一种用于高灵敏同步检测重金属镉、铅、汞、铜、锌离子的电化学传感器及制备方法与流程

文档序号:17917674发布日期:2019-06-14 23:53
一种用于高灵敏同步检测重金属镉、铅、汞、铜、锌离子的电化学传感器及制备方法与流程

本发明涉及检测多种重金属的电化学传感器领域,具体是一种用于高灵敏同步检测重金属镉、铅、汞、铜、锌离子的电化学传感器及制备方法。



背景技术:

随着现代社会的不断发展,有毒重金属的释放越来越多。环境和食品中镉、铅、汞、铜和锌等重金属含量过高正日益成为致命威胁。这些重金属是不可生物降解的,会在环境和人类和动物的食物中不断积累。镉是一种主要的致癌物质,它通过抑制酶、产生DNA错配、放大细胞错误和突变,导致多种癌症、心血管疾病和骨质疏松症。铅可导致儿童死亡,严重损害大脑和肾脏,表现为肾病和绞痛样腹痛。剧毒的汞威胁着大脑、肾脏和肺,并导致肢端痛、亨特-罗素综合症和水俣病。过量的铜通过产生活性氧和破坏DNA而引起慢性毒性,如威尔逊氏病,以及急性毒性甚至死亡。尽管锌在人体中具有重要作用,但过量的锌会使肝脏或肾脏丧失功能,从而引发嗅觉丧失。最近的研究表明,多种重金属特别是镉、铅、汞、铜、锌共存,可在人和动物中诱导协同和加性毒理作用。随着环境和食品中多种重金属引起的问题日益严重,开发一种快速、灵敏、简便的同时检测多种重金属离子的方法迫在眉睫。

目前用于检测重金属镉、铅、汞、铜、锌离子的传统方法主要有原子荧光光度法、原子吸收光谱法、电感耦合等离子体发射光谱、电感耦合等离子体质谱法等方法。尽管上述提及的方法具有较好的选择性和较高的灵敏度,但是这些方法所需要的设备昂贵、设备体积大、不利于携带,而且制备样品消耗时间长,设备操作复杂、需要专业人员检测以及不能应用于实时在线检测重金属离子。电化学溶出伏安法由于具有高的灵敏度、简单的操作、低的成本、低的检测限、快速的响应等优点,能克服传统技术所遇到的问题,是一种有前途的应用于检测微量重金属镉、铅、汞、铜、锌离子的方法。而在各种电化学溶出伏安方法中,阳极溶出伏安法具有更高的灵敏度,更适合应用于重金属离子检测。

电化学阳极溶出伏安法检测重金属,包括重金属离子在工作电极上吸附和溶出两个过程,修饰电极的纳米材料在提高电化学传感器检测重金属离子的性能方面扮演着重要的作用。目前常用的修饰电极材料有多壁碳纳米管、金属纳米离子、金属氧化物等。但现有电化学检测多个重金属的灵敏度较低,检测限较高,线性范围较窄,这些阻碍了其广泛的应用。因此基于环境友好和低成本的电极修饰纳米材料在同时检测多个重金属方面的高性能仍然是一个挑战。同时此外,据我们所知,目前许多电化学检测方法最多可以测定4个重金属。



技术实现要素:

鉴于现有技术存在的问题,本发明的目的是提供一种用于高灵敏同步检测五种重金属离子(镉、铅、汞、铜、锌离子)的电化学传感器及制备方法。

一种用于高灵敏同步检测五种重金属离子(镉、铅、汞、铜、锌离子)的工作电极,电极修饰有效组分为四氧化三铁/氟化多壁碳纳米管,所述的四氧化三铁/氟化多壁碳纳米管是由氟化多壁碳纳米管和氟化多壁碳纳米管上均匀负载的四氧化三铁纳米粒子构成的纳米复合材料。

