CN103940881A

CN103940881A - 一种磷酸盐离子选择电极及其制备方法

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Publication number: CN103940881A
Application number: CN201410173151.7A
Authority: CN
Inventors: 郭希山; 周晨楠; 朱松明
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2014-04-25
Filing date: 2014-04-25
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2034-04-25
Also published as: CN103940881B

Abstract

本发明公开了一种磷酸盐离子选择电极及其制备方法，该磷酸盐离子选择电极包括金属电极和金属导线，金属电极表面具有纳米孔洞结构，在所述具有纳米孔洞结构的金属电极表面还镀有钴。本发明制备方法通过电化学合金/去合金法或氧化还原法在金属电极表面形成纳米孔洞，然后通过恒电压或恒电流法镀钴，最后经过活化后制成磷酸盐离子选择电极。本发明的磷酸盐离子选择电极及其制备方法将钴沉积在表面具有纳米孔洞结构的金属电极上来提高电极的线性检测范围和响应灵敏度，并且具有稳定、响应快、成本低等优点。

Description

一种磷酸盐离子选择电极及其制备方法

技术领域

本发明属于检测传感器技术领域，尤其涉及一种磷酸盐离子选择电极及其制备方法。

背景技术

磷元素是自然界生物成长的必需元素之一，它以各种形式广泛的存在于自然之中。然而，一旦环境中总磷含量超标，极有可能引发水体的富营养化，造成水质恶化，威胁人类生存环境；同时，人体尿液或血清的磷酸盐浓度可作为甲状腺功能亢进、维生素D缺乏及范可尼综合症临床诊断的重要参考因子；此外，土壤或营养液中磷酸盐含量对于植物生长具有重要意义。因此，磷酸盐含量在环境监测、医学诊断及肥力检测等方面已成为不可或缺的指标。

检测磷酸盐离子的传统方法主要有化学法、荧光光谱法、离子色谱法，但是均有一定的局限性。(1)化学法尤其是钼酸铵法是世界上通用的磷酸盐测量方法，该方法检测线性范围宽，但存在化学试剂消耗量大、环境污染重、干扰因子多、方法繁琐等问题；(2)荧光光谱法具有快速分析、灵敏度高及操作简便等优点，但是用光谱分析法测定磷酸盐含量时，仪器设备较复杂，价格昂贵，易受干扰；(3)离子色谱法测定溶液中磷酸盐含量具有简便、选择性好、灵敏度高、准确度高等优点，但前处理复杂，且样品中磷酸盐浓度较低时，难与样品基体离子和干扰离子分离。

常用的另一种磷酸盐检测方法是电化学法，电化学法采用电化学传感器进行检测，相比较传统方法，具有选择性好、灵敏度高、响应快及成本低等特点，且不受试液颜色、浊度的影响，适合各领域中磷酸盐的测定。现有的磷酸盐检测传感器，常用钴或其合金作为敏感材料来制作电极，但敏感材料均沉积在表面为平面的电极上。如1994年俞汝勤、肖丹等[1]以平面金属钴棒为基体，制备磷酸根选择电极,检测线性浓度范围为1×10^-5～1×10^-2mol/L，电极响应斜率为55mV/dec；肖丹等[2]将硫酸镍和硫酸钴共镀在紫铜基体平面上，制备了磷酸根离子电极，检测线性浓度范围1×10^-4～1×10^-1mol/L，斜率为-51mV/dec；苏宾等[3]在紫铜基体上电沉积Co合金制备成磷酸根离子电极，检测线性区间1×10^-5～1×10^-2mol/L，斜率为21mV/dec；周小红等[4]在丝网印刷碳电极表面镀钴制备了磷酸根离子电极，检测线性区间为1×10^-4～1×10^-1mol/L，检测下限为1×10^-5mol/L。

可见现有的磷酸盐检测传感器线性检测范围较窄，需在保持传感器较高灵敏度的同时，扩大磷酸盐离子浓度检测范围。对应的参考文献如下：

1.肖丹,俞汝勤.一种新的磷酸根离子敏感电极研究[J].高等学校化学学报,1994,15(2):193-194.

2.肖丹,夏绍喜.钴臬合金镀层磷酸根离子敏感电极研究[J].化学传感器,1998,18(1):63-66.

3.苏宾,袁红雁.钴锰合金磷酸根离子敏感电极研究[J].化学传感器,1999,19(4):33-37.

4.周小红，施汉昌，廖志民，何苗.检测磷酸盐的丝网印刷钴传感器的制备方法[P].中国专利：CN101666772，2010-3-10.

