专利名称：化学需氧量的光电化学检测的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用光电化学电池检测水需氧量的新方法。特别地，本发明涉及使用二氧化钛纳米颗粒半导体电极检测水样化学需氧量的新光电化学方法。
背景技术：
几乎所有的家庭和工业废水都含有有机化合物，这在用于释放废水的排水沟中会引起不利的氧消耗(或需求)。这种需求很大程度上是由于天然微生物使有机化合物发生氧化生物降解而造成的，它们利用有机物质作为食物来源。在此过程中，碳被氧化成二氧化碳，而消耗氧并被还原成水。
检测水中综合性能如需氧量的标准分析方法是生物化学需氧量法(BOD)和化学需氧量法(COD)。BOD法涉及到使用异养微生物氧化有机物质，由此来分析需氧量。COD法使用强氧化剂，如重铬酸盐或高锰酸盐，从而氧化有机物质。BOD法分析进行超过5天，并利用滴定或使用氧探针来检测需氧量。COD法通过滴定或分光光度计来测量重铬酸盐或高锰酸盐消耗。
尽管BOD法和COD法广泛用于分析需氧量，但这两种方法都有严重的技术缺陷。这两种方法耗时并及为昂贵，全世界水工业和地方当局的成本计算超过十亿美元。使用BOD分析的其它问题包括受限制的线性工作范围；复杂耗时的过程；及受置疑的精确性和再现性(标准方法可以容许的相对标准偏差对于重复BOD5分析为±15％)。更重要的是，难于解释BOD结果，因为结果对于考虑的水体而言是特定的，结果取决于样品溶液中的污染物和所用菌种的性质。此外，BOD方法不能用于分析许多重污染水体的需氧量，这是由于污染物对异养菌的抑制和毒性。
与BOD方法相比，COD方法更快速并且变量更少，因而优选用于分析重污染水体中的有机污染物的需氧量。尽管如此，这种方法有如下几个缺点耗时，需要将样品回流2-4小时，并利用昂贵(例如Ag2SO4)、腐蚀性试剂(例如浓H2SO4)和高毒性试剂(Hg(II)和Cr(VI))。使用毒性试剂尤其会产生环境问题，因此在日本放弃使用Cr(VI)方法。
钛(IV)氧化物(TiO2)已广泛用于有机化合物的光氧化。TiO2是非光腐蚀性、非毒性、廉价的，可以相对容易地合成为高度催化的纳米颗粒形式，并对于光氧化降解有机化合物具有极高效率。
Fox M.A.和Tien，T(Anal.Chem，(601988)2278-2282)研究了一种光电化学检测器，他们使用高压液相色谱中用的阳极形成的TiO2电极。据报道这种光电化学检测器对于可氧化的有机物如醇极为敏感。Fox等人研发的电极系统具有较低的系统光催化效率并难于使用，这是因为该系统不能区分从水和有机物质氧化而产生的电流。
Brown，G.N.等人(Anal.Chem，64(1992)427-434)研究了一种光电化学检测器，他们使用热形成的TiO2电极作为流动注射分析和液相色谱中的检测器。发现检测器对于各种有机分析物都不敏感。Brown等人发现检测器的响应随温度、加热时间、氧化气氛、钛线电极的蚀刻、TiO2检测器上的掺杂量和溶剂而变化。与Fox等人相似，这种电极系统具有较低的光催化效率，并且不能区分从水和有机物质氧化而产生的电流。
Matthews R.W.等人(Analytic Chimica Acta 233(1990)171-179，也是澳大利亚专利597165的主题)使用TiO2光催化氧化系统来检测水样中的总碳，包括将TiO2放入浆料或悬浮液中，光氧化样品中的有机物质形成二氧化碳(CO2)。测量得到的CO2以预测样品的TOC值。Matthews发现从光催化电池放出的二氧化碳总量可以分析总有机碳。Jiang D.等人(J.Photochem & Photobio AChemistry 144(2001)197-204)也研究了纳米孔TiO2薄膜电极在光氧化甲醇方面的光电化学行为。Jiang发现电极的光电流响应很大程度上受所施加电势、光强度、甲醇浓度和pH的影响。发现光氧化甲醇产生的光电流和样品中甲醇浓度存在线性关系。然而，由于甲醇浓度提高，光电子迁移穿过TiO2薄膜及由此光产生的电荷分离成为速率决定步骤，从而限制了光电流和浓度间是线性关系的工作范围。
Lee Kyong-Hoon等人(Electroanalysis 12，No 16(2000)1334-1338)研究了COD法检测，他们使用微制造的Clark型氧电极和光催化氧化降解条件下悬浮在样品溶液中的TiO2细颗粒。在-800mV施加电势下，从氧电极产生的电流用于表明在光氧化之前和之后的氧浓度变化。然后，氧浓度变化与样品的COD值相关。
Kim，Yoon-Chang等人(Anal.Chem，72(2000)3379-3382；AnalyticChimica Acta 432(2001)59-66和Anal.Chem，74(2002)3858-3864)都涉及到COD法检测，他们使用二氧化钛颗粒来光催化氧化降解有机化合物。在Anal.Chem，2000中，Kim等人研究了半透明聚(四氟乙烯)(PTFE)膜，这种膜包括吸附或捕获在膜表面上的TiO2细颗粒，并且氧电极作为可能的COD传感器。稳定的TiO2颗粒用作氧化试剂，分析信号以工作电极和参考氧电极间的氧浓度测量值为基础。
