一种痕量铅离子检测的电化学传感的制备方法

摘要

本发明公开了一种痕量铅离子检测的电化学传感的制备方法，属于环境检测分析技术领域。包括：步骤1：将复凝聚法制备的明胶基微胶囊在经冷冻干燥，将碳化后的微胶囊粉末超声分散在壳聚糖乙酸溶液中；步骤2：取5μL步骤1所制的碳化微胶囊分散液作电极材料修饰于玻碳电极表面，作为工作电极；步骤3：将不同浓度的铅离子电解液加入到缓冲溶液中构成5mL待测液，将步骤2中的电极体系插入到上述铅离子电解液中，恒电压富集电解液中的铅离子；步骤4：采用差分脉冲阳极溶出伏安法，得到峰电流值与铅离子浓度的标准曲线；步骤5：检测待测样品中铅离子浓度。本发明所制备的工作电极修饰材料，具有制备简单，成本低，结构可控和重复性好等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及环境检测分析技术领域，特别是指一种痕量铅离子检测的电化学传感的制备方法。

背景技术

近年来，随着工业的迅猛发展，重金属的生物毒性大，对环境和人类身心健康的伤害不容小觑。铅离子具有微量致毒性和生物富集性，被国际癌症研究机构归属为II类致癌物，对环境安全和人类健康产生严重威胁。因此，简单方便和高效的分析检测铅离子的方法备受关注。

目前，铅离子的分析检测方法有原子吸收光谱法、原子荧光光谱法、生物染色剂试纸法和电化学分析方法。前3种检测方法存在检测干扰大，检出限高，操作复杂，价格昂贵等不足。而电化学分析方法因其检出限低，价格低廉，携带方便，可以实现样品的现场检测而备受关注。公开号CN105092683B公开了一种用于检测铅的电化学传感器及其制备方法和应用，首先在玻碳电极表面修饰有有序介孔碳，然后在材料表面沉积纳米金颗粒，最后将巯基修饰的捕获探针吸附在纳米金颗粒上，该电化学传感器对水体中铅离子的检测具有快响应、高灵敏度、高精确度等优势。J.T.Zhang等以氧化石墨烯为形状导向剂，间苯二酚和甲醛作为碳前驱体，通过表面组装方法制备了新型石墨烯改性碳纳米片，可用作高效电化学传感器，采用方波阳极溶出伏安法测试铅的灵敏度高至92.86A·mol^-1，检测下限为1.12nM(J.T.Zhang等，Journal>

因此，开发一种制备简单，价格低廉、稳定性好和重复性高的工作电极修饰材料用于环境检测分析领域是电化学传感器研究的重点。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明提供一种痕量铅离子检测的电化学传感的制备方法，本发明制备方法简单，得到的电化学传感具有测试稳定性好、重复性高等优点。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

本发明提供一种痕量铅离子检测的电化学传感的制备方法，包括：

步骤1：将复凝聚法制备的明胶基微胶囊在经冷冻干燥后，氮气保护下碳化，将碳化后的微胶囊粉末超声分散在壳聚糖乙酸溶液中；

步骤2：将玻碳电极打磨、超声清洗干净，然后用移液枪取5μL步骤1所制的碳化微胶囊分散液修饰于玻碳电极表面，室温干燥即得到工作电极，铂片作为对电极，银/氯化银作为参比电极，构成三电极体系；

步骤3：将不同浓度的铅离子电解液加入到缓冲溶液中构成5mL待测液，将步骤2中的三电极体系插入到上述铅离子电解液中，恒电压富集电解液中的铅离子；

步骤4：采用差分脉冲阳极溶出伏安法，记录溶出时的电流-电位曲线叠加图，得到峰电流值与铅离子浓度的标准曲线；

步骤5：运用上述三电极体系测定未知铅离子浓度的待测样品，得到相应的峰电流值，然后根据标准曲线得到待测样品中铅离子浓度。

进一步的，所述步骤1中，壳聚糖乙酸溶液的质量浓度为1mg/mL，乙酸溶液的质量分数为0.5～5％，碳化后的微胶囊粉末与壳聚糖乙酸溶液的质量之比为0.5～5︰1。

优选的，所述步骤1中，明胶基微胶囊的囊壁材料为明胶-阿拉伯胶、明胶-羧甲基纤维素钠-十二烷基硫酸钠、明胶-羧甲基纤维素钠-双(2-乙己基)磺基琥珀酸钠、明胶-羧甲基纤维素钠-聚硅氧烷羧酸酸钠或明胶-海藻酸钠。

