水体中痕量重金属离子电化学检测方法和检测系统与流程

本发明涉及一种重金属离子检测的方法和检测系统，尤其涉及一种水体中痕量重金属离子电化学检测方法和检测系统，属于重金属离子检测技术领域。

背景技术：

一般人们根据金属的密度把金属分成重金属和轻金属，常把密度大于5g/cm3的金属称为重金属，如：金、银、铜、铅、锌、镍、钴、铬等大约几十种。重金属污染是当前一个严重的环境问题。重金属是不可生物降解的，对人体健康和环境的危害较大，它们可以通过食物链在生物组织中积累，影响所有生物，尤其是人类。因此，去除水中的重金属离子具有重要的意义。近年来，离子交换法、化学氧化还原法、膜过滤法、化学沉淀法、吸附法等多种方法被用于去除水中重金属离子。虽然这些处理方法对高浓度重金属的去除是有效的，但仍有必要开发新的方法来处理稀释量的重金属废水。对含重金属废水处理的研究表明，吸附法是一种高效的去除稀金属水溶液中重金属的方法。另外，吸附法在成本低、操作简单等方面也优于其它水回用技术。低成本吸附剂包括海藻酸盐、木质素、壳聚糖、沸石等，并已被用于有效地去除稀水金属流中的重金属。

吸附法的本质是利用吸附材料的各种功能团（如羟基、羧基及氨基等）作为吸附位点，对水体中的重金属离子进行吸附。这些官能团吸附重金属离子的过程中往往会改变材料内部的电子传输，因此利用电化学的方法进行水体中重金属离子的侦测逐渐成为当今研究的热门方向之一。但是目前水体中重金属离子检测方法大多较为复杂，因此需要设计一种新的检测方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中的水体中重金属离子检测方法复杂的不足，提供一种水体中痕量重金属离子电化学检测方法，技术方案如下：

水体中痕量重金属离子电化学检测方法，包括以下步骤：

制备石墨烯-海藻酸盐复合凝胶；

将待测水溶液滴加至石墨烯-海藻酸盐复合凝胶上；

启动电化学工作站测得i-v曲线以判断待测水溶液中重金属离子的浓度。

进一步地，制备石墨烯-海藻酸盐复合凝胶，包括以下步骤：

将还原氧化石墨烯分散液于小离心管中，加等体积去离子水，混合均匀后做离心处理；

吸取离心处理后的还原氧化石墨烯的上清液后与海藻酸钠溶液混合均匀，制备石墨烯-海藻酸钠混合溶液；

取石墨烯-海藻酸钠混合溶液1μl~5μl滴加于金电极芯片中央；向石墨烯-海藻酸钠混合溶液中滴加1μl~5μl的cacl2溶液，静置1~2分钟后即得石墨烯-海藻酸盐复合凝胶。

优选地，还原氧化石墨烯分散液的浓度为0.5~1mg/ml，海藻酸钠溶液中海藻酸钠的质量分数为0.5%~2%；cacl2溶液中质量分数为1%~2%；石墨烯-海藻酸钠混合溶液与cacl2溶液的体积比为1:1混合。

水体中痕量重金属离子电化学检测系统，连接装置、与连接装置电连接的电化学工作站、与电化学工作站连接的计算机。

进一步地，还包括固定在连接装置中用于检测待测水溶液的金电极芯片。

进一步地，金电极芯片的电极间隙为2~6μm，电极宽度为10~20μm，电极数量为2~10对，排列方式为并联。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明的检测方法简便快捷，操作简单、检测极限低、检测灵敏度高、可测样品体积小、材料绿色环保且成本低廉等优点。克服了传统重金属离子检测仪器复杂、样品需求量大、应用领域窄、测试成本高等缺点，通过将待测浓度条件下测得的i-v曲线与标准浓度测得i-v曲线进行比较，能够实现定性与定量检测重金属离子。