在检测分析物的COD之前，使用亚硫酸钠(Na2SO3)确立校准曲线。在此研究中，Kim等人报道称膜传感器没有表现出良好的再现性。
在Analytic Chimica Acta 432(2001)59-66中，Kim等人研究了二氧化钛(TiO2)珠在电化学中的用途，及在检测光催化氧化有机化合物得到的溶解氧中氧电极作为传感器的用途，及由此得到的分析物的COD值。
在Anal.Chem，74(2002)3858-3864中，Kim等人研究了石英管中的0.6mm TiO2珠在检测光化学氧化有机化合物时氧消耗的用途，及随后根据记录在参考电极和工作氧电极上的电流差计算COD值。
上面Lee等人和Kim等人所述的方法都利用了TiO2作为氧化试剂来替代常规用于COD法中的试剂如铬酸盐，其中通过两个常规氧电极得到分析信号。这些方法有很多缺点，从而使这些方法极难实际应用。
到目前为止现有技术中的COD分析方法是间接分析方法，需要校准，并且通常具有较低灵敏度、较差的精确度、较窄的线性工作范围和/或难于操作。更重要的是，现有技术中的这些COD分析方法由于较低氧化效率而是基质相关的。本发明的一个目的是克服这些缺点。
发明概述最终，本发明提供一种用于检测水样的化学需氧量的方法，其包括如下步骤a)将恒定电势偏压施加到光电化学电池，该电池包括光活性工作电极和对电极，并含有支持电解质溶液；b)用光源照射工作电极，优选UV光源，并记录在工作电极处从支持电解质溶液产生的背景光电流；c)将待分析的水样加到光电化学电池中；d)用UV光源照射工作电极，并记录产生的总光电流；e)根据所用的降解条件种类检测水样的化学需氧量。
工作电极可从能够光氧化有机化合物的任何纳米颗粒半导体材料制成。纳米颗粒半导体电极可以选自二氧化钛、五氧化铌、钛酸锶、三氧化铟、钛酸钙、三氧化钨、钛酸钡、氧化铁、氧化锌、钽酸钾、二氧化锡、氧化铬、氧化铪、氧化锆、五氧化钽、三氧化铬或三氧化钇。优选半导体电极是二氧化钛。更优选，半导体电极通过将二氧化钛纳米颗粒铺到惰性基底上如导电玻璃上形成。
本发明针对现有技术中所述的方法，利用TiO2纳米颗粒半导体电极的光电化学性能直接检测COD。在现有技术的方法中，方法精确度取决于两个氧电极，它们必须与氧气变化一致。此外，现有技术的方法由于是灵敏度不足的方法，因此不能用于低COD样品。低COD含量对于测试水在饮用和清洁方面的应用是重要的。通过使用这种技术，在低COD范围内测量毫安电流更灵敏。
检测水样化学需氧量值的方法可以在彻底降解条件下测定，其中水样中的所有有机物都被氧化。在彻底降解条件下，根据如下步骤可以得到化学需氧量值；a)对于水样而言，积分背景光电流和总光电流(il(1))，得到背景电荷和总电荷，并总电荷中减去背景电荷，得到净电荷Q净；及b)利用公式(I)计算化学需氧量值；COD(O2的mg/L)＝(Q净/4FV)×32000 (I)其中Q净＝净电荷F＝法拉第常数V＝样品体积。
检测水样化学需氧量值的方法可在非彻底降解条件下进行，其中水样中的有机物部分被氧化。在非彻底降解条件下，在扩散控制条件下测量光电流，检测需氧量值的方法还包括如下步骤；将已知有机浓度或化学需氧量值的标准溶液加到含有待分析水样的光电化学电池中；用UV光源照射工作电极，并记录部分氧化降解标准溶液所产生的限制光电流(il(2))；及通过下面步骤检测化学需氧量值；
a)根据公式il样品＝il(1)-il背景通过用预定照射时间内的样品的限制光电流(il(1))减去限制背景光电流(il背景)计算水样电流；b)根据公式il标准＝il(2)-il背景通过用预定照射时间内的样品和标准溶液的限制光电流(il(2))减去背景光电流(il背景)计算标准溶液的限制光电流；c)根据下面的计算检测样品溶液的化学需氧量值il样品＝nFAk[COD]样品＝K[COD]样品il标准＝nFAk{[COD]样品+[COD]标准}＝K{[COD]样品+[COD]标准}其中K＝nFAk对于给定试验条件而言是常数。
n＝在光电化学降解过程中转移的电子数，F＝法拉第常数，A＝活性电极面积，k＝传质系数；及[COD]样品＝il样品/(il标准-il样品)×[COD]标准根据需要，彻底和非彻底降解条件下的方法步骤都可以重复多次，以分析所有必须的水样。
施加到电极上的电势偏压优选为-0.1V～+0.5V。更优选电势差约为+0.15V～+0.35V。
支持电解质用于检测背景光电流和稀释待测试的水样。检测背景光电流需测量水的氧化，这可从样品推导出，从而得出由于氧化样品中的有机物质而产生的光电流。这种测量可以是单次测量样品，或当进行彻底降解时，氧化完成后最终稳态电流是背景光电流。支持电解质可以选自硝酸钠、高氯酸钠或在试验条件下具有电化学和光电化学稳定性并且在所用范围内不吸收UV照射的任何其它电解质。稀释样品可以使本方法具有较广的线性范围，同时仍保持测试周期为较短时间。
水样优选用光强度为1～100mWcm-2的光源照射。更优选，光源频率约6-9.5mWcm-2。
