CN110988055A - 一种痕量重金属无汞化检测装置及其电极处理方法和检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种痕量重金属无汞化检测装置及其电极处理方法和检测方法。所述检测装置包括电极基片，印刷在所述电极基片上的工作电极、对电极和参比电极，以及粘接在所述三电极上的绝缘层，所述绝缘层上开设有异形孔，所述异形孔与所述三电极相匹配，且与其形成电解池腔，所述工作电极为经铜基化处理后的镀铜碳电极，所述对电极为碳电极，所述参比电极为银‑氯化银电极。所述的检测装置与酸液配合使用，用于重金属检测。本发明检测快速，避免汞的污染和对工作人员的危害，特别是满足现场重金属快速检测的要求。

Description

一种痕量重金属无汞化检测装置及其电极处理方法和检测 方法
技术领域
本发明涉及重金属检测领域，具体而言，涉及一种痕量重金属无汞化检测装置及其电极处理方法和检测方法。
背景技术
重金属广泛存在于自然界中，大部分重金属如铅、镉、汞等并非生命活动所必需，威胁生物的生存和人类健康。随着分析测试技术的迅速发展，越来越多的方法可应用于不同样液中重金属含量的分析，而且检测的灵敏度和准确性也有大大提高，研究简单、快速、低成本的重金属快速检测方法对于有效评估和预警污染以及保障人民健康和生态安全将具有重要的现实意义。目前常用的重金属分析方法包括分光光度法，原子吸收光谱法、电感藕合等离子体法、原子荧光光谱法、电化学分析法、生物酶抑制法、免疫分析法和生物化学传感器法等。
电化学分析法中多应用溶出伏安法作为重金属检测的方法，被广泛采用。如专利CN 201210417212电化学溶出伏安法快速检测重金属装置及其检测方法，由于电流信号反映出重金属的浓度，这些分析方法大多是基于汞膜电极阳极溶出伏安法原理,由于汞是剧毒的，使用汞会造成二次污染，限制了实际应用，寻找非汞溶出伏安技术是电化学领域研究者的一个重要的课题，其中最多的关注在铋膜电极，由于其低毒、廉价、稳定、电位范围宽，是汞基电极比较理想的替代品。首次提出铋膜电极溶出伏安法，便立即引起学术界的极大关注。
电化学溶出法过程都包含有富集和溶出两个阶段：富集阶段，溶液中多种金属离子在电化学还原作用下，还原成重金属单质溶解在汞基或铋基形成汞齐(合金)或铋齐(合金)附着在电极表面；在溶出阶段重金属单质从电极表面的氧化成离子游离到溶液中，在特定的电位(峰电位)下有溶出峰，根据峰电位来定性，峰高的大小来定量。电化学溶出法检出的灵敏度取决于被测的重金属在汞或铋中的溶解量，重金属在合金中的溶解量一是重金属本身在汞或铋中的溶解度有关，这个是体系的自身因素决定的；二是受富集条件的影响，如体系在富集阶段中通过搅拌获得高的富集效果，还可通过提高富集电位、增加工作电极的电化学工作面积或者延长富集时间来提高富集效果，这个是体系外部条件影响的。其中体系的自身因素是决定因素，铅、镉在铋中的溶解度要小，这是铋基电极在重金属检测检测灵敏度低的原因，而且铋离子在氯离子介质下不稳定，导致铋基电极效果达不到汞基电极。在许多现场检测中，传统采用固体三电极，包括玻碳电极、参比电极和对电极，携带不方便，往往受限于现场条件的限制，不能通过改变富集条件来实现提高检测灵敏度的目的，为了适应现场条件，采用专利CN201310341817.0一种用于便携式重金属检测的印刷电极的制作方法，获取的印刷电极做重金属检测，在野外不能实现搅拌来提高灵敏度；如要添加搅拌装置，反而不能适应野外现场条件。
关于铋膜电极测定重金属离子的研究工作越来越广泛,专利CN201811646883.8基于铋基金属有机骨架材料修饰玻碳电极对重金属离子进行检测的电化学方法,是在玻炭电极上修饰铋膜；专利CN201310341817.0一种用于便携式重金属检测的印刷电极的制作方法，是针对印刷电极上预镀铋膜；专利CN201610802315.7非汞绿色同时检测水体中多种重金属离子的方法，铜电极上预镀铋膜。而在实际重金属检测工作中，发现铋基电极存在对铅，镉的检测灵敏度低，重复性不理想，达不到汞基电极在重金属检测中效果，实际应用比较少的缺陷。
