CN108020589A - 一种海水中钙离子的检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钙离子的检测，具体地说是一种海水中钙离子的检测方法。以聚合物膜钙离子选择性电极为工作电极，采用三电极体系，通过施加脉冲恒电流方式对海水中钙离子进行定量检测。本发明通过对所施加阴极脉冲电流的时间和大小优化，电极在10‑3—10‑2M Ca2+活度范围内(海水中钙活度)呈超能斯特响应，响应斜率为104mV/dec，与传统电位分析方法相比，该检测方法能够有效提高电极对钙离子检测的灵敏度。该电极对海水中高含量的Na+、Mg2+、K+具有很好的选择性，且具有良好的重复性和稳定性。将该电极应用于实际海水钙离子浓度的检测，检测结果与真实海水中钙离子的浓度相吻合。

Description

一种海水中钙离子的检测方法
技术领域
本发明涉及钙离子的检测，具体地说是一种海水中钙离子的检测方法。
背景技术
钙离子是海水中的常量元素，它与海洋生物圈及碳酸盐体系密切相关。海水中的珊瑚、贝类等生物的生长过程离不开钙离子。与钙离子浓度有关的碳酸钙的沉淀与溶解直接影响着海水的pH值、总碱度、总二氧化碳以及二氧化碳分压，进而关联到海洋酸化以及全球气候变暖等问题。海水是一个复杂的体系，其中与钙离子具有相同稳定性特征的钠离子、钾离子、镁离子的含量很高，要高选择性地灵敏检测海水中的钙离子，需要有效地避免或消除复杂背景的干扰。
目前测定海水中钙离子的主要方法有滴定法、质谱技术和化学传感器技术等。滴定法是最常用的检测钙离子的方法，精密度高，但是该方法容易受海水中高浓度的镁离子的干扰，因此准确性需要进一步提高。已应用于海水中钙离子检测的质谱法有同位素稀释质谱法和热电离质谱法等。它们虽然有较高的准确性和灵敏度，但仍存在复杂冗长的样品预处理过程，需要大型仪器设备，分析成本高，需要专业技术人员操作等缺陷。学传感器因其具有操作简单、携带方便、对分析物可以进行连续快速检测等优越性能，已在环境、临床、食品安全等领域得到广泛应用，其中聚合物膜离子选择性电极已成为化学传感器领域的新热点，该检测方法由于具有操作简单、选择性好以及灵敏度高等优点，已经开始应用于海水中钙离子的检测。然而该法在检测过程中是基于传统的能斯特响应，即当钙离子活度变化一个数量级时，钙离子选择性电极的电位变化值在30mV左右，而实际海水中钙离子的活度变化很小，因此灵敏度还需进一步提高。因而，需要发展一种灵敏度高，选择性好以及重现性高、稳定性好的离子选择性电极对海水中的钙离子进行检测。
发明内容
本发明的目的在于克服已有分析技术的不足，提供一种高灵敏度、高选择性以及高重现性的离子选择性电极对海水中钙离子进行检测的方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种海水中钙离子的检测方法，以聚合物膜钙离子选择性电极为工作电极，采用三电极体系，通过脉冲恒电流方式对海水中钙离子进行定量检测。
所述脉冲恒电流方式为首先在工作电极上施加零电流，测开路电位，确认为工作电极的基线电位；然后施加短时间的阴极恒电流，使溶液中待测离子高效聚集到工作电极的聚合物敏感膜上，最后根据检测程序设计施加较长时间的开路电位，使工作电极自发回到开始的基线电位；施加恒电流时得到的电位变化信号即为所测离子的电位响应值。
所述脉冲恒电流方式中对工作电极所施加的恒定的阴极脉冲电流大小为2-9μA，所施加的脉冲电流时间为1-10S；每次施加脉冲电流后，通过进一步向工作电极施加开路电位，施加开路电位的时间至少为脉冲时间的20倍，使被萃取到膜相的钙离子释放回溶液中，实现电极更新，进而获得海水中钙离子的定量测定。
所述三电极体系为工作电极、参比电极和辅助电极；其中，工作电极为聚合物膜钙离子选择性电极，所述聚合物膜钙离子选择性电极敏感膜中含钙离子载体ETH 5234，并且敏感膜中用惰性亲脂盐ETH 500代替离子交换剂。其中，钙离子选择性载体为钙离子载体Ⅳ(ETH 5234),也可以是钙离子载体Ⅰ(ETH 1001)、钙离子载体Ⅱ(ETH 129)或钙离子载体Ⅲ(A 23187)。