优选的，所述步骤1中，明胶基微胶囊碳化时的碳化温度为600～800℃，碳化时间为5～10小时。

优选的，所述步骤3中，含铅离子电解液为Pb(NO₃)₂、Pb(CH₃COO)₂或PbSO₄，摩尔浓度为1nmol/L～10μmol/L。

进一步的，所述步骤3中，缓冲溶液为醋酸-醋酸钠缓冲溶液、磷酸二氢钠-磷酸氢二钠或氨气-氯化氨，pH值为4～5。

进一步的，所述步骤3中，含铅离子电解液与缓冲溶液混合时物质的量之比为1︰0.04～400。

优选的，所述步骤3中，恒电压富集待测液中的铅离子，富集电位为-1.0～-0.4V，富集时间为200～500s。

优选的，所述步骤4中，差分脉冲阳极溶出伏安法的起始电位为-1.4V～-0.9V，终止电位为-0.4V～-0.2V。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明采用碳化明胶基微胶囊作工作电极的修饰材料。明胶基微胶囊碳化前表面具有均匀的微孔结构，碳化后收缩，孔径变小，比表面积更大，有利于对铅离子的吸附，经碳化后作电极材料修饰玻碳电极为工作电极，与对电极和参比电极构成三电极体系，采用差分脉冲阳极溶出伏安法检测痕量铅离子浓度。该制备方法中工作电极修饰材料制备简单，成本低，结构可控和重复性好。所制备的电化学传感器对铅离子检测灵敏度高和检测限低。

附图说明

图1为本发明的痕量铅离子检测电化学传感的制备方法的流程示意图；

图2为本发明实施例1的明胶基微胶囊a)碳化前和b)碳化后的SEM形貌图。

图3为碳化胶囊修饰电极检测不同浓度铅离子的差分脉冲溶出伏安响应图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如非特殊说明，本发明所用试剂、组分均为市售产品。

实施例1

一种痕量铅离子检测的电化学传感的制备方法，具体流程见图1：

将复凝聚法制备的明胶-羧甲基纤维素钠-聚硅氧烷羧酸酸钠(具体参照“Highblades spreadability of chlorpyrifos microcapsules prepared with polysiloxanesodium carboxylate/sodium carboxymethylcellulose/gelatin via complexcoacervation”)在经冷冻干燥后，形貌见图2a)，从图2a中可看出微胶囊均匀的微孔结构；氮气保护下，650℃碳化8小时，见图2b，从图2b看出微胶囊碳化后收缩，孔径变小，比表面积更大。取2mg碳化后的微胶囊粉末超声分散在2mL 1mg/mL的壳聚糖乙酸溶液中，乙酸溶液的质量分数为5％；取5μL碳化微胶囊分散液作电极材料修饰于表面经打磨、超声清洗干净后的玻碳电极，为工作电极，铂片为对电极，银/氯化银为参比电极，构成三电极体系；将不同浓度(0.007、0.01、0.05、0.07、0.3、0.7、0.9、3、7、9μmol/L)的Pb(NO₃)₂电解液加入到pH值为4.5的醋酸-醋酸钠缓冲溶液中构成5mL待测液；将三电极体系插入到待测液中，-0.8V恒电压富集待测液中的铅离子，富集时间为300s；采用差分脉冲阳极溶出伏安法，在-0.9V～-0.2V的电位窗口下检测，记录溶出时的电流-电位曲线叠加图(见图3，图中曲线从下至上铅离子浓度依次升高)，得到峰电流值与铅离子浓度的标准曲线，铅离子检测的线性范围为0.007μmol/L-9μmol/L。最后，根据标准曲线计算待测样品中铅离子浓度。

实施例2

将复凝聚法制备的明胶-羧甲基纤维素钠-十二烷基硫酸钠微胶囊在经冷冻干燥后，氮气保护下，600℃碳化10小时；取2mg碳化后的微胶囊粉末超声分散在4mL 1mg/mL的壳聚糖乙酸溶液中，乙酸溶液的质量分数为1.0％；取5μL碳化微胶囊分散液作电极材料修饰于表面经打磨、超声清洗干净后的玻碳电极，为工作电极，铂片为对电极，银/氯化银为参比电极，构成三电极体系；将不同浓度1nmol/L～8μmol/L的Pb(CH₃COO)₂电解液加入到pH值为5的氨气-氯化氨缓冲溶液中构成5mL待测液；将三电极体系插入到待测液中，-1.0V恒电压富集待测液中的铅离子，富集时间为200s；采用差分脉冲阳极溶出伏安法，在-1.4V～-0.4V的电位窗口下检测，记录溶出时的电流-电位曲线叠加图，得到峰电流值与铅离子浓度的标准曲线，根据标准曲线计算待测样品中铅离子浓度。

实施例3

将复凝聚法制备的明胶-羧甲基纤维素钠-双(2-乙己基)磺基琥珀酸钠微胶囊在经冷冻干燥后，氮气保护下，800℃碳化5小时；取5mg碳化后的微胶囊粉末超声分散在1mL1mg/mL的壳聚糖乙酸溶液中，乙酸溶液的质量分数为0.5％；取5μL碳化微胶囊分散液作电极材料修饰于表面经打磨、超声清洗干净后的玻碳电极，为工作电极，铂片为对电极，银/氯化银为参比电极；将不同浓度1nmol/L～5μmol/L的Pb(NO₃)₂电解液加入到pH值为4的磷酸二氢钠-磷酸氢二钠缓冲溶液中，-0.4V恒电压富集待测液中的铅离子，富集时间为500s；采用差分脉冲阳极溶出伏安法，在-1.0V～-0.3V的电位窗口下检测，记录溶出时的电流-电位曲线叠加图，得到峰电流值与铅离子浓度的标准曲线，根据标准曲线计算待测样品中铅离子浓度。