本发明另一方面是提供一种用于检测水样需氧量的光电化学分析装置，其包括a)用于固持待分析样品的测量电池，b)置于所述电池中的光活性工作电极和对电极，c)用于照射光活性工作电极的光源，优选UV光源，d)用于控制对工作电极的照射、施加的电势和信号测量的控制装置，e)用于测量工作电极和对电极处的光电流的电流测量装置，f)用于从光电流测量装置所进行的测量推导需氧量的分析装置。
优选地，参比电极也置于测量电池中，工作电极是纳米颗粒半导体电极，优选二氧化钛。
在其它实施方案中，测量电池可以是具有不同电池几何形状和体积的固定电池，或具有不同电池几何形状和体积并且流速可调节以最优化灵敏度的流通电池。
为有助于理解，现在结合
本发明的优选实施方案，其中图1示意性表明产生本发明化学需氧量方法中所用的分析信号；图2示意性表明光电化学检测系统的仪器；图3是本发明光电化学间歇(固定)电池的示意图；图4是本发明薄层光电化学流动电池的示意性剖面图；图5是薄层光电化学流动电池的示意图。
图6是自动COD光电化学检测系统中样品和支持电解质注射用的FIA歧管。
图7图示非彻底降解，支持电解质、样品和标准溶液的光电流/时间分布。
图8是含有40μM邻苯二甲酸氢钾和0.1M NaNO3的溶液的光电流响应。光强度9.1mWcm-2；施加的电势偏压+0.20V vs Ag/AgCl。
图9是各种有机化合物的il-C曲线，即；1＝p-氯苯酚；2＝邻苯二甲酸氢钾；3＝甲醇；4＝d-葡萄糖；5＝丙二酸；6＝琥珀酸；7＝戊二酸；及8＝氨基乙酸。光强度9.1mWcm-2；施加的电势偏压+0.20V vsAg/AgCl。
图10是(a)0.10M NaNO3和(b)含有邻苯二甲酸氢钾和0.1MNaNO3溶液的光电流响应。光强度9.1mWcm-2；施加的电势偏压+0.20V vs Ag/AgCl。
图11是各种有机化合物的Q-C曲线，即；1＝p-氯苯酚；2＝邻苯二甲酸氢钾；3＝甲醇；4＝d-葡萄糖；5＝丙二酸；6＝琥珀酸；7＝戊二酸；及8＝氨基乙酸。光强度9.1mWcm-2；施加的电势偏压+0.20V vsAg/AgCl。
图12是试验COD值和标准COD值之间的相关性。(a)COD标准测试溶液(KHP)；(b)含有等摩尔浓度图8中所用的所有化合物的合成COD样品。
图13是在检测真实样品时比较PECOD和常规COD方法(重铬酸盐)。
图14是合成样品的光电化学检测，表明峰高度和浓度。
图15是合成样品的光电化学检测COD值(a)有机化合物的峰高度和浓度(μM)间的定量关系。(b)峰高度和理论COD间的定量关系。(c)合成COD测试样品的PECOD和理论COD间的相关性。
图16表明PECOD和常规COD方法(重铬酸盐)间的Pearson相关性。
发明详述本发明优选的分析方法利用TiO2纳米颗粒薄膜电极的高效率光化学性能，研发一种检测总有机性能如需氧量并且特别是COD的新、快速、成本效益的分析法。
此实施方案涉及利用纳米颗粒TiO2薄膜电极来检测水样化学需氧量的方法。本领域所属技术人员可以理解，其它纳米颗粒半导体薄膜电极可以用于本方法中，而不会偏离本发明的实质。
本发明的分析方法使得在有机物质的光催化氧化降解过程中可以容易地量化TiO2纳米颗粒薄膜电极处的电子转移。这种技术克服了现有需氧量技术中的多种问题。
COD检测用的光催化氧化技术使用TiO2颗粒作为光催化剂来替代常规的氧化剂，例如重铬酸盐和高锰酸盐。用能量等于或大于带隙能量的光子照射TiO2，将使电子从价带升到导带(参见图1)。这样使电子(e)上升到导带，在价带中留下正光穴(h+)。由于光穴具有较高的能带隙电势(锐钛矿，+3.2V)，所以光穴是最有效力的氧化剂。由于光穴较强的氧化能力，光催化作用会使有机化合物发生化学计量的矿化。
数学推导本发明检测水样化学需氧量的方法使用光电化学氧化降解有机化合物产生的光电化学电流(或电荷)作为分析信号。
TiO2的光催化降解效率取决于光电子和空穴的复合程度。对于常规TiO2光催化系统而言，这取决于光电子和空穴被吸附的物质消耗的有多快。
在三电极光电化学电池中TiO2纳米颗粒薄膜电极用作工作电极。通过将适当的电势偏压施加到工作电极，光电子可以更有利地转移到工作电极而不是吸附的O2。随后，光电子被迫使进入外部电路并到达对电极，并在那里进行氧气(或其它物质)还原。检测光电流(或电荷)，可以直接测量有机化合物的氧化。实际上，这种分析使光电子通过外部电路以量化氧化降解的程度。
通过施加电化学电势使氧化和还原半反应分离(下面公式1和2)会抑制光电子和空穴的复合。因此，降解效率增大。此外，已发现对电极处的还原速率从来不是整个降解过程的速率决定步骤，所以有机物质的降解速率从来不与O2浓度相关。由此克服了现有技术中氧气还原是光氧化有机物质的速率决定步骤的问题。
即 或 即 或 分析信号的量化上述光电化学系统可用于两种不同的降解模式-彻底和非彻底降解。对于彻底降解而言，样品中100％的有机分析物被消耗；对于非彻底降解而言，仅有少量分析物被消耗，本体溶液中的浓度基本上保持未变。前者与本体电解(bulk electrolysis)相似，其中所有的分析物都被电解，通过测量通过的电荷用法拉第定律量化浓度；后者与安培法相似，其中分析信号(即电流)与电极表面的传质速率相关。然而，在实例中，产生的电荷/电流是光电化学过程的结果。