发明内容
本发明提出了一种痕量重金属无汞化检测装置及其电极处理方法和检测方法，解决了现有技术中铋基电极对铅，镉的检测灵敏度低，重复性不理想，达不到汞基电极在重金属检测中效果，实际应用比较少的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种痕量重金属无汞化检测装置，所述检测装置包括电极基片，印刷在所述电极基片上的工作电极、对电极和参比电极，以及粘接在所述三电极上的绝缘层，所述绝缘层上开设有异形孔，所述异形孔与所述三电极相匹配，且与其形成电解池腔，所述工作电极为经铜基化处理后的镀铜碳电极，所述对电极为碳电极，所述参比电极为银-氯化银电极。
优选的，所述对电极为开口圆环形状，所述工作电极为圆形且位于所述开口圆环中心，所述参比电极位于所述开口圆环开口处，所述工作电极、对电极和参比电极相互分离，且其分别与并排印刷在所述电极基板上的三接头连接。
本发明还提供一种如上所述的检测装置中工作电极铜基化处理方法，包括以下步骤：取预镀液，其成分为质量浓度100～500mg/L铜离子，摩尔浓度0.1～0.5mol/L柠檬酸盐溶液；将适量预镀液滴加到所述电解池腔内，预镀液完整覆盖三电极；三电极分别连接到电化学工作站的电极输出，在工作电极和参比电极间施加-1.2V～-0.4V电位，富集1～5分钟后，清洗烘干后，供重金属检测用。
本发明还提供一种痕量重金属无汞化检测方法，采用如上所述的检测装置与酸液配合使用，用于重金属检测。
优选的，所述痕量重金属无汞化检测方法包括以下步骤：准备待测样液，向待测样液内滴加酸液，调节pH至4，作为母液；取适量母液滴加在所述电解池腔内，母液完整覆盖三电极；将检测装置的工作电极、对电极和参比电极连接到电化学工作站接口；在工作电极和参比电极间施加-1V电位开始富集，富集3分钟后直接电位扫描获取重金属在工作电极上的电化学信号。
本发明还提供另一种痕量重金属无汞化检测方法，包括以下步骤：
将丝网印刷电极的工作电极、对电极和参比电极连接到电化学工作站接口；取同位镀液，其成分为质量浓度200mg/L铜离子，摩尔浓度0.2mol/L柠檬酸盐溶液,用酸液调节PH至3，将同位镀液和待检样液按4:1混匀，得到混合试液，将混合试液滴加到丝网印刷电极的电解池腔内，使其完整覆盖三电极，在工作电极和参比电极间施加-1V电位开始富集，富集3分钟后直接扫描电极获取重金属在工作电极上的电化学信号。
优选的，所述柠檬酸盐为钾，钠和铵盐中任一种，酸液为硫酸或盐酸。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：利用铅、镉能与铜形成高溶解的合金的原理，因而可以实现在铜膜电极电化学溶出来检测铅、镉，获得灵敏度高的效果。在随后的研究中，铅、镉在铜膜电极的电位范围显示出卓越的灵敏度，其效果不亚于汞膜电极，满足了痕量重金属的检测，尤其是采用印刷电极镀铜膜的方式来实现铅、镉的现场快速检测。本发明检测快速，避免汞的污染和对工作人员的危害，特别是满足现场重金属快速检测的要求。
附图说明
图1为本发明实施例1中检测装置的结构示意图；
图2为本发明实施例2中检测装置的结构示意图；
图3为本发明测试例1中对铅样液的检测示意图；
图4为本发明测试例2中对镉样液的检测示意图；
图5为本发明测试例3中对铅样液的检测示意图；
图6为本发明测试例4中对镉样液的检测示意图；
图7为本发明测试例5中对铅样液的检测示意图；
图8为本发明测试例6中对镉样液的检测示意图；
图9为本发明测试例7中对铅样液的检测示意图；
图10为本发明测试例8中对镉样液的检测示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
