水样重金属检测装置与方法及其微纳传感器

摘要

提供一种水样重金属检测装置与方法及其微纳传感器(1)，检测装置包括设置在微型反应池(7)底部的微纳传感器(1)，微纳传感器(1)基底(2)上面溅射成层方式设置多个微纳电极并顺序排列形成微纳电极阵列，包括检测电极(3)、对电极(4)和全固态参比电极(5)，还有用于检测前对水样中的重金属进行电化学氧化消解的消解电极(6)；消解电极(6)与检测电极(3)的部分为多根相互平行的梳齿条，二者的梳齿条与梳齿缝相互凹凸配合；各电极各自独立相互不接触，其引出端与重金属检测控制电路模块电连接；将待测水样中各种形态的重金属消解成离子态后进行溶出伏安分析法检测；可实现水体重金属现场快速、方便灵敏的检测和分析。

说明书

技术领域

本发明涉及一种水样重金属检测装置与方法及其微纳传感器，属传感器技术领域。

背景技术

近年来，随着我国工农业的快速发展和城市化进程的加速，大量工业废水排入江河、湖泊和水库中，导致很多地区出现了重金属污染物超标的问题，给自然环境和人类身体健康带来严重的危害。因此水体中重金属含量的快速检测分析对预防和处理水体的污染情况具有重要的意义。

因水体环境较为复杂，在进行检测前需要进行水样预处理，常规的前处理方法需要加入大量的强酸并需要加热操作，耗时长。采用光谱法检测重金属等耗时长，且需要专门的大型设备，难以满足水体中重金属快速检测的需求。因此急需发展一种集水样前处理和检测于一体的传感器。

完整的重金属分析检测包括以下几个过程：水样采集、水样前处理、分析测试、数据处理和分析。实际水样中重金属的存在形式多样，包括无机结合态、有机结合态、可过滤态和悬浮态，想测得总量，需将所有形态的重金属转为可测的形态，使得待测物中的待测金属以离子形式全部进入试样溶液中，所以水样前处理对检测结果的准确性起到尤为重要的作用。

常规的水样前处理方法有酸消解法、MIBK萃取法、高锰酸钾-过硫酸钾消解法、微波消解法[1-6]，这些方法需加入大量的强酸并需要加热操作，耗时长，难以满足水质快速前处理的需求。近年来，高级氧化技术（AOPs）应运而生并有了显著进展[7-9]。AOPs是利用羟基自由基（·OH）氧化降解水相中的各种污染物的化学反应，该自由基具有极强的氧化电位，高达2.8V，仅次于F₂。·OH一旦形成，会诱发一系列的自由基链反应，几乎无选择性地直接攻击水体中的各种污染物，直至降解为CO₂、H₂O和其他矿物盐，无二次污染。根据氧化剂和催化剂的不同，AOPs大体可分为以下七类[10-14]：Fenton和类Fenton法；光化学氧化法和光催化氧化法；臭氧氧化法；超声氧化法；湿式（催化）氧化法；超临界水（催化）氧化法；电化学（催化）氧化法。其中电化学氧化技术（EAOPs）因效率高、设变简单易操作、便于自动化、无二次污染物产生等优点，得到了广泛关注。

常规的重金属检测方法有：光谱法（原子吸收/发射光谱法（AAS/AES）；原子荧光光谱法(AFS)；电感耦合等离子发射光谱法(ICP-AES)；X射线荧光光谱法(XRF））、电感耦合等离子体质谱分析法（ICP-MS）、色谱法（HPLC）等，这些方法的检测灵敏度和准确性高（~ng/L），但是样品前处理时间长、检测耗时且设备复杂昂贵。而电化学检测法因检测灵敏度高、选择性好，在重金属检测方面具有很大的优势，得到了广泛关注。