当使用彻底降解模式时，可通过积分降解时间内的光电流来测量电荷(Q)。可以使用法拉第定律建立分析原理Q＝∫idt＝nFN＝nFVC (3)其中N＝样品中分析物的摩尔数，n＝在光-电化学降解过程中转移的电子数，F＝法拉第常数，
V＝样品体积；及C＝分析物浓度。
由于TiO2将有机化合物氧化至碳的完全氧化形式(即CO2)，所以对于给定化合物而言n值是一个常数。因此，公式3可用于量化分析物浓度。
实际上，分析上有用的光电流(或电荷)可从任何光-电化学可降解的物质得到。提出的TiO2系统几乎能够氧化任何有机或低氧化还原态的无机物质(例如Fe2+、Cl-、NH4+、NO2-)。在这一方面，提出的系统可用作″通用″检测器，其能够检测在TiO2电极处被光电化学氧化的任何化合物。通过与适合的分离系统(例如HPLC)组合，可以检测各种分析物的浓度。
在普通水质量问题和污染控制方面而言，有机物聚集混合物(aggregate mixture)的作用和量化(如在COD或BOD分析中)通常比分析单纯物质更重要。提出的光电化学系统通过对混合物中各光-电化学可降解的化合物测得的电荷求和，能够检测这种总体性能(aggregate properties)(公式4)。
Q=∫idt=FVΣi=1mniCi---(4)]]>简单来讲，测得的电荷Q等于从样品中所有化合物降解得到的电子转移总量。假设O2的氧化表示为(5)其中一个氧分子相当于4个电子，很容易将测得的Q值转化成等效O2浓度(或需氧量)值等效氧浓度(mole/L)＝Q/4FV(6)对于彻底降解而言，样品的等效COD值可以表示为
COD(O2的mg/L)＝(Q/4FV)×32000(7)在非彻底降解情况下，可以使用公知的稳态传质半经验处理来研究光电流和分析物浓度间的定量关系[A.J.Bard和L.R.Faulkner，Electrochemical Methods-Fundamental and Applications.John Wiley &Sons，Inc.New York.2001]。在强制对流条件下，电极的传质速率(dN/dt)与电极表面的浓度梯度成正比。
(dNdt)=k[Cb-Cs(x=0)]---(8)]]>其中，Cb＝本体溶液中的分析物浓度；Cs＝电极表面的分析物浓度；k＝传质系数[A.J.Bard和L.R.Faulkner，ElectrochemicalMethods-Fundamental and Applications.John Wiley & Sons，Inc.NewYork.2001]，其等于D/δ，其中D＝扩散系数，δ＝停滞层厚度。
当使用足够光强度和足够电势偏压，并且总过程由传质控制时，那么Cs(x＝0)＜＜Cb，从而[Cb-Cs(x＝0)]≈Cb。得到最大传质速率(dN/dt)，总反应速率等于 如果我们假设光化学氧化后，分析物完全氧化，那么光电化学降解过程中转移的电子数(n)对于给定分析物而言是常数。因此，限制光电流(il)可用来代表反应速率il=nFA(dNdt)l=nFAkCb---(10)]]>其中A＝活性电极面积。
本发明研究了公式10，定义了限制光电流和分析物浓度间的定量关系，并被认作是分析原理。
这种分析原理也可用于检测各分析物浓度(并用作″通用″检测系统)或用于有机物的聚集混合物(以检测COD等性能)。尽管上面公式10可用于分析物浓度的一般检测，但是使用公式(10)是为了检测COD，这有助于解决现有技术方法的一个或多个缺点。标准分析和数学技术可用于从在光电化学电池中测得的限制光电流计算样品的COD，其中利用纳米颗粒TiO2半导体电极，下面详细说明利用的方式。
检测COD的方法形成Ti02电极A)合成Ti02胶体A1)室温下剧烈搅拌下将12.5ml丁醇钛和4ml异丙醇的混合物滴加到150ml 0.1M硝酸溶液中。水解后，将浆料加热到80℃，并搅拌8h，实现胶溶作用。然后，过滤胶体除去未胶溶的凝聚体。为得到更好结晶度的纳米颗粒，在高压釜中用热水在200℃下处理胶体12h。在高压过程中发生沉淀，通过声波降解再分散颗粒。用透射电子显微镜(TEM)表征，颗粒尺寸为8～10nm。用水将最终固体浓度调节到6％(wt)，将Carbowax 20M(Merck)加到胶体中，比例为TiO2重量的1-50％。得到的胶体用于制备TiO2纳米孔薄膜电极。
A2)将精确测量的16.0cm3异丙醇(Aldrich，AR级)和50.0cm3丁醇钛(Aldrich，AR级)加到150cm3滴液漏斗中。得到的溶液于15分钟内剧烈搅拌下加到圆底烧瓶中的600cm3超纯去离子水(18.2MΩcm)中。加入完成后，将4.0cm370％硝酸(AR级)加到溶液中作为胶溶剂。将溶液浸在热水浴中，加热至80℃，并持续搅拌10小时。残余约400cm3白色胶体溶液，并储存在黑色玻璃容器中备用。根据上述步骤合成的TiO2尺寸为8～10nm。
将上面制得的胶体TiO2置于高压釜反应器(Parr高压容器)中，并在200℃下高压处理12小时，然后在旋转蒸发仪上浓缩至8％(w/w)，得到白色半粘稠胶体溶液。将相当于40％TiO2重量的(例如在50.0cm38％胶体溶液中为1.6g)Carbowax 6.000加到溶液中，并搅拌约20分钟。