按上述方案,所述的工作电极为采用四氧化三铁/氟化多壁碳纳米管/Nafion修饰的玻碳电极。

按上述方案,所述的四氧化三铁纳米粒子的粒径为4-8nm,所述的氟化多壁碳纳米管直径:28~32nm,长度<10μm。

一种用于高灵敏同步检测五种重金属离子(镉、铅、汞、铜、锌离子)的电化学传感器,包括电化学工作站、电解池和电极,所述的电极包括对电极、参比电极和工作电极。

按上述方案,所述的对电极为铂丝对电极,所述的参比电极为银/氯化银。

一种用于高灵敏同步检测五种重金属离子(镉、铅、汞、铜、锌离子)的工作电极的制备方法,将四氧化三铁/氟化多壁碳纳米复合材料用Nafion溶液分散后修饰到基底表面制备电极。

具体地,将Fe3O4和氟化多壁碳纳米管加无水乙醇超声处理,然后离心干燥得到四氧化三铁/氟化多壁碳纳米管纳米复合材料,然后将四氧化三铁/氟化多壁碳纳米复合材料分散在质量分数是0.3%-5%的Nafion溶液中,超声分散,获得四氧化三铁/氟化多壁碳纳米复合材料/Nafion分散液,其中四氧化三铁/氟化多壁碳纳米管纳米复合材料的浓度最佳为6 mg/mL;

取上述制备所得的电极修饰液即四氧化三铁/氟化多壁碳纳米复合材料/Nafion分散液滴涂到抛光、洁净处理后的玻碳电极的表面,干燥,得到四氧化三铁/氟化多壁碳纳米管 /Nafion复合材料修饰的玻碳电极。所述的抛光、洁净处理可为依次采用1.0、0.3、0.05μm 规格的氧化铝浆料对玻碳电极进行抛光处理,而且采用超纯水和无水乙醇对玻碳电极进行超声清洗,最后用氮气吹干玻碳电极。

按上述方案,所述的Fe3O4和氟化多壁碳纳米管的质量比为1:3~1:5。所述的超声时间为30分钟,然后在10000rpm离心5分钟,最后在60℃下真空干燥过夜。

按上述方案,所述的氟化多壁碳纳米管的制备:将多壁碳纳米管脱气除杂,然后,在 200~450℃氟化24小时,其中气氛为F2/N2(1:9~7:3,v/v),最后脱气除去未反应的气体,冷却备用。

按上述方案,所述的脱气除杂温度为150℃,脱气除杂时间为1小时。

按上述方案,所述四氧化三铁的合成:通过水热法合成四氧化三铁,将0.135g FeCl3·6H2O和0.264g抗坏血酸溶解在19.7mL H2O中,然后加入5.3mL 80%N2H4·H2O。搅拌约30分钟后,将均相溶液转移到50mL聚四氟乙烯的高压釜中并在180℃下反应8小时。将自然冷却后的反应溶液离心,并用乙醇和水洗涤三次,冷冻干燥。

提供一种同步高灵敏检测重金属镉、铅、汞、铜、锌离子的方法,其包括以下步骤:

(1)使用前述的用于同步高灵敏检测重金属镉、铅、汞、铜、锌离子的电化学传感器,将工作电极(2)、对电极(3)和参比电极(4)的一端分别连接到电化学工作站上(1),工作电极(2)、对电极(3)和参比电极(4)的另一端分别放置在电解池(5)中的电解液中,所述电解池(5) 中的电解液为含有待测镉、铅、汞、铜、锌离子的醋酸-醋酸钠缓冲溶液;

(2)在电化学工作站上选择阳极溶出伏安法,富集电位设置-1.25V~-1.35V,进行i-t 富集,富集结束后,镉、铅、汞、铜、锌离子会富集到修饰了修饰液的工作电极上;

(3)i-t富集时间结束后,立即停止对电解池中溶液的搅拌,静置,在工作电极上加载一个电压范围为-1.2V~0.6V的正向扫描电压,富集在工作电极上的镉、铅、汞、铜、锌单质被氧化为镉、铅、汞、铜、锌离子,溶出回到电解缓冲溶液中,由电化学工作站记录电流- 电压的变化情况,得到电流-电压曲线,测定不同镉、铅、汞、铜、锌浓度下的阳极溶出峰电流,基于镉、铅、汞、铜、锌离子浓度与峰电流之间的线性关系定量分析获得待测镉、铅、汞、铜、锌离子的浓度。

