铋修饰微网状电极的制备及在重金属离子电化学检测中的应用

【摘要】：随着工业的快速发展而造成的水体重金属污染受到人们越来越多的关注,如何原地实时检测水体的重金属污染情况,做好应对措施,保证水体周围生物的安全以及人类自身的身体健康是我们亟待解决的问题。目前,对水体重金属的检测多为保存水样送至实验室检测,传统检测方法成本高、操作麻烦、甚至于无法检测痕量重金属。电化学检测重金属具有操作简便、灵敏度高、选择性好等优点,但传统的大电极由于不能集成化而限制了其在便携性电化学传感器原位检测上的应用。微电极具有传质速率高、电流密度大、时间常数小、iR降低等优点,在电化学检测领域应用广泛。微电极阵列是由多个微电极并联组合而成,其既有微电极的电化学特性,同时具有电流信号大的特点,是目前比较常见的微电极应用形式。但是在制备微电极的加工方法上,目前常用的光刻、腐蚀等技术具有加工工艺繁琐、加工成本高等弊端,在保证微电极优异的检测效果的同时简化加工步骤、降低制备成本成为本论文研究的关键。本论文以制备可应用于便捷使用的电化学传感器中的微电极体系为目的,在PET板上制备导电性较好的表面平整的导电薄膜,在导电薄膜上采用机械微雕刻技术设计制备传统圆盘电极体系和微网状电极体系,并使用两种电极进行电化学性能检测和对重金属离子的检测,其具体研究内容包括:(1)以碳气凝胶、导电石墨粉、炭黑、乙炔黑等碳材料为原料在PET板上采用旋涂的方法制备多种碳材料混合导电薄膜,以导电石墨浆和Bi@C材料混合刮涂在PET板上制备Bi掺杂生物质碳材料导电薄膜,并对两种导电薄膜的性质和性能进行表征。(2)采用机械雕刻方法在覆盖有两种碳材料导电薄膜的PET板上制备传统圆盘电极体系,进行循环伏安法和电化学阻抗实验测试并对比两种导电薄膜制备的电极的电化学性能,发现Bi掺杂生物质碳材料导电薄膜更适用于制备电极用于电化学检测。(3)Bi掺杂生物质碳修饰圆盘电极阳极溶出伏安法检测重金属Pb~(2+)和Cd~(2+)。探索电化学检测最适条件,优化后最适条件为:溶液pH值为4.5,搅拌速率为200 r min~(–1),沉积电压为–1.0 V,沉积时间为120 s。在最适检测条件下分别单独检测Pb~(2+)和Cd~(2+),其检测灵敏度和检出限分别为0.26μAμg~–11 L、2.03 ppb和0.14μAμg~–11 L、3.2 ppb。同时检测Pb~(2+)和Cd~(2+)两种重金属离子时,其检测灵敏度和检出限分别为0.49μAμg~–11 L、2.55 ppb和0.16μAμg~–11 L、7.29 ppb。其结果表明Bi@C材料与导电石墨浆混合制备的导电薄膜制备的圆盘电极在重金属离子检测方面具有良好的检测效果,可进一步用于微电极的制备与电化学检测。(4)在覆盖Bi掺杂生物质碳导电薄膜的PET板上机械雕刻制备宽度为300μm的微网状电极阳极溶出伏安法检测浓度范围为0–10 ppb的Pb~(2+)和Cd~(2+)重金属离子,单独检测Pb~(2+)和Cd~(2+)时其灵敏度和检出限结果分别为0.43μAμg~–11 L、0.927 ppb和0.07μAμg~(–1)L、1.42 ppb。同时检测Pb~(2+)和Cd~(2+)时其检测灵敏度和检出限分别为0.79μAμg~–11 L、0.992 ppb和0.17μAμg~–11 L、1.71 ppb。与圆盘电极的检测结果相比,微网状电极对Pb~(2+)的检测效果有明显的改善,其应用于重金属离子的检测具有一定的发展空间。通过本论文的研究,优化了导电薄膜制备工艺,探索了微电极微机械加工制备工艺,为微电极在电化学重金属检测的应用方面提供了思路,为解决水体重金属污染原位检测提供了一定指导。