一种有序硅纳米孔道薄膜/氧化铟锡电极电化学检测铅离子的方法与流程

本发明涉及新材料领域，具体涉及一种有序硅纳米孔道薄膜/氧化铟锡电极电化学检测铅离子的方法。

背景技术：

铅具有熔点低、耐腐蚀、密度高、易于加工等特点而被广泛应用于各个领域。全世界每年铅消耗量约为400万吨，但仅有1/4的铅被回收利用，其余的会以不同形式如废水，废渣等形式进入环境中从而对土壤和水体造成污染。

生活中人体可能通过饮食的方式摄入微量的铅，如食用含铅的皮蛋，饮用铅含量超标的水。摄入的铅经人体吸收后，可在人体内富集。铅主要存在于骨骼中，少量富集在肝、脑、肾和血液中，富集在体内的铅根据其富集的量，富集的部位及人体自身对于铅的敏感度而表现出各种危害。铅会对造血系统造成影响，引起贫血和溶血。长期摄入铅，可引起慢性铅中毒。过量铅的摄入会对神经系统造成严重的破坏，出现头痛、记忆力减退乃至幻觉等症状。儿童对铅的敏感度相比于成年人更高，儿童铅中毒主要表现为生长缓慢、智力低下、神经萎缩等。铅中毒还可导致癌症。国家规定血液中铅含量超过100微克/升即为铅中毒，因此需要发明一种简单有效的检测痕量铅离子的方法。

血铅含量的测定方法多种多样，常规的有原子吸收光谱法、原子发射光谱分析法、同位素稀释质谱法、电位溶出法。但是这些方法都存在一定的局限性，如原子吸收光谱法由于原子的极化率较低，对于低浓度的铅检测较为困难。同位素稀释质谱法检测灵敏且可靠，但是该方法繁琐而且费时，并且实验需要的仪器昂贵，因此在实际应用中价值不大。电位溶出法检测灵敏，抗干扰能力强，是较常用的血铅检测方法，但是仍然需要血铅仪才能测定。对于复杂样品的检测，上述方法中样品都需要经过复杂的处理才可进行检测。

公布号CN 101017149A的专利文献公开了一种一次性使用的血铅生物传感器，利用丝网印刷技术制作了工作电极，对电极和参比电极，工作电极在高电压氧化下，形成碳氧官能基，可以提高铅离子沉积在电极表面的能力，从而提升铅离子的检测信号。该方法克服了电化学检测血铅需要专业的仪器，但是该方法测定血铅的过程中，电极的预氧化过程较为繁琐且传感器仅可以使用一次，因此对于推广应用造成了较大的阻碍。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种有序硅纳米孔道薄膜/氧化铟锡电极电化学检测铅离子的方法，利用有序硅纳米孔道薄膜/氧化铟锡电极对铅离子的强富集作用和纳米孔道对大多数干扰物质的排阻作用，实现对铅离子快速有效地电化学定量测定。

一种有序硅纳米孔道薄膜/氧化铟锡电极电化学检测铅离子的方法，包括以下步骤：

(1)将待检样品与缓冲液混合得到pH值为3.6～6.0的待测液；

(2)采用三电极体系，以有序硅纳米孔道薄膜/氧化铟锡电极作为工作电极，铂丝或铂片为对电极，银/氯化银电极为参比电极，恒电压法富集待测液中的铅离子，富集电压为-0.8V～-0.6V；

(3)将完成富集的电极置于空白的pH值为3.6～6.0的缓冲液中，利用微分脉冲伏安法测得峰电流值，根据标准曲线计算待检样品中的铅离子浓度；

所述微分脉冲伏安法扫描的起始电位为-0.95V～-0.65V，终止电位为-0.4V～0.5V。

本发明的有序硅纳米孔道薄膜/氧化铟锡(VOMs/ITO)电极的制备方法：以氧化铟锡(ITO)透明导电玻璃作为基质，以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为模板，正硅酸乙酯(TEOS)为硅源，在乙醇、水混合溶液中反应，合成得到了具有圆柱形胶束结构的有序硅纳米孔道薄膜/氧化铟锡电极(CSMs/VOMs/ITO)。得到的CSMs/VOMs/ITO电极在盐酸乙醇溶液中浸泡即可去除CTAB，制得有序硅纳米孔道薄膜/氧化铟锡电极(VOMs/ITO)。

本发明的VOMs/ITO电极具有三层结构，从外而内分别为有序硅纳米孔道薄膜、氧化铟锡、玻璃，其中有序硅纳米孔道薄膜(VOMs)厚度80～100nm，孔道结构均一，孔径为2～3nm，孔隙率高，且热稳定性和化学稳定性高，是一种有效的纳米孔道薄膜，可以有效应用于分析、传感器等领域。