附图说明

图1为本发明的检测系统示意图；

图2为本发明的金电极芯片示意图；

图3为本发明的连接装置示意图；

图4为本发明复合材料示意图；

图5为本发明连接装置局部放大图；

图6为电化学工作站接口图；

图7为伏安特性(i-v)曲线；

图中：1、电化学工作站、11-参比电极、12-对电极、13-工作电极；2、计算机；3、金电极芯片；31、电极一；32、电极二；33、电极三；34、电极四；35、电极五；36、电极六；37、电极七；38、电极八；39、电极九；40、电极十；4、连接装置；41、手柄；42、连杆机构；43、主板直臂；44、主板横臂；45、槽架；46、槽体；47、底座；48、探针阵列；481、探针一；482、探针二；483、探针三；484、探针四；485、探针五；486、探针六；487、探针七；488、探针八；489、探针九；490、探针十；49、跳线帽；410、电路板；411、接线柱一；412、接线柱二；413、导向柱；5、石墨烯-海藻酸盐复合凝胶；51、水溶液；52、石墨烯微片；53、钙离子；54、待测重金属离子；55、藻酸盐凝胶链条。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

相关术语释义：

还原氧化石墨烯，(reducedgrapheneoxide,rgo)；

海藻酸钠，(sodiumalginate,sa)；

石墨烯-海藻酸钠，rgo-sa。

检测前准备工作：本发明的检测方法所采用的金电极芯片，通过以下方法制得：对金电极芯片表面采用真空蒸镀制备一层金薄膜，覆盖金薄膜的厚度为10~20nm。具体处理方法为：首先利用介电泳原理在电极断开处（电极断开处即复合凝胶的放置位置，用于待测水溶液的检测位置）聚集足够多的石墨烯，然后采用真空蒸镀法在整个芯片表面制备一层金薄膜，最后超声清洗掉芯片上的石墨烯。本处理方法的目的是增大接触面积，增强金电极芯片的导电性。

实施例1

如图1至图7所示，

水体中痕量重金属离子电化学检测方法，包括以下步骤：

制备石墨烯-海藻酸盐复合凝胶5，具体的，如图4，材料内部表现为：水体即水溶液51中分散着相互缠绕的石墨烯微片52和藻酸盐凝胶链条55，钙离子53附着于二者之上；

将待测水溶液（含有待测重金属离子54）滴加至石墨烯-海藻酸盐复合凝胶5上；

启动电化学工作站1测得i-v曲线以判断待测水溶液51中重金属离子的浓度。将金电极芯片3放置于连接装置4的槽体46中，向上拨动手柄41，通过连杆机构42和导向柱413使主板直臂43和主板横臂44垂直向下移动，从而使五对探针阵列48紧贴于金电极芯片3，然后通过跳线槽49将五对电极并联起来，最后按照两电极法将连接装置4的接线柱一411和接线柱二412与电化学工作站1的两个电极连接，测量曲线为伏安特性(i-v)曲线，用于表征待测重金属离子54溶液的浓度。在电化学工作站1配套的计算机2的软件上选择“线性扫描伏安法”，设置参数如下：起始电位0v、终止电位1v、扫描速率0.05v/s。测试干燥条件下的i-v曲线作为对照组。将测得i-v曲线与标准浓度条件下测得的各组曲线进行比较，通过函数法分析出所测痕量重金属离子的种类与浓度。

本实施例中具体地，制备石墨烯-海藻酸盐复合凝胶5，包括以下步骤：

将还原氧化石墨烯分散液于小离心管中，加等体积去离子水，混合均匀后做离心处理；

吸取离心处理后的还原氧化石墨烯的上清液后与海藻酸钠溶液混合均匀，制备石墨烯-海藻酸钠混合溶液；先将石墨烯溶液与海藻酸钠溶液混合制成混合试剂，这样可以简化后续的检测步骤。

离子富集：用移液器取5μl混合均匀的石墨烯-海藻酸钠混合溶液置于金电极芯片3中央，再向石墨烯-海藻酸钠混合溶液中滴加5μl的质量分数2%的cacl2溶液，静置2分钟后即得石墨烯-海藻酸盐复合凝胶，形成包裹着石墨烯微片52的石墨烯-海藻酸盐复合凝胶材料5，如图4所示。制备的复合物构成了三维电极界面，这种3维电极界面可以获得了高的输出电流性能，此外，sa链条可以抑制rgo的堆积，提高对应的导电复合材料的电导率。

将制得的复合凝胶材料用于吸附水溶液中的痕量重金属离子。石墨烯溶液与海藻酸钠溶液中均含有导电的物质，二者组成的混合物也是导电的，这样在后续检测痕量重金属离子时有利于放大电信号。石墨烯-海藻酸盐复合凝胶5具有很强的吸附性，能够对水溶液中的痕量重金属离子起到预富集的作用。

