CN103604845A - 快速检测痕量重金属离子的电化学探头及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速检测痕量重金属离子的电化学探头及其制作方法，这种电化学探头至少包括外壳以及位于外壳内的玻碳电极芯，玻碳电极芯的用于检测的表面上均匀附着有石墨烯敏感膜，石墨烯敏感膜由1～20μL石墨烯悬浮液滴涂在玻碳电极芯的用于检测的表面上，溶剂蒸发后而成。本发明的这种电化学探头简易便携、灵敏度高、分析速度快、操作简便、对环境友好和检出限低。制作这种电化学探头的方法简单易行，成本极低，特别是采用这种物理方法制备的石墨烯杂质少，性能优越。

Description

快速检测痕量重金属离子的电化学探头及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种快速检测痕量重金属离子的电化学探头及其制作方法，特别是用于快速检测痕量铅、镉等重金属离子的电化学探头，属于电化学传感器的技术领域。

背景技术

重金属离子镉（Cd2+）和铅（Pb2+）是一类对环境和生物体极为有害的污染物，一旦被生物体吸收，容易在体内累集并且不易降解。人体内过量的Cd2+将导致高血压，引起心脑血管疾病，同时可以破坏骨钙，引起肾功能失调。Pb2+则是重金属污染中毒性较大的一种，可直接伤害人的脑细胞，容易造成大脑智力低下、脑痴呆和脑死亡等。因此监测重金属离子Cd2+、Pb2+含量对环境治理和人类身体健康至关重要。目前Cd2+、Pb2+测定方法常包括原子吸收光谱法(AAS)、原子发射光谱法(AES)、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)法和阳极溶出伏安法（ASV）。原子吸收光谱法、原子发射光谱法、电感耦合等离子体质谱法离子检测虽然重现性好，但是仪器昂贵、检测成本高、操作复杂、分析时间长，不易于普遍推广使用。阳极溶出伏安法测定Cd2+、Pb2+，首先将待测液中Cd2+、Pb2+还原富集在电极表面上，然后电位扫描由负向正移动，将Cd2+、Pb2+的溶出峰电流作为测定信号，具有分析时间短，选择性强，操作简单，灵敏度高等优点，所需仪器简单便携，因而非常适合痕量组分的快速检测。

以玻碳电极作为工作电极的电化学传感器来测定Cd²⁺、Pb²⁺非常普遍，但是Cd²⁺、Pb²⁺在裸玻碳电极上的富集效率很低，短时间内Cd²⁺、Pb²⁺在裸玻碳电极上几乎无溶出峰信号。专利《一种玻碳电极修饰及检测痕量重金属的方法》（申请号为201210508956.3）公开了一种氧化石墨烯/铋膜修饰的玻碳电极，这种玻碳电极虽然灵敏度高，检出限低，重现性好，但是用到了氧化石墨烯，氧化石墨烯的制备需要强氧化剂，而且制备这种氧化石墨烯/铋膜修饰的玻碳电极需要用到电镀法沉积铋膜，这种方法得到的氧化石墨烯/铋膜修饰的玻碳电极工艺复杂，不利于环境保护。专利《一种石墨烯修饰的Pt电极及检测痕量重金属的方法》(申请号201210059601.0)公开了一种石墨烯修饰的Pt电极，这种电极采用CVD的方法在Pt电极上镀石墨烯膜，这种CVD镀膜的方法制备成本高，工艺步骤复杂，而且得到的石墨烯性能低，杂质和缺陷多，干扰电极的检测信号，检出限有限，不能检测出含量低于0.05mg/L的重金属离子。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种快速检测痕量重金属离子的电化学探头及其制作方法，这种电化学探头检出限低和灵敏度高，制备石墨烯的方法简单易行，制备出的石墨烯性能高，杂质和缺陷少。

实现本发明目的所采取的技术方案为:一种快速检测痕量重金属离子的电化学探头，至少包括外壳以及位于外壳内的玻碳电极芯，玻碳电极芯的用于检测的表面上均匀附着有石墨烯敏感膜，石墨烯敏感膜由1～20μL石墨烯悬浮液滴涂在玻碳电极芯的用于检测的表面上，溶剂蒸发后而成。

对上述技术方案进一步改进为石墨烯敏感膜的厚度为1～50nm，玻碳电极芯的直径为1～6mm。

本发明还提供了这种快速检测痕量重金属离子的电化学探头的制作方法，具体包括如下步骤：

1）石墨烯敏感材料的制备：将光谱纯的石墨粉加入到氮甲基吡咯烷酮中配制成浓度为2～50mg/mL的石墨粉溶液，密封，然后置于20～100KHz频率下进行超声处理至得到黑色的石墨烯悬浮液；