B)在ITO玻璃上固定TiO2薄膜B1)使用ITO(锡掺杂的铟氧化物)导电载玻片作为固定TiO2颗粒的基底。为得到清洁表面，通过依次用洗涤剂、水和乙醇洗涤来预处理ITO载玻片。预处理后，在得自A1步骤的胶体溶液中浸渍涂覆ITO载片。然后得到的载片在马弗炉中在空气中于500～800℃下煅烧0.5h～30h。用x-射线衍射和扫描电子显示微镜(SEM)表征薄膜上的TiO2颗粒尺寸为10nm～100nm，金红石/锐钛矿相之比为0.1～50％。
B2)在清洁的室内环境中制备TiO2薄膜，以最小化灰尘颗粒的污染。剧烈搅拌得自上面A2步骤的TiO2胶体涂覆溶液，在进行浸渍涂覆之前超声处理20分钟，得到一致、可再现的均匀混合物。ITO载片(导电玻璃)用作电极基底，通过依次用洗涤剂、水、丙酮和水洗涤来预处理，最后用纯氮气干燥。预处理后，使用浸渍涂覆设备用TiO2胶体涂覆溶液浸渍涂覆ITO载片，拉出速度为0.5-1.5cm/min。然后涂覆电极在马弗炉中在空气中于450℃下煅烧30分钟。用x-射线衍射和扫描电子显示微镜(SEM)表征薄膜上的TiO2颗粒尺寸为10nm～100nm，金红石/锐钛矿相之比为0.1～50％。得到纳米孔TiO2薄膜，厚度为1μm，为锐钛矿晶体结构。通过控制浸渍涂覆过程的拉出速率可以制备不同厚度的薄膜。
C)光电化学系统的一般结构图2示意性地表明光电化学检测系统的仪器结构。使用带有聚焦透镜的150W氙弧灯光源(HF-200W-95，Beijing Optical Instruments)进行照射。为避免样品溶液被红外线加热，在照射电极表面之前光束通过UV-带宽滤波器(UG 5，Avotronics Pty，Limited)。使用光闸控制照射的ON和OFF。
通常，在三电极电化学电池中通过石英窗口照射进行光电化学试验。TiO2薄膜电极安装在电极固持器中，有约0.65cm2暴露于溶液中，进行照射和光电化学反应。饱和Ag/AgCl电极和铂网分别用作参比电极和对电极。Voltammograph(CV-27，BAS)用于在稳态光电流测量中施加电势偏压。使用Macintosh计算机(7220/200)用Maclab 400界面(AD Instruments)记录电势和电流信号。
D)测量过程D1)彻底降解条件步骤1一旦安装系统(参见图2-6)，就通过泵送使支持电解质溶液通过光电化学电池(薄层电池)。使用+0.20V偏压电势(相对Ag/AgCl参比电极)。一旦基线稳定，就停止泵。然后打开光闸，使UV照射到达电极。光催化反应发生，测得背景电流-时间分布(参见图10，曲线(a))。背景电流(i背景)是光催化氧化水的结果。用时间积分i背景得到背景电荷，Q背景。
步骤2测量Q背景后，关闭光闸，将适当浓度的5μl～200μl样品溶液注入光电化学电池中(应该注意到，注入的样品体积取决于电池的容积，如果样品中有机物浓度过高，那么在注射前可能需要适当稀释)。一旦完成样品注射，停止泵，打开光闸。测量电流-时间分布(参见图10，曲线(b))。得到的电流是总光电流(i总)，是氧化水和有机物的结果。与相述上同，用时间积分i总得到总电荷，Q总。
步骤3由于背景电荷Q背景对于给定试验条件而言是常数，且总电荷Q总随样品浓度变化，因此氧化有机物得到的净电荷，Q净(图10中的阴影面积)，可通过用总电荷减去背景电荷得到，即Q净＝Q总-Q背景然后根据公式(7)计算样品的COD值COD(O2的mg/L)＝(Q净/4FV)×32000 (7)F是常数，V是已知的样品体积。
重复步骤2和3，分析下一个样品。
D2)非彻底降解条件系统结构与上面相同(参见图2-6)，除了使用常规的流通型电池来代替薄层电池。使用标准加入方法或其它校准方式进行测量。
步骤1通过泵送使支持电解质溶液通过光电化学电池(常规流通电池的电池容量为0.5～2.5ml)。使用+0.20V偏压电势(相对Ag/AgCl参比电极)。一旦基线稳定，就停止泵。然后打开光闸，使UV照射到达电极。光催化反应发生，测得背景电流-时间分布(参见图7，曲线(a))。背景电流(i背景)是光催化氧化水的结果。
步骤2测量i背景后，关闭光闸，将适当浓度的0.5ml～2.5ml样品溶液注入光电化学电池中(应该注意到，注入的样品体积取决于电池的容积，如果样品中有机物浓度过高，那么在注射前可能需要适当稀释)。一旦完成样品注射，停止泵，打开光闸。测量电流-时间分布(参见图7，曲线(b))。得到的电流是总光电流(i总)，是氧化水和有机物的结果。
步骤3测量i总后，关闭光闸，将适当浓度的0.5ml～2.5ml标准溶液注入光电化学电池中。一旦完成样品注射，停止泵，打开光闸。记录电流-时间分布(参见图7，曲线(c))。得到的电流是光电流(i标准)，其是氧化原始样品和所加入的标准溶液样品中的水和有机物的结果。
步骤4上述测量后，根据公式(10)计算样品的COD。
通过从每一曲线测量稳态电流值，例如在45s处(参见图5)，可以得到每种情况下的限制电流(il背景，il(1)和il(2))。然后计算样品溶液的净限制光电流(il(1))和加有标准溶液的样品的净限制光电流(il(2))。
