CN109709175A - 一种基于纳米通道电化学传感器的铅离子检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于纳米通道电化学传感器的铅离子检测方法，通过将含有能够特异性识别Pb²⁺的ZIF‑8颗粒负载到PAA膜纳米通道内，并以经过ZIF‑8修饰的PAA膜作为膜电极，当Pb²⁺与ZIF‑8/PAA膜上的氮原子发生配位反应后，导致电化学信号降低，实现电化学传感器对Pb²⁺的检测。本发明提供的基于纳米通道电化学传感器的铅离子检测方法，检测方便、周期短、稳定性高、重现性好；此外，制备的电化学传感器结构简单、成本低、反应条件温和，响应速度快，对Pb²⁺具有高选择性、高灵敏度、低检测限等优点。

Description

一种基于纳米通道电化学传感器的铅离子检测方法

技术领域

本发明涉及电化学检测领域，具体涉及一种基于纳米通道电化学传感器的铅离子检测方法。

背景技术

铅离子(Pb²⁺)是一种常见的，剧毒的重金属离子。即使在低浓度下，它也会对人类健康构成严重威胁。世界卫生组织(WHO)建议将在饮用水中Pb²⁺浓度的安全水平为48nM。因此，探索灵敏检测Pb²⁺浓度的方法至关重要。到目前为止，已有许多方法如原子荧光光谱法(AFS)、原子吸收光谱法(AAS)、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)、表面增强拉曼光谱法(SERS)，但这些分析方法中对仪器的精密度要求高，成本高、程序复杂。相比之下，电化学方法，由于其灵敏度高、成本低、样品制备简单，分析速度快，便携性好，已成为检测痕量重金属离子最常用的方法之一。

例如，张等人开发了一种基于单链DNAzyme催化信标的电化学生物传感器，并将其用于检测Pb²⁺。该生物传感器具有良好的线性响应范围和检测线低至0.25nM。然而，氧化还原活性二茂铁(Fc)标记过程需要昂贵且麻烦的过程。Xu等人研究了一种基于G-四链体DNA和金纳米粒子组成的电化学生物传感器，用于检测Pb²⁺。该传感器具有高的灵敏度，良好的线性范围(0.01-200nM)以及其检测限为0.0042nM。但该方法的实验过程较复杂。此外，由于具有大π表面的G-四链体的π-π堆积，以及阳离子和G-四链体的中心带负电通道之间的协调相互作用，由阳离子配位引起的G-四链体的结构和性质将会发生变化。

如今，纳米通道由于其形状和尺寸的灵活性以及分子和离子传输的特殊性质而被广泛用于生物传感器的构建。多孔阳极氧化铝(PAA)膜是一种典型的纳米通道阵列，具有高密度的纳米通道，与单纳米孔相比，可提供几个数量级更大的离子电流变化。例如，等使用PAA进行了一些生物学检测，如DNA杂交，免疫检测和凝血酶检测。Serry等人研究了一种用于检测重金属离子的电化学传感器，该传感器基于用高度有序的六方金属纳米粒子修饰的PAA膜。由于纳米孔的大表面积和多孔纳米壳上的大量吸附位点，该方法具有高灵敏度和检测效率；但该方法需要集成的微流体平台，仪器设备制备、操作复杂且昂贵。因此，开发一种更简单，更稳定的纳米通道电化学生物传感器检测铅离子方法是非常重要的。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种基于纳米通道电化学传感器的铅离子检测方法，采用ZIF-8/PAA膜作为电化学检测中的膜电极，利用Pb²⁺与ZIF-8/PAA膜上氮原子之间的配位反应产生电流变化，从而准确、快速、的检测Pb²⁺含量。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于纳米通道电化学传感器的铅离子检测方法，所述基于纳米通道电化学传感器包括膜电极，所述膜电极包括沸石咪唑骨架/多孔阳极氧化铝膜，所述基于纳米通道电化学传感器的铅离子检测方法包括步骤：

制备所述沸石咪唑骨架/多孔阳极氧化铝膜，过塑制成膜电极；

将所述膜电极置于电解池槽体中，且膜电极将所述电解池槽体分隔为进样池和检测池，所述进样池与所述检测池通过所述沸石咪唑骨架/多孔阳极氧化铝膜连通；在进样池中置于工作电极，在检测池中置于对电极，所述工作电极、所述对电极与电化学工作站电连，组装成基于纳米通道电化学传感器；

