鋁片剪成5cm*5cm規(guī)格的正方形片，放入馬弗爐內(nèi)在500℃下高溫煅燒4小時，然后自然冷卻至室溫，標記正反面取出。退火處理通過消除鋁基體的內(nèi)部應(yīng)力和缺陷，有利于鋁原子排列更加有序，從而使后續(xù)氧化過程中孔排布更加有序。
(2)清洗去脂
將退火后的鋁片依次放入丙酮、乙醇中超聲清洗5min，去除鋁片表面的油脂，再用二次蒸餾水沖洗干凈，晾干。
(3)拋光
鋁片拋光是為了使鋁片表面更加光亮平整，拋光的方式有多種，包括機械拋光、化學(xué)拋光和電化學(xué)拋光。其中，電化學(xué)拋光由于操作簡單、污染小、拋光效果顯著而被普遍使用。本發(fā)明電化學(xué)拋光步驟為：在20V直流電壓下，以鋁片為陽極，不銹鋼片為陰極(鋁片正面正對陰極)，恒壓拋光3min左右直到鋁片表面的氧化層脫落，鋁片表面露出新鮮光亮鏡面。其中，拋光液的組分為高氯酸:無水乙醇＝1:6(v:v)的混合溶液。拋光過程要在0℃水浴中來減少過程中所放出的大量對發(fā)明的影響。同時，拋光過程不宜過長，否則會因為拋光過程中過大的電流產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象。
(4)一次陽極氧化
將拋光處理后的鋁片背面拋光邊界線以下涂上一層薄薄的凡士林，然后以鋁片為陽極，不銹鋼片為陰極(光亮面正對陰極)，調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源輸出電壓并控制反應(yīng)溫度為5℃，在0.3M的草酸溶液中恒電壓氧化2h。在鋁片背面涂上一層凡士林可以有效防止背面鋁片參與陽極化，進而限制由于陽極化電流的增大使得電解液溫度上升，造成陽極化失敗，同時可以簡化去鋁基的后處理過程。
(5)氧化層的去除
第一次陽極氧化在鋁片表面形成的氧化膜通常要被腐蝕掉，因為此時納米孔有序度比較低，孔徑有大有小，形貌較差。經(jīng)過腐蝕后的鋁表面會留下有序排列的碗狀凹坑，為第二次陽極氧化生成更有序的氧化鋁模板奠定基礎(chǔ)。本發(fā)明以三氧化鉻(5g/L)和磷酸(體積分數(shù)5％)的混合溶液為腐蝕液,控制溫度70℃反應(yīng)1h,以確保完全去除第一次反應(yīng)生成的氧化膜。
(6)二次陽極氧化
為了得到較厚的氧化鋁模板，在與第一次陽極氧化相同的條件下，要進行時間更長的第二次陽極氧化。
(7)去鋁基
將二次陽極氧化后的鋁片取下，用紙片輕輕刮去凡士林層，用棉簽蘸取飽和氫氧化鈉溶液輕輕涂抹反面，以除去反面少量的氧化鋁層。將處理后的鋁片浸入飽和四氯化錫溶液中，待鋁基去除完全，用二次蒸餾水將模板沖洗干凈。去除鋁基后的模板呈完全透明狀，且由于二次陽極化過程中鋁片背面周邊的凡士林少量脫落，導(dǎo)致周邊被氧化。涂抹氫氧化鈉溶液時留下周邊部分，這樣，在去除鋁基時由于周邊部分兩側(cè)均有氧化鋁層保護而留下鋁圈。在后續(xù)發(fā)明操作中該鋁圈可以起到穩(wěn)定氧化鋁模板的作用，從而有效地減小氧化鋁模板破碎的概率。
(8)去阻擋層并通孔
去除鋁基后的模板由上下兩部分構(gòu)成，上層為有序排列的疏松孔道結(jié)構(gòu)，下層是管道底部的一層致密阻擋層。該阻擋層不導(dǎo)電，若用于制備金屬納米線陣列則必須除去或減薄。將模板漂浮在磷酸溶液表面上，待溶液腐蝕掉模板底部的阻擋層后由毛細管作用沿孔道上升，直到溶液到達模板上表面并最終完全覆蓋，被覆蓋的模板逐漸下沉。待模板下沉后用鑷子夾出并用二次蒸餾水沖洗干凈。
采用本方法能得到規(guī)整有序的AAO模板；且在陽極氧化過程中采用在鋁片背面涂抹一薄層凡士林的簡單方法，有效阻止了鋁片背面的氧化，簡化了模板的后處理過程；在本發(fā)明的AAO模板制作過程中，在去阻擋層并通孔環(huán)節(jié)，是將模板漂浮在磷酸溶液表面，將傳統(tǒng)浸泡通孔方式改為漂浮通孔法，浸泡均勻，便于判斷和觀察模板正表明和反表面，有效避免了通孔過程中酸液對AAO模板正表面的腐蝕，最大限度地保留了模板孔道的原始長度，。