综上所述，国内外对采用EAOPs进行水质前处理和电化学方法检测重金属均有研究，但是将二者集成在一起，即在前处理完成后直接进行原位快速检测的很少。面向环境水质现场快速检测的重大需求，将水样前处理和污染物成分快速检测集成是必然的发展趋势，是真正实现现场快速准确检测必需的技术手段。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种水样重金属检测装置与方法及其微纳传感器。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种用于水样重金属检测的微纳传感器(1)，采用玻璃或硅片作为基底(2)，基底(2)上面溅射成层方式设置多个微纳电极，各电极在共享的所述基底(2)上面顺序排列形成微纳电极阵列，所述微纳电极包括检测电极(3)、对电极(4)和全固态参比电极(5)，其特征在于，所述微纳电极还包括用于检测前对水样中的重金属进行电化学氧化消解的消解电极(6)；所述消解电极(6)与检测电极(3)的部分为多根相互平行的梳齿条，二者各自形成梳齿状，二者的梳齿条与梳齿缝相互凹凸配合；各电极各自独立相互不接触，均设置用于与外部电连接的引出端。

所述检测电极(3)包括横条与直条，直条向外伸出作为与外部电连接的引出端，其多根相互平行的梳齿条设置在横条上方；所述消解电极(6)包括包围在所述检测电极(3)外围的矩形围圈与位于所述检测电极(3)直条两侧的作为与外部电连接的引出端的2根直条，其多根相互平行的梳齿条设置在矩形围圈上框下方；所述对电极(4)和全固态参比电极(5)分别以对称围绕的方式布置在所述消解电极(6)矩形围圈外围，所述对电极(4)和全固态参比电极(5)的引出端分别位于所述消解电极(6)引出端的2根直条的左侧或右侧。

所述消解电极(6)、检测电极(3)、对电极(4)及全固态参比电极(5)的层设置均包括共享的基底(2)与溅射在基底(2)上面的一层钛金属层；其中，所述消解电极(6)在其钛金属层上面电镀一层具有纳米结构的氧化铅层而形成消解电极(6)；所述检测电极(3)在其钛金属层上面电镀一层具有纳米结构的铋Bi金属层而形成工作检测电极(3)；所述全固态参比电极(5)在其钛金属层上面电镀一层具有纳米结构的银金属层，并用盐酸处理后而形成Ag/AgCl全固态参比电极(5)；所述对电极(4)由共享的基底(2)与溅射在基底(2)上面的一层钛金属层直接形成。

在制作时所述消解电极(6)、检测电极(3)、对电极(4)及全固态参比电极(5)均先在共享的基底上溅射一层厚度仅为200nm至500nm的钛-铂金属薄层，再采用lift-off工艺制备出电极的基底(2)导电层，然后才溅射一层所述的钛金属层。

一种水样重金属检测装置，包括微型反应池(7)，其特征在于，所述微型反应池(7)底部设置如以上任一项所述的微纳传感器(1)，所述微纳传感器(1)各电极的引出端与重金属检测控制电路模块电连接。

所述重金属检测控制电路模块还与电化学工作站电连接。

一种水样重金属检测方法，其特征在于，使用如权利要求5所述的水样重金属检测装置，并将其与电化学工作站电连接；具体步骤为：

步骤一：将待测水样加到所述微型反应池(7)中，将微纳传感器(1)及其各微纳电极浸没；

步骤二：以所述消解电极(6)作为正极，对电极(4)作为负极，按设定消解电压与设定消解通电时间进行两电极通电，通电至所述待测水样中各种形态的重金属消解成重金属离子态；

步骤三：将0.1M醋酸/醋酸钠溶液加到所述微型反应池(7)中与待测水样混合，以所述检测电极(3)、对电极(4)与全固态参比电极(5)组成三电极体系，进行溶出伏安分析法检测。

以上步骤二中所述设定消解电压为2V至10V，通电时间根据实际情况进行调节。

所述溶出伏安分析法检测的参数为：稳定电压+0.55V50s，富集电位-0.6V120s，平衡时间40s，方波幅度36mV，电位步进值3mV，频率15Hz，工作电位窗口：-0.6V-+0.2V。