本实施例中作为优选方式，还原氧化石墨烯分散液的浓度为0.5mg/ml，海藻酸钠溶液中海藻酸钠的质量分数为0.5%；cacl2溶液中cacl2的质量分数为2%，这样可以在制得复合材料的同时增加测量系统导电性；石墨烯-海藻酸钠混合溶液与cacl2溶液的体积比为1:1混合。

水体中痕量重金属离子电化学检测系统，连接装置4、与连接装置4电连接的电化学工作站1、与电化学工作站1连接的计算机2。本实施例中电化学工作站1与连接装置4的连接方法为两电极法，将参比电极11和对电极12并接后与连接装置4的一个接线柱连接，工作电极13与另一个接线柱连接。

本实施例中具体地，还包括固定在连接装置4中用于检测待测水溶液的金电极芯片3。连接装置4包括调节结构、主板、槽架45和底座47，主板包括主板直臂43、主板横臂44和电路板410，槽架45中部为槽体46，槽架45安装于底座47上，金电极芯片3放置于槽体46中，电路板410位于槽体46上方的部分设有两排互相平行的探针阵列48，电路板410上还设有跳线连接器，调节结构能够控制主板上下运动，且主板运动至最低处时，探针（481-490）与金电极芯片3的上表面接触。连接装置4中部放置金电极芯片3的槽体46起到定位的作用，调节结构能够控制主板上下运动，从而使探针（481-490）与金电极芯片3的上表面良好接触。将金电极芯片3置于连接装置4的槽体46中，要求五对探针阵列48与金电极芯片3上的五对电极（31-40）阵列一一对应，向上拨动手柄41，控制主板横臂44向下运动，待主板横臂44运动至最低处时，探针阵列48（481~490）与金电极芯片阵列（31~40）上表面接触；按照两电极法将连接装置4与电化学工作站1相连。

如图2所示，本实施例中具体地，金电极芯片3的电极间隙为2~6μm，电极宽度为10~20μm，电极数量为2~10对，排列方式为并联。金电极芯片3采用多对电极并联的形式，有利于放大电信号，微电极以较小间距集成于芯片中央，后续检测时只需要滴加少量液体即可导通电路。金电极芯片3表面采用真空蒸镀法镀一层金薄膜，这样有利于提高检测痕量重金属离子的灵敏度。五对探针阵列48（481~490）与金电极芯片3上的五对电极阵列（31~40）一一对应。金电极芯片3的电极末端放大，方便与连接装置4相连。

如图7所示，选择cu²⁺溶液作为检测对象，浓度范围设置为（1pm~1mm），待测重金属离子54溶液的初始浓度设为1pm，测量系统的检测极限低。具体的，将标准溶液梯度化浓度设置为：1pm、1nm、1μm和1mm，这使得本发明的测量系统的检测范围较大。

离子检测：在石墨烯-海藻酸盐复合凝胶5上按照低浓度到高浓度顺序（1pm→1nm→1μm→1mm）依次滴加cu²⁺溶液，每次滴加5μl，测试每种浓度条件下的i-v曲线。石墨烯-海藻酸盐复合凝胶为黑色凝胶。检测结果如图7所示，可以发现，滴加浓度为1pm的铜离子溶液后，测出的i-v曲线与对照组区别明显，且随着溶液浓度的上升，i-v曲线的电流也呈上升趋势，后续检测样品中的cu²⁺含量只需将测得的i-v曲线与标准溶液的i-v曲线进行比较分析即可。根据电化学工作站1测得的i-v曲线即可判断待测重金属离子54的浓度。并测量伏安特性(i-v)曲线，根据测得的i-v曲线即可判断待测重金属离子54的浓度。

本发明的检测方法简便快捷，操作简单、检测极限低、检测灵敏度高、可测样品体积小、材料绿色环保且成本低廉等优点。克服了传统重金属离子检测仪器复杂、样品需求量大、应用领域窄、测试成本高等缺点，能够在线定性与定量检测重金属离子。本发明提出了一种在海藻酸盐凝胶内分散还原氧化石墨烯微片52形成复合材料，并将其用于对痕量重金属离子样品的集中聚集式吸附并配合微电极进行检测的方法。本方法可以在极低浓度条件下检测重金属离子，并且能够在一定浓度范围内检测重金属离子。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。