2)快速检测痕量铅、镉重金属离子的玻碳电极的制作：将1～20μL石墨烯悬浮液滴涂在玻碳电极芯的用于检测的表面上，在红外灯加热条件下蒸发掉氮甲基吡咯烷酮溶剂后成石墨烯敏感膜，制得快速检测痕量铅、镉重金属离子的电化学探头。

由上述技术方案可知，本发明在普通玻碳电极芯的用于检测的表面上均匀附着有石墨烯敏感膜，且石墨烯敏感膜由1～20μL石墨烯悬浮液滴涂在玻碳电极芯的用于检测的表面上，溶剂蒸发后而成。由于石墨烯是秒p2杂化的碳原子排列成蜂窝状六角平面晶体，厚度仅为单层。石墨烯具有比表面积大、机械强度高和热导性高等独特的性质，同时也是理想的电化学材料。它具有不含有金属杂质、生产成本低等明显的优点。因此将石墨烯修饰的电化学探头用阳极溶出伏安法测定Cd²⁺、Pb²⁺重金属不仅可大大提高灵敏度，而且其比表面积大的特点更加有利于重金属离子的吸附；载流子迁移速度高可以加快检测的时间，响应到更加尖锐的峰形，有利于析出电位很相近重金属的分离。本发明直接将溶有石墨粉的氮甲基吡咯烷酮溶液经超声处理后得到的石墨烯悬浮液滴涂在玻碳电极芯的表面形成石墨烯敏感膜。这种制备石墨烯的方法简单易行，成本极低，尤其该方法是物理过程，保证了石墨烯的完美性能，制备的石墨烯性能高，缺陷和杂质少，使这种电化学探头检测Cd²⁺、Pb²⁺的检出限可达1.08μg/L（9.64×10^-9mol L^-1）和1.82μg/L(8.78×10^-9mol L^-1)。

本发明与现有技术相比，其有益效果和优点如下：

1）本发明以石墨烯作为该电化学探头的敏感膜，借助石墨烯高的比表面积，强的吸附能力和优良的导电性能，显著提高了Cd²⁺、Pb²⁺电化学溶出峰信号，最终实现了检测Cd²⁺、Pb²⁺的灵敏度高、检测速度快。Cd²⁺、Pb²⁺检测限分别可达到1.08μg/L（9.64×10^-9mol L^-1）和1.82μg/L(8.78×10^-9mol L^-1)。

2）本发明以石墨烯作为该电化学探头的敏感膜，由于石墨烯对Cd²⁺、Pb²⁺的电化学溶出峰信号有非常显著的增敏效应，因而测定时无需长时间富集，分析时间低于3分钟，满足快速检测要求。

3）本发明测定时基于Cd²⁺、Pb²⁺在石墨烯表面的电化学溶出峰信号，溶解氧不干扰其信号，因而可以直接测定，无需长时间除氧，操作非常简便。

4）本发明的这种电化学探头采用石墨烯作为增敏膜，石墨烯是碳质材料，不会造成环境污染，属于环境友好型。

5）本发明测量Cd²⁺、Pb²⁺的重现性好，测定结果准确，可信度高。

6）本发明将石墨加入到氮甲基吡咯烷酮（NMP）溶液中，然后进行超声处理，借助氮甲基吡咯烷酮与石墨之间的插层作用以及超声能量辅助，得到石墨烯悬浮液，这种制备的石墨烯的方法是物理过程，保证了石墨烯的完美性能，制备出的石墨烯性能优异、质量高、缺陷少、杂质含量低，这种杂质低和缺陷少的石墨烯在测定Cd²⁺、Pb²⁺的电化学溶出峰信号时不干扰其信号，测量的结果更加准确，检出限极低。Cd²⁺、Pb²⁺检测限分别可达到1.08μg/L（9.64×10^-9mol/L）和1.82μg/L(8.78×10^-9mol/L)。

7）本发明中制备石墨烯的工艺简便易行，制备的石墨烯悬浮液浓度高且不易聚集，可直接滴涂在玻碳电极芯上，溶剂蒸发后形成的石墨烯敏感膜即可均匀附着在玻碳电极芯上，电化学探头整体制备成本低。