3、雙通AAO模板用環(huán)氧樹脂貼于Pt電極表面，環(huán)氧樹脂不導(dǎo)電、密封性好，由于在制備PdNAs時只需在電極中間位置發(fā)生電極反應(yīng)，，如果密封性不好，會導(dǎo)致電流過大影響納米線，從而影響Pd納米線修飾電極電化學(xué)檢測時的精確度和靈敏度。
4、對于PdNAs的制備采用直流電沉積，相對于交流電沉積法制備的修飾電極，所得的的修飾電極表面更光滑，納米線極少團聚，剛性更好。沉積電壓為-1.7V～0V，優(yōu)選為-0.7V，此電壓下納米線剛性好，均勻，從而保證Pd納米線修飾電極電化學(xué)檢測時的精確度和靈敏度。
5、直流電沉積時，由于鍍鈀液中鈀鹽種類、濃度、氯化銨濃度、游離氨濃度、pH值、溫度和添加劑等都會影響鍍鈀效果，本發(fā)明中，選用沉積電解液為3.65g/L～5.65g/L的Pd(NH3)4Cl2與15g/L～30g/L的NH4Cl的混合液，沉積電解液的pH為7.0～9.0，采用該沉積電解液作為鍍鈀液，能使AAO模板穩(wěn)定的固定于Pt電極表面，鍍鈀效果好，具體原因如下：
(1)鈀鹽濃度：
雖然鍍鈀液的種類很多，但以Pd(NH3)x為基礎(chǔ)的鍍液所得鍍層延展性較高。本發(fā)明使用的鈀鹽為二氯四氨鈀(Pd(NH3)4Cl2)，鹽的質(zhì)量濃度因為較大地影響陰極電流密度，不應(yīng)過大，一般控制在10-25g/L(以Pd計)之間。質(zhì)量濃度較小時，鍍層沉積速度慢，色澤不光亮不均勻甚至發(fā)黑；質(zhì)量濃度過高，增加生產(chǎn)成本之外所得鍍層比較脆易破碎。本發(fā)明要使鈀鹽溶液進入納米孔進而在孔內(nèi)沉積，因此選擇進一步降低鹽濃度，所采用鈀鹽濃度為2.5g/L(以Pd計)。
(2)氯化銨濃度：
氯化銨在鍍液中同時起到增加鍍液導(dǎo)電性和調(diào)節(jié)pH值的作用，與氨水一起形成緩沖液。氯化銨質(zhì)量濃度在20-30g/L之間時，鍍層外觀較光亮。而當其它條件不變氯化銨質(zhì)量濃度較低時，鍍層表面出現(xiàn)白云狀花紋；質(zhì)量濃度過高，鍍層表面會變黑或生成一層紅膜。本發(fā)明采用氯化銨質(zhì)量濃度為20g/L。
(3)游離氨濃度：
游離氨濃度過高，鍍層會布滿黑色的條紋或斑點；較低，陰極上會產(chǎn)生黃色沉淀，使得鍍層粗糙、顏色花而不均勻。本發(fā)明采取向配制好的鍍鈀液中直接滴加氨水(34％)調(diào)解溶液pH到所需值的方式確定鍍液中游離銨的含量。
(4)pH值：
通?？刂苝H值為7.0-9.0之間。pH值過高，鍍層表面會出現(xiàn)氨氣大量逸出的情況；pH值過低，處陽極易鈍化外，還會出現(xiàn)鈀鹽沉淀析出的情況。通常用HCl和氨水來調(diào)節(jié)鍍液的pH值。本發(fā)明采用pH值為8.3。
(5)溫度：
其它工藝參數(shù)一定時，鍍液溫度在20-50℃之間，都能得到良好的鍍層，如溫度不協(xié)調(diào)，會影響鍍層沉積速度，本發(fā)明在室溫下進行。
(6)添加劑：
添加劑通常是指C4-C35脂肪直鏈季銨鹽等表面活性劑，和含硫的有機酸及其鹽等光亮劑、疏基的雜環(huán)化合物和聚二硫化物等。鍍層光亮扯程度、出現(xiàn)裂紋狀況及鍍層結(jié)晶致密程度會因添加劑的使用得到改善。但加入過量時金屬離子的沉積速度會受到這類有機化合物添加劑的阻滯，水化金屬離子在陰極上沉積受限，難以組成一定晶格的金屬晶體而造成工藝表面發(fā)黑。本發(fā)明考慮到添加劑在納米孔中的阻滯作用較大，故不使用添加劑。