在所述进样池和所述检测池中均加入电解质溶液，所述电化学工作站施加检测电位，然后向所述进样池中加入Pb²⁺水溶液，测定电流响应，实现对Pb²⁺的检测。

进一步地，Pb²⁺浓度的测量值根据检测到的电流响应，通过求解如下方程获得：

i(nA)＝34.19-7.10logC(nM)

式中，i表示电流响应，C表示Pb²⁺的浓度。

进一步地，所述Pb²⁺的浓度范围为10nM-10μM。

进一步地，所述Pb²⁺的检测限为0.03nM。

进一步地，所述制备所述沸石咪唑骨架/多孔阳极氧化铝膜，包括步骤：

采用两步阳极氧化法制备多孔阳极氧化铝膜；

采用原位生长法将沸石咪唑骨架颗粒修饰到所述多孔阳极氧化铝膜的纳米通道中，得到所述沸石咪唑骨架/多孔阳极氧化铝膜。

进一步地，所述两步阳极氧化法制备多孔阳极氧化铝膜，包括步骤：

将铝片剪裁成所需要的形状，然后分别按1mol/LNaOH水溶液、超纯水、无水乙醇的顺序超声4-5min，干燥备用；

在以0.4M磷酸溶液作为电解质、100V电压条件下，进行第一次阳极氧化，第一次阳极氧化时间为2h；第一次阳极氧化完成后取出铝片置于1.8wt％铬酸和6wt％磷酸的混合液中，在60℃下水浴40-50min；然后再次在以0.4M磷酸溶液作为电解质、电压100V条件下，进行第二次阳极氧化，得到氧化铝膜，第二次阳极氧化时间为8h；

将所述氧化铝膜置于氯化亚锡溶液中，直至出现淡黄透明的薄膜后取出，即得到所述多孔阳极氧化铝膜；将所述多孔阳极氧化铝膜在超纯水中超声，然后置于超纯水中10-12h，最后将所述多孔阳极氧化铝膜置于5wt％的磷酸溶液中于40℃下水浴30min，扩孔备用。

进一步地，所述原位生长法将沸石咪唑骨架颗粒修饰到多孔阳极氧化铝膜纳米通道中，包括步骤：

将所述多孔阳极氧化铝膜置于两个半电解槽的中间并连通两个半电解槽，将Zn(NO₃)₂·6H₂O甲醇溶液加入到其中一个半电解槽中，并将相同体积的2-甲基咪唑溶液甲醇溶液加入到另一半电解槽中，密封70-80h，且每24h更换一次所述Zn(NO₃)₂·6H₂O甲醇溶液和所述2-甲基咪唑甲醇溶液，取出膜，用大量甲醇超声洗涤，最后干燥得到所述沸石咪唑骨架/多孔阳极氧化铝膜。

进一步地，所述多孔阳极氧化铝膜的孔径范围为190-210nm；所述沸石咪唑骨架颗粒的尺寸范围为140-190nm。

进一步地，电解质溶液为1mmol/LKCl溶液、1mmol/LPBS溶液或1mmol/L NaCl溶液。

进一步地，所述工作电极为Ag/AgCl电极，所述对电极为Ag/AgCl电极。

相对于现有技术，本发明所述的一种基于纳米通道电化学传感器的铅离子检测方法具有以下优势：

(1)本发明通过将含有能够特异性识别Pb²⁺的ZIF-8颗粒负载到PAA膜纳米通道内，并以经过ZIF-8修饰的PAA膜作为膜电极，当Pb²⁺与ZIF-8/PAA膜上的氮原子发生配位反应，米通道的空间位阻增加，导致电化学信号降低，实现电化学传感器对Pb²⁺的检测，检测方便、周期短、稳定性高、重现性好。

本发明提供的电化学传感器，结构简单、成本低、反应条件温和，响应速度快，对Pb²⁺具有高选择性、高灵敏度、低检测限等优点。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明所述的铅离子检测方法的流程图；

图2为本发明所述的基于纳米通道电化学传感器的结构示意图；

图3中，(a)为不同浓度Pb²⁺的电流响应信号图，(b)为电流响应信号与Pb²⁺浓度的线性关系图，(c)为Pb²⁺和其他金属离子的电流相应信号图；(d)为其他金属离子和Pb²⁺的电流变化对比图；

图4中，(a)、(b)为ZIF-8的SEM图，(c)、(d)为ZIF-8的TEM图，(e)为ZIF-8的N2吸附-解吸等温线图，(f)为ZIF-8的孔径分布曲线图，(g)为ZIF-8的多孔结构参数图；