按上述方案,所述的醋酸-醋酸钠缓冲溶液的pH值为4~6,优选为5.0,浓度为0.1M。

按上述方案,富集同时可对电解液进行搅拌,搅拌速度为500rpm/min。

按上述方案,富集电位优选为-1.3V,富集时间优选设置为180s。

本发明相对于现有技术的有益效果包括:

本发明工作电极所修饰纳米材料为四氧化三铁/氟化多壁碳纳米管,其具有较好的导电性能和较好的吸附重金属阳离子的性能,可增强工作电极对所测电位条件下的重金属阳离子的吸附,使得重金属离子易沉积、工作电极不析氢、实现镉、铅、汞、铜、锌离子的同步检测,同时提高同步检测通量,且检测更灵敏,检测限更低,线性范围更宽。具体地,其中修饰电极材料四氧化三铁/氟化多壁碳纳米管中的氟化多壁碳纳米管由于氟化引入了C-F键,半离子C-F键具有一定的负电荷,使氟化碳纳米管的表面带负电荷,从而增强了对阳离子的吸附能力。同时四氧化三铁也对重金属离子具有较好的吸附性能,四氧化三铁-氟化多壁碳纳米管的协同作用增强了两者对重金属离子的吸附性能,同时四氧化三铁均匀分散在导电性能较好的氟化多壁碳纳米管上,使得复合材料的比表面积较大,同时电子传递速率较好,这有助于实现多种重金属离子的同时高灵敏吸附。

进而本发明提供的用于高灵敏同步检测5种重金属离子的电化学传感器用于重金属离子的检测,相比于其它的方法,可提高检测通量,并实现5中重金属离子的同时检测,具有材料绿色环保,检测线性范围宽,检测灵敏度高、检测限低和稳定性好等优点,而其他大多数文献目前均只能同时检测1-4种重金属离子。此外本发明还能够用于实际样品中镉、铅、汞、铜、锌离子的检测。

该电化学传感器可实现重金属镉、铅、汞、铜、锌离子的高灵敏同步检测,对重金属镉、铅、汞、铜、锌离子的检测灵敏度分别为:29.88,43.50,120.86,90.31和47.34μA μM-1cm-2,检测限分别为0.014,0.0084,0.0039,0.0053,和0.012μM,线性范围分别为0.048-30.0, 0.028-30.0,0.013-32.5,0.017-31.5和0.039-32.5μM。

附图说明:

图1为(A)Fe3O4/F-MWCNTs的XRD图;Fe3O4/F-MWCNTs的XPS图:C 1s(B)、F 1s (C)、Fe 2p(D)、O 1s(E)。

图2为(A)Fe3O4,(B)F-MWCNT,(C)Fe3O4/F-MWCNTs的扫描电镜图(A,B插图分别为Fe3O4和F-MWCNT的EDS图);(D)Fe3O4/F-MWCNTs的高分辨扫描电镜图;(E)Fe3O4/F- MWCNTs,(F)C,(G)F,(H)Fe,(I)O的元素映射图。

图3为(A,D)Fe3O4,(B,E)F-MWCNT,(C,F)Fe3O4/F-MWCNTs的透射电镜图;(G) Fe3O4,(H)F-MWCNT,(I)Fe3O4/F-MWCNTs的高分辨透射电镜图(G,H插图分别为Fe3O4和Fe3O4/F-MWCNTs的选区电子衍射图)。

图4(A)为(a)GCE,(b)Fe3O4,(c)F-MWCNT和(d)Fe3O4/F-MWCNT电极的阻抗对比图, 实验结果表面工作电极上已被成功修饰上Fe3O4/F-MWCNT/Nafion;(B)为(a)GCE,(b)Fe3O4, (c)F-MWCNT和(d)Fe3O4/F-MWCNT电极在0.1M NaAc-HAc缓冲溶液(pH值为5.0)中对10 μM锌(II)、镉(II)、铅(II)、汞(II)、铜(II)五种离子的溶出伏安响应图。