綜上，本發(fā)明的鍍鈀液組成為2.5g/L Pd(NH3)4Cl2+20g/L NH4Cl，滴加氨水調(diào)節(jié)pH＝8.3。
6、步驟③中，PdNAs的制備方法為交流電沉積結(jié)合模板法或直流電沉積結(jié)合模板法。交流電沉積結(jié)合模板法制備PdNAs時，采用2V/min的階梯降壓速度降壓至0，沉積電壓為10V-14V，沉積時間與納米線長度正相關(guān)。采用2V/min的階梯降壓速度的原因是此時模板阻擋層厚度適中，用來交流電沉積制備納米線效果最好，沉積電壓低于10V或高于14V均不能得到PdNAs，而電壓在10V-14V時得到的PdNAs序列最好，且隨電壓增高，相同時間內(nèi)沉積的納米線的長度增加。直流電沉積結(jié)合模板法制備PdNAs時，得到的納米線表面更光滑，且納米線剛性更好，長度達4μm時仍能夠很好地彼此獨立而不團聚。在一定時間范圍內(nèi)納米線的生長速度與時間正相關(guān)，沉積2h可得長達4μm的納米線，長度適中，且單根納米線之間空隙明顯，獨立性好。
7、采用本發(fā)明的制備方法得到的Pd納米線修飾電極，納米線剛性好，電催化活性面積大，與底物的界面電子輸送速度快，在檢測2,4-噻唑烷二酮濃度時，具有更好的電流響應(yīng)及較高的靈敏度，較寬的線性范圍和較低的最低檢測限。
8、采用本發(fā)明的Pd納米線修飾電極檢測2,4-噻唑烷二酮的濃度時，TZD濃度在6μM-200μM范圍內(nèi)時，所得的響應(yīng)信號與葡萄糖的濃度存在良好的線性關(guān)系(y(μA)＝0.4062C+28.84)，其相關(guān)系數(shù)為R＝0.998，檢測TZD濃度的下限是0.02μM，而幾種干擾物質(zhì)，如甲糖寧，鹽酸二甲雙胍，對所制備的Pd納米線修飾電極的響應(yīng)信號遠低于TZD對所制備的Pd納米線修飾電極響應(yīng)信號，因此檢測靈敏度高、線性范圍寬、最低檢測限低，抗干擾能力強，檢測精度高。
具體實施方式
下面將結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
實施例1：Pd納米線修飾電極的制備方法
①采用二次陽極化法制備AAO模板，AAO模板雙通后進行導(dǎo)電化處理；
②將步驟①中的雙通AAO模板用環(huán)氧樹脂貼于Pt電極表面，進行直流電沉積以使AAO模板固定于Pt電極表面，沉積電壓為-0.7V，沉積電解液為4.65g L-1Pd(NH3)4Cl2+20g L-1NH4Cl，沉積電解液pH為8.2，沉積時間為2h；
③將表面固定有AAO模板的Pt電極于2M的NaOH溶液中浸沒40min，取浸沒后的電極用二次蒸餾水沖洗得到有序的PdNAs，陰干，即得Pd納米線修飾電極。
步驟①中AAO模板的具體制備流程為：
(1)退火
將0.3mm厚的高純鋁片剪成5cm*5cm規(guī)格的正方形片，放入馬弗爐內(nèi)在500℃下高溫煅燒4小時，然后自然冷卻至室溫，標記正反面取出。退火處理通過消除鋁基體的內(nèi)部應(yīng)力和缺陷，有利于鋁原子排列更加有序，從而使后續(xù)氧化過程中孔排布更加有序。
(2)清洗去脂
將退火后的鋁片依次放入丙酮、乙醇中超聲清洗5min，去除鋁片表面的油脂，再用二次蒸餾水沖洗干凈，晾干。
(3)拋光