本发明的关键技术之一是基于微纳电极阵列的电化学氧化快速消解技术：基于MEMS微机械制造工艺制备具有纳米结构PbO₂二氧化铅基高效消解微纳电极，并在消解电极上电催化产生羟基自由基，利用羟基自由基的超级氧化性能，将多种形态的重金属络合物等降解为电化学溶出伏安法测定的重金属离子态物质。

本发明的关键技术之二是基于微纳电极阵列的电化学溶出伏安法快速检测技术：基于MEMS微机械制造工艺制备镀铋工作电极，Pt对电极和Ag/AgCl（银/氯化）银参比电极，构建微纳三电极体系，采用阳极溶出伏安法测量不同种类的重金属离子，先在阳极上富集待测离子，再通过伏安扫描将富集的重金属溶出，峰值位置标定重金属种类，测量峰值电流，标定重金属浓度。

本发明微纳传感器，其显著特征在于微纳电极阵列电化学传感器芯片，利用微纳制造技术在玻璃或硅基底上制备重金属电化学氧化消解电极、检测电极、对电极和全固态参比电极，形成微纳电极阵列。在消极电极上制备了纳米结构的PbO₂二氧化铅材料，具有高析氧过电位，以实现羟基自由基的高效原位产生，利用羟基自由基的超强氧化性，实现对水样中重金属各种形态的高效消解；在检测工作电极上制备了镀铋纳米结构，具有检测重金属种类多样，性能稳定，响应速度快，灵敏度高等优点，以实现重金属离子的高灵敏检测；全固态参比电极采用与MEMS微机械工艺兼容的制备方法实现，制备的电极稳定性好，使用寿命更长，适合于与其他电极集成构成三电极体系用于重金属离子检测等。

本发明重金属消解和检测方法，其显著特征在于电化学氧化消解方法，包括电极电位、电流密度、缓冲体系，时间及pH条件等参数的影响，以实现羟基自由基的高效原位产生，消解后重金属离子（Cd、Pb、Cu、As、Hg等）的原位溶出伏安检测方法，包括消解与检测所需缓冲体系的兼容性，溶出伏安检测过程中的电压区间、电压扫描步长，本底消除等，形成消解和检测一体化痕量检测和分析方法。

为了解决水中检测仪器的便携化，本发明针对实际水样中重金属存在的价态及组分多样，前处理过程复杂，难以准确测定的问题，提出一种微纳电极阵列电化学分析技术，集成微纳电催化电极、检测电极、参比电极、对电极，构建样本消解处理和检测一体化微芯片，建立多电极体系分析方法，实现现场实际水样中重金属快速手持式检测和分析。

与现有技术相比，本发明基于以上技术背景及实际需求，基于微纳制造技术，制造集成重金属电化学氧化消解和溶出伏安法检测功能的微纳电极阵列传感器探头，建立水体中重金属快速消解和检测分析的方法，用于实际水体中重金属现场快速、方便灵敏的检测和分析。本发明对于环境重金属污染物的监控具有重要的意义。

附图说明

图1为本发明微纳传感器及其微纳电极阵列平面示意图；

图2为本发明水样重金属检测装置示意图；

图3为4个微纳电极的剖面结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明用于水样重金属检测的微纳传感器1，如图1所示，采用玻璃或硅片作为基底2，基底2上面溅射成层方式设置多个微纳电极，各电极在基底2上面顺序排列形成微纳电极阵列，微纳电极包括检测电极3、对电极4和全固态参比电极5，还包括用于检测前对水样中的重金属进行电化学氧化消解的消解电极6；消解电极6与检测电极3的部分为多根相互平行的梳齿条，二者各自形成梳齿状，二者的梳齿条与梳齿缝相互凹凸配合；各电极各自独立相互不接触，均设置用于与外部电连接的引出端。

