CN102628798A - 基于espr的重金属分析仪及其分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于ESPR的重金属分析仪，包括化学反应部分、表面等离子体共振光谱仪和信息处理系统，化学反应部分包括检测池、对电极、参比电极、阵列电极和电化学工作站；阵列电极位于检测池底部，对电极、参比电极插入检测池内，对电极、参比电极、阵列电极分别连接电化学工作站；电化学工作站、表面等离子体共振光谱仪分别连接信息处理系统。本发明还提供一种基于ESPR的重金属分析仪的分析方法。该分析仪可以实现多目标重金属的同时检测，提高检测的灵敏度，提高空间分辨率，减少薄金属膜板(阵列电极及其活性点)的损伤。

Description

基于ESPR的重金属分析仪及其分析方法

技术领域

本发明属于分析化学领域，具体涉及一种基于ESPR的重金属分析仪及其分析方法。

背景技术

随着科学技术及经济的快速发展，人类对环境的破坏越来越严重，排放到环境中的污染物种类越来越多，环境中的微量元素对于自然界是不可少的，但是，过量会对动植物及人类带来很大的危害，尤其是镉、铅、汞、铬以及类金属砷等生物毒性显著的重金属，即使是微量的也会对人体健康产生极大的危害，在了解重金属离子毒性以及对环境的危害的基础上，通过分析环境中金属离子的种类、含量和存在形态，对其环境效应提前做出预测，可有效防止环境的进一步恶化以及带来的灾难性后果。

目前，关于金属离子的监测方法有很多，GC、HPLC、FT-IR、GS/MS、原子吸收、ICP-MS、X射线荧光光谱法、比色法、离子色谱等方法已经用于污染物的测定。虽然这些方法的灵敏度较高，但是实验耗资昂贵，运行费用高，并且测定的前处理工作要求精细。

电化学方法仪器设备简单，易自动化，灵敏度和准确度都很高，选择性好，方法多样，速度快，并且运行费用比较低，更具有实用性，在现代环境分析中得到了更广泛的推广。电化学也有其缺点，测定前期的样品处理比较复杂，要求较高，若离子选择性电极被污染，则会降低测定的灵敏度。而且常规电化学方法不能提供有效的空间分辨率。

表面等离子体共振(SPR)技术是一种物理光学现象，对界面电荷密度变化非常敏感，具有实时监测反应动态过程，分析样品无需标记，灵敏度高，无背景干扰等特点。

将电化学方法与SPR结合的电化学/表面等离子体共振(ESPR)技术，也就是电化学原位时间分辨表面等离子体共振技术可以在电化学现场测量的同时对超薄膜表面的等离子体共振吸收进行时间分辨测量，该技术用于分析领域，最初用于检测电化学反应的局部表面电势，后来还包括局部表面的氧化还原反应检测，氧化还原反应引起的蛋白质表面构象的变化，不同电势控制下的DNA链的变性，电化学引起的高分子聚合作用等。相比较传统的基于测量电流信号的电化学方法，这一技术更有利于研究发生在电极表面的非均相反应，同时还可以用来测量反应体系的光学性质，可以帮助分析确定反应机理。但是在直接测定分子量较低、浓度较低的样品时，分析灵敏度也不够高。因此，在以后的研究中，提高ESPR检测的灵敏度、准确度将使ESPR技术进一步完善。另外采用ESPR检测溶液中的金属离子时，由于存在金属的沉积/溶解过程，因此，对薄金属膜板(Au膜)会有所损伤，使其应用也受到一定的限制。现有的关于ESPR检测溶液中的金属离子时，仅采用单一的金电极，无法同时富集多目标重金属离子，不利于多目标重金属离子的测定。

当电极的尺寸从常规的毫米级降到微米级的时候，很多电化学行为发生了改变。在微电极上，只要扩散层厚度达到100微米甚至更小就可以满足稳态条件，所以微电极的很多应用都是基于稳态的。微电极阵列(microelectrodes array，MEA)的使用可以使所需的样品量比传统普通电极大大减少。微电极阵列不仅所需试剂量少，体积小，批量生产一致性好，而且具有更高的电流密度和更好的信噪比。因此，将微电极阵列与电化学溶出伏安法相结合检测重金属，具有分析成本低，测定过程无需搅拌，仪器简单轻便，响应时间快，灵敏度高等优点。但是，目前并没有电极阵列和电化学/表面等离子体共振(ESPR)技术相结合测定重金属的仪器。

