的电化学方法
【专利摘要】本发明公开了基于L-半胱氨酸/石墨烯修饰电极同时测定Pb2+、Cd2+的电化学方法，首先选取氧化石墨烯为原料，通过控制氧化石墨与肼反应温度与反应时间，利用化学还原法制得纳米级片层结构的石墨烯制得石墨烯修饰电极；接着在所制得的石墨烯修饰电极表面进一步电聚合上L-半胱氨酸，制得L-半胱氨酸/石墨烯修饰电极；最后，选取L-半胱氨酸/石墨烯修饰电极作为工作电极，与作为参比电极的银/氯化银电极及作为对电极的铂丝电极组成三电极系统，对Pb2+和Cd2+同时进行电化学测定；本发明建立了一种同时检测环境水样中Pb2+和Cd2+的新方法，实时原位检测，灵敏度高，选择性好，环境友好。
【专利说明】基于L-半脯氨酸/石墨婦修饰电极同时检测Cd2+、化2+的 电化学方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电化学分析【技术领域】，涉及环境中重金属类物质的测定，特别是一种 同时测定Pb"和Cd"的电化学方法。
【背景技术】
[0002] -些少量的重金属（铁、钻、猛、锋）是生命体重要的元素，但是大部分的重金属有 很强的形成复杂化合物的趋势，尤其是与那些含氮、硫、氧等配体的生命物质，如DNA、蛋白 质等生物大分子。当重金属进入机体时会与机体内该些生命大分子的氮、硫、氧等配体结 合，导致机体内生物分子结构、氨键等的破坏W及抑制酶的活性。与该些基团之间的相互作 用也是重金属离子的毒性和致癌的主要机理。領离子（Cd")、铅离子任b 2+)是有毒重金属 的重要代表，是威胁人类健康的环境污染物之一。Cd"、化"在环境中不能生物降解，一旦被 排放到环境中，就能够在环境中长久的存在。化"、Cd"不仅对生物体的中枢神经系统、肾和 肝、皮肤，骨头和牙齿等方面有着严重的危害，还对生物体的生殖系统有一定的毒性，对雌 激素的代谢过程有一定的干扰。化"、Cd"已被列为环境内分泌干扰物之一。环境保护协会 宣称，20%的铅、領中毒是由饮用水被污染所导致的，因此监测环境水中Pb"、Cd"含量对提 供不超过世界卫生组织规定饮用水中化"、CcT的安全量有着重要的意义。
[0003] 迄今为止，已有多种方法与技术用于重金属离子的检测，如原子吸收光谱（AA巧、 电感禪合等离子体原子发射光谱（ICP-AES)、电感禪合等离子体质谱（ICP-M巧、英光光谱 等。然而该些方法均需要复杂的实验仪器、繁琐的操作过程及专业的实验技术人员等，不利 于实现重金属离子实时原位检测。电化学检测重金属离子具有仪器简单、灵敏度好、检测过 程简易等优点而备受关注，其中阳极溶出伏安法因其较高的灵敏度成为电化学检测重金属 离子最常用的一种方法。传统的阳极溶出伏安法采用隶电极作为工作电极，但因隶本身具 有毒性，易造成二次污染而逐渐被淘汰。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于；提供一种基于k半脫氨酸/石墨帰修饰电极同时测定化"、 Cd"的电化学方法，实时原位检测Pb"、Cd",灵敏度高，选择性化且环境友好。