图5中，(a)为PAA膜的表面SEM图，(b)、(c)为PAA膜的横截面图，(d)为ZIF-8/PAA膜的表面SEM图，(e)为ZIF-8/PAA膜断层表面SEM图，(f)为ZIF-8/PAA膜横截面的SEM图；

图6中，(a)为ZIF-8颗粒、PAA膜和ZIF-8/PAA膜的XRD对比图，(b)为ZIF-8的TGA/DSC分析图，(c)为PAA膜的TGA/DSC分析图，(d)为ZIF-8/PAA膜的TGA/DSC分析图；

图7中，(a)为ZIF-8、PAA膜、ZIF-8/PAA膜、存在Pb²⁺时的ZIF-8/PAA膜的XPS光谱，(b)为ZIF-8/PAA膜的N1s的XPS光谱图，(c)为加入Pb²⁺后ZIF-8/PAA膜的N1s XPS光谱图，(d)为在添加Pb²⁺前后，ZIF-8/PAA膜的Pd4f的XPS光谱对比图；

图8为本发明所述的基于纳米通道电化学传感器的铅离子检测方法的原理图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。术语“包含”、“包括”、“含有”、“具有”的含义是非限制性的，即可加入不影响结果的其它步骤和其它成分。以上术语涵盖术语“由……组成”和“基本上由……组成”。如无特殊说明的，材料、设备、试剂均为市售。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明提供了一种基于纳米通道电化学传感器的铅离子检测方法，基于纳米通道电化学传感器包括膜电极，膜电极包括ZIF-8/PAA膜，基于纳米通道电化学传感器的铅离子检测方法包括步骤：

S1、制备膜电极

将沸石咪唑骨架(ZIF-8)修饰到多孔阳极氧化铝(PAA)上，制备成沸石咪唑骨/多孔阳极氧化铝膜(ZIF-8/PAA膜)，并将ZIF-8/PAA膜过塑制成膜电极；

S2、电化学传感器的组装

结合图2所示，其中WE表示工作电极、CE和RE表示将对电极与参比电极二合一的电极，在本实施例中统称为对电极。将膜电极置于电解池槽体中，且膜电极将电解池槽体分隔为进样池和检测池，所述进样池与检测池通过所述ZIF-8/PAA膜连通并进行离子交换；在进样池中置于工作电极，在检测池中置于对电极，工作电极、对电极与电化学工作站电连，组装成基于纳米通道电化学传感器；

其中，使用的电化学工作站为CHI 660E型号电化学工作站；使用的工作电极、对电极形成二电极体系，工作电极和对电极分别可以为Ag/AgCl电极(氯化银电极)、Au(金)电极、玻碳电极或Pt(铂)电极，可以根据实际操作情况选择，在本发明中，优选的，工作电极为Ag/AgCl电极、对电极为Ag/AgCl电极。

S3、铅离子(Pb²⁺)的检测

在进样池和检测池中均加入电解质溶液，电化学工作站施加检测电位，然后向进样池中加入Pb²⁺水溶液，测定电流响应，实现对Pb²⁺的检测。

具体的，当电化学传感器组装完成后，在进样池和检测池各加入2mL的电解质溶液，并且在100秒时在进样池中加入浓度为10nM的Pb²⁺水溶液，然后使用移液器吹进样池与检测池之间的连通孔，使连通孔不被气泡堵住，保证进样池与检测池之间可以发生离子交换；连接CHI 660E电化学工作站并向工作电极施加0.01V的检测电位，进行循环伏安扫描，实现对Pb²⁺的测定。

检测时，用CHI 660E电化学工作站连接工作电极和对电极，通过电化学工作站电化学循环伏安法测定光电流强度，再将光电流数据换算为浓度数据。

电解质溶液可以为1mmol/L KCl(氯化钾)溶液、1mmol/LPBS(磷酸缓冲盐)溶液或1mmol/L NaCl(氯化钠)溶液。

较佳的，所述进样池还可以通过磁力搅拌装置恒定搅拌进样池溶液，以保证Pb²⁺加入后能迅速与ZIF-8/PAA膜反应，提高检测时间和准确度。

可以理解的是，多孔阳极氧化铝(PAA)膜是一种纳米通道阵列，具有高密度的纳米通道，其孔径稳定、物化性能良好，可以给ZIF-8材料提供稳定的载体，同时通过孔道内部修饰能够使孔道内表面功能化。金属-有机骨架材料是是一种多孔材料，具有纳米尺寸的孔道或孔穴，且孔道类型复杂多样；其孔隙率高、比表面积大、密度小、化学稳定性好，可以表现出优异的吸附选择性。ZIF-8是ZIF系列的金属-有机骨架材料，具有由金属离子Zn²⁺和咪唑基配体组成的拓扑结构。ZIF-8可以在纳米通道中自由生长并填充纳米通道而不受通道孔径的限制；此外，ZIF-8包含的-OH和N^-1可以提碱性位置，ZIF-8包含的Zn²⁺和N-H可以提供酸性位置；可以看出，ZIF-8具有酸性和碱性官能团，能够吸附不同性质的污染物，尤其对于Pb²⁺有很强的吸附能力。因此，将ZIF-8修饰在PAA膜的通道内表面上制备出的ZIF-8/PAA膜，能够与Pb²⁺发生配位反应。