样品溶液的净限制光电流(或电流)il样品＝il(1)-il背景加有标准溶液的样品的净限制光电流(或电流)il标准＝il(2)-il背景根据上面的公式(10)，得出il样品＝nFAk[COD]样品＝K[COD]样品il标准＝nFAk{[COD]样品+[COD]标准}＝K{[COD]样品+[COD]标准}其中K＝nFAk对于给定试验条件而言是常数。
样品溶液的COD值[COD]样品＝il样品/(il标准-il样品)×[COD]标准对于下一个样品，重复步骤2～4。
本领域所属技术人员应该理解，可以使用个人电脑通过适当程序进行上面必须的计算。
对于不同的光电化学反应器设计(即在线薄层流动电池和间歇电池)可以使用几种操作方式，其中可以使用下面实施例所示的分析方法。
实施例1.使用光电流量化COD如图3所示，在三电极电化学间歇电池中通过石英窗口照射进行光电化学试验。TiO2薄膜电极安装在电极固持器中，有约0.65cm2暴露于溶液中，进行照射和光电化学反应。0.1M NaNO3溶液用作支持电解质。将+0.2V的电势偏压施加到电极上，当电流达到稳态时，针对不同的有机化合物浓度得到限制光电流。以样品和空白0.1MNaNO3溶液间的限制光电流差作为分析信号，在扩散控制下所述分析信号与有机化合物浓度呈线性关系。在将浓度转化成COD值后，分析信号和COD值间为线性关系。
实施例2.使用电荷量化COD在这种情况下，在图4和图5所示的薄层光电化学电池中进行试验。使用+0.20V的电势偏压，2M NaNO3用作支持电解质。首先，用注射器将2M NaNO3电解质溶液注入薄层光电化学电池中，进行空白瞬时光电解，作为空白样品。记录光电流-时间分布，直到光电流达到稳态。将含有有机化合物和2M NaNO3的样品注入薄层电池，进行样品瞬时光电解。记录光电流-时间分布直到光电流达到稳态，这表明有机化合物已被彻底光电解。在每次样品注射间用支持电解质溶液洗涤电池。积分光电流-时间分布得到光催化氧化电荷。以样品和空白瞬时光电解间的电荷差作为分析信号，其与COD值成正比。然后，测定COD值。
实施例3.使用电荷和FIA量化COD除了使用薄层光电化学电池外，将流动注入分析(FIA)系统组合进COD检测中。通过组合使用FIA，可以实现自动COD检测。在这种情况下，通过图6(a)所示的FIA控制系统控制样品注射和电池清洁。泵1完成空白样品(R1)的注射和电池清洁，而泵2完成样品注射(R2)。使用+0.20V电势偏压，2M NaNO3用作支持电解质(空白样品)。首先，通过泵1将2M NaNO3电解质溶液泵送进薄层光电化学电池，然后进行空白瞬时光电解，作为空白样品。记录光电流-时间分布，直到光电流达到稳态。然后用泵2将含有有机化合物和2M NaNO3的样品注入薄层电池，进行样品瞬时光电解。记录光电流-时间分布直到光电流达到稳态，这表明有机化合物已被彻底光电解。在每次样品间用泵1泵送支持电解质溶液洗涤电池。积分光电流-时间分布得到光催化氧化电荷。以样品和空白瞬时光电解间的电荷差作为分析信号，其与COD值成正比。然后，测定COD值。
实施例4.使用连续流模式量化COD除了使用薄层光电化学电池外，将流动注入分析(FIA)系统组合进COD检测中，使用连续流动操作模式。通过组合使用FIA，可以实现自动COD检测。在这种情况下，通过图6(b)所示的FIA控制系统控制样品注射和电池清洁。连续泵送空白样品使其通过电池，使用注射器进行样品注射。使用+0.20V电势偏压，2M NaNO3用作支持电解质(空白样品)。从空白样品的光催化作用记录光电流得到稳态基线。用注射器注射含有有机化合物的样品，使样品发生光催化作用。记录峰形的光电流-时间分布，直到光电流得到基线，这表明有机化合物已被光电解。注射下一样品进行分析。通过测量峰高度或峰面积(积分峰光电流)可以检测样品的COD值，因为峰高度和峰面积与COD值成正比。
典型试验结果图8表明非彻底光电化学降解过程的典型光电流-时间曲线。在恒定施加电势下，当切断光时，残余电流(暗电流)接近0。照射后，在衰减到稳态值之前电流快速增大。这种稳态电流(限制光电流)由两种电流成分构成。一种电流成分是因目标分析物受传质限制的光电化学氧化(降解)而产生的，其与分析物浓度成正比。另一种电流是因水的光电化学氧化(分解)而产生的，在给定pH和支持电解质浓度下是恒定的。通过从总光电流中减去氧化水产生的光电流得到净限制光电流il(从分析物氧化得到)。然后，il用于分析(公式10)。
从各种有机化合物得到的初步结果表明，公式10适用于所考察的所有化合物(参见图9，其中1＝p-氯苯酚；2＝邻苯二甲酸氢钾；3＝甲醇；4＝d-葡萄糖；5＝丙二酸；6＝琥珀酸；7＝戊二酸；8＝氨基乙酸)。根据推算，il与有机化合物浓度成正比。il-C曲线的斜率(灵敏度)取决于传质系数(k)和在光电化学降解过程中转移的电子数(n)。