[0005] 本发明的技术解决方案是；首先选取氧化石墨帰为原料，通过控制氧化石墨与脱 反应温度与反应时间，利用化学还原法制得纳米级片层结构的石墨帰制得石墨帰修饰电 极；接着在所制得的石墨帰修饰电极表面进一步电聚合上k半脫氨酸，制得k半脫氨酸/ 石墨帰修饰电极；最后，选取心半脫氨酸/石墨帰修饰电极作为工作电极，与作为参比电极 的银/氯化银电极及作为对电极的笛丝电极组成H电极系统，对Pb"和Cd"同时进行电化 学测定； 其具体包括W下步骤： (1)购买商品化的氧化石墨帰制备氧化石墨帰溶液，再将氧化石墨帰溶液与壳聚糖按 一定体积比进行混合，超声形成均匀稳定的溶液； (2) 取步骤（1)得到的氧化石墨帰-壳聚糖溶液5化滴于洁净的玻碳电极表面，自然 瞭干，得氧化石墨帰修饰电极； (3) 将步骤（2)得到的氧化石墨帰修饰电极浸于水合脱中于6(TC -7(TC恒温水浴加热 8小时，制得石墨帰修饰电极； (4) 将步骤（3)得到的石墨帰修饰电极浸入含LOXicr3 mol/L k半脫氨酸的 PBS (pH=7. 0)溶液中，于-0. 6^2. 5 V的电位窗口进行循环伏安扫描10圈，扫速为100 mV/ S，取出电极用PBS溶液冲洗，得k半脫氨酸/石墨帰修饰电极； (5) 将步骤（4)制得的k半脫氨酸/石墨帰修饰电极作为工作电极，与作为参比电极 的银/氯化银电极W及作为对电极的笛丝电极组成H电极系统，在CHI660B电化学工作站 上完成化"和Cd"的同时测定。
[0006] 其中，上述步骤（1)中，所述氧化石墨帰-壳聚糖息浮液的制备方法是；称取称 量5 mg氧化石墨帰溶于10血二次蒸觸水，超声溶解，形成0.5 mg/血的氧化石墨帰溶 液；将氧化石墨帰溶液与质量浓度0. 5%的壳聚糖按4 ;1的体积比混合超声，得到氧化石墨 帰-壳聚糖溶液。
[0007] 其中，上述步骤（5)中，测定时所用缓冲溶液为醋酸-醋酸轴缓冲液（HAc-NaAc), 醋酸-醋酸轴缓冲液由冰醋酸和醋酸轴按不同比例混合配制，并用醋酸和氨氧化轴调节至 所需抑值；整个测定过程在氮气保护下进行，即每次测定之前将含化"和Cd"的醋酸-醋 酸轴缓冲液（HAc-NaAc)通氮气15 min,测量时也保持在氮气氛围中进行；每次测量前，先 在-1.1 V电位下恒电位沉积120 S，接着记录-1.广-0.4 V范围内的示差脉冲伏安图。
[0008] 其中，上述步骤（5)中，电化学测定结束后，将心半脫氨酸/石墨帰修饰电极置 于抑=4. 5的醋酸-醋酸轴缓冲液（HAc-NaAc)溶液中于-1. 1?-0. 4 V范围内进行循环伏安 法反复扫描10圈W除去电沉积在电极表面的CcT、化"，恢复电极的电活性，恢复活性后的 k半脫氨酸/石墨帰修饰电极室温下保存待用。
[0009] 本发明的有益技术效果是；采用心半脫氨酸/石墨帰修饰玻碳电极作为工作电 极，利用差示脉冲阳极溶出伏安法对化"和Cd"进行同时测定，该立电极系统对化"和Cd" 均具有高的催化活性，检测的灵敏度高，选择性好，是一种灵敏简便、稳定性好、抗干扰能力 强的检测电极，而且其制备工艺简单，原理可靠，环境友好，测量速度快。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 图1中（A)为实施例1制得的石墨帰修饰电极透射电镜照片；炬）为实施例1制 得的k半脫氨酸/石墨帰饰电极的扫描电镜照片； 图2为实施例1制得的k半脫氨酸/石墨帰修饰电极及石墨帰修饰电极、裸电极、氧 化石墨帰修饰电极测定20 y g/L的Cd"、化"的示差脉冲溶出伏安曲线； 图3中（A)为实施例1制得的k半脫氨酸/石墨帰饰电极测定不同浓度Cd"、化"的 示差脉冲阳极溶出伏安曲线；做为示差脉冲阳极溶出伏安电流强度-Cd"、化"浓度的标 准曲线； 图4为实施例2制得电极的导电性能表征的循环伏安图（A)和交流阻抗图炬）； 图5为实施例3修饰电极检测Cd"、Pb"的沉积条件的优化；(A)沉积电位；做沉积时 间； 图6为实施例4中Cd"、化"在k半脫氨酸/石墨帰修饰电极上在不同抑条件下， CcT、Pb"的示差脉冲阳极溶出伏安峰电流强度随抑的变化趋势。