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有线性范围广、响应时间短、制作简单等特点的高灵敏度磷酸盐离子选择电极及其制备方法，以同时满足线性范围宽及灵敏度高两个特征。

为了实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种磷酸盐离子选择电极，包括金属电极和金属导线，所述金属电极表面具有纳米孔洞结构，在所述具有纳米孔洞结构的金属电极表面还镀有钴。

其中所述金属电极采用惰性金属金或铂，所述金属电极与金属导线焊接连接，所述金属电极与金属导线的焊接部位用绝缘材料密封形成连接部，所述绝缘材料为环氧树脂或聚四氟乙烯。

本发明同时还提出了一种磷酸盐离子选择电极制备方法，所述磷酸盐离子选择电极包括金属电极和金属导线，所述制备方法包括步骤：

将金属电极与金属导线焊接相连，焊接部位用绝缘材料密封，形成连接部，然后放入烘箱内在60℃～70℃的条件下直至烘干；

在烘干后的金属电极表面形成纳米孔洞；

在表面具有纳米孔洞的金属电极上镀钴；

将镀钴后的金属电极进行活化得到磷酸盐离子选择电极。

进一步地，所述在烘干后的金属电极表面形成纳米孔洞，具体包括步骤：

以锌片为辅助电极和参比电极，以金属电极为工作电极组成三电极体系；

在电解液中通过循环伏安法在金属电极表面形成纳米孔洞。

其中，所述循环伏安法设定的电压扫描速率为5～100mV/s，温度在100～120℃，扫描圈数10～30圈。

其中，所述电解液为称取无水氯化锌溶于苯甲醇溶液中配置为浓度为1-3摩尔每升的电解液。

本发明另一种实现方式，所述在烘干后的金属电极表面形成纳米孔洞，具体包括步骤：

以Ag/AgCl为参比电极，铂丝为辅助电极，金属电极为工作电极形成三电极体系；

在含有0.1～1mol/L PBS缓冲溶液中，在金属电极上先施加一个3～6V的高电位持续60～120s，氧化金属电极表面，然后在金属电极上再施加一个-3.0～0.1V的低电位持续60～120s来还原金属电极表面，在金属电极表面形成纳米孔洞。

进一步地，所述在表面具有纳米孔洞的金属电极上镀钴，具体包括步骤：

以钴棒为阳极，以表面具有纳米孔洞的金属电极为阴极，在含钴的电解液中控制电流密度在0.05～0.5mA/mm²，沉积时间为10～30分钟，即得到镀钴的纳米孔洞金属电极。

其中，所述含钴的电解液的配比为：25～50克硫酸钴，8.5～17克氯化钠和3～6克硼酸溶于100～200mL去离子水中作为钴的电解液

进一步地，本发明另一种实现方式，所述在表面具有纳米孔洞的金属电极上镀钴，具体包括步骤：以钴棒为阳极，以表面具有纳米孔洞的金属电极为阴极，在含钴的电解液中控制电压在-0.3～1.5V，沉积时间为10～30分钟，即得到镀钴的纳米孔洞金属电极。

其中，所述含钴的电解液的配比为：25～50克氯化钴，17.5～35克硫酸钠和3～6克硼酸溶于100～200mL去离子水中作为钴的电解液。

进一步地，所述将镀钴后的金属电极进行活化得到磷酸盐离子选择电极，是将镀钴后的金属电极放在0.01～0.1mol/L的邻苯二甲酸氢钾或去离子水中活化20～60分钟。

本发明提出的一种磷酸盐离子选择电极及其制备方法，将钴沉积在表面具有纳米孔洞结构的金属电极上来提高电极性能，因为表面具有纳米孔洞结构的金属电极相比于表面为平面的金属电极表现出更大的比表面积及更好的电子传输能力，尤其是表面具有纳米孔洞结构的金属电极具有良好的稳定性和延展性。采用表面具有纳米孔洞结构的金属电极作为基体电极，会增加电极表面与钴结合的反应活性位点，可提高电极对磷酸盐离子的检测范围和响应灵敏度，并且具有稳定、快速、成本低等优点。

附图说明

图1是本发明磷酸盐离子选择电极的结构示意图；

图2a是本发明磷酸盐离子选择电极表面未镀钴的局部结构示意图；

图2b是本发明磷酸盐离子选择电极表面镀钴后的局部结构示意图；

图3是本发明磷酸盐离子选择电极制备方法流程图；

图4是本发明磷酸盐离子选择电极对磷酸盐检测的响应曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步详细说明，以下实施例不构成对本发明的限定。

图1示出了本发明实施例磷酸盐离子选择电极的结构示意图，包括金属电极1、金属导线2，金属电极1与金属导线2焊接相连，焊接部位采用绝缘材料进行密封形成连接部3。

本实施例金属电极1为惰性金属制作，其形状可以是盘状电极，或棒状电极，或丝状电极，或阵列电极，采用的惰性金属为金、铂等。连接部3采用的绝缘材料如环氧树脂，或聚四氟乙烯等。