附图说明

图1为本发明提供的电化学探头的结构示意图。

图2为实施例1提供的电化学探头的石墨烯敏感膜的扫描电镜图。

图3为相同浓度的Cd²⁺、Pb²⁺在同一介质中用实施例1提供的电化学探头和裸玻碳电极传感器测试的差分脉冲溶出伏安响应曲线。

图4为实施例1提供的电化学探头测试中不同pH的介质对相同浓度的Cd²⁺、Pb²⁺的溶出峰电流的影响。

图5为不同用量的石墨烯制作实施例1提供的电化学探头测试中对相同浓度的Cd²⁺、Pb²⁺的溶出峰电流的影响。

图6为实施例1提供的电化学探头测试中不同富集电位对相同浓度的Cd²⁺、Pb²⁺的溶出峰电流的影响。

图7为实施例1提供的电化学探头测试中不同富集时间对相同浓度的Cd²⁺、Pb²⁺的溶出峰电流的影响。

其中，1–外壳，2–玻碳电极芯，3–导电丝，4–石墨烯敏感膜。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明

本发明提供的快速检测痕量重金属离子的电化学探头的结构如图1所示，这种电化学探头包括外壳1以及位于外壳1内的玻碳电极芯2，玻碳电极芯2的直径为1～6mm，外壳1的材料为聚三氟乙烯、聚四氟乙烯或PEEK树脂，外壳内穿插有导电丝3，导电丝3为铜丝，导电丝3一端与玻碳电极芯2底端接触，另一端位于外壳外，玻碳电极芯2用于检测的上表面附着有石墨烯敏感膜4，石墨烯敏感膜4厚度为1～50nm。

本发明提供的电化学探头的制作方法的实施例及测试实验如下：

实施例1

1）石墨烯敏感材料的制备：称取200mg光谱纯的石墨粉于玻璃试样瓶中，加入40mL氮甲基吡咯烷酮（NMP）溶液，配制成5mg/mL石墨溶液，密封，然后置于超声频率为40KHz的超声波清洗机中超声48小时,得到黑色的石墨烯悬浮液；

2）快速检测痕量铅、镉重金属离子的电化学探头的制作：取2μL石墨烯悬浮液滴涂在直径为3mm的玻碳电极的电极芯用于检测的上表面，在红外灯加热条件下蒸发掉氮甲基吡咯烷酮溶剂后成石墨烯敏感膜，制得这种快速检测痕量铅、镉重金属的玻碳电极。由图2的石墨烯敏感膜的扫描电镜图可以看出石墨烯敏感膜分布均匀，比表面积较大，表明普通的微米级光谱纯的石墨粉在氮甲基吡咯烷酮溶液和超声辅助的共同作用下，被成功有效的剥离为纳米级的石墨烯薄片。

取11支本实施例1制备的电化学探头测量Cd²⁺、Pb²⁺，测定结果如下：Cd²⁺,R秒D=3.16%；Pb²⁺,R秒D=4.22%。R秒D均小于5%，说明测试的重现性好，表明测定结果准确、可靠，可信度高。

下面为以本实施例提供的电化学探头进行测试实验：

1、本实施例提供的电化学探头的石墨烯敏感膜增敏效应的测试。

测试条件

1）介质：0.1M,pH=4.6的醋酸缓冲溶液；

2）电位扫描范围：-1.0V～-0.3V；

3)石墨烯悬浮液的用量：2μL；

4)富集电位：-1.0V；

5)富集时间：180秒

6)Cd²⁺、Pb²⁺的浓度：50μg/L。

电位扫描结束后，分别记录-0.80V和-0.56V附近的溶出峰电流，以此作为快速检测Cd²⁺、Pb²⁺含量的分析信号。

在介质为pH=4.6的醋酸缓冲溶液中，本实施例提供的电化学探头和裸玻碳电极测试50μg/L的Cd²⁺、Pb²⁺的差分脉冲溶出伏安响应曲线如图3所示，经过3分钟的富集，由曲线b可知，Cd²⁺、Pb²⁺在裸玻碳电极传感器上几乎无溶出峰信号，表明Cd²⁺、Pb²⁺在裸玻碳电极传感器上的富集效率很低；由曲线d可知，Cd²⁺、Pb²⁺在本实施例提供的电化学探头上，分别在-0.80V（Cd²⁺）和-0.56V(Pb²⁺)出现一个灵敏、且峰形好的溶出峰，峰电流显著增加，表明石墨烯敏感膜对Cd²⁺、Pb²⁺有强的富集能力和增敏效应。曲线a、c分别为裸玻碳电极传感器和石墨烯敏感膜电化学探头在空白缓冲溶液中的响应图，均无溶出信号。