由于有序硅纳米孔道薄膜(VOMs)内的硅羟基在pH值为3.6～6.0的缓冲溶液中具有较负的Zeta电位，可以有效富集铅离子，提高铅离子的电化学检测灵敏度。有序硅纳米孔道薄膜负的Zeta电位是由其结构导致。有序硅纳米孔道薄膜的结构为溶胶-凝胶法所得的硅胶，其pKa值约为1.7。因此，在所用pH值范围内，由于Si-OH的电离而使材料具有负的电位。

若pH值高于6.0，铅离子容易发生水解，影响最终检测结果。

本发明选用的缓冲体系首先要保证铅离子游离分布于溶液中，作为优选，所述缓冲液为浓度为0.02mol/L～0.5mol/L的醋酸-醋酸钠缓冲液，pH值为3.6～5.6。由于缓冲体系的pH会改变硅羟基与铅离子的结合能力，本发明根据铅离子的DPV峰电流信号强度，得出pH的最优条件，更为优选，所述缓冲液的pH值为5.6。在pH值为5.6的缓冲条件下，本发明的检出限为0.087nM，检测范围为100pmol/L-1μmol/L。

为了保证待测液的pH值和缓冲容量，待检样品与缓冲液的混合比例为1:1～1:100。作为优选，混合比例为1:40。

本发明采用三电极体系，有序硅纳米孔道薄膜/氧化铟锡电极作为工作电极，铂电极作为对电极，Ag/AgCl电极作为参比电极。

富集电压一般需要高于铅离子的氧化还原电位，使得离子能够在电极表面沉积。富集电压为-0.8V～-0.6V，在该恒电压条件下，本发明实现只针对铅离子的富集。若电压低于-0.8V，ITO层会被还原；电压高于-0.6V会导致铅离子无法富集，后续无法检测到铅离子。进一步优选，富集电压为-0.75V。

作为优选，恒电压富集时间为20s～600s。富集时间短，铅离子富集量不够，微分脉冲伏安法的电化学信号弱，无法准确检测待测样品的铅离子含量；富集时间过长，会使检测时间冗长，并且造成电极表面形态的变化。更为优选，富集时间为420s。

富集过程中，对待测液进行持续搅拌。作为优选，所述搅拌为磁力搅拌。

本发明采用微分脉冲伏安法(DPV)可以得到铅离子溶出电流信号。起始电位主要是根据ITO电极自身能够承受的最大电位和铅离子溶出的电位制定的，ITO电极在小于-1.0V的电位下，自身会发生氧化还原反应，而使电极被破坏，因此我们起始电位最低值不能低于-1.0V，铅离子溶出的DPV峰电位为-0.55V，因此起始电位必须低于-0.55V。终止电位的选择是根据峰的宽度决定的，终止电位只需要使得铅离子的峰形完全产生即可。进一步优选，微分脉冲伏安法扫描的起始电位为-0.75V，终止电位为-0.2V。

当铅离子浓度为100pmol/L-1μmol/L时，DPV峰电流与铅离子浓度的对数具有线性关系，可实现对铅离子的定量检测。

步骤(3)中，所述标准曲线的建立方法为：

(a)制备一组铅离子浓度的对数值呈梯度分布的pH值为3.6～6.0的标准品；

(b)采用三电极体系，以有序硅纳米孔道薄膜/氧化铟锡电极作为工作电极，铂丝或铂片为对电极，银/氯化银电极为参比电极，恒电压法富集各标准品中的铅离子，富集电压为-0.8V～-0.6V；

(c)将完成富集的电极置于空白的pH值为3.6～6.0的缓冲液中，利用微分脉冲伏安法测得各标准品的峰电流值，所述微分脉冲伏安法扫描的起始电位为-0.95V～-0.65V，终止电位为-0.4V～0.5V；

(d)根据铅离子浓度的对数值与峰电流值绘制标准曲线。

建立标准曲线的电化学实验条件与检测待检样品的条件保持一致。作为优选，所述标准品的缓冲体系为醋酸-醋酸钠缓冲液。

所述待检样品为分离的血清样品、水样、食物样品或纯铅离子样品。

研究表明，本发明的检测方法能够选择性地检测出待检样品中的铅离子。当待检样品中含有抗坏血酸、葡萄糖、牛血清白蛋白、过氧化氢酶、凝血酶、多巴胺等大分子物质时，不影响对铅离子的检测。这主要归因于有序硅纳米孔道的体积排阻作用。由于有序硅纳米孔道薄膜的孔道仅为2～3nm，大分子物质无法通过孔道到达电极表面产生电流信号，从而避免对铅离子含量的测定造成干扰。因此，本发明方法适用于检测分离的血清样品。