发现彻底光电化学降解过程的光电流-时间分布与非彻底降解过程相似，除了当所有有机化合物被消耗后才能得到稳态光电流。在这种情况下，稳态光电流完全是由于氧化水而产生的，可以容易地从总电流中减去(图10)。图10表明在邻苯二甲酸和空白电解质溶液中进行彻底光电化学降解时从电极得到的典型光电流-时间分布。可以看到光电流随时间衰减，然后达到稳态值，其是由于水的氧化。应该注意到，从空白电解质溶液得到的空白光电流完全是由于水的氧化，而在邻苯二甲酸溶液中的电极得到的光电流由两种电流成分构成，一种电流成分是因邻苯二甲酸的光电化学氧化而产生的，另一种电流成分是因水的氧化而产生的，其与空白光电流相同。试验结果表明，在给定试验条件下空白光电流基本上恒定。对于给定时间而言，通过积分光电流和空白光电流可以得到两种情况下通过的电荷。两种情况下的电荷差是由于邻苯二甲酸的光电化学氧化而产生的净电荷Q，其以图10中的阴影面积表达。通过积分图10的降解时间内的净光电流测量净电荷Q。根据公式3推算，Q与浓度成正比(参见图11)。在这种情况下，Q-C曲线的斜率(灵敏度)仅与转移的电子数(n)有关。图9和图11的结果(与理论一致)证实了可以进一步研究所提出的系统，使其成为各种分析物的″通用″检测系统。
也测试了用所提出的方法检测COD等综合性能的可能性。选择APHA COD标准测试溶液(邻苯二甲酸氢钾(KHP))和具有已知COD值的合成混合物作为测试溶液。图12表明试验COD值(根据公式7)和标准COD值间的关系。在这两种情况下，得到的两个COD值一致。
实施例5.真实废水样从Queensland，Australia的不同工厂收集14个不同废水样。适当稀释后，使用本方法和标准COD方法对所有样品进行COD分析。针对所有样品从两种方法得到的COD值进行相关性计算，并表明在图13中。相关系数为0.973，斜率为0.992。这意味着本方法与标准COD方法推算出的COD值相同。这证实就预测COD值而言，本方法与标准方法等效。
实施例6.检测合成样品中的COD使用流动注入(图4和图5)检测水溶液中的COD，首先测试用纯有机化学物即葡萄糖、谷氨酸、GGA和蔗糖制备的合成样品。一次测量所需的时间是1-2min。图14分别表明以μM计的各种有机化合物的校准曲线和理论COD浓度。图14a表明就μM浓度而言光电化学检测器针对不同有机物具有不同灵敏度(校准曲线的斜率)。灵敏度按蔗糖、GGA、葡萄糖和谷氨酸的顺序依次降低。这是因为在彻底氧化反应中有机化合物产生不同数量的电子(n＝4y-2j+m-3k-q)。随着每摩尔转移的电子数的降低，即蔗糖(n＝48)，GGA(n＝42)，葡萄糖(n＝24)和谷氨酸(n＝18)，每摩尔有机化合物产生的电子也递减，因此灵敏度下降。这就解释了图14a的灵敏度。使用转移的电子数(n)，有机化合物的浓度从μM转换成以ppm为单位的COD值。在图14b中，选定的有机物有相同的灵敏度，这可由相同的斜率证实。这表明光电化学检测器将上述有机物氧化至相同程度，即有机化合物的氧化没有差别，从而实现矿化。因此检测原理是有效的。这些可通过使用葡萄糖趋势线(trendline)作为标准校准曲线，在图14c中相对于理论COD值描绘PECOD值表明。最佳线的斜率为1.0268，R2为0.9984，这直接证实葡萄糖适合用作校准标准来测定未知样品的COD值。
发现在使用葡萄糖作为测试分析物的试验条件下，检测限为0.5ppm COD，线性范围高达60ppm COD。通过增加样品注入体积，可以进一步扩展检测限，而进一步缩小注入体积可以增大线性范围。
再现性和稳定性是使用检测器的重要参数。通过重复测定(n＝12)来研究传感器对100mM葡萄糖的反应再现性，RSD％为0.8％。
检测器相对稳定。当使用新电极时，由于活性TiO2颗粒没有足够强地粘附在电极表面上并随后被载体除去，开始2小时有明显的基线迁移。在除去这些不稳定活性位置后，基线几乎恒定。实际上，本文所报道的所有数据都是从相同TiO2电极得到。电极晶粒pH的变化(从2到10)、电势的变化(-0.4到+0.8V)、流速的变化、真实样品的注入体积和分析的变化，最终在数千次测量后，电极仍相对灵敏和稳定。
当没有使用电极时，充满Milli-Q水，并保存在光中。已知TiO2表面的优点是自清洁并具有超亲水性。在保存后没有观察到因有机化合物吸附和细菌生长而引起的电极污染。因此，即使几天后也仅需要约5分钟来再生所用的电极，以得到稳定基线，再次开始检测COD。
实施例7 PECOD vs COD本实施例中测试的真实样品的pH为5-9，这是光电化学检测器的pH无关区。使用标准校准曲线方法检测真实样品中的COD值。图15表明使用葡萄糖作为标准物质时流动注入响应的典型响应。如图所示，电荷(峰面积，图15(a))和峰电流(峰高度，图15(b))都随葡萄糖浓度增大而成比例地增大。因此，使用上面检测的数据得到校准曲线(图15中的插图)。同时，用常规COD方法(重铬酸盐方法)检测标准COD值。图16表明试验COD值和标准COD值间的相关性。当有使用时，Pearson相关性系数用于从流动注入光电化学COD方法和常规COD方法得到的各值间的相关度测量。这样使用图16中的数据。在两种方法间得到高度明显的相关性(r＝0.991，P＝0.000，n＝13)，表明这两种方法极为吻合。更重要的是，相关性椭圆的主轴斜率为1.0819。这种几乎一致的斜率值表明两种方法对于测量相同COD值都是精确的。如果置信区间为95％，那么斜率为1.016～1.174。这意味着可以95％地相信真正斜率位于这两个值之间。考虑到在流动注入光电化学COD方法和标准方法测量间存在分析误差，并且这些误差有助于在两个轴上分布，所以所获得的较强相关性和斜率有力地表明流动注入光电化学COD方法适用于测量化学需氧量。这两种COD值间的优异一致性证实所提出的方法适于测量COD。