图5为各反应条件的优化图,(A)醋酸电解液pH值优化,(B)沉积电位优化,(C)沉积时间优化。实验结果表面工作电极上已被成功修饰上Fe3O4/F-MWCNT/Nafion。

图6为Fe3O4/F-MWCNTs/GCE同时检测不同浓度的五种金属离子的阳极溶出伏安响应图,由图可见峰电流随离子浓度的增大而增大,说明该电极对5种离子均具有较好的灵敏性。

图7为同时检测锌(II)(A)、镉(II)(B)、铅(II)(C)、汞(II)(D)、铜(II)(E)五种离子的线性曲线图,分别见(A)、(B)、(C)、(D)、(E)。由对应的线性曲线可计算得到镉、铅、汞、铜、锌离子的检测灵敏度分别为:29.88,43.50,120.86,90.31和47.34μA μM-1cm-2,检测限分别为0.014,0.0084,0.0039,0.0053,和0.012μM,线性范围分别为0.048-30.0,0.028-30.0, 0.013-32.5,0.017-31.5和0.039-32.5μM。

具体实施方式

实施例1

一种四氧化三铁-氟化多壁碳纳米管/Nafion修饰的玻碳电极的制备方法,包括以下步骤:

【1】氟化多壁碳纳米管的制备:将多壁碳纳米管置于镍反应器中,在150℃下脱气1 小时除去杂质。然后,将0.2g多壁碳纳米管在380℃氟化24小时,其中气氛为F2/N2 (1:3,v/v),最后脱气除去未反应的气体,冷却备用。

【2】四氧化三铁的合成:通过水热法合成四氧化三铁,将0.135g FeCl3·6H2O和0.264 g抗坏血酸溶解在19.7mL H2O中,然后加入5.3mL 80%N2H4·H2O。搅拌约30分钟后,将均相溶液转移到50mL聚四氟乙烯的高压釜中并在180℃下反应8小时。将自然冷却后的反应溶液离心,并用乙醇和水洗涤三次,冷冻干燥。

【3】四氧化三铁/氟化多壁碳纳米复合材料的制备:将20mg Fe3O4和80mg制备好的氟化多壁碳纳米管加入到10mL无水乙醇中超声处理30分钟,然后在10000rpm离心5分钟,最后在60℃下真空干燥过夜,得到四氧化三铁/氟化多壁碳纳米复合材料(Fe3O4/F- MWCNTs)。

【4】四氧化三铁-氟化多壁碳纳米管/Nafion分散液的配制:将1.5mg四氧化三铁/氟化多壁碳纳米复合材料分散在250μL的Nafion溶液中(Nafion的质量分数是0.5%wt.%),超声分散30分钟,配制成四氧化三铁-氟化多壁碳纳米管的浓度为6mg/mL,Nafion的质量分数为0.5%的电极修饰溶液。

【5】修饰电极的制备:依次采用1.0、0.3、0.05μm规格的氧化铝浆料对玻碳电极进行抛光处理,而且采用超纯水和无水乙醇对玻碳电极进行超声清洗,最后用氮气吹干玻碳电极;用移液枪取步骤d中制备所得的电极修饰液3μL滴涂到抛光的玻碳电极表面,随后,在红外线灯下烘干玻碳电极3分钟,得到四氧化三铁-氟化多壁碳纳米管/Nafion复合材料修饰的玻碳电极。

图1(A)为合成的四氧化三铁/氟化多壁碳纳米管的XRD图,通过与标准PDF卡片进行对比,验证得到四氧化三铁/氟化多壁碳纳米管纳米复合材料已被成功合成。

图1(B-E)为四氧化三铁/氟化多壁碳纳米管中各元素的XPS图,由XPS图可得到四氧化三铁/氟化多壁碳纳米管中的组分及成键情况,测试结果表面四氧化三铁/氟化多壁碳纳米管中含有半离子C-F键。进一步验证了四氧化三铁/氟化多壁碳纳米管纳米复合材料被成功合成。