结合图8所示，本发明提供的基于纳米通道电化学传感器的铅离子检测方法，利用ZIF-8/PAA膜对Pb²⁺的特异性识别，也即Pb²⁺与ZIF-8/PAA膜上氮原子之间的配位反应，使得ZIF-8的孔被堵住，ZIF-8/PAA膜的纳米通道的空间位阻增加，电流下降；再结合自制的基于纳米通道的电化学传感器来检测电流响应(跨膜电流变化)，通过电化学工作站对水体中Pb²⁺进行检测。本发明提供的铅离子检测方法，其装置制备过程简单、成本低、反应条件温和，响应速度快，且检测方便、周期短、稳定性高、重现性好。

为探索以ZIF-8/PAA膜作为膜电极的电化学传感器的灵敏度，在步骤S3中，可以包括步骤：

S31、电化学传感器灵敏度分析

具体为：在100秒时在进样池中加入浓度为10nM的Pb²⁺水溶液，之后每100s加入浓度范围为20nM-10μM内的Pb²⁺水溶液，并测定每一浓度下的电流响应，从低浓度到高浓度依次检测，绘制所得电流响应与Pb²⁺浓度工作曲线。结合如图3(a)、3(b)所示，图3(a)为不同浓度Pb²⁺的电流响应信号(i)，图3(b)为电流响应信号(i)与Pb²⁺浓度(10nM-10μM)的线性关系。可以看出，当在进样池中Pb²⁺加入时，电流响应减少，并且电流响应随着Pb²⁺浓度的增加而降低，也即Pb²⁺浓度与电流响应成反比。

通过多次实验数据总结，Pb²⁺的浓度范围在10nM-10μM时，Pb²⁺浓度与电流响应的线性关系，可以定义为如下方程式：

i(nA)＝34.19-7.10logC(nM)

式中，i表示电流响应，C表示Pb²⁺的浓度。

其中，本发明提供的基于纳米通道电化学传感器的铅离子检测方法在可靠程度内可以检测的Pb²⁺的最小浓度为0.03nM，也即本发明检测Pb²⁺的检测限为0.03nM，且相关系数为0.99。

为表征以ZIF-8/PAA膜作为膜电极的电化学传感器对Pb²⁺的选择性，在步骤S3的检测中，可以包括步骤：

S32、电化学传感器选择性分析

具体为：在100s时向进样池加入10μM浓度的Pb²⁺水溶液，然后每200s加入浓度为10μM的其他金属离子水溶液，并测定每一金属离子下的电流响应变化。通过对水溶液体系中Pb²⁺与其他金属离子的对照试验，可以确定本发明提供的基于纳米通道电化学传感器对Pb^{2 +}的选择性。其中，添加的其他金属离子的顺序为Co²⁺，Cd²⁺，Ba²⁺，Mn²⁺，Cu²⁺，Zn²⁺，Ag⁺。

结合图3(c)、(d)所示，图3(c)为Pb2+(10μM)和其他金属离子(例如Co²⁺，Cd²⁺，Ba²⁺，Mn²⁺，Cu²⁺，Zn²⁺和Ag⁺)的电流信号(i)；图3(d)为其他金属离子和Pb²⁺的电流变化(Δi)。可以看出，当进样池中加入Pb²⁺后，电化学传感器的电流响应急剧下降，且电流变化Δi＝6.65nA，变化显著显着，而当添加具有相同浓度的其他金属离子时，电流变化Δi<2.0nA，与加入Pb²⁺的电流变化相比，不明显。这说明本发明提供的基于纳米通道电化学传感器在检测时，对Pb²⁺有较好的选择性。