由上述分析可知：采用本发明提供的制作方法制作的电化学探头在很短的时间内便可富集足够的Cd²⁺、Pb²⁺，富集效率高，这种电化学探头的玻碳电极芯上附着的石墨烯敏感膜对Cd²⁺、Pb²⁺电化学溶出峰信号有非常显著的增敏效应。

2、本实施例提供的电化学探头测试中不同pH的介质对相同浓度的Cd²⁺、Pb²⁺的溶出峰电流的影响。

测试条件

1)介质：pH为3.6、4.0、4.6、5.0、5.4和6.5的醋酸缓冲溶液；

2)电位扫描范围：-1.0V～-0.3V；

3)石墨烯悬浮液的用量：2μL；

4)富集电位：-1.0V；

5)富集时间：180秒

6)Cd²⁺、Pb²⁺的浓度：50μg/L。

电位扫描结束后，分别记录50μg/L的Cd²⁺、Pb²⁺在pH为3.6、4.0、4.6、5.0、5.4和6.5的醋酸缓冲溶液中的溶出峰电流。

50μg/L的Cd²⁺、Pb²⁺在不同PH的醋酸缓冲溶液中的溶出峰电流如图4所示，由图4可知，Cd²⁺、Pb²⁺在PH为4.6的醋酸缓冲溶液中的溶出峰电流最大。

3、不同用量的石墨烯制作本发明提供的电化学探头测试中对相同浓度的Cd²⁺、Pb²⁺的溶出峰电流的影响。

测试条件

1)介质：0.1M,pH=4.6的醋酸缓冲溶液；

2)电位扫描范围：-1.0V～-0.3V；

3)石墨烯悬浮液的用量：0μL、1μL、2μL、3μL、4μL、5μL；

4)富集电位：-1.0V；

5)富集时间：180秒

6)Cd²⁺、Pb²⁺的浓度：50μg/L。

电位扫描结束后，分别记录50μg/L的Cd²⁺、Pb²⁺用石墨烯用量分别为0μL、1μL、2μL、3μL、4μL和5μL制作的电化学探头测试的溶出峰电流。

50μg/L的Cd²⁺、Pb²⁺用不同用量的石墨烯制作的电化学探头测试的溶出峰电流如图5所示，由图5可知，当石墨烯用量为2μL时，Cd²⁺、Pb²⁺溶出峰电流最大，选择石墨烯用量为2μL作为本实施例的最佳方案。

4、本实施例提供的电化学探头测试中不同的富集电位对相同浓度的Cd²⁺、Pb²⁺的溶出峰电流的影响。

测试条件

1)介质：0.1M,pH=4.6的醋酸缓冲溶液；

2)电位扫描范围：-1.0V～-0.3V；

3)石墨烯悬浮液的用量：2μL；

4)富集电位：-0.8V、-0.9V、-1.0V、-1.1V、-1.2V、-1.3V、-1.4V、-1.5V；

5)富集时间：180秒

6)Cd²⁺、Pb²⁺的浓度：50μg/L。

电位扫描结束后，分别记录50μg/L的Cd²⁺、Pb²⁺在富集电位为-0.8V、-0.9V、-1.0V、-1.1V、-1.2V、-1.3V、-1.4V和-1.5V时的溶出峰电流。

不同的富集电位对50μg/L的Cd²⁺、Pb²⁺的溶出峰电流的影响如图6所示，由图6可知，当富集电位-0.8V负移到-1.0V时，Cd²⁺、Pb²⁺溶出峰电流逐渐增加，继续负移至-1.3V时才开始下降，更负的电位意味着可能被还原的金属离子种类更多，说明用本发明方法制作的附着有石墨烯敏感膜的电化学探头能适用于快速检测更多种类的重金属离子。为了减少干扰，因此选择-1.0V作为最终的富集电位。

5、本实施例提供的电化学探头测试中不同的富集时间对相同浓度的Cd²⁺、Pb²⁺的溶出峰电流的影响。

测试条件

1)介质：0.1M,pH=4.6的醋酸缓冲溶液；

2)电位扫描范围：-1.0V～-0.3V；

3)石墨烯悬浮液的用量：2μL；

4)富集电位：-1.0V；

5)富集时间：30秒、60秒、90秒、120秒、150秒、180秒、210秒、240

秒、270秒、300秒；

6)Cd²⁺、Pb²⁺的浓度：50μg/L。

电位扫描结束后，分别记录50μg/L的Cd²⁺、Pb²⁺在富集时间为30秒、60秒、90秒、120秒、150秒、180秒、210秒、240秒、270秒和300秒时的溶出峰电流。