所述聚合物膜钙离子选择性电极为以0.1M NaCl为内充液的液膜电极；
或，以聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT/PSS)为转导层的固体接触式电极。
所述参比电极为Ag/AgCl电极，辅助电极为铂丝电极。
检测原理：脉冲恒电流控制的聚合物膜钙离子选择性电极的敏感膜不含离子交换剂，在零电流条件下没有离子通量产生，而当脉冲电流存在时，通过膜相的离子通量完全由所施加脉冲恒电流控制。
现模拟海水环境，在0.5M NaCl背景溶液中，通过向电极敏感膜施加阴极脉冲恒电流，使得待测溶液中的钙离子被有效萃取到膜相，产生计时电位响应，用于钙离子检测。通过进一步向电极施加开路电位，使被萃取到膜相的钙离子释放回溶液中，实现电极更新。以0.5M NaCl的背景电位值为初始值，不同钙离子活度的电位响应值与初始值之差用于钙离子的定量分析。
本发明的优点在于：
1.本发明采用离子选择性电极的超能斯特响应区域，在包含海水钙离子活度的一个数量级范围内，电位变化值约为100mV，与传统电位分析方法相比，该检测方法能够有效提高电极对钙离子检测的灵敏度。
2.本发明离子选择性电极适合对极致复杂的海水进行准确检测，选择性很高。海水中含量较高的钠离子、镁离子和钾离子以及海水中其他众多物质的存在完全不干扰钙离子的检测。
3.本发明将恒电流技术和恒电位技术相结合，通过向电极敏感膜施加阴极脉冲恒电流，使待测溶液中的钙离子被有效萃取到膜相，产生计时电位响应，用于钙离子检测。通过进一步向电极施加开路电位，使被萃取到膜相的钙离子释放回溶液中，实现电极更新。电极可以可逆、重复使用，减少工作量，能够提高分析的稳定性，减小实验误差。
4.本发明离子选择性电极操作简单，用于钙离子定量检测是在施加脉冲恒电流的短短几秒内实现的，检测时间短，可以实现快速分析。
附图说明
图1为本发明实施例提供的检测装置的示意图(其中1为离子选择性电极，2为内参比电极，3为内充液，4为聚合物敏感膜，5为辅助电极，6为参比电极)。
图2为本发明实施例提供的固体接触式聚合物膜钙离子选择性电极的结构示意图(其中1为玻碳电极，2为转导层(聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT/PSS))，3为与图1中相同的聚合物敏感膜)。
图3为本发明实施例提供的钙离子检测方法示意图(实线为电流-时间示意图，虚线为电位-时间示意图。A为在零电流条件下检测开路电位，B为施加4s 5微安的阴极恒电流，C为施加120s开路电位)。
图4为本发明实施例提供的对钙离子高灵敏度响应曲线图。
图5为本发明实施例提供的对钙离子高选择性响应曲线图。
图6为本发明实施例提供的钙离子选择性电极重现性曲线图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示检测装置：离子选择性电极1、参比电极6和辅助电极5分别由导线牵引于电化学工作站，电化学工作站与计算机相连；离子选择性电极由聚合物敏感膜、内充液和内参比电极组成。
(1)钙离子选择性电极敏感膜的制备：称取76mg聚氯乙烯、152mg邻硝基苯辛醚、25.6mg惰性亲脂盐四(十二烷基)_四(4-氯苯基)硼酸铵(ETH 500)和2.7mg N,N-二环己基-N′,N′-双十八烷基-3-氧杂戊二酰胺(钙离子载体ETH 5234)溶于3.5mL四氢呋喃中，搅拌均匀后固定在玻璃板上内径为3.6cm的玻璃环中。待四氢呋喃挥发后，用打孔器切割成直径为5mm的透明膜，并粘贴到PVC管上。使用0.1M NaCl作为内充液，0.1M NaCl为活化液活化电极24小时，待用。
(2)0.5M NaCl背景电位的检测：将离子选择性电极(1)、参比电极(6)、辅助电极(5)分别通过导线和电化学工作站相连作为检测装置(参见图1)插入不含CaCl2的0.5MNaCl背景溶液中，首先在零电流的条件下测开路电位，确认为工作电极的基线电位(图3A)；然后根据设计好的检测程序，施加4s 5微安的阴极恒电流(图3B)，使溶液中待测离子高效聚集到工作电极的聚合物敏感膜上，最后根据检测程序设计施加120s开路电位使工作电极自发回到开始的基线电位(图3C)；施加恒电流时得到的电位变化信号即为初始值。