其中，电流变化Δi是计算三次试验的平均结果获得。

此外，在步骤S1制备膜电极中，具体包括步骤：

S11、PAA膜的制备

采用两步阳极氧化法制备PAA膜，具体步骤为：

(1)前期准备：将铝片剪裁成所需要的形状，然后分别按1mol/L NaOH水溶液、超纯水的顺序超声4-5min，最后使用无水乙醇淋洗铝片两表面，使铝片迅速干燥，将铝片夹在反应模具的橡胶圈之间，并用螺母固定组装好，用多余的铝片剪出长条状作为引出电极；

(2)阳极氧化：在以0.4M浓度的磷酸溶液作为电解质、100V电压条件下，进行第一次阳极氧化，第一次阳极氧化时间为2h；第一次阳极氧化完成后取出铝片置于1.8wt％铬酸和6wt％磷酸的混合液中，在60℃下水浴40-50min；然后再次在以0.4M浓度的磷酸溶液作为电解质、电压100V条件下，进行第二次阳极氧化，得到氧化铝膜，第二次阳极氧化时间为8h；

(3)后续处理过程及扩孔：将氧化好的氧化铝膜置于氯化亚锡溶液中，使用较高浓度的氯化亚锡(可加入少量盐酸，加快置换反应速率)除去氧化铝膜背面的铝，直到看到淡黄透明的薄膜即停止反应，再用超纯水超声约一分钟，除去所有残渣，反复多次，至铝基完全除去(即铝膜变得透明，呈微黄色)，即得到所述PAA膜。将制得的PAA膜置于超纯水中10-12h，使PAA膜里的草酸浸泡出来，然后将PAA膜置于5wt％的磷酸溶液中，并在40℃下水浴30min，对PAA膜扩孔，最后，用无水乙醇晾干，低温干燥条件下保存。

S12、ZIF-8/PAA膜的制备

采用原位生长法将ZIF-8颗粒修饰到PAA膜的纳米通道中，得到ZIF-8/PAA膜。

具体的，将PAA膜置于两个半电解槽的中间并连通两个半电解槽，将浓度为49mM的Zn(NO₃)₂·6H₂O甲醇溶液加入到其中一个半电解槽中，并将相同体积的浓度为39.5mM的2-甲基咪唑溶液甲醇溶液加入到另一半电解槽中，密封70-80h，且每24h更换一次Zn(NO₃)₂·6H₂O甲醇溶液和2-甲基咪唑甲醇溶液，取出膜，用大量甲醇超声洗涤3次，并在110℃下干燥1h，得到ZIF-8/PAA膜。其中，Zn(NO₃)₂·6H₂O甲醇溶液和Zn(NO₃)₂·6H₂O甲醇溶液为制备ZIF-8的反应液。

可以理解的是，当ZIF-8反应液经过PAA膜纳米通道时，由于甲醇溶液对通道壁的浸润能力，ZIF-8反应溶液会依附在通道壁，PAA膜通道壁上会有许多ZIF-8小颗粒迅速形成，为了给ZIF-8颗粒营造了一个良好的持续生长的环境，需在PAA膜纳米通道中持续注入新鲜的ZIF-8反应液。随着新鲜的ZIF-8反应液的持续注入，通道壁上的ZIF-8小颗粒持续生长，聚集，逐渐形成规则的，均匀的ZIF-8颗粒并充斥在PAA膜纳米通道中。该方法操作简单，形成的ZIF-8大小均匀且充分填充在PAA膜通道内，形貌易于观察与检测。

结合图5所示，使用SEM对PAA膜和ZIF-8/PAA复合膜的形貌进行表征。图5(a)为PAA膜的表面SEM图，从中可知，本发明制备的PAA膜的孔径相对均匀，平均孔径约为200nm。图5(b)、图5(c)为PAA膜的横截面图，从图可知，PAA膜的厚度约为50μm，且纳米通道彼此平行并且具有约200nm的尺寸，此尺寸与孔径相对应。图5(d)为ZIF-8/PAA膜的表面SEM图，从图可知，ZIF-8均匀地覆盖在PAA膜表面且具有相对均匀的粒度。图5(e)为ZIF-8/PAA膜断层表面SEM图像，断层通过在制备的ZIF-8/PAA膜的表面用手术刀刻划形成，从中可以发现ZIF-8完全填充在PAA膜纳米通道中并堵塞纳米通道。图5(f)为ZIF-8/PAA膜横截面的SEM图，从图中可以看出，ZIF-8充分填充在PAA膜纳米通道中，并且ZIF-8纳米颗粒的尺寸在140-190nm的范围内，这与图4(a)的表征相吻合。