如图1所示，检测电极3包括横条与直条，成丁字形，直条向外伸出作为与外部电连接的引出端，其多根相互平行的梳齿条设置在横条上方；消解电极6包括包围在检测电极3外围的矩形围圈与位于检测电极3直条两侧的作为与外部电连接的引出端的2根直条，其多根相互平行的梳齿条设置在矩形围圈上框下方；与外部电连接时消解电极6的这2根直条可合并成同一个引出端；对电极4和全固态参比电极5分别以对称围绕的方式布置在消解电极6矩形围圈外围，对电极4和全固态参比电极5的引出端分别位于消解电极6引出端的2根直条的左侧或右侧。

如图3所示，消解电极6、检测电极3、对电极4及全固态参比电极5的层设置均包括共享的基底2与溅射在基底上面的一层钛金属层；其中，消解电极6在其钛金属层上面电镀一层具有纳米结构的氧化铅层而形成消解电极6；检测电极3在其钛金属层上面电镀一层具有纳米结构的铋Bi金属层而形成工作检测电极3；全固态参比电极5在其钛金属层上面电镀一层具有纳米结构的银金属层，并用盐酸处理后而形成Ag/AgCl全固态参比电极；对电极4由共享的基底与溅射在基底上面的一层钛金属层直接形成。

微纳传感器1按如图1所示结构形状设计，其各电极宽度为100um，间距为100um，整个电极工作区面积为3mm*5mm，电极设计为梳齿状，有利于有效利用电极面积实现更高效的消解和检测。

由于工艺上的需要，在制作时消解电极6、检测电极3、对电极4及全固态参比电极5均需先在共享的基底2上溅射一层厚度仅为200nm至500nm的钛-铂金属薄层，再采用lift-off工艺制备出电极的基底导电层，然后才溅射一层所述的钛金属层。由于钛-铂金属薄层在厚度上一般可以忽略不计，所以在图3中不作表示。

本发明水样重金属检测装置，如图2所示，包括微型反应池7，微型反应池底部设置如以上所述的微纳传感器，微纳传感器各电极的引出端与重金属检测控制电路模块电连接。重金属检测控制电路模块还可与电化学工作站电连接。微型反应池7的大小与微纳传感器1相适配，可用玻璃、陶瓷或化学性能稳定的金属制作。

水样重金属检测时，使用如上所述的水样重金属检测装置，并将其与电化学工作站电连接；具体步骤为：

步骤一：将待测水样加到所述微型反应池7中，将微纳传感器1及其各微纳电极浸没；

步骤二：以所述消解电极6作为正极，对电极4作为负极，按设定消解电压与设定消解通电时间进行两电极通电，通电至待测水样中各种形态的重金属消解成重金属离子态；

步骤三：将0.1M醋酸/醋酸钠溶液加到微型反应池7中与待测水样混合，以所述检测电极(3)、对电极(4)与全固态参比电极(5)组成三电极体系，进行溶出伏安分析法检测。

以上步骤二中所述设定消解电压为2V至10V，通电时间根据实际情况进行调节。

溶出伏安分析法检测的参数为：稳定电压+0.55V50s，富集电位-0.6V120s，平衡时间40s，方波幅度36mV，电位步进值3mV，频率15Hz，工作电位窗口：-0.6V-+0.2V；溶出峰电流与铅浓度0.1～100μg/L范围内会呈现良好的线性关系，相关系为0.994，检出限为0.16μg/L。

本发明基于微纳制造技术，制造一种集成重金属组分电化学氧化消解和溶出伏安法检测为一体的微纳电极阵列传感器，该微纳阵列电极集成了重金属消解电极、检测电极、对电极和参比电极。传感器先通过电化学反应在消解电极产生具有高效氧化性能的羟基自由基消解水体中的各种态的重金属，形成重金属离子，之后通过工作电极选择溶出伏安法实现重金属离子检测。该传感器具有重金属快速消解和实时检测一体化功能，适合于实际水体中重金属现场快速、方便灵敏的检测和分析。本专利制造的高性能传感器，显著改善水环境中重金属检测的效率，对于环境重金属污染物的控制具有积极的意义，为化工厂污水排放监控，地表水和地下水监测，以及近海海洋环境水质监测提供技术装备支持，具有重要的实际应用价值。