本发明提供了一种痕量重金属无汞化检测装置及其电极处理方法和检测方法。以下结合附图对本发明的技术方案作做进一步说明：
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种痕量重金属无汞化检测装置，包括电解池201，电解池201内插接有工作电极203、对电极202和参比电极204，三电极与电化学工作站连接，工作电极203为经铜基化处理后的镀铜碳电极，电解池201内还设置有用于搅拌的搅拌子205，电解池201底部设置有磁力搅拌器，在磁力作用下，搅拌子205搅动液体，使其充分混合。
本实施例还提供了一种工作电极铜基化处理的方法，包括以下步骤：
取预镀液50ml，其成分为：质量浓度100～500mg/L铜离子(氯化铜)，摩尔浓度0.1～0.5mol/L柠檬酸钾溶液。加入内置搅拌子205的电解池201中，插入固体三电极，连接电化学工作站电极输出端，开启搅拌，电化学工作站以恒电位模式，在工作电极203和参比电极204间施加-1.2V～-0.4V电位，富集1～5分钟后关闭搅拌，取出电极清洗烘干后，供重金属检测用。
实施例2
如图2所示，本实施例提供了另一种形式的痕量重金属无汞化检测装置，检测装置包括电极基片101，印刷在所述电极基片101上的工作电极103、对电极104和参比电极105，以及粘接在三电极上的绝缘层106，绝缘层106上开设有异形孔107，异形孔107与三电极相匹配，且与其形成电解池腔，工作电极103为经铜基化处理后的镀铜碳电极，对电极104为碳电极，参比电极105为银-氯化银电极。
对电极104为开口圆环形，工作电极103为圆形且位于所述开口圆环中心，参比电极105位于开口圆环开口处，工作电极103、对电极104和参比电极105相互分离，且其分别与并排印刷在电极基片101上的三接头连接。
本实施例中，绝缘层106上与三接头102相对应位置开设有方形孔108，使得三接头102露出绝缘层106，便于与电化学工作站连接。电极基片101为白色不透明PET膜，绝缘层106为蓝色或绿色的PET膜。
本实施例还提供一种工作电极铜基化处理的方法，包括以下步骤：取预镀液100ml，其成分为：质量浓度100～500mg/L铜离子(氯化铜)，摩尔浓度0.1～0.5mol/L柠檬酸钠溶液。滴加到电解池腔内，预镀液完整覆盖三电极，三电极连接电化学工作站电极输出端，开启电化学工作站恒电位模式，在工作电极103和参比电极105间施加-1.2V～-0.4V电位，富集1～5分钟后关闭搅拌，取出电极清洗烘干后，供重金属检测用。
测试例1
本实施例提供了一种痕量重金属无汞化检测方法，采用实施例1中的检测装置与盐酸配合使用，用于重金属检测。
检测装置对重金属离子的检测应用了电化学溶出伏安技术，检测原理是基于水体重金属离子在镀铜工作电极表面的富集、溶出过程：1)富集过程。水体中目标重金属离子被吸附到Cu工作电极表面，当电极电势保持在沉积电势时，金属离子被还原成金属镀于电极表面(M2++2e→M0)；2)溶出过程。改变工作电极的电位方向，由负方向向正方向进行线性扫描，达到一定电位时，富集在电极表面的金属被重新氧化溶出(M0→M2++2e)，再依据峰电流与被测金属离子浓度成正比的关系，定量检测出水体重金属离子含量。
准备铅样液用盐酸调节pH至4，取50ml铅样液加入内置搅拌装置电解池201中，插入三电极，三电极分别连接到电化学工作站的电极输出，在工作电极103和参比电极105间施加-1V电位开始富集，富集3分钟后直接电位扫描获取重金属铅在铜膜电极上的电化学信号。测试分析得到的图形如图3所示，在-0.47V处出现的峰电流，通过峰电流的大小可以判断重金属离子的含量，显示出本发明对重金属铅离子有良好的响应。
测试例2