S13、膜电极的制备

用打孔器在过塑膜上根据需要打出圆孔，然后将将ZIF-8/PAA膜层的中间部分对准圆孔，并放置于两片过塑膜中间，然后置于热塑性机器中在150℃下密封过塑。也可以在制备ZIF-8/PAA膜过程中，将制备好的PAA膜夹在两片过塑膜层中间，在热塑性机器中密封过塑，然后再置入ZIF-8反应液中，将ZIF-8修饰在PAA膜纳米通道内。

其中，膜电极还包括两个垫片，垫片位于过塑膜背离ZIF-8/PAA膜的一侧，且垫片上设置有与过塑膜上相同大小的圆孔，两个垫片将过塑后的ZIF-8/PAA膜层夹在中间，也即，膜电极的结构为：依次排列的垫片、过塑膜、ZIF-8/PAA膜、过塑膜、垫片。

其中，过塑膜与垫片上的圆孔的直径范围均为2mm-10mm，过塑膜与垫片上的圆孔的直径决定了纳米通道的传输面积，若小于2mm，则传输面积过小，电流小，电流变化不明显；而若直径大于10mm，则传输面积过大，电流大，电流变化也会不明显。

在电化学传感器的组装过程中，过塑后的ZIF-8/PAA膜浸入1mM KCl溶液中30min直至完全润湿，然后夹在两垫片中间，放入自制的两个半电解槽之间，并将两个半电解槽固定。垫片可以为PDMS(聚二甲基硅氧烷)、硅胶、尼龙、橡胶、PA66(聚己二酰己二胺)或塑料中的一种，且垫片的厚度为2mm。通过增加垫片，可以提高电化学传感器的进样池与检测池之间的密封性，防止膜电极处出现溶液泄露的情况。

同时，为表征ZIF-8的形态，并与ZIF-8/PAA膜的结构形态对照，本发明还提供了一种ZIF-8颗粒的制备方法，具体包括：

(1)溶液的配置：称取1.027g Zn(NO₃)₂·6H₂O于烧杯中，加入70mL甲醇，进行溶解，配成A液。同样的方式，称取2.271g 2-甲基咪唑溶解于70mL甲醇，配成B液。

(2)ZIF-8颗粒的合成：将步骤(1)中制得的A液和B液混合并搅拌2h，形成白色悬浊液，然后离心并用甲醇洗涤3次；最后将最终产物在110℃下干燥过夜，即得到ZIF-8颗粒。

结合图4所示，图4(a)、图4(b)为ZIF-8在不同倍数SEM(扫描电镜)图，从图可知，ZIF-8颗粒呈菱形十二面体的形状，尺寸在140-190nm的范围内；图4(c)、图4(d)为ZIF-8在不同倍数TEM图，从图可知，ZIF-8颗粒晶体的形状是菱形十二面体，这结果与SEM的相似；图4(e)为ZIF-8的N2吸附-解吸等温线图，从图可以发现ZIF-8的等温线形状是I型等温线，这表明合成的ZIF-8是微孔结构；图4(f)为ZIF-8的孔径分布曲线，从图可知，测得的BET比表面积，总孔体积和ZIF-8的微孔直径分别为1706.7073m²/g，0.63cm³/g和0.987nm；图4(g)为ZIF-8的多孔结构参数图，图可知，孔径主要分布在0.8nm和1.2nm之间，这表明ZIF-8纳米颗粒的孔结构相对均匀。

结合图6所示，本发明还提供了通过X射线衍射(XRD)分析和热重分析/差示扫描量热法(TGA/DSC)对ZIF-8颗粒、PAA膜和ZIF-8/PAA膜包含的官能团和热稳定性进行表征，说明通过本发明提供的基于纳米通道电化学传感器的铅离子检测方法制备的ZIF-8/PAA膜，是以PAA膜的纳米通道内壁为基地生长ZIF-8。在图6中TGA为实线所示，DSC为虚线所示。

图6(a)为ZIF-8颗粒、PAA膜和ZIF-8/PAA膜的XRD图，从图可知，与PAA膜相比，ZIF-8和ZIF-8/PAA在2θ为7.35°、10.40°、12.75°、14.73°、16.48°和18.04°处显示出高强度特征峰，对应于(011)，(002)，(112)，(022)，(013)，(222)晶格面，表明制备的ZIF-8的结晶度相对较高。与PAA膜相比，ZIF-8/PAA在2θ为7.35°、10.40°、12.75°、14.73°、16.48°和18.04°处显示出与ZIF-8相同的特征峰，这表明ZIF-8已成功在PAA膜中形成。

图6(b)为ZIF-8的TGA/DSC分析图，从图可知，大约在500℃时，TGA重量显着降低，但DSC的实际吸热峰出现在625℃，此时有机连接体开始碳化并热分解，释放出一些小分子，如NH₃和(CN)₂分子。