(3)CaCl2溶液的电位检测：
将离子选择性电极(1)、参比电极(6)、辅助电极(5)分别通过导线和电化学工作站相连作为检测装置(参见图1)插入以0.5M NaCl为背景的3.2mM(参见图3)的CaCl2溶液中，首先在零电流的条件下测开路电位，确认为工作电极的基线电位(图3A)；然后根据设计好的检测程序，施加4s 5微安的阴极恒电流(图3B)，使溶液中待测离子高效聚集到工作电极的聚合物敏感膜上，最后根据检测程序设计施加120s开路电位使工作电极自发回到开始的基线电位(图3C)；施加恒电流时得到的电位变化信号即为钙离子的电位响应值。
通过向待测溶液中逐渐加入高浓度的CaCl2，使得待测溶液中钙离子的浓度依次为6.3、10.0、15.9和31.6mM，按照上述步骤对钙离子进行检测，产生的系列电位响应值与步骤(2)中的初始值之差用于钙离子的定量分析(参见图3)。电极在所测的钙离子范围内呈超能斯特响应，响应斜率为104mV/dec，与传统电位分析方法相比，该检测方法能够有效提高电极对钙离子检测的灵敏度。
实施例2
如图2所示检测装置：离子选择性电极1、参比电极6和辅助电极5分别由导线牵引于电化学工作站，电化学工作站与计算机相连；离子选择性电极由聚合物敏感膜、内充液和内参比电极组成。
(1)固态钙离子选择性电极的制备：称取76mg聚氯乙烯、152mg邻硝基苯辛醚、25.6mg惰性亲脂盐四(十二烷基)_四(4-氯苯基)硼酸铵(ETH500)和2.7mg N,N-二环己基-N′,N′-双十八烷基-3-氧杂戊二酰胺(钙离子载体ETH 5234)溶于3.5mL四氢呋喃中，搅拌均匀得到聚合物敏感膜。移取10微升聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸滴加到玻碳电极上，室温下晾干，然后套上准备好的PVC管，滴加100微升制备好的聚合物敏感膜于电位传导层上，室温晾干，在0.1M NaCl溶液中活化24小时，即获得固体接触式钙离子选择性电极。
(2)0.5M NaCl背景电位的检测：将离子选择性电极(1)、参比电极(6)、辅助电极(5)分别通过导线和电化学工作站相连作为检测装置(参见图1)插入不含CaCl2的0.5MNaCl背景溶液中，首先在零电流的条件下测开路电位，确认为工作电极的基线电位(图3A)；然后根据设计好的检测程序，施加4s 5微安的阴极恒电流(图3B)，使溶液中待测离子高效聚集到工作电极的聚合物敏感膜上，最后根据检测程序设计施加120s开路电位使工作电极自发回到开始的基线电位(图3C)；施加恒电流时得到的电位变化信号即为初始值。
(3)CaCl2溶液的电位检测：将离子选择性电极(1)、参比电极(6)、辅助电极(5)分别通过导线和电化学工作站相连作为检测装置(参见图1)插入以0.5M NaCl为背景的3.2mM(参见图3)的CaCl2溶液中，首先在零电流的条件下测开路电位，确认为工作电极的基线电位(图3A)；然后根据设计好的检测程序，施加4s 5微安的阴极恒电流(图3B)，使溶液中待测离子高效聚集到工作电极的聚合物敏感膜上，最后根据检测程序设计施加120s开路电位使工作电极自发回到开始的基线电位(图3C)；施加恒电流时得到的电位变化信号即为钙离子的电位响应值。
(4)通过向待测溶液中逐渐加入高浓度的CaCl2，使得待测溶液中钙离子的浓度依次为6.3、10.0、15.9和31.6mM，按照上述步骤对钙离子进行检测，产生的系列电位响应值与步骤(2)中的初始值之差用于钙离子的定量分析(参见图3)。电极在所测的钙离子范围内呈超能斯特响应，响应斜率为104mV/dec，与传统电位分析方法相比，该检测方法能够有效提高电极对钙离子检测的灵敏度。
实施例3
(1)与实例1中的敏感膜相同。