实施例4

将复凝聚法制备的明胶-阿拉伯胶微胶囊在经冷冻干燥后，氮气保护下，700℃碳化6小时；取4mg碳化后的微胶囊粉末超声分散在2mL 1mg/mL的壳聚糖乙酸溶液中，乙酸溶液的质量分数为2.0％；取5μL碳化微胶囊分散液作电极材料修饰于表面经打磨、超声清洗干净后的玻碳电极，为工作电极，铂片为对电极，银/氯化银为参比电极；将不同浓度1nmol/L～8μmol/L的PbSO₄电解液加入到pH值为4.5的醋酸-醋酸钠缓冲溶液中，-0.6V恒电压富集待测液中的铅离子，富集时间为400s；采用差分脉冲阳极溶出伏安法，在-1.2V～-0.4V的电位窗口下检测，记录溶出时的电流-电位曲线叠加图，得到峰电流值与铅离子浓度的标准曲线，根据标准曲线计算待测样品中铅离子浓度。

实施例5

将复凝聚法制备的明胶-海藻酸钠微胶囊在经冷冻干燥后，氮气保护下，650℃碳化9小时；取3mg碳化后的微胶囊粉末超声分散在1.5mL 1mg/mL的壳聚糖乙酸溶液中，乙酸溶液的质量分数为0.5％；取5μL碳化微胶囊分散液作电极材料修饰于表面经打磨、超声清洗干净后的玻碳电极，为工作电极，铂片为对电极，银/氯化银为参比电极；将不同浓度2nmol/L～10μmol/L的Pb(CH₃COO)₂电解液加入到pH值为4的磷酸二氢钠-磷酸氢二钠缓冲溶液中，-0.8V恒电压富集待测液中的铅离子，富集时间为400s；采用差分脉冲阳极溶出伏安法，在-1.4V～-0.4V的电位窗口下检测，记录溶出时的电流-电位曲线叠加图，得到峰电流值与铅离子浓度的标准曲线，根据标准曲线计算待测样品中铅离子浓度。

实施例6

将复凝聚法制备的明胶-羧甲基纤维素钠-十二烷基硫酸钠微胶囊在经冷冻干燥后，氮气保护下，800℃碳化5小时；取1mg碳化后的微胶囊粉末超声分散在2mL 1mg/mL的壳聚糖乙酸溶液中，乙酸溶液的质量分数为5％；取5μL碳化微胶囊分散液作电极材料修饰于表面经打磨、超声清洗干净后的玻碳电极，为工作电极，铂片为对电极，银/氯化银为参比电极；将不同浓度1nmol/L～5μmol/L的Pb(NO₃)₂电解液加入到pH值为4.8的氨气-氯化氨缓冲溶液中，-1.0V恒电压富集待测液中的铅离子，富集时间为200s；采用差分脉冲阳极溶出伏安法，在-1.0V～-0.3V的电位窗口下检测，记录溶出时的电流-电位曲线叠加图，得到峰电流值与铅离子浓度的标准曲线，根据标准曲线计算待测样品中铅离子浓度。

上述实施例1-6中的碳化微胶囊电极的检测下限为2nmol/L(S/N＝3)，检测限低。

对上述实施例1-6中的碳化微胶囊电极稳定性进行评估，研究了碳化微胶囊电极对铅离子检测的稳定性。对0.5μM铅离子进行连续10次检测。结果表明，铅离子的峰电流几乎是恒定的，所得到峰电流的相对标准偏差(RSD)仅为4.3％，这表明碳化微胶囊电极具有良好的稳定性。

对上述实施例1-6中的碳化微胶囊电极检测铅离子的性能进行测量，考察干扰离子添加前后铅离子(0.5μM)的溶出峰电流的变化，结果发现，分别添加100倍的Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Al³⁺、Zn²⁺、Li⁺、Cd²⁺、Cu²⁺、Cr³⁺、Mn²⁺、Ni²⁺以及各种阴离子如Br^-、Cl^-、NO₃^-、H₂PO₄^-、SO₄^2-后，铅离子的溶出峰电流没有明显变化(±5.0％的误差范围)，从而排除一些常见的阴阳离子的干扰。可见本发明的修饰电极对铅离子具有高度的选择性。

自来水中铅离子浓度的检测分析：对实际水样进行直接检测时没有明显的信号出现，因此，将自来水和缓冲液以1︰9的比例混合，自来水没有进行进一步处理。由于自来水中铅离子浓度特别低，采用标准加入法对其进行检测。将0.010μM、0.070μM、0.10μM的铅离子溶液加入到混合液中，利用碳化微胶囊电极对其进行检测分析，结果表明0.0098μM、0.0717μM和0.099μM的铅离子存在于检测溶液中，其回收率在98.0％到102.5％之间，表明该修饰电极用于铅离子实际样品的检测分析是可行的。

综上可知，本发明的痕量铅离子检测的电化学传感的制备方法，工作电极的修饰材料制备简单，成本低，结构可控和重复性好。所制备的电化学传感器对铅离子检测选择性高和检测限低、重复性好。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。