本实施例提供了一种痕量重金属无汞化检测方法，采用实施例1中的检测装置与硫酸配合使用，用于重金属检测。准备镉样液用硫酸调节pH至4，取50ml镉样液加入内置搅拌装置电解池201中，插入实施例1准备好的三电极，三电极分别连接到电化学工作站的电极输出，在工作电极203和参比电极204间施加-1V电位开始富集，富集3分钟后直接电位扫描获取重金属镉在铜膜电极上的电化学信号。测试分析得到的图形如图4所示，在-0.62V处出现的峰电流，显示出本发明对重金属镉离子有良好的响应。
测试例3
本实施例提供了一种痕量重金属无汞化检测方法，采用实施例2中的检测装置与盐酸配合使用，用于重金属检测。准备铅样液用盐酸调节pH至4，取50ml铅样液滴加在电解池腔内，铅样液完整覆盖三电极，三电极分别连接到电化学工作站的电极输出，在工作电极103和参比电极105间施加-1V电位开始富集，富集3分钟后直接电位扫描获取重金属铅在铜膜电极上的电化学信号。测试分析得到的图形如图5所示，在-0.47V处出现的峰电流，显示出本发明对重金属铅离子有良好的响应。
测试例4
本实施例提供了一种痕量重金属无汞化检测方法，采用实施例2中的检测装置与硫酸配合使用，用于重金属检测。准备镉样液用盐酸调节pH至4，取50ml镉样液滴加在电解池腔内，镉样液完整覆盖三电极，三电极分别连接到电化学工作站的电极输出，在工作电极103和参比电极105间施加-1V电位开始富集，富集3分钟后直接电位扫描获取重金属镉在铜膜电极上的电化学信号。测试分析得到的图形如图6所示，在-0.62V处出现的峰电流，显示出本发明对重金属镉离子有良好的响应。
测试例5
本实施例提供了一种痕量重金属无汞化检测方法，同位镀液40ml加入待检铅样液10ml混匀，其中同位镀液，其成分为：质量浓度200mg/L铜离子(氯化铜)，摩尔浓度0.2mol/L柠檬酸钠。用硫酸调节pH至3，加入到固体三电极体系中，该固体三电极体系与实施例1中检测装置的区别仅在于，固体三电极体系中的工作电极为碳电极，固体三电极分别连接到电化学工作站的电极输出，开启搅拌，在工作电极和参比电极间施加-1V电位开始富集，富集3分钟后，关闭搅拌，静置直接扫描电位获取重金属铅在铜膜电极上的电化学信号。
该检测方法采用同位镀技术，在检测的同时完成了工作电极的铜基化处理，可以简化重金属检测步骤，操作更为简便。
测试分析得到的图形如图7所示，在-0.49V处出现的峰电流，显示出本发明对重金属铅离子有良好的响应。
测试例6
本实施例提供了一种痕量重金属无汞化检测方法，同位镀液40ml加入待检镉样液10ml混匀，其中同位镀液，其成分为：质量浓度200mg/L铜离子(氯化铜)，摩尔浓度0.2mol/L柠檬酸钾。用盐酸调节pH至3，加入到固体三电极体系中，该固体三电极体系与实施例1中检测装置的区别仅在于，固体三电极体系中的工作电极为碳电极，固体三电极分别连接到电化学工作站的电极输出，开启搅拌，在工作电极和参比电极间施加-1V电位开始富集，富集3分钟后，关闭搅拌，静置直接扫描电位获取重金属镉在铜膜电极上的电化学信号。测试分析得到的图形如图8所示，在-0.61V处出现的峰电流，显示出本发明对重金属镉离子有良好的响应。
测试例7
本实施例提供了一种痕量重金属无汞化检测方法，同位镀液40ml加入待检铅样液10ml混匀，其中同位镀液，其成分为：质量浓度200mg/L铜离子(氯化铜)，摩尔浓度0.2mol/L柠檬酸铵。用硫酸调节pH至3，滴加在丝网印刷电极的绝缘层形成的电解池腔内，丝网印刷电极与实施例2中的检测装置区别仅在于，丝网印刷电极的工作电极为碳电极，试液完整覆盖三电极，丝网印刷电极的三电极分别连接到电化学工作站的电极输出，在工作电极和参比电极间施加-1V电位开始富集，富集3分钟后扫描电位获取重金属铅在铜膜电极上的电化学信号。测试分析得到的图形如图9所示，在-0.49V处出现的峰电流，显示出本发明对重金属铅离子有良好的响应。
测试例8