【具体实施方式】
[0011] 下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明，该些实施例不能理解为 是对技术方案的限制。
[001引实施例1 ;将0. 5 mg/mL氧化石墨帰与0. 5% CS按4 ;1的体积比混合超声，取 5化滴于洁净的玻碳电极表面，于室温干燥；待其干燥后将其浸于50%的水合脱溶液中与 6(TC -7(TC水浴中恒温加热8小时；8小时后取出依次用二次蒸觸水、pH=7. 0的磯酸盐缓冲 溶液冲洗，置于室温下干燥待用；将制得石墨帰修饰电极浸入含LOXicr3 mol/L k半脫 氨酸，pH=7.0的PBS溶液中，于-0.6^2. 5 V的电位窗口范围进行循环伏安扫描10圈，取出 电极用PBS溶液冲洗，得k半脫氨酸/石墨帰修饰电极。
[001引图1中（A)为制得的石墨帰修饰电极的透射电镜图，从图I(A)中可W看出，本实 施例制得的石墨帰-壳聚糖具有權皱的透明卷曲状结构，形貌良好，具有典型的石墨帰完 整的二维平面结构，证明已成功通过原位化学还原法将氧化石墨帰上的含氧基团去除，还 原成为石墨帰；图1中炬）为心半脫氨酸/石墨帰修饰电极的扫描电镜图，从图中可W看 出，观察到k半脫氨酸W小颗粒状有规律的生长在石墨帰基体上，说明k半脫氨酸已被成 功电聚合到石墨帰修饰电极表面。
[0014] 将得到的k半脫氨酸/石墨帰修饰电极作为工作电极，与作为参比电极的银/电 极氯化银电极及作为对电极的笛丝电极组成H电极系统，在CHI660B电化学工作站上完成 Cd"和化"的电化学测定；电化学测定的方法如下；将含Cd"和化"的醋酸-醋酸轴缓冲 液通氮气15 min,整个测量过程在氮气保护下进行，测量前先在-1.1 V电位下恒电位沉 积120 S，接着记录-1.广-0. 4 V范围内进行示差脉冲伏安分析；图2分别示出浓度均为20 U g/L的Cd"、化"在k半脫氨酸/石墨帰修饰电极（a)、石墨帰修饰电极化）、未经修饰 的裸电极（C)、氧化石墨帰修饰电极（d)上的示差脉冲阳极溶出伏安曲线；由图可观察到， CcT、化"在未经修饰的裸电极、氧化石墨帰修饰电极均只出现了很弱的峰，说明未经修饰 的裸电极和氧化石墨帰修饰电极导电性能差，且不利于Cd 2\化"在其表面的沉积；当氧化 石墨帰修饰电极被还原制得石墨帰修饰电极后，Cd"、Pb"的示差脉冲阳极溶出伏安峰电流 均显著增强，说明制得的石墨帰修饰电极的导电性能得到优化，促进了电子在电极表面的 传递速率；当在石墨帰修饰电极表面进一步修饰k半脫氨酸制得k半脫氨酸/石墨帰电 极后，CcT、化"的示差脉冲阳极溶出伏安峰电流显著增强，该是因为修饰的k半脫氨酸上 的硫原子、氮原子易与Cd"、Pb"进行配位，有利于Cd"、Pb"在电极表面的沉积，增加了其在 电极表面的沉积量。
