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金属离子选择性电极和碳纳米管修饰电极的研究及其应用

郭俊香  
【摘要】:金属污染是指由重金属(如铅、镉、汞等)或其有毒化合物造成的环境污染。随着采矿、废气排放、污水灌溉熔炼和加工及商业制造活动的日益增加,造成大量的重金属如铅、镉、汞等进入环境中。这种污染通过食物链进入生态系统,在生命体或生态系统中富集,对大多数生物体产生毒害作用。控制环境污染的重要性不断激发人们研究并发展新的方法来检测环境样品中金属离子的含量。目前,检测金属离子的常见方法有火焰石墨炉原子吸收光谱法、火焰光谱法、电感耦合原子发射光谱法、同位素质量光谱法、中子活化分析法、电感耦合等离子体质量光谱法、X-射线荧光法等。然而,以上分析方法普遍存在操作复杂、耗时、样品预处理繁杂、仪器价格昂贵、不适合大范围使用等缺点。因此,亟需要建立一种灵敏快速、经济、方便的分析方法来检测金属离子的含量。离子选择性电极,因具有易操作、对样品非破坏性、精度高、响应快、选择性好、灵敏度高、容易准备以及成本低等优点,而作为一种方便的分析方法被广泛的应用到环境分析和离子物种的检测中。在过去的几十年之中,大量基于不同中性载体的离子选择电极被研究并报道出来。如今,使用新材料合成新颖的离子载体是离子选择性电极研究中较为活跃的一个方向。本论文着重于新型离子载体的设计、合成以及新材料的使用,并以其为载体用于PVc聚合膜金属离子选择性电极和修饰电极的研究,将其应用于实物样品中金属离子浓度的测定。本文研究内容如下: 1.氮-硫杂环配体在锶离子选择性电极中的应用 以1-苯并噻唑基-3-苯甲酰基硫脲(BTBTA)为中性载体构建了高选择性的PVC膜锶离子电极。该电极与已报道的Sr2+选择性电极相比,线性范围明显变宽,检测下限降低,响应速率提高,重现性和稳定性显著提高,并且排除了其它阳离子的干扰,同时载体BTBTA合成简单。最重要的是我们用紫外-可见光谱和交流阻抗技术研究了电极的响应机理。将该电极成功的应用于了电位滴定锶离子时作为指示电极,以及测定士壤和茶叶样品中锶离子的浓度,并与用原子吸收光谱法测定的结果进行了对比。 2.以大环席夫碱化合物为载体的镧离子选择电极的研究 合成了一种新的大环席夫碱化合物,N,N'-双-(3-羧基水杨醛基)-硫代二氨基脲(H2L),并以其为载体制备了聚合物膜高选择性的La3+电极。该电极在线性范围,检测下限,响应时间,pH应用范围等性能方面都有了明显的改善。我们用电导法研究了载体H2L对几种不同金属离子的稳定性和选择性情况,La3+的摩尔电导在[H2L]/[Mn+]为0.5时产生了突变。而对于其它几种金属离子,摩尔电导的变化都很小。同时,采用交流阻抗技术研究了该电极膜表面的电化学行为。最后,将该电极成功的应用于了作为指示电极滴定La3+以及药品中的F-浓度测定。 3.以多壁碳纳米管衍生物为载体的高选择性痕量铅离子修饰电极的研究 利用2-氨基苯硫酚和羧基化的多壁碳纳米管反应,合成了多壁碳纳米管的衍生物,将其作为载体首次构建了高选择性超灵敏的铅离子碳糊电极。该电极中碳纳米材料的引入,使得电极的响应性能大大提高,比如线性范围(5.9×10-10-1.0×10-2mol/L),检测下限(3.2×10-10 mol/L),响应时间(25 s),pH应用范围(2.5-6.5)等方面。此外,该电极具有超高的选择性和长的使用寿命(至少三个月)。用分别溶液法测定了铅离子电极的选择性系数,除了镉离子外,其他阳离子的选择性系数都很小。因此,用混合溶液法研究了测定铅离子时所能承受镉离子干扰的最大浓度。当溶液中镉离子的浓度小于或等于1.0×10-4mol/L时,对铅离子的测定不会产生干扰。最重要的是用交流阻抗技术研究了电极的响应机理。最后,将该电极成功的应用于了电位滴定硫酸根离子以及测定环境样品中铅离子的浓度,并与用原子吸收光谱法测定的结果进行了统计比较。


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