图2a为金属电极1表面未镀钴的局部放大图，可见金属电极1表面分布有纳米孔洞4。图2b为金属电极1表面镀钴后的局部放大图，纳米孔洞4中镀有钴5。

本发明通过在金属电极1的表面制造出纳米孔洞，并镀钴。由于纳米孔洞结构，可以在金属电极1的表面镀更多的钴，有利于提高传感器的性能。

以下通过具体实施例来进一步阐述本发明磷酸盐离子选择电极的制备方法，如图3所示，包括如下步骤：

步骤301、将金属电极与金属导线焊接相连，焊接部位用绝缘材料密封，形成连接部，然后放入烘箱内在60℃～70℃的条件下直至烘干。

具体地，本实施例以金电极为例来进行说明。将金制备的金属电极1与金属导线2焊接在一起，在焊接部位用环氧树脂密封，形成连接部3。这样就完成了传感器的原始毛胚件的制作，随后将该原始毛胚件放入烘箱内在60℃～70℃的条件下直至烘干。

步骤302、在烘干后的金属电极表面形成纳米孔洞。

在金属电极表面形成纳米孔洞的方法有电化学合金/去合金法，或氧化还原法，以下通过实施例来分别描述。

实施例一、采用电化学合金/去合金法在金属电极表面形成纳米孔洞。具体包括步骤：

在电解液中通过循环伏安法在金属电极表面形成纳米孔洞。

以金制作的金属电极1为例，纳米孔洞金属电极1形成的工艺流程如下：锌(Zn)首先在阴极电位扫描中被电沉积在金属电极1表面，在表面形成金-锌合金；然后在阳极电位扫描中，合金中锌被除去；根据设定的参数循环反复，形成表面具有纳米孔洞结构的金电极。本实施例中循环伏安法设定的电压扫描速率为5～100mV/s，温度在100～120℃，扫描圈数10～30圈，来得到表面具有纳米孔洞结构的金电极。

需要说明的是，在本实施例中，电解液的制作方法为：称取无水氯化锌溶于苯甲醇溶液中配置为浓度为1～3摩尔每升(1～3mol/L)的电解液。但不限于上述步骤中列出的电解液，例如还可以采用室温离子液体作为电解液，这里不再赘述。

实施例二、采用氧化还原法在金属电极表面形成纳米孔洞。具体包括步骤：

将三电极体系浸入含有0.1～1mol/L PBS(pH7)缓冲溶液中，在金属电极上先施加一个3～6V的高电位持续60～120s，氧化金属电极表面，然后在金属电极上再施加一个-3～0.1V的低电位持续60～120s来还原金属电极表面，在金属电极表面形成纳米孔洞。

以金制作的金属电极1为例，纳米孔洞金属电极1形成的工艺流程如下：首先在高电位的作用下，金属电极1表面氧化，形成金的氧化物，紧接着在低电位的作用下，金属电极1表面被还原。在这个过程中，金属电极1表面原子被腐蚀，逐渐形成纳米孔洞结构。

需要说明的是，本实施例的还原过程中的电解液也可换成浓度为0.5～3mol/L的抗坏血酸，在使用抗坏血酸作为电解液时，低电位的持续时间可以减少为20～60s。

步骤303、在表面具有纳米孔洞的金属电极上镀钴。

在表面具有纳米孔洞的金属电极表面镀钴的方法有恒电流法或恒电压法，以下通过实施例来分别描述。

实施例三、采用恒电流法镀钴，具体包括如下步骤：

其中电解液的配比为：25～50克硫酸钴，8.5～17克氯化钠和3～6克硼酸溶于100～200mL去离子水中作为钴的电解液。

实施例四、采用恒电压法镀钴，具体包括如下步骤：

以钴棒为阳极，以表面具有纳米孔洞的金属电极为阴极，在含钴的电解液中控制电压在-0.3～1.5V，沉积时间为10～30分钟，即得到镀钴的纳米孔洞金电极。

对应的电解液的配比为：25～50克氯化钴，17.5～35克硫酸钠和3～6克硼酸溶于100～200mL去离子水中作为钴的电解液。

步骤304、将镀钴后的金属电极进行活化得到磷酸盐离子选择电极。

具体地，将镀钴后的金属电极放在0.01～0.1mol/L的邻苯二甲酸氢钾或去离子水中活化20～60分钟，即可得到用于检测磷酸盐的离子选择电极。活化的作用是在金属电极表面形成氧化钴，进一步提高磷酸盐离子选择电极的稳定性。