[0015] 将含不同浓度Cd"、Pb"的醋酸-醋酸轴缓冲液通氮气15 min,整个测量过程 在氮气保护下进行，在-1. r-0.4 V扫描区间内进行示差脉冲阳极溶出伏安法分析（图 3(A))，并绘制标准曲线；如图所示3炬）所示，结果表明在Cd"在0. 56^67. 2 y g/L的浓 度范围内，其示差脉冲阳极溶出伏安峰电流强度与浓度呈很好的线性关系，线性方程为： 1川八)=0.437(：川径/1)+2.842，线性相关系数尺=0.9983，检测限为0.12^径/16/^=3); Pb"在I. 〇r62. I y g/L的浓度范围内，其示差脉冲阳极溶出伏安峰电流强度与浓度呈很好 的线性关系，线性方程为J(UA)=O. 745C(y g/L)+4. 539,线性相关系数R=O. 9986,检测限 为 0. 45 yg/L(S/N=3)。
[0016] 将同一根修饰电极放入浓度均为20 yg/L Cd"和化"的醋酸-醋酸轴（pH=4.5) 的缓冲溶液中，平行测定8次，其示差脉冲阳极溶出伏安峰电流的相对标准偏差巧SD)分别 为2. 77%、2. 86% ;用同样的方法修饰相同的6根电极，分别置于浓度为20 y g/L Cd"和化" 的醋酸-醋酸轴（pH=4. 5)的缓冲溶液中测定，测试的RSD值分别为2. 95%、2. 68% ;此外将 修饰好的电极置于4 D C的恒温冰箱中保存7天，再次测量，其电流值为原始的94. 87%; W上结果表明用k半脫氨酸/石墨帰修饰电极电化学测定Cd"和Pb"具有良好的稳定性 和重现性。
[0017] 通过固定Cd"和Pb"的浓度，加入100倍Cd"和Pb"浓度的常见无机离子和酷类 污染物对k半脫氨酸/石墨帰修饰电极抗干扰能力进行考察；电解液中Cd"和化"的浓 度为20 y g/l，相对误差不超过±3%的情况下，100倍的无机盐离子和酷类污染物对CcT 和化"的示差脉冲溶出伏安峰电流强度的影响均小于5%，表明此方法具有较高的选择性， 抗干扰性较好。
[0018] 上述k半脫氨酸/石墨帰修饰电极测定完成后可重复利用，具体操作方法为；每 次扫描结束后，将k半脫氨酸/石墨帰修饰电极置于抑=4. 5的醋酸-醋酸轴缓冲液中，用 循环伏安法扫描至Cd"和化"的电化学响应消失，即恢复电极活性，恢复活性后的k半脫 氨酸/石墨帰修饰电极室温下保存待用。
[001引实施例2 ;L-半脫氨酸/石墨帰修饰电极的电性能 分别采用循环伏安法（CV)和交流阻抗法（EI巧对修饰电极的导电性能进行表征；铁 氯化钟的循环伏安过程是用来表征电极修饰过程及电子在电极表面传递速率非常有效、方 便的一种方法；选择[Fe (CN) e/化(CN) 作为电极修饰过程的表征探针；图4(A)分别为
[Fe (CN) e/化(CN) e]在石墨帰修饰电极（a)，k半脫氨酸/石墨帰修饰电极化），未经修 饰的裸电极（C)，氧化石墨帰修饰电极（d)上的循环伏安电流响应；由图可知，[Fe(CN)e/ Fe (CN) e广在石墨帰修饰电极上电流响应最大，且A E为79 mV (曲线a)，是四个电极中最 小的；说明[Fe(CN) e/化(CN) 在石墨帰修饰电极表面的电子转移速率最快；当在石墨 帰修饰电极表面修饰了心半脫氨酸后，峰电流强度减弱，且AE增加到110 mV(曲线b); 说明在电极表面形成了聚合物，影响了电子的转移速率。