图2(A-D)的SEM测试结果表明,四氧化三铁纳米尺寸约为4-8nm,且四氧化三铁纳米粒 子均匀分布在氟化多壁碳纳米管表面,图2(A,B)的插图为四氧化三铁和氟化多壁碳纳米 管的EDS图,EDS测试结果得到纳米材料各原子的比例,从而验证了四氧化三铁和氟化多壁 碳纳米管被成功制备。图2(E-I)为四氧化三铁/氟化多壁碳纳米管复合材料的各元素的元 素映射图,图中各元素均匀分布,进一步验证该材料被成功制备。

图3(A,D)Fe3O4,(B,E)F-MWCNT,(C,F)Fe3O4/F-MWCNTs的透射电镜图;(G)Fe3O4, (H)F-MWCNT,(I)Fe3O4/F-MWCNTs的高分辨透射电镜图。图3表征结果与SEM一致,四氧化三铁纳米尺寸为4-8nm,氟化多壁碳纳米管表面粗糙说明其被成功氟化。图3(C、F、I)说明四氧化三铁纳米粒子均匀分布在氟化多壁碳纳米管表面。图3(G、I)的插图分别为四氧化三铁和四氧化三铁/氟化多壁碳纳米管复合材料的选区电子衍射图,测试结果表明其均为多晶结构。

测试仪器及条件:

该传感器是由电化学工作站、电解池、工作电极、对电极和参比电极组成。采用铂丝作为对电极,采用银/氯化银作为参比电极,工作电极是由玻碳电极为基底,Nafion薄膜、四氧化三铁/氟化多壁碳纳米管复合材料修饰而成的四氧化三铁/氟化多壁碳纳米管/Nafion修饰的玻碳电极。工作电极、对电极和参比电极的一端分别连接到电化学工作站上,工作电极、对电极和参比电极的另一端分别放置在电解池中的电解液中。

电解池中的电解液为含有待测镉、铅、汞、铜、锌离子的醋酸-醋酸钠缓冲溶液,醋酸- 醋酸钠缓冲溶液的pH值为5.0,浓度为0.1M。

检测方法:

(1)在电化学工作站上选择阳极溶出伏安法,富集电位设置为-1.3V,富集时间设置为180 s;将电解池放置到电动搅拌器上,在电解池中放置一个搅拌子,设置电动搅拌器的搅拌速度为500rpm/min,通过在电化学工作站上运行i-t富集,运行富集时间结束后,待测镉、铅、汞、铜、锌离子会富集到修饰了修饰液的工作电极上。

(2)i-t富集时间结束后,立即停止对电解池中溶液的搅拌,静置30s后,在工作电极上加载一个电压范围为-1.2V~0.6V的正向扫描电压,富集在工作电极上的镉、铅、汞、铜、锌单质被氧化为镉、铅、汞、铜、锌离子,溶出回到电解缓冲溶液中,由电化学工作站记录电流-电压的变化情况,得到电流-电压曲线,测定不同镉、铅、汞、铜、锌浓度下的阳极溶出峰电流,得到镉、铅、汞、铜、锌离子浓度与峰电流之间的线性关系用于定量检测待测镉、铅、汞、铜、锌离子的浓度。

图4A为不同电极的阻抗对比图,其中:GCE(a),Fe3O4(b),F-MWCNT(c)和Fe3O4/F- MWCNT(d)电极的阻抗对比图,从图中可知Fe3O4/F-MWCNT的阻抗较Fe3O4和F-MWCNT 小,说明材料复合后导电性得到了提高;

图4B为不同修饰电极同时测试同一浓度5种离子的对比图,从图中可知Fe3O4/F- MWCNT出峰最好,对5种离子的同时检测最灵敏。综合A,B图得到Fe3O4/F-MWCNT修饰电极为最优修饰电极。