(2)将离子选择性电极(1)、参比电极(6)、辅助电极(5)分别通过导线和电化学工作站相连作为检测装置(参见图1)插入10.0mM KCl溶液中，首先在零电流的条件下测开路电位，确认为工作电极的基线电位(图3A)；然后根据设计好的检测程序，施加4s 5微安的阴极恒电流(图3B)，使溶液中待测离子高效聚集到工作电极的聚合物敏感膜上，最后根据检测程序设计施加120s开路电位使工作电极自发回到开始的基线电位(图3C)；施加恒电流时得到的电位变化信号即为钾离子的电位响应值。
通过向待测溶液中逐渐加入高浓度的KCl，使得待测溶液中钾离子的浓度依次为31.6、100和316mM，按照上述步骤对钾离子进行检测，产生系列电位响应值。
(3)将离子选择性电极(1)、参比电极(6)、辅助电极(5)分别通过导线和电化学工作站相连作为检测装置(参见图1)插入10.0mM MgCl2溶液中，首先在零电流的条件下测开路电位，确认为工作电极的基线电位(图3A)；然后根据设计好的检测程序，施加4s 5微安的阴极恒电流(图3B)，使溶液中待测离子高效聚集到工作电极的聚合物敏感膜上，最后根据检测程序设计施加120s开路电位使工作电极自发回到开始的基线电位(图3C)；施加恒电流时得到的电位变化信号即为镁离子的电位响应值。
通过向待测溶液中逐渐加入高浓度的MgCl2，使得待测溶液中镁离子的浓度依次为31.6、100和316mM，按照上述步骤对镁离子进行检测，产生系列电位响应值。
(4)将离子选择性电极(1)、参比电极(6)、辅助电极(5)分别通过导线和电化学工作站相连作为检测装置(参见图1)插入10.0mM NaCl溶液中，首先在零电流的条件下测开路电位，确认为工作电极的基线电位(图3A)；然后根据设计好的检测程序，施加4s 5微安的阴极恒电流(图3B)，使溶液中待测离子高效聚集到工作电极的聚合物敏感膜上，最后根据检测程序设计施加120s开路电位使工作电极自发回到开始的基线电位(图3C)；施加恒电流时得到的电位变化信号即为钠离子的电位响应值。
通过向待测溶液中逐渐加入高浓度的NaCl，使得待测溶液中钠离子的浓度依次为31.6、100和316mM，按照上述步骤对钠离子进行检测，产生系列电位响应值。
将上述所得电位响应值分别与对应的待测离子作图(参见图4)。由图4可知，海水中高浓度的钾离子，镁离子，钠离子对钙离子的检测不干扰，所制备的聚合物膜钙离子选择性电极在脉冲恒电流控制条件下选择性高，可用于海水中钙离子的检测。
(5)运用实施例2中的固体电极采用相同的技术手段对钾离子、镁离子、钙离子的选择性系数进行检测，所得电位响应值分别与对应的待测离子作图(参见图4)，固体电极在没有内充液的条件下，选择性较聚合物膜钙离子选择性电极略高，因而海水中高浓度的钾离子，镁离子，钠离子对钙离子的检测不干扰。
实施例4
(1)与实例1中的敏感膜及实例2中的固态钙离子选择性电极相同。
(2)将离子选择性电极(1)、参比电极(6)、辅助电极(5)分别通过导线和电化学工作站相连作为检测装置(参见图1)插入以0.5M NaCl为背景的3.2mM的CaCl2溶液中，首先在零电流的条件下测开路电位，确认为工作电极的基线电位(图3A)；然后根据设计好的检测程序，施加4s 5微安的阴极恒电流(图3B)，使溶液中待测离子高效聚集到工作电极的聚合物敏感膜上，最后根据检测程序设计施加120s开路电位使工作电极自发回到开始的基线电位(图3C)，即为一个循环；循环检测3次，3次施加恒电流时得到的电位变化信号即为钙离子的电位响应值。
将三次循环的基线电位值和电位响应值作图(参见图5)。由图5可知，3次循环检测，电极均能够实现更新，回到初始状态，并且在施加电流条件下，电极对钙离子的响应值近似相等。说明该电极重现性高，稳定性好。
实施例5
将脉冲恒电流控制的聚合物膜钙离子选择性电极应用于海水中钙离子的检测。
(1)与实例1中的敏感膜相同。
(2)所用海水样品为渤海湾远洋深海海水样品(38°N,120°E),取两份样品1和样品2进行下一步检测。
(3)由于海水样品基质复杂，干扰离子多，可采用标准加入法。