[0020] 为了进一步说明修饰电极的导电性，用电化学交流阻抗法巧I巧对修饰电极的导 电性能进行表征；交流阻抗谱图的半圆直径被称为电极表面电荷转移电阻值（At),它是氧 化还原探针在电极表面电子传递动力学过程的重要表征方法；图4炬）为4种电极的交流 阻抗谱图，由图可知，未经修饰的裸电极的R。,值为678 Ohm(曲线C)，修饰氧化石墨帰后 半圆直径很大，在图中不能完全显示（曲线d)，该是由于氧化石墨帰不导电，其膜电阻很 大，电子的迁移过程受到极大的抑制；而原位还原得到石墨帰电极的半圆直径减小为102 Ohm(曲线a)，说明石墨帰修饰电极的导电性能非常好，电子在电极表面传递所受到的阻碍 很小；在石墨帰修饰电极表面修饰了心半脫氨酸后（曲线b)，半圆的直径增加至308 Ohm， 说明在电极表面形成了聚合物，阻碍了电子的传递。
[0021] 实施例3 ;沉积条件的优化 我们对Cd2+和化"检测的最佳沉积条件进行了优化，有效的沉积可W将溶液中的Cd" 和化"浓缩于电极表面，对之后的电化学测量增大电流强度起着关键作用；因此，实验中对 沉积电位和沉积时间进行了优化，研究结果如图5所示；图5(A)为Cd"、Pb"为示差脉冲溶 出峰电流强度随沉积电位的变化趋势；在-0.扩-1. 1 V范围内，CcTJbS+的示差脉冲阳极溶 出峰电流强度均随着沉积电位减小而增大，在-1. r-1.4 V范围内，均随之减小而减小；即 CcT、化"的示差脉冲溶出峰电流强度均在-1. 1 V时最大，因此实验选择-1. 1 V作为Cd"、 Pb"的沉积电位。
[0022] 传感器的灵敏度通过增长沉积时间而提高，实验考察了 CcT、化"的示差脉冲阳极 溶出峰电流强度随沉积时间的变化；结果如图5炬）所示，CcT、化"的示差脉冲溶出峰电 流强度均随沉积时间的增长而增强，但均在120 S时达到最大，且120 S之后增加幅度微 弱，说明沉积时间为120 S时，Cd"、Pb"在电极表面的沉积均已接近饱和。为了有效的检测 Cd2\化2+，实验选择120 S作为Cd"、化"的沉积时间；综述所述，Cd2\化"的最佳沉积条件 为；-1. 1 V，120 So
[002引实施例4 ;溶液抑对Cd"、化"的示差脉冲阳极溶出峰电流的影响 实验对缓冲溶液的抑对Cd"、化"的电化学响应的影响进行了研究；图6为抑在 3. 0?6. 0范围内，Cd"、化"的电化学响应信号的的变化趋势；Cd"、化"的示差脉冲阳极溶 出峰电流强度在3. (T4. 5范围内均随抑值的增大而增强，在4. 5^6. 0范围内，均随抑值的 增大而减弱，即均在抑=4. 5时，示差脉冲阳极溶出峰电流强度达到最大；因此实验选择为 pH=4. 5醋酸-醋酸轴缓冲溶液作为Cd"、Pb"的检测的支持电解液。
[0024] 实施例5 ;利用该电化学方法对模拟水样进行分析 将此方法应用于实际环境水样的分析检测，实际水样取自洪泽湖湖中也、老山乡、巧 淮、成子湖、韩桥、西顺河、高浪涧、蒋巧等8个采样点；将所取的水样分别先进行多次过滤 至澄清，各取10 HiL于100 mL容量瓶中，然后用抑=4. 5的醋酸-醋酸轴缓冲溶液稀释至刻 度线；采用示差脉冲阳极溶出伏安法对其进行检测检测结果如表1所示：
【权利要求】