鋁片拋光是為了使鋁片表面更加光亮平整，拋光的方式有多種，包括機械拋光、化學(xué)拋光和電化學(xué)拋光。其中，電化學(xué)拋光由于操作簡單、污染小、拋光效果顯著而被普遍使用。本發(fā)明電化學(xué)拋光步驟為：在20V直流電壓下，以鋁片為陽極，不銹鋼片為陰極(鋁片正面正對陰極)，恒壓拋光3min左右直到鋁片表面的氧化層脫落，鋁片表面露出新鮮光亮鏡面。其中，拋光液的組分為高氯酸:無水乙醇＝1:6(v:v)的混合溶液。拋光過程要在0℃水浴中來減少過程中所放出的大量對發(fā)明的影響。同時，拋光過程不宜過長，否則會因為拋光過程中過大的電流產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象。
(4)一次陽極氧化
將拋光處理后的鋁片背面拋光邊界線以下涂上一層薄薄的凡士林，然后以鋁片為陽極，不銹鋼片為陰極(光亮面正對陰極)，調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源輸出電壓并控制反應(yīng)溫度為5℃，在0.3M的草酸溶液中恒電壓氧化2h。在鋁片背面涂上一層凡士林可以有效防止背面鋁片參與陽極化，進而限制由于陽極化電流的增大使得電解液溫度上升，造成陽極化失敗，同時可以簡化去鋁基的后處理過程。
(5)氧化層的去除
第一次陽極氧化在鋁片表面形成的氧化膜通常要被腐蝕掉，因為此時納米孔有序度比較低，孔徑有大有小，形貌較差。經(jīng)過腐蝕后的鋁表面會留下有序排列的碗狀凹坑，為第二次陽極氧化生成更有序的氧化鋁模板奠定基礎(chǔ)。本發(fā)明以三氧化鉻(5g/L)和磷酸(體積分數(shù)5％)的混合溶液為腐蝕液,控制溫度70℃反應(yīng)1h，以確保完全去除第一次反應(yīng)生成的氧化膜。
(6)二次陽極氧化
為了得到較厚的氧化鋁模板，在與第一次陽極氧化相同的條件下，要進行時間更長的第二次陽極氧化。
(7)去鋁基
將二次陽極氧化后的鋁片取下，用紙片輕輕刮去凡士林層，用棉簽蘸取飽和氫氧化鈉溶液輕輕涂抹反面，以除去反面少量的氧化鋁層。將處理后的鋁片浸入飽和四氯化錫溶液中，待鋁基去除完全，用二次蒸餾水將模板沖洗干凈。去除鋁基后的模板呈完全透明狀，且由于二次陽極化過程中鋁片背面周邊的凡士林少量脫落，導(dǎo)致周邊被氧化。涂抹氫氧化鈉溶液時留下周邊部分，這樣，在去除鋁基時由于周邊部分兩側(cè)均有氧化鋁層保護而留下鋁圈。在后續(xù)發(fā)明操作中該鋁圈可以起到穩(wěn)定氧化鋁模板的作用，從而有效地減小氧化鋁模板破碎的概率。
(8)去阻擋層并通孔
去除鋁基后的模板由上下兩部分構(gòu)成，上層為有序排列的疏松孔道結(jié)構(gòu)，下層是管道底部的一層致密阻擋層。該阻擋層不導(dǎo)電，若用于制備金屬納米線陣列則必須除去或減薄。將模板漂浮在磷酸溶液表面上，待溶液腐蝕掉模板底部的阻擋層后由毛細管作用沿孔道上升，直到溶液到達模板上表面并最終完全覆蓋，被覆蓋的模板逐漸下沉。待模板下沉后用鑷子夾出并用二次蒸餾水沖洗干凈。
實施例2：Pd納米線修飾電極
本實施例的Pd納米線修飾電極，是采用實施例1中的制備方法制備而成的。實施例3：Pd納米線修飾電極的用途
Pd納米線修飾電極檢測2,4-噻唑烷二酮的濃度，取2,4-噻唑烷二酮溶液，以Pd納米線修飾電極為工作電極，以0.2M PBS為底液，采用循環(huán)伏安法對2,4-噻唑烷二酮溶液進行檢測，得到響應(yīng)信號與2,4-噻唑烷二酮濃度的線性關(guān)系，再采用循環(huán)伏安法對干擾物質(zhì)，甲糖寧，鹽酸二甲雙胍進行對比測試。
TZD濃度在6μM-200μM范圍內(nèi)時，所得的響應(yīng)信號與TZD的濃度存在良好的線性關(guān)系(y(μA)＝0.4062C+28.84)，其相關(guān)系數(shù)為R＝0.998，檢測TZD濃度的下限是0.02μM。
幾種干擾物質(zhì)對所制備的修飾電極的響應(yīng)信號遠低于TZD對所制備修飾電極的響應(yīng)信號。
以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準。