本实施例提供了一种痕量重金属无汞化检测方法，同位镀液40ml加入待检镉样液10ml混匀，其中同位镀液，其成分为：质量浓度200mg/L铜离子(氯化铜)，摩尔浓度0.2mol/L柠檬酸钠。用盐酸调节pH至3，滴加在丝网印刷电极的绝缘层形成的电解池腔内，丝网印刷电极与实施例2中的检测装置区别仅在于，丝网印刷电极的工作电极为碳电极，试液完整覆盖三电极，丝网印刷电极的三电极分别连接到电化学工作站的电极输出，在工作电极和参比电极间施加-1V电位开始富集，富集3分钟后扫描电位获取重金属镉在铜膜电极上的电化学信号。测试分析得到的图形如图10所示，在-0.66V处出现的峰电流，显示出本发明对重金属镉离子有良好的响应。
本发明的技术范围不仅仅局限于上述说明中的内容，本领域技术人员可以在不脱离本发明技术思想的前提下，对上述实施例进行多种变形和修改，而这些变形和修改均应当属于本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种痕量重金属无汞化检测装置，其特征在于，所述检测装置包括电极基片，印刷在所述电极基片上的工作电极、对电极和参比电极，以及粘接在所述三电极上的绝缘层，所述绝缘层上开设有异形孔，所述异形孔与所述三电极相匹配，且与其形成电解池腔，所述工作电极为经铜基化处理后的镀铜碳电极，所述对电极为碳电极，所述参比电极为银-氯化银电极。
2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述对电极为开口圆环形状，所述工作电极为圆形且位于所述开口圆环中心，所述参比电极位于所述开口圆环开口处，所述工作电极、对电极和参比电极相互分离，且其分别与并排印刷在所述电极基板上的三接头连接。
3.一种如权利要求1所述的检测装置中工作电极铜基化处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
取预镀液，其成分为质量浓度100～500mg/L铜离子，摩尔浓度0.1～0.5mol/L柠檬酸盐溶液；将适量预镀液滴加到所述电解池腔内，预镀液完整覆盖三电极；三电极分别连接到电化学工作站的电极输出，在工作电极和参比电极间施加-1.2V～-0.4V电位，富集1～5分钟后，清洗烘干后，供重金属检测用。
4.一种痕量重金属无汞化检测方法，其特征在于，采用权利要求1中所述的检测装置与酸液配合使用，用于重金属检测。
5.根据权利要求4所述的痕量重金属无汞化检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
准备待测样液，向待测样液内滴加酸液，调节pH至4，作为母液；取适量母液滴加在所述电解池腔内，母液完整覆盖三电极；将检测装置的工作电极、对电极和参比电极连接到电化学工作站接口；在工作电极和参比电极间施加-1V电位开始富集，富集3分钟后直接电位扫描获取重金属在工作电极上的电化学信号。
6.一种痕量重金属无汞化检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
将丝网印刷电极的工作电极、对电极和参比电极连接到电化学工作站接口；取同位镀液，其成分为质量浓度200mg/L铜离子，摩尔浓度0.2mol/L柠檬酸盐溶液,用酸液调节PH至3，将同位镀液和待检样液按4:1混匀，得到混合试液，将混合试液滴加到丝网印刷电极的电解池腔内，使其完整覆盖三电极，在工作电极和参比电极间施加-1V电位开始富集，富集3分钟后直接扫描电极获取重金属在工作电极上的电化学信号。
7.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述柠檬酸盐溶液为钾盐，钠盐和铵盐中任一种，所述酸液为硫酸或盐酸。
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