图6(c)为PAA膜的TGA/DSC分析图，从图可知，PAA膜的TGA重量在800℃时几乎保持稳定，DSC曲线也没有明显的吸热和放热峰。，这表明PAA膜具有高的热稳定性。

图6(d)为ZIF-8/PAA膜的TGA/DSC分析图，从图可知，ZIF-8/PAA膜的TGA重量在约500℃时显着降低，但降低幅度小于ZIF-8的降幅；且由于ZIF-8的峰被PAA膜的峰所掩盖，DSC曲线没有明显的吸热和放热峰。

本发明还探讨了基于纳米通道电化学传感器能够对Pb²⁺进行检测且表现出优异选择性的机理。

结合图7所示，通过X射线光电子能谱(XPS)进一步证明ZIF-8在PAA膜中的成功生长。图7(a)为ZIF-8、PAA膜、ZIF-8/PAA膜、存在Pb²⁺时的ZIF-8/PAA膜的XPS光谱，从图可知，在ZIF-8的XPS曲线上可以观察到Zn2p，O1s，N1s和C1s的显着峰；在PAA膜的XPS曲线上观察到O1s，C1s，Al2s和Al2p的显着峰；与ZIF-8相比，ZIF-8/PAA膜的XPS曲线可以看到Al2s和Al2p的峰，这表明ZIF-8已经成功地修饰成PAA膜上。当存在Pb²⁺时，可以观察到Pb4d和Pb4f的显着峰，表明Pb²⁺可以负载到ZIF-8/PAA中。

图7(b-d)分析了N1s和Pb4f的XPS光谱，可以用于研究电化学传感器对Pb²⁺的检测机理。图7(b)为ZIF-8/PAA膜的N1s的XPS光谱，从图可知，ZIF-8/PAA的N1s峰的结合能约为398.4eV和399eV，这分别归因于C＝N-和C-NH-基团。

图7(c)为加入Pb²⁺后ZIF-8/PAA膜的N1s XPS光谱，从图可知，当加入Pb²⁺时，ZIF-8/PAA的两个N1s峰仍然存在；同时，由于Pb²⁺与氮原子之间的配位反应，在400eV处出现了新峰。

图7(d)为在添加Pb²⁺前后，ZIF-8/PAA膜的Pd4f的XPS光谱对比图，从图可知，在添加Pb²⁺之前，ZIF-8/PAA膜没有Pb4f峰；添加Pb²⁺后，在ZIF-8/PAA膜中清楚地观察到Pb4f的峰值(结合能为142.6eV)和Pb4f7/2(结合能为137.7eV)。与纯Pb(NO₃)₂(Pb4f5/2和Pb4f7/2的结合能分别对应144.5eV和139.6eV)相比，Pb4f的结合能降低了1.9eV。这证实了N和Pb²⁺之间的协调相互作用。

本发明通过将含有能够特异性识别Pb²⁺的ZIF-8颗粒负载到PAA膜纳米通道内，并以经过ZIF-8修饰的PAA膜作为膜电极，当Pb²⁺与ZIF-8/PAA膜上的氮原子发生配位反应，导致电化学信号降低，实现电化学传感器对Pb²⁺的检测。基于纳米通道电化学传感器在10nM-10μM的浓度范围内具有良好的线性响应，并且其检测限约为0.03nM。同时，当存在其他金属离子(例如Co²⁺，Cd²⁺，Ba²⁺，Mn²⁺，Cu²⁺，Zn²⁺和Ag+)时，它对Pb²⁺的检测表现出了优异的选择性。此外，通过XPS分析研究Pb²⁺检测的机理，表明基于纳米通道电化学传感器是通过Pb²⁺和N之间的配位相互作用来检测Pb²⁺。

本发明提供的基于纳米通道电化学传感器的铅离子检测方法，检测方便、周期短、稳定性高、重现性好；此外，制备的电化学传感器结构简单、成本低、反应条件温和，响应速度快，对Pb²⁺具有高选择性、高灵敏度、低检测限等优点。

本发明提供的基于纳米通道电化学传感器的铅离子检测方法，在环境综合防治，特别是在Pb²⁺污染物应急监测及突发性事件方面可以发挥重要的作用，在环境监测技术领域应用前景广阔。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于纳米通道电化学传感器的铅离子检测方法，其特征在于，所述基于纳米通道电化学传感器包括膜电极，所述膜电极包括沸石咪唑骨架/多孔阳极氧化铝膜，所述基于纳米通道电化学传感器的铅离子检测方法包括步骤：