发明内容

本发明为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种基于ESPR的重金属分析仪，该分析仪可以实现多目标重金属的同时检测，提高检测的灵敏度，提高空间分辨率，减少薄金属膜板(阵列电极及其活性点)的损伤。

本发明的第二目的在于提供一种基于ESPR的重金属分析仪的分析方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：本基于ESPR的重金属分析仪，包括化学反应部分、表面等离子体共振光谱仪和信息处理系统，化学反应部分包括检测池、对电极、参比电极、阵列电极和电化学工作站；

阵列电极位于检测池底部，对电极、参比电极插入检测池内，对电极、参比电极、阵列电极分别连接电化学工作站；电化学工作站、表面等离子体共振光谱仪分别连接信息处理系统；

阵列电极包括多个活性点，活性点的的制备材料可为下述中的一种或几种：碳纤维、玻碳、碳纳米管、石墨烯、富勒烯、金刚石、金、铂、铋、硼；

阵列电极为经过修饰的电极，所用的修饰物为壳聚糖、改性壳聚糖、壳聚糖/碳纳米管复合物、漆酚树脂、吡咯啶二硫代氨基甲酸铵、四羟基蒽醌中的一种或者几种。阵列电极经过修饰可以提高对重金属离子的吸附性、选择性和检测灵敏度，降低检测限，同时减少检测过程中对活性点的损伤。

所述表面等离子体共振光谱仪包括光源、棱镜和SPR检测器，棱镜安装在阵列电极下面，光源、棱镜和SPR检测器依次光路连接。

所述SPR检测器为分辨率高可以快速拍照的CCD照相机。

所述光源为激光或者LED灯。

上述的基于ESPR的重金属分析仪的分析方法，包括阳极溶出伏安法、差分脉冲溶出伏安法、方波溶出伏安法、离子交换伏安法和微分脉冲溶出伏安法。

基于电化学原位时间分辨表面等离子体共振技术，所述阳极溶出伏安法包括以下步骤：

(1)根据待检测重金属离子种类，选择阵列电极，选择修饰物，阵列电极经过同位镀膜工艺进行修饰；

(2)把待检测溶液加入检测池，电化学工作站给对电极、参比电极、阵列电极提供电压，激光或者LED灯发出平行偏振光；

(3)根据待检测溶液的浓度，调节电化学工作站的电压，调节平行偏振光的光强；根据待检测溶液的介电常数，调节平行偏振光入射棱镜的角度，找到共振角；

(4)平行偏振光以共振角入射到棱镜，透过棱镜照射到阵列电极表面，导致阵列电极表面电子发生共振，电子吸收光能量，使反射光的强度达到最小，反射光射出棱镜，SPR检测器检测反射光信号SPR信号，光信号转换成电信号，传送给信息处理系统；同时，三个电极富集溶液中的重金属离子，电化学工作站收集信号，也传送给信息处理系统；

(5)分析过程中，电化学工作站对阵列电极施加不同的电压进行富集或者施加相反电压除去富集的物质，CCD照相机检测整个过程中的SPR信号，CCD照相机测量阵列电极表面的等离子体共振吸收，进行时间分辨，分析SPR信号得到测量重金属离子的种类和浓度，信息处理系统根据SPR谱可得到所测溶液的电化学信息和光学信息，处理得到定性分析与定量分析所需的信息。

所述重金属离子为下述种类任意之一或组合：铅、镉、铜、铬、汞、锌、砷、钴、镍、钯、铁。

所述步骤(2)中，把待检测溶液加入检测池，同时进行一个阵列电极同位镀铋的工艺：把铋盐加入检测池；检测过程中，重金属离子先还原成金属薄膜再氧化溶出，同时，铋离子跟着重金属离子实现了还原再氧化溶出，铋离子起到协同作用。阵列电极同位镀铋膜具有灵敏度高、电位窗口宽、对溶解氧不敏感等优点，在修饰过的阵列电极上用同位镀铋膜的方法测重金属离子，灵敏度较高，可实现多种重金属离子的同时快速测定。

本发明相对于现有技术具有如下的优点：

1、本基于ESPR的重金属分析仪，将电化学方法与SPR结合，可以非常有效的减小背景的干扰；由于背景反应不会在电极表面形成固态产物，因此它对SPR检测干扰非常小。但是，即使在没有净电流通过电极表面的情况下，只要电极表面有固态产物(如金属化合物)的形成，SPR则有较为灵敏的响应。