本发明具备的有益效果：

(1)本发明的VOMs/ITO电极具有丰富的硅羟基，在酸性缓冲条件下有效富集铅离子，当pH值为5.6时，本发明方法的检出限为0.087nM，对于微量的铅离子检测具有非常高的灵敏度。

(2)由于DPV的峰电位是以每种离子自身的氧化还原电位决定的，因此每种离子仅会存在一个DPV峰电位，本发明的富集电压和DPV电压均以铅离子自身的氧化还原电位决定，因此，其他离子对本发明的检测不产生干扰。

(3)本发明的VOMs/ITO电极能够有效排阻生物大分子进入孔道，适用于血清之类复杂样品中的铅离子检测。

(4)本发明方法无需对实际样品进行有机物氧化等预处理，操作简便；电极可多次使用，节省成本。

(5)本发明检测速度快，检测效率高。

附图说明

图1为CSMs/VOMs/ITO电极(a)和VOMs/ITO电极(b)在甲醇二茂铁(实线)和铁氰化钾(虚线)溶液中的循环伏安曲线。

图2为三种电极的Zeta电位随pH值变化图，三角形坐标点为ITO电极，圆形坐标点为CSMs/VOMs/ITO电极，正方形坐标点为VOMs/ITO电极。

图3为VOMs/ITO电极截面的扫描电子显微镜图。

图4为CSMs/VOMs/ITO电极(a)和VOMs/ITO电极(b)的高分辨透射电子显微镜图。

图5为在含有1μmol/L铅离子的不同pH值醋酸-醋酸钠缓冲液中经过恒电压富集后，DPV法测得峰电流强度。

图6为在含有1μmol/L铅离子的醋酸-醋酸钠缓冲液(pH 5.6)中恒电压富集不同时间后，DPV法测得峰电流强度。

图7为VOMs/ITO电极的循环利用性。

图8为VOMs/ITO电极的抗干扰性。

图9为VOMs/ITO电极检测不同浓度铅离子的DPV曲线。

图10为铅离子浓度对数与峰电流强度的线性曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

1、VOMs/ITO电极的制备

(1)前驱体溶液配制：称取0.16g CTAB，加入70ml去离子水充分搅拌，依次加入30ml乙醇，12μL氨水(20-25％)、80μL TEOS，搅拌10min。

(2)CSMs/VOMs/ITO电极制备：将前驱体溶液倒入反应器内，并放入洗净的ITO电极。将反应器密封，60℃水浴中加热24h，反应完成后，样品用大量去离子水洗涤干净，氮气吹干，样品置于100℃烘箱中老化12h。

(3)VOMs/ITO电极制备：将CSMs/VOMs/ITO电极置于0.1mol/L的盐酸/乙醇溶液，搅拌10min可去除电极中的CTAB胶束，得到VOMs/ITO电极。

2、表征

对实施例1中VOMs/ITO电极进行电化学探针表征，Zeta电位，扫描电子显微镜，透射电子显微镜等测试表征，得到的测试分析结果如图1～8所示。

图1a所示中性分子甲醇二茂铁能够在CSMs/VOMs/ITO电极孔道内产生电流信号，而阴离子铁氰酸根不能在CSMs/VOMs/ITO电极孔道内产生电流信号，这一结果有效证明了CSMs/VOMs/ITO电极中CTAB胶束的电荷排阻效应，阻碍了阴离子进入孔道到达电极表面，因此所得曲线只显示电容电流。图1b所示甲醇二茂铁和铁氰化钾均能在VOMs/ITO电极孔道内产生电流信号，说明电极内CTAB胶束已经去除。

图2所示在pH＝5.6的条件下VOMs/ITO电极的Zeta电位相比于CSMs/VOMs/ITO电极和ITO电极更负，这一结果有效证明VOMs/ITO电极对于铅离子有较强的富集作用，该现象为带负电ITO表面和硅羟基协同作用的结果。

图3所示VOMs/ITO电极的截面有明显的三层结构，从上到下分别为有序硅纳米孔道薄膜，氧化铟锡，玻璃。其中有序硅纳米孔道薄膜层厚度为85.7nm，具有超薄的结构特点。

图4为CSMs/VOMs/ITO电极(a)和VOMs/ITO电极(b)的高分辨率透射电子显微镜图，可以看到CSMs/VOMs/ITO电极(a)孔道结构均一，孔径为2～3nm且孔隙率高，除去CTAB胶束后，VOMs/ITO电极(b)仍然保有这些特点，说明CTAB的去除不会影响薄膜的孔道结构。