(4)对于干扰离子多的海水样品，可采用标准加入法。将离子选择性电极(1)、参比电极(6)、辅助电极(5)分别通过导线和电化学工作站相连作为检测装置(参见图1)插入海水样品中，首先在零电流的条件下测开路电位，确认为工作电极的基线电位(图3A)；然后根据设计好的检测程序，施加4s 5微安的阴极恒电流(图3B)，使溶液中待测离子高效聚集到工作电极的聚合物敏感膜上，最后根据检测程序设计施加120s开路电位使工作电极自发回到开始的基线电位(图3C)；施加恒电流时得到的电位变化信号即为钙离子的电位响应值。往上述海水样品中加入一系列2M CaCl2标准溶液，按照上述方法检测得到相应的钙离子的电位响应信号。以产生的钙离子的电位响应信号对加入的钙标准溶液的体积作图，外推曲线得到海水样品中钙离子的浓度(参见下表)。由表可知检测到海水中钙离子的浓度与实际海水中钙离子的浓度近似相等，说明该方法能够准确检测到海水中的钙离子浓度。
实施例6
将脉冲恒电流控制的聚合物膜钙离子选择性电极应用于海水中钙离子的检测。由于固体电极易于制备和维护，易于微型化，受外界(温度和压力)影响小，使用寿命得到很好的改善，因此对于干扰离子多的海水样品，固体电极更适合在海水中检测。
(1)与实例1中的敏感膜相同。
(2)所用海水样品为渤海湾远洋深海海水样品(38°N,120°E)。取两份样品3和样品4进行下一步检测。
(3)由于海水样品基质复杂，干扰离子多，可采用标准加入法。
(4)对于干扰离子多的海水样品，可采用标准加入法。将固体接触式钙离子选择性电极(图2)、参比电极(6)、辅助电极(5)分别通过导线和电化学工作站相连作为检测装置(参见图1)插入海水样品中，首先在零电流的条件下测开路电位，确认为工作电极的基线电位(图3A)；然后根据设计好的检测程序，施加4s 5微安的阴极恒电流(图3B)，使溶液中待测离子高效聚集到工作电极的聚合物敏感膜上，最后根据检测程序设计施加120s开路电位使工作电极自发回到开始的基线电位(图3C)；施加恒电流时得到的电位变化信号即为钙离子的电位响应值。往上述海水样品中加入一系列2M CaCl2标准溶液，按照上述方法检测得到相应的钙离子的电位响应信号。以产生的钙离子的电位响应信号对加入的钙标准溶液的体积作图，外推曲线得到海水样品中钙离子的浓度(参见下表)。由表可知检测到海水中钙离子的浓度与实际海水中钙离子的浓度近似相等，说明该方法能够准确检测到海水中的钙离子浓度。
表1

Claims (6)

1.一种海水中钙离子的检测方法，其特征在于：以聚合物膜钙离子选择性电极为工作电极，采用三电极体系，通过施加脉冲恒电流方式对海水中钙离子进行定量检测。
2.按权利要求1所述的海水中钙离子的检测方法，其特征在于：所述脉冲恒电流方式为首先在工作电极上施加零电流，测开路电位，确认为工作电极的基线电位；然后施加短时间的阴极恒电流，使溶液中待测离子高效聚集到工作电极的聚合物敏感膜上，最后根据检测程序设计施加较长时间的开路电位，使工作电极自发回到开始的基线电位；施加恒电流时得到的电位变化信号即为所测离子的电位响应值。
3.按权利要求1或2所述的海水中钙离子的检测方法，其特征在于：所述脉冲恒电流方式中对工作电极所施加的恒定的阴极脉冲电流大小为2-9μA，所施加的脉冲电流时间为1-10S；每次施加脉冲电流后，通过进一步向工作电极施加开路电位，施加开路电位的时间至少为脉冲时间的20倍，使被萃取到膜相的钙离子释放回溶液中，实现电极更新，进而获得海水中钙离子的定量测定。
4.按权利要求1所述的海水中钙离子的检测方法，其特征在于：所述三电极体系为工作电极、参比电极和辅助电极；其中，工作电极为聚合物膜钙离子选择性电极，所述聚合物膜钙离子选择性电极敏感膜中含钙离子载体ETH 5234，并且敏感膜中用惰性亲脂盐ETH 500代替离子交换剂。
5.按权利要求1或4所述的海水中钙离子的检测方法，其特征在于：所述聚合物膜钙离子选择性电极为以0.1M NaCl为内充液的液膜电极；
或，以聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT/PSS)为转导层的固体接触式电极。
6.按权利要求4所述的海水中钙离子的检测方法，其特征在于：所述参比电极为Ag/AgCl电极，辅助电极为铂丝电极。
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