1. 基于L-半胱氨酸/石墨烯修饰电极同时测定Cd2+和Pb2+的电化学方法，首先选取 氧化石墨烯为原料，通过控制氧化石墨与肼反应温度与反应时间，利用化学还原法制得纳 米级片层结构的石墨烯制得石墨烯修饰电极；接着在所制得的石墨烯修饰电极表面进一步 电聚合上L-半胱氨酸，制得L-半胱氨酸/石墨烯修饰电极；最后，选取L-半胱氨酸/石墨 烯修饰电极作为工作电极，与作为参比电极的银/氯化银电极及作为对电极的钼丝电极组 成三电极系统，对Pb 2+和Cd2+同时进行电化学测定；其特征是具体包括以下步骤： (1) 购买商品化的氧化石墨烯制备氧化石墨烯溶液，再将氧化石墨烯溶液与壳聚糖按 一定体积比进行混合，超声形成均勻稳定的溶液； (2) 取步骤（1)得到的氧化石墨烯-壳聚糖溶液5 μ?滴于洁净的玻碳电极表面，自然 晾干，得氧化石墨烯修饰电极； (3) 将步骤（2)得到的氧化石墨烯修饰电极浸于水合肼中于60°C -70°C恒温水浴加热 8小时，制得石墨烯修饰电极； (4) 将步骤（3)得到的石墨烯修饰电极浸入含1.0ΧΚΓ3 mol/L L-半胱氨酸的 PBS(pH=7. 0)溶液中，于-0. 6~2. 5 V的电位窗口进行循环伏安扫描10圈，扫速为100 mV/ s，取出电极用PBS溶液冲洗，得L-半胱氨酸/石墨烯修饰电极； (5) 将步骤（4)制得的L-半胱氨酸/石墨烯修饰电极作为工作电极，与作为参比电极 的银/氯化银电极以及作为对电极的钼丝电极组成三电极系统，在CHI660B电化学工作站 上完成Pb 2+和Cd2+的同时测定。
2. 根据权利要求1所述的基于L-半胱氨酸/石墨烯修饰电极同时测定Cd2+和Pb2+的 电化学方法，其特征是：上述步骤（1)中，所述氧化石墨烯-壳聚糖悬浮液的制备方法是：称 取称量5 mg氧化石墨烯溶于10 mL二次蒸馏水，超声溶解，形成0.5 mg/mL的氧化石墨烯 溶液；将氧化石墨烯溶液与质量浓度〇. 5%的壳聚糖按4 :1的体积比混合超声，得到氧化石 墨烯-壳聚糖溶液。
3. 根据权利要求1所述的基于L-半胱氨酸/石墨烯修饰电极同时测定Cd2+和Pb2+ 的电化学方法，其特征是：上述步骤（5)中，测定时所用缓冲溶液为醋酸-醋酸钠缓冲液 (HAc-NaAc)，醋酸-醋酸钠缓冲液由冰醋酸和醋酸钠按不同比例混合配制，并用醋酸和氢 氧化钠调节至所需pH值；整个测定过程在氮气保护下进行，即每次测定之前将含Pb 2+和 Cd2+的醋酸-醋酸钠缓冲液（HAc-NaAc)通氮气15 min，测量时也保持在氮气氛围中进行； 每次测量前，先在-1.1 V电位下恒电位沉积120 s，接着记录4 V范围内的示差脉 冲伏安图。
4. 根据权利要求1所述的基于L-半胱氨酸/石墨烯修饰电极同时测定Cd2+和Pb2+的 电化学方法，其特征是：上述步骤（5)中，电化学测定结束后，将L-半胱氨酸/石墨烯修饰 电极置于pH=4. 5的醋酸-醋酸钠缓冲液（HAc-NaAc)溶液中于-1. l~-0. 4 V范围内进行循 环伏安法反复扫描10圈以除去电沉积在电极表面的Cd2+、Pb2+，恢复电极的电活性，恢复活 性后的L-半胱氨酸/石墨烯修饰电极室温下保存待用。
【文档编号】G01N27/48GK104237361SQ201410488638
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月23日 优先权日:2014年9月23日
【发明者】周元斌, 杨维本, 唐荣桂, 杨小弟, 楚恩国, 张友明, 周文姝, 王川伟, 张敏, 薛松 申请人:江苏省洪泽湖水利工程管理处