2、本发明是一种全光学检测，电化学噪音对ESPR基本无影响；共振角与介电常数有关，待测溶液的介电常数与其组成有关，若溶液组成发生改变，则共振角明显变化，所以通过SPR谱(反射光强度与入射角的关系)，即可非常灵敏地对样品进行定性、定量分析。表面等离子体共振(surface plasmon resonance，SPR)技术利用了金属薄膜光学耦合产生的物理光学现象，是一种非常灵敏的光学分析手段，因此电化学噪音对ESPR基本无影响。

3、本发明采用合适的物质修饰工作电极，既可以提高其灵敏度和选择性，同时又减小了对活性点的损伤。采用ESPR检测溶液中的金属离子时，由于存在金属的沉积/溶解过程，因此，对活性点(Au膜)会有所损伤，使其应用也受到一定的限制。如果采用合适的配体对重金属离子进行络合，则既能有选择性地转移重金属离子，又可减小对活性点的损伤。

4、本发明集成了阵列电极、SPR传感器和电化学测量技术的优点，扩大了其各自的应用范围，对重金属离子检测具有多目标同时检测、高分辨率、高灵敏度、高选择性和快响应时间等特点，可广泛应用于淡水、海水、日常用品及体液中重金属离子的检测和日常监测。

5、表面等离子体共振(SPR)技术是一种物理光学现象，对界面电荷密度变化非常敏感，具有实时监测反应动态过程，分析样品无需标记，灵敏度高，无背景干扰等特点。SPR与电化学测量技术结合，应用到化学分析领域，扩展了SPR的应用领域，同时也解决了电化学本身的一些局限，带来了新的效果：如简化样品的前期处理，提供有效的空间分辨率等。

附图说明

图1是本发明的基于ESPR的重金属分析仪的三个电极与棱镜的结构示意图。

图2是重金属分析仪的整体图；

图3是阵列电极的立体角度图；

图4是重金属分仪比较富集时间与SPR信号的关系图；

图5是重金属分仪比较富集电位与SPR信号的关系图；

图6是对不同浓度Pb²⁺的检测图；

图7是表示图6之重金属浓度与SPR信号之间的相关系数图；

图8是对不同浓度的Pb²⁺和Cu²⁺同时检测图；

图9是修饰阵列电极对不同浓度Pb²⁺的检测图；

图10是表示图9之重金属浓度与SPR信号之间的相关系数图；

图11是修饰阵列电极对不同浓度的Cd²⁺、Pb²⁺和Cu²⁺同时检测图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1、图2、图3所示的基于ESPR的重金属分析仪，化学反应部分、表面等离子体共振光谱仪和信息处理系统1，化学反应部分包括检测池2、对电极3、参比电极4、阵列电极5和电化学工作站6；

阵列电极位于检测池底部，对电极、参比电极插入检测池内，对电极、参比电极、阵列电极分别连接电化学工作站；电化学工作站、表面等离子体共振光谱仪分别连接信息处理系统；

阵列电极包括8个活性点7，活性点的的制备材料可为下述中的一种或几种：碳纤维、玻碳、碳纳米管、石墨烯、富勒烯、金刚石、金、铂、铋、硼；

阵列电极为经过修饰的电极，所用的修饰物为壳聚糖、改性壳聚糖、壳聚糖/碳纳米管复合物、漆酚树脂、吡咯啶二硫代氨基甲酸铵、四羟基蒽醌中的一种或者几种。阵列电极经过修饰可以提高对重金属离子的吸附性、选择性和检测灵敏度，降低检测限，同时减少检测过程中对活性点的损伤。

表面等离子体共振光谱仪包括LED灯8、棱镜9和分辨率高可以快速拍照的CCD照相机10，棱镜安装在阵列电极下面，LED灯发出的光通过棱镜到达CCD照相机。

基于电化学原位时间分辨表面等离子体共振技术，采用阳极溶出伏安法，包括以下步骤：

(1)根据待检测重金属离子种类，选择阵列电极，选择修饰物，阵列电极经过同位镀膜工艺进行修饰；

(2)把待检测溶液加入检测池，电化学工作站给对电极、参比电极、阵列电极提供电压，激光或者LED灯发出平行偏振光；

(3)根据待检测溶液的浓度，调节电化学工作站的电压，调节平行偏振光的光强；根据待检测溶液的介电常数，调节平行偏振光入射棱镜的角度，找到共振角；

(4)平行偏振光以共振角入射到棱镜，透过棱镜照射到阵列电极表面，导致阵列电极表面电子发生共振，电子吸收光能量，使反射光的强度达到最小，反射光射出棱镜，SPR检测器检测反射光信号SPR信号，光信号转换成电信号，传送给信息处理系统；同时，三个电极富集溶液中的重金属离子，电化学工作站收集信号，也传送给信息处理系统；