图5为VOMs/ITO电极对于铅离子检测的条件优选。其中pH 5.6的条件下得到的1μmol/L铅离子的峰电流信号最强，后续实验选择pH为5.6的醋酸-醋酸钠缓冲液为电解液。

图6为VOMs/ITO电极对于铅离子检测的条件优选。1μmol/L铅离子的峰电流信号随富集时间的增加而增加，当时间达到420s后VOMs/ITO电极对于铅离子的富集基本达到饱和，考虑实验效率等因素，因此后续实验选择420s作为恒电压法富集的时间。

图7为VOMs/ITO电极的循环利用性。将电极反复对同一浓度铅离子进行检测，经过10次循环后电极对铅离子响应仍保持90％。这一结果说明，电极具有突出的循环利用性能。

图8为VOMs/ITO电极的抗干扰性。将0.2μg/ml的铅离子分别与60μg/ml的抗坏血酸，葡萄糖，牛血清白蛋白，过氧化氢酶，凝血酶，多巴胺混合，测定铅离子浓度，均得到了很好的回收率。这一结果说明，抗坏血酸，葡萄糖，牛血清白蛋白，过氧化氢酶，凝血酶，多巴胺等分子对铅离子的测定，均没有影响。

3、建立工作曲线

(1)配制标准液：在pH 5.6的醋酸-醋酸钠缓冲溶液中，一系列铅离子浓度分别为0.1、0.5、1、5、10、50、100、400、500、800、1000nmol/L。

(2)将步骤1制得的VOMs/ITO电极作为工作电极，铂电极为参比电极，Ag/AgCl为参比电极，在其中分别加入一系列已知浓度的铅离子溶液，在-0.75V电压下，恒电压富集420s。

(3)将完成富集的电极用去离子水洗净后利用微分脉冲伏安法(DPV)测定不同浓度铅离子的峰电流强度，其中微分脉冲伏安法的工作参数：起始电位为-0.75V，终止电位为-0.2V。

(4)绘制工作曲线：以峰电流强度为纵坐标，以铅离子浓度的对数为横坐标，绘制工作曲线。

图9为VOMs/ITO电极对于不同浓度铅离子的DPV曲线，图10为浓度的对数与峰电流强度的线性曲线，图中线性关系良好，这一结果说明VOMs/ITO电极对于微量的铅离子检测具有非常高的灵敏度，检出限和检测范围。检出限为0.087nM，检测范围为100pmol/L-1μmol/L。

4、未知样品的电化学检测

用上述方法测定未知浓度实际样品的DPV峰电流强度，根据工作曲线计算得出铅离子浓度。

实施例2

将人工湖水与与pH 5.6醋酸-醋酸钠缓冲液以1:1的比例稀释，采用标准加入法分别加入1nmol/L、10nmol/L和500nmol/L铅离子溶液。

将实施例1中步骤1制得的VOMs/ITO电极作为工作电极，铂电极为参比电极，Ag/AgCl为参比电极，在其中分别加入上述溶液，在-0.75V电压下，恒电压富集420s。然后将完成富集的电极用去离子水洗净后利用微分脉冲伏安法(DPV)测定不同浓度铅离子的峰电流强度，其中微分脉冲伏安法的工作参数：起始电位为-0.75V，终止电位为-0.2V。

根据实施例1中步骤3建立的工作曲线计算铅离子浓度，进而计算回收率，结果见表1。

实施例3

将分离的人血清与pH 5.6醋酸-醋酸钠缓冲液以1:40的比例稀释，采用标准加入法分别加入1nmol/L、10nmol/L和500nmol/L铅离子溶液。

将实施例1中步骤1制得的VOMs/ITO电极作为工作电极，铂电极为参比电极，Ag/AgCl为参比电极，在其中分别加入上述溶液，在-0.75V电压下，恒电压富集420s。然后将完成富集的电极用去离子水洗净后利用微分脉冲伏安法(DPV)测定不同浓度铅离子的峰电流强度，其中微分脉冲伏安法的工作参数：起始电位为-0.75V，终止电位为-0.2V。

根据实施例1中步骤3建立的工作曲线计算铅离子浓度，进而计算回收率，结果见表1。

表1

^a平行五次实验取平均值

由表1数据看出，VOMs/ITO电极对于实际水样和血样中铅的加标回收均得到了良好的回收率。

实施例4

称取50g皮蛋样品，加入100mL pH 5.6醋酸-醋酸钠缓冲液，搅拌呈糊状，过滤得到浸出液，将样品分别用本发明方法和标准原子吸收光谱法分别测定，比较最终结果，见表2。

表2

^a平行五次实验取平均值。

由表2数据看出，对于皮蛋样品铅含量的测定，本发明方法与原子吸收光谱法测定得到的结果也基本吻合。

以上实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。