不同的富集时间对50μg/L的Cd²⁺、Pb²⁺的溶出峰电流的影响如图7所示，由图7可知，随着富集时间的增加，Cd²⁺、Pb²⁺被还原量增大，溶出峰电流逐渐增加。为了保持相对较高的灵敏度和工作效率，最终选择180秒作为最终的富集时间。

实施例2

1）石墨烯敏感材料的制备：称取200mg光谱纯的石墨粉于玻璃试样瓶中，加入10mL氮甲基吡咯烷酮（NMP）溶液，配制成20mg/mL石墨溶液，密封，然后置于超声频率为40KHz超声波清洗机中超声48小时,得到黑色的石墨烯悬浮液；

2）快速检测痕量铅、镉重金属离子的电化学探头的制作：取2μL石墨烯悬浮液滴涂在直径为3mm的玻碳电极的电极芯用于检测的上表面，在红外灯加热条件下蒸发掉氮甲基吡咯烷酮溶剂后成石墨烯敏感膜，制得快速检测痕量铅、镉重金属的玻碳电极。实施例3

1）石墨烯敏感材料的制备：称取200mg光谱纯的石墨粉于玻璃试样瓶中，加入40mL氮甲基吡咯烷酮（NMP）溶液，配制成5mg/mL石墨溶液，密封，然后置于超声频率为60KHz超声波清洗机中超声48小时,得到黑色的石墨烯悬浮液；

2）快速检测痕量铅、镉重金属离子的电化学探头的制作：取2μL石墨烯悬浮液滴涂在直径为3mm的玻碳电极的电极芯用于检测的上表面，在红外灯加热条件下蒸发掉氮甲基吡咯烷酮溶剂后成石墨烯敏感膜，制得快速检测痕量铅、镉重金属的玻碳电极。实施例4

1）石墨烯敏感材料的制备：称取200mg光谱纯的石墨粉于玻璃试样瓶中，加入40mL氮甲基吡咯烷酮（NMP）溶液，配制成5mg/mL石墨溶液，密封，然后置于超声频率为40KHz超声波清洗机中超声48小时,得到黑色的石墨烯悬浮液；

2）快速检测痕量铅、镉重金属离子的电化学探头的制作：取10μL石墨烯悬浮液滴涂在直径为3mm的玻碳电极的电极芯用于检测的上表面，在红外灯加热条件下蒸发掉氮甲基吡咯烷酮溶剂后成石墨烯敏感膜，制得快速检测痕量铅、镉重金属的玻碳电极。

Claims (6)

1.一种快速检测痕量铅、镉重金属离子的电化学探头，至少包括外壳以及位于外壳内的玻碳电极芯，其特征在于：玻碳电极芯的用于检测的表面上均匀附着有石墨烯敏感膜，石墨烯敏感膜由1～20μL石墨烯悬浮液滴涂在玻碳电极芯的用于检测的表面上，溶剂蒸发后而成。

2.根据权利要求1所述的快速检测痕量铅、镉重金属离子的电化学探头，其特征在于：石墨烯敏感膜的厚度为1～50nm。

3.根据权利要求1所述的快速检测痕量铅、镉重金属离子的电化学探头，其特征在于：玻碳电极芯的直径为1～6mm。

4.一种权利要求1所述的快速检测痕量铅、镉重金属离子的电化学探头的制作方法，其特征在于包括如下步骤：

1）石墨烯敏感材料的制备：将光谱纯的石墨粉加入到氮甲基吡咯烷酮中配制成浓度为2～50mg/mL的石墨粉溶液，密封，然后置于20～100KHz频率下进行超声处理至得到黑色的石墨烯悬浮液；

2)快速检测痕量铅、镉重金属离子的玻碳电极的制作：将1～20μL石墨烯悬浮液滴涂在玻碳电极芯的用于检测的表面上，在红外灯加热条件下蒸发掉氮甲基吡咯烷酮溶剂后成石墨烯敏感膜，制得快速检测痕量铅、镉重金属离子的电化学探头。

5.根据权利要求4所述的快速检测痕量铅、镉重金属离子的电化学探头的制作方法，其特征在于：石墨粉溶液超声处理的时间大于6小时。

6.根据权利要求4所述的快速检测痕量铅、镉重金属离子的电化学探头的制作方法，其特征在于：石墨粉溶液浓度为5mg/ml，石墨烯悬浮液的用量为2μL。

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