制备所述沸石咪唑骨架/多孔阳极氧化铝膜，过塑制成膜电极；

将所述膜电极置于电解池槽体中，且膜电极将所述电解池槽体分隔为进样池和检测池，所述进样池与所述检测池通过所述沸石咪唑骨架/多孔阳极氧化铝膜连通；在进样池中置于工作电极，在检测池中置于对电极，所述工作电极、所述对电极与电化学工作站电连，组装成基于纳米通道电化学传感器；

在所述进样池和所述检测池中均加入电解质溶液，所述电化学工作站施加检测电位，然后向所述进样池中加入Pb²⁺水溶液，测定电流响应，实现对Pb²⁺的检测。

2.根据权利要求1所述的基于纳米通道电化学传感器的铅离子检测方法，其特征在于，Pb²⁺浓度的测量值根据检测到的电流响应，通过求解如下方程获得：

i(nA)＝34.19-7.10logC(nM)

式中，i表示电流响应，C表示Pb²⁺的浓度。

3.根据权利要求2所述的基于纳米通道电化学传感器的铅离子检测方法，其特征在于，所述Pb²⁺的浓度范围为10nM-10μM。

4.根据权利要求3所述的基于纳米通道电化学传感器的铅离子检测方法，其特征在于，所述Pb²⁺的检测限为0.03nM。

5.根据权利要求1所述的基于纳米通道电化学传感器的铅离子检测方法，其特征在于，所述制备所述沸石咪唑骨架/多孔阳极氧化铝膜，包括步骤：

采用两步阳极氧化法制备多孔阳极氧化铝膜；

采用原位生长法将沸石咪唑骨架颗粒修饰到所述多孔阳极氧化铝膜的纳米通道中，得到所述沸石咪唑骨架/多孔阳极氧化铝膜。

6.根据权利要求5所述的基于纳米通道电化学传感器的铅离子检测方法，其特征在于，所述两步阳极氧化法制备多孔阳极氧化铝膜，包括步骤：

将铝片剪裁成所需要的形状，然后分别按1mol/LNaOH水溶液、超纯水、无水乙醇的顺序超声4-5min，干燥备用；

在以0.4M磷酸溶液作为电解质、100V电压条件下，进行第一次阳极氧化，第一次阳极氧化时间为2h；第一次阳极氧化完成后取出铝片置于1.8wt％铬酸和6wt％磷酸的混合液中，在60℃下水浴40-50min；然后再次在以0.4M磷酸溶液作为电解质、电压100V条件下，进行第二次阳极氧化，得到氧化铝膜，第二次阳极氧化时间为8h；

将所述氧化铝膜置于氯化亚锡溶液中，直至出现淡黄透明的薄膜后取出，即得到所述多孔阳极氧化铝膜；将所述多孔阳极氧化铝膜在超纯水中超声，然后置于超纯水中10-12h，最后将所述多孔阳极氧化铝膜置于5wt％的磷酸溶液中于40℃下水浴30min，扩孔备用。

7.根据权利要求5所述的基于纳米通道电化学传感器的铅离子检测方法，其特征在于，所述原位生长法将沸石咪唑骨架颗粒修饰到多孔阳极氧化铝膜纳米通道中，包括步骤：

将所述多孔阳极氧化铝膜置于两个半电解槽的中间并连通两个半电解槽，将Zn(NO₃)₂·6H₂O甲醇溶液加入到其中一个半电解槽中，并将相同体积的2-甲基咪唑溶液甲醇溶液加入到另一半电解槽中，密封70-80h，且每24h更换一次所述Zn(NO₃)₂·6H₂O甲醇溶液和所述2-甲基咪唑甲醇溶液，取出膜，用甲醇超声洗涤，最后干燥得到所述沸石咪唑骨架/多孔阳极氧化铝膜。

8.根据权利要求7所述的基于纳米通道电化学传感器的铅离子检测方法，其特征在于，所述多孔阳极氧化铝膜的孔径范围为190-210nm；所述沸石咪唑骨架颗粒的尺寸范围为140-190nm。

9.根据权利要求1所述的基于纳米通道电化学传感器的铅离子检测方法，其特征在于，电解质溶液为1mmol/LKCl溶液、1mmol/LPBS溶液或1mmol/L NaCl溶液。

10.根据权利要求9所述的基于纳米通道电化学传感器的铅离子检测方法，其特征在于，所述工作电极为Ag/AgCl电极，所述对电极为Ag/AgCl电极。