图5通过控制变量法,采用溶出伏安法(SWV)测定浓度分别为10μM的5种重金属离子,根据SWV峰值电流选择最佳电解质pH值、沉积电位和沉积时间。((A)pH值优化, 用Fe3O4/F-MWCNT/0.5%Nafion电极在不同pH值(pH值为2~8)的0.1NaAc-HAc缓冲溶液同时检测10μM的5种重金属离子,最终最优pH为5.0;

(B)用Fe3O4/F-MWCNT/0.5%Nafion电极在pH值为5.0的0.1NaAc-HAc缓冲溶液中,在不同沉积电位(-1.0V~-1.5V)下富集后同时检测10μM的5种重金属离子,最终最优沉积电位为-1.3V;

(C)用Fe3O4/F-MWCNT/0.5%Nafion电极在pH值为5.0的0.1NaAc-HAc缓冲溶液中,在-1.3V沉积电位、不同富集时间(富集时间为60~360秒)下,同时检测10μM的5 种重金属离子,最终最优沉积时间为180秒。

图6为Fe3O4/F-MWCNTs/GCE同时检测不同浓度的五种金属离子的阳极溶出伏安响应图,由图可见峰电流随离子浓度的增大而增大,说明该电极对5种离子均具有较好的灵敏性。

图7为同时检测锌(II)(A)、镉(II)(B)、铅(II)(C)、汞(II)(D)、铜(II)(E)五种离子的线性曲线图,分别见(A)、(B)、(C)、(D)、(E)。由对应的线性曲线可计算得到镉、铅、汞、铜、锌离子的检测灵敏度分别为:29.88,43.50,120.86,90.31和47.34μA μM-1cm-2,检测限分别为0.014,0.0084,0.0039,0.0053,和0.012μM,线性范围分别为0.048-30.0,0.028-30.0, 0.013-32.5,0.017-31.5和0.039-32.5μM。

重现性和稳定性研究:

6根电极同时平行测试同一浓度的5种离子,RSD分别为3.84%,2.01%,1.19%,3.81%和 4.75%,对应于镉、铅、汞、铜、锌离子,说明其具有较好的重现性。

同一根电极放置室温下30天,30天时其测试电流值为其初始值的93.2%,94.3%,96.4%, 93.1%和93.5%,对应于镉、铅、汞、铜、锌离子,说明该传感器具有较好的稳定性。

实际样品检测:

从当地城市收集的湖水和实验室自来水样品通过滤水膜(0.45μm)过滤。将200 μLHNO3(68.0%,v/w)加入到10mL水样品中进行酸化处理3小时,加热赶酸后测试。对于大米样品,将1g大米样品用10mL硝酸在消化罐中密封后在微波炉中微波消解。最后用用 5mL H2O稀释样品并用电热板赶酸后测试。

将原始实际样品用经典方法(ICP-MS和AFS)进行测试,之后在原始样品中进行加标回收检测,将用Fe3O4/F-MWCNTs电化学传感器的检测结果与经典方法进行比较。具体结果见表1。

表1Fe3O4/F-MWCNT电化学传感器加标回收检测实际样品与经典方法的比较

Nd:未检测到

a:电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)

b:原子荧光光谱法(AFS)

c:3次单独测试实验数据计算得到的相对标准偏差(%)

结果表明:用Fe3O4/F-MWCNTs电化学传感器和典型方法(ICP-MS和AFS)检测实际样品,结果具有较好的一致性,RSD小于5.63%,回收率为96.0%和101.5%(表1)。经典方法中,ICP-MS测Cd(II),Pb(II),Cu(II),和Zn(II),AFS测Hg(II),ICP-MS与AFS测试参数参见GB/T 5750.6-2006(中国饮用水-金属参数标准检验方法)。详细操作条件如下:【1 】ICP-MS:泵速:29r·min-1,雾化器流量:0.86L·min-1,功率:1300w,辅助气体:0.7 L·min-1,样品冲洗时间:40s,扫描:峰值跳跃和采样深度:180。【2】AFS:测量方法:冷原子,灯电流:30mA,炉温:100℃,高压:230V,载气流速:800L·min-1

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