在制备出磷酸盐离子选择电极后，以下通过具体的实验数据来验证本实施例磷酸盐离子选择电极的性能。

首先对磷酸盐离子选择电极进行标定：采用三电极体系，以铂电极为辅助电极，Ag/AgCl为参比电极，以磷酸盐离子选择电极为工作电极，配置新鲜的磷酸二氢钾溶液作为待检测的磷酸盐溶液，以0.025mol/L的邻苯二甲酸氢钾为缓冲液，KH₂PO₄的浓度分别为1×10^-6，1×10^-5，1×10^-4，1×10^-3，1×10^-2，1×10^-1mol/L，用CHI电化学工作站测定300s后工作电极与参比电极间的开路电压，根据测定的开路电压，结合磷酸盐的浓度，可以绘制如图4所示的响应曲线。该响应曲线Y轴为开路电压，X轴为磷酸盐(磷酸二氢钾溶液)的浓度，具体地Y＝kX-582.8。根据响应曲线，可知本实施例磷酸盐离子选择电极的线性范围为1×10^-6～1×10^-1mol/L，斜率k为-38.93mV/dec，开路电压与磷酸盐浓度的方程相关系数R²为0.9967。

然后进行待测样品的检测，将待测样品用0.05mol/L邻苯二甲酸氢钾稀释，检测条件如电极标定方法，用CHI电化学工作站测定300s后工作电极与参比电极间的开路电压，根据图4的响应曲线，根据测得的开路电压和稀释倍数可以计算出待检样品磷酸盐的浓度。

综上所述，本发明所述的磷酸盐离子选择电极具有线性范围广、灵敏度高、稳定、响应时间短、成本低，制作简单等特点。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种磷酸盐离子选择电极，包括金属电极和金属导线，其特征在于，所述金属电极表面具有纳米孔洞结构，在所述具有纳米孔洞结构的金属电极表面还镀有钴。

2.根据权利要求1所述的磷酸盐离子选择电极，其特征在于，所述金属电极采用惰性金属金或铂，所述金属电极与金属导线焊接连接，所述金属电极与金属导线的焊接部位用绝缘材料密封形成连接部，所述绝缘材料为环氧树脂或聚四氟乙烯。

3.一种磷酸盐离子选择电极制备方法，所述磷酸盐离子选择电极包括金属电极和金属导线，其特征在于，所述制备方法包括步骤：

在烘干后的金属电极表面形成纳米孔洞；

在表面具有纳米孔洞的金属电极上镀钴；

将镀钴后的金属电极进行活化得到磷酸盐离子选择电极。

4.根据权利要求3所述的磷酸盐离子选择电极制备方法，其特征在于，所述在烘干后的金属电极表面形成纳米孔洞，具体包括步骤：

在电解液中通过循环伏安法在金属电极表面形成纳米孔洞。

5.根据权利要求4所述的磷酸盐离子选择电极制备方法，其特征在于，所述循环伏安法设定的电压扫描速率为5～100mV/s，温度在100～120℃，扫描圈数10～30圈。

6.根据权利要求5所述的磷酸盐离子选择电极制备方法，其特征在于，所述电解液为称取无水氯化锌溶于苯甲醇溶液中配置为浓度为1～3摩尔每升的电解液。

7.根据权利要求3所述的磷酸盐离子选择电极制备方法，其特征在于，所述在烘干后的金属电极表面形成纳米孔洞，具体包括步骤：

8.根据权利要求3～7任一权利要求所述的磷酸盐离子选择电极制备方法，其特征在于，所述在表面具有纳米孔洞的金属电极上镀钴，具体包括步骤：

以钴棒为阳极，以表面具有纳米孔洞的金属电极为阴极，在含钴的电解液中控制电流密度在0.05～0.5mA/mm²，沉积时间为10～30分钟，即得到镀钴的纳米孔洞金属电极；

其中，所述含钴的电解液的配比为：25～50克硫酸钴，8.5～17克氯化钠和3～6克硼酸溶于100～200mL去离子水中作为钴的电解液。

9.根据权利要求3～7任一权利要求所述的磷酸盐离子选择电极制备方法，其特征在于，所述在表面具有纳米孔洞的金属电极上镀钴，具体包括步骤：

以钴棒为阳极，以表面具有纳米孔洞的金属电极为阴极，在含钴的电解液中控制电压在-0.3～1.5V，沉积时间为10～30分钟，即得到镀钴的纳米孔洞金属电极；

10.根据权利要求3所述的磷酸盐离子选择电极制备方法，其特征在于，所述将镀钴后的金属电极进行活化得到磷酸盐离子选择电极，是将镀钴后的金属电极放在0.01～0.1mol/L的邻苯二甲酸氢钾或去离子水中活化20～60分钟。