(5)分析过程中，电化学工作站对阵列电极施加不同的电压进行富集或者施加相反电压除去富集的物质，CCD照相机检测整个过程中的SPR信号，CCD照相机测量阵列电极表面的等离子体共振吸收，进行时间分辨，分析SPR信号得到测量重金属离子的种类和浓度，信息处理系统根据SPR谱可得到所测溶液的电化学信息和光学信息，处理得到定性分析与定量分析所需的信息。

所述重金属离子为下述种类任意之一或组合：铅、镉、铜、铬、汞、锌、砷、钴、镍、钯、铁。

实施例2：

为了提高分析灵敏度，可以在实施例的步骤(2)中，把待检测溶液加入检测池，同时进行一个阵列电极同位镀铋的工艺：把铋盐加入检测池；检测过程中，重金属离子先还原成金属薄膜再氧化溶出，同时，铋离子跟着重金属离子实现了还原再氧化溶出，铋离子起到协同作用。阵列电极同位镀铋膜具有灵敏度高、电位窗口宽、对溶解氧不敏感等优点，在修饰过的阵列电极上用同位镀铋膜的方法测重金属离子，灵敏度较高，可实现多种重金属离子的同时快速测定。

实施例3：

图4是分仪比较富集时间与SPR信号的关系的图表；图5是分仪比较富集电位与SPR信号的关系的图表。如图4所示当富集时间从60s增加到180s时，SPR信号强度增加，当富集时间继续增加时，SPR信号强度变化不明显；如图5所示Pb²⁺的SPR信号强度随着富集电位从-0.9V至-1.3V增加，当电位更负时，SPR信号强度反而降低。

因此，考虑测试时间和灵敏度，富集电位选择-1.3V，富集时间选择180s，此条件下响应电流最大。

实施例4：

图6是对不同浓度Pb²⁺的检测图表；图7是表示图6之重金属浓度与SPR信号之间的相关系数的图表。如图6所示，在0.1M NaClO₄溶液中不同浓度的Pb²⁺的SPR信号与电压的关系图。其信号经过相同条件下的0.1M NaClO₄空白溶液校正。富集电位为-1.3V，富集时间为3min。在-0.6V--0.4V电势范围内SPR信号有明显改变。如图7所示相关系数值R²为0.9496。

此实验表明了用本分析仪测量Pb²+线性非常好。

实施例5：

图8是本发明实施例对不同浓度的Pb²⁺和Cu²⁺同时检测图表。如图8所示，不同浓度的Pb²⁺和Cu²⁺同时检测的SPR信号和电势关系图。在0.1M NaClO₄溶液中Pb²⁺的SPR位移较负，在-0.4V附近，Cu²⁺的SPR位移较正，在0.2V附近。样品溶液的富集电势和时间分别为-1.3V和3min。Pb²⁺的SPR位移改变电势范围为-0.6V--0.4V，Cu²⁺的SPR位移改变电势范围为0.2V-0V。

此实验说明了本分析仪同时测Pb²⁺和Cu²⁺，响应时间快，分辨率和灵敏度高。

实施例6：

图9是修饰工作电极对不同浓度Pb²⁺的检测图表；图10是表示图9之重金属浓度与SPR信号之间的相关系数的图表。如图9所示，将壳聚糖复合在工作电极(即阵列电极)上，在修饰电极上用同位镀铋膜的方法，在0.1M NaClO₄溶液测得的中不同浓度的Pb²⁺的SPR信号与电压的关系图。其信号经过相同条件下的0.1MNaClO₄空白溶液校正。富集电位为-1.3V，富集时间为3min。在-0.6V--0.4V电势范围内SPR信号有明显改变。其检测线与裸金电极相比有所降低。如图10所示各个相关系数值为0.9878。