结论本发明提供一种COD分析方法，其是精确、灵敏、环境友好、有效、快速和易于自动化的方法。原理上，由于光生空穴的异常高氧化能力，所以这种方法可以测量理论COD值。本文所述方法是一种直接方法，并与样品基质无关。在彻底降解条件下，这种方法是绝对方法，不需要校准。试验上，其与常规重铬酸盐方法(标准方法)极为相关。电极具有极好的长时间稳定性，光催化活性没有表现出任何下降。所用的分析原理的性质使得本方法对于温度变化不敏感。与Karube方法相比，本方法对温度变化表现出良好的忍耐性。在试验中，样品温度在10～40℃之间，没有控制样品温度，没有观察到光电流和电荷变化。
尽管本发明的说明中使用三电极光化学电池，但是应该理解，光电化学电池可以包括工作电极(TiO2)和对电极，其中对电极可以在适当时用作对电极和参比电极。
整个说明书的目的是描述本发明的优选实施方案，而不是限制本发明的任何一个实施方案或具体特征。
整个说明书中，除非另有所指，术语″包括(comprises)″及其变体如″包括(comprise)″或″包括(comprising)″应被理解成包括所述部件或步骤及其组合，但不排除任何其它部件或步骤及其组合。
权利要求
1.一种用于检测水样的化学需氧量的方法，其包括如下步骤a)将恒定电势偏压施加到光电化学电池，该电池包括光活性工作电极和对电极，并含有支持电解质溶液；b)用光源照射工作电极，并记录在工作电极处从支持电解质溶液产生的背景光电流；c)将待分析的水样加到光电化学电池中；d)用光源照射工作电极，并记录用样品产生的总光电流；e)根据所用的降解条件种类检测水样的化学需氧量。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述光活性工作电极是纳米颗粒半导体电极。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述工作电极是涂覆在惰性导电基底上的一层二氧化钛纳米颗粒。
4.如权利要求1所述的方法，其中除了工作电极和对电极外还使用参比电极。
5.如权利要求1所述的方法，其中在彻底降解条件下检测化学需氧量，其中水样中所有有机物被氧化。
6.如权利要求1所述的方法，其中在非彻底降解条件下检测化学需氧量，其中水样中有机物部分被氧化。
7.如前述任一权利要求所述的方法，其中背景光电流从样品的总光电流推导得出，从而得到由于样品中有机物质的氧化而产生的光电流。
8.如前述任一权利要求所述的方法，其中样品用支持电解质稀释。
9.如权利要求1所述的方法，其中使用包括间歇模式、流动-停止模式和连续流动模式的不同操作模式，在彻底降解条件下用固定或流动电池测量电荷或电流来检测化学需氧量。
10.如权利要求1所述的方法，其中使用包括间歇模式、流动-停止模式和连续流动模式的不同操作模式，在非彻底降解条件下用固定或流动电池测量电荷或电流来检测化学需氧量。
11.一种用于检测水样需氧量的光电化学分析装置，其包括a)用于固持待分析样品的测量电池，b)置于所述电池中的光活性工作电极和对电极，c)用于照射光活性工作电极的光源，d)用于控制工作电极的照射、施加的电势偏压和光电流的记录的控制装置，e)用于测量工作电极处的光电流/电荷的光电流/电荷测量装置，f)用于从光电流/电荷测量装置所进行的测量推导需氧量的分析装置。
12.如权利要求11所述的装置，其中所述测量电池是流通电池。
13.如权利要求11或12所述的装置，其中所述测量电池中包括参比电极。
14.如权利要求11～13中任一项所述的装置，其中所述光活性工作电极是纳米颗粒半导体电极。
15.如权利要求11～14中任一项所述的装置，其中所述工作电极是在惰性基底上的一层二氧化钛纳米颗粒。
16.如权利要求11～15中任一项所述的装置，其还包括支持电解质的储存器，所述支持电解质用于测量背景光电流和稀释样品。
17.如权利要求16所述的装置，其还包括样品供应/注射系统和支持电解质供应/注射系统。
全文摘要
一种用于检测水样的化学需氧量的方法，其包括如下步骤a)将恒定电势偏压施加到光电化学电池，该电池包括光活性工作电极(例如涂覆在惰性导电基底上的一层二氧化钛纳米颗粒)和对电极，并含有支持电解质溶液；b)用光源照射工作电极，并记录在工作电极处从支持电解质溶液产生的背景光电流；c)将待分析的水样加到光电化学电池中；d)用光源照射工作电极，并记录用样品产生的总光电流；e)根据所用的降解条件种类(彻底或非彻底)检测化学需氧量。本申请还要求保护一种实施上述方法的装置。
文档编号G01N31/10GK1774627SQ200480009324
公开日2006年5月17日 申请日期2004年4月5日 优先权日2003年4月4日
发明者赵惠军 申请人:水体检测有限公司