此实验表明了用本分析仪测量不同浓度的Pb²⁺，线性都非常好。

实施例7：

图11是修饰电极对不同浓度的Cd²⁺、Pb²⁺和Cu²⁺同时检测图表。如图11所示，将壳聚糖复合在工作电极上，在修饰电极上用同位镀铋膜的方法，不同浓度的Cd²⁺、Pb²⁺和Cu²⁺同时检测的SPR信号和电势关系图。在0.1M NaClO₄溶液中Cd²⁺的SPR位移较负，在-0.7V附近，Pb²⁺的SPR位移在-0.45V附近，Cu²⁺的SPR位移较正，在0.2V附近。样品溶液的富集电势和时间分别为-1.3V和3min。Cd²⁺的SPR位移改变电势范围为-0.75--0.65V，Pb²⁺的SPR位移改变电势范围为-0.65V--0.45V，Cu²⁺的SPR位移改变电势范围为0.2V-0V。

此实验说明了本分析仪同时测Cd²⁺、Pb²⁺和Cu²⁺，响应时间快，分辨率和灵敏度高。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于ESPR的重金属分析仪，其特征在于：包括化学反应部分、表面等离子体共振光谱仪和信息处理系统，化学反应部分包括检测池、对电极、参比电极、阵列电极和电化学工作站；

阵列电极位于检测池底部，对电极、参比电极插入检测池内，对电极、参比电极、阵列电极分别连接电化学工作站；电化学工作站、表面等离子体共振光谱仪分别连接信息处理系统；

阵列电极包括多个活性点，活性点的的制备材料可为下述中的一种或几种：碳纤维、玻碳、碳纳米管、石墨烯、富勒烯、金刚石、金、铂、铋、硼；

阵列电极为经过修饰的电极，所用的修饰物为壳聚糖、改性壳聚糖、壳聚糖/碳纳米管复合物、漆酚树脂、吡咯啶二硫代氨基甲酸铵、四羟基蒽醌中的一种或者几种。

2.根据权利要求1所述的基于ESPR的重金属分析仪，其特征在于：所述表面等离子体共振光谱仪包括光源、棱镜和SPR检测器，棱镜安装在阵列电极下面，光源、棱镜和SPR检测器依次光路连接。

3.根据权利要求2所述的基于ESPR的重金属分析仪，其特征在于：所述SPR检测器为CCD照相机。

4.根据权利要求2所述的基于ESPR的重金属分析仪，其特征在于：所述光源为激光或者LED灯。

5.根据权利要求2所述的基于ESPR的重金属分析仪的分析方法，其特征在于：包括阳极溶出伏安法、差分脉冲溶出伏安法、方波溶出伏安法、离子交换伏安法和微分脉冲溶出伏安法。

6.根据权利要求5所述的基于ESPR的重金属分析仪的分析方法，其特征在于：所述阳极溶出伏安法包括以下步骤：

(1)根据待检测重金属离子种类，选择阵列电极，选择修饰物，阵列电极经过同位镀膜工艺进行修饰；

(2)把待检测溶液加入检测池，电化学工作站给对电极、参比电极、阵列电极提供电压，激光或者LED灯发出平行偏振光；

(3)根据待检测溶液的浓度，调节电化学工作站的电压，调节平行偏振光的光强；根据待检测溶液的介电常数，调节平行偏振光入射棱镜的角度，找到共振角；

(4)平行偏振光以共振角入射到棱镜，透过棱镜照射到阵列电极表面，导致阵列电极表面电子发生共振，电子吸收光能量，使反射光的强度达到最小，反射光射出棱镜，SPR检测器检测反射光信号SPR信号，光信号转换成电信号，传送给信息处理系统；同时，三个电极富集溶液中的重金属离子，电化学工作站收集信号，也传送给信息处理系统；

(5)分析过程中，电化学工作站对阵列电极施加不同的电压进行富集或者施加相反电压除去富集的物质，CCD照相机检测整个过程中的SPR信号，CCD照相机测量阵列电极表面的等离子体共振吸收，进行时间分辨，分析SPR信号得到测量重金属离子的种类和浓度，信息处理系统根据SPR谱可得到所测溶液的电化学信息和光学信息，处理得到定性分析与定量分析所需的信息。

7.根据权利要求6所述的基于ESPR的重金属分析仪的分析方法，其特征在于：所述重金属离子为下述种类任意之一或组合：铅、镉、铜、铬、汞、锌、砷、钴、镍、钯、铁。

8.根据权利要求6所述的基于ESPR的重金属分析仪的分析方法，其特征在于：所述步骤(2)中，把待检测溶液加入检测池，同时进行一个阵列电极同位镀铋的工艺：把铋盐加入检测池；检测过程中，重金属离子先还原成金属薄膜再氧化溶出，同时，铋离子跟着重金属离子实现了还原再氧化溶出，铋离子起到协同作用。

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