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        碳納米管電極對(duì)鉛和銅的檢測(cè)研究

        2012-12-21 13:25:16楊紹明查文玲魏志鵬鄭龍珍
        關(guān)鍵詞:層層層數(shù)伏安

        楊紹明,查文玲,江 丹,劉 斌,魏志鵬,鄭龍珍

        (華東交通大學(xué)基礎(chǔ)學(xué)院江西南昌330013)

        隨著工業(yè)、城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展,重金屬元素如鉛、銅、汞、鋅和鈣等對(duì)環(huán)境和人體的污染和毒害日益嚴(yán)重,由于它們的不可降解性,其污染和毒害是持久的[1]。因此,重金屬離子的測(cè)定受到很大的關(guān)注。雖然AAS(原子吸收光譜)、ICP-MS(電感耦合等離子質(zhì)譜)和ICP-AES(電感耦合等離子原子發(fā)射光譜)等是測(cè)定重金屬離子的精確方法,但這些方法需要昂貴的儀器設(shè)備和維護(hù)費(fèi)用[2]。電化學(xué)方法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低和靈敏度高的優(yōu)點(diǎn),成為廣泛研究測(cè)定重金屬離子的替代方法。汞電極如汞膜電極和懸汞滴電極是傳統(tǒng)研究測(cè)定重金屬離子常用的電極,但由于汞的毒性和處理困難原因,使用其它的固體電極如化學(xué)修飾電極代替汞電極是目前研究的方向[3-4]。

        碳納米管(CNTs)自1991年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)因其特有的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性質(zhì)以及獨(dú)特的管狀分子結(jié)構(gòu)和應(yīng)用價(jià)值,迅速成為研究熱點(diǎn)[5]。CNTs的一個(gè)重要應(yīng)用是作為化學(xué)修飾電極的修飾劑。在構(gòu)筑CNTs修飾電極時(shí),CNTs的固定是關(guān)鍵的一步。如將CNTs分散于硫酸、二甲基甲酰胺或者丙酮等溶劑中,形成CNTs懸浮液通過(guò)滴涂法成膜[6-7],但得到的CNTs 膜機(jī)械性和電學(xué)性較差,阻礙了其在化學(xué)修飾電極中的應(yīng)用。后來(lái)研究者用表面活性劑或聚合物分散CNTs滴涂法制備CNTs薄膜,但滴涂方法不能很好地控制CNTs薄膜的性質(zhì)。近年來(lái),采用層層組裝法構(gòu)筑CNTs薄膜引起人們極大的興趣。層層組裝法可調(diào)控膜厚度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)以及負(fù)載量等參數(shù),為制備性能優(yōu)異的傳感薄膜開辟了新路徑[8-9]。

        迄今,層層組裝法構(gòu)筑CNTs 化學(xué)修飾電極用于分析檢測(cè)鉛和銅的研究未見報(bào)道。本文采用簡(jiǎn)單的PH調(diào)控方式分散CNTs,通過(guò)層層組裝CNTs和聚電解質(zhì)PDDA構(gòu)筑了PDDA/CNTs多層膜電極,并將其用于分析檢測(cè)鉛和銅離子。用紫外-可見光譜法表征了PDDA/CNTs的層層組裝過(guò)程,探討了組裝層數(shù)、支持電解質(zhì)種類、富集電位和時(shí)間等對(duì)電極響應(yīng)的影響,并研究了該多層膜電極對(duì)鉛和銅離子的分析性能。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 試劑和儀器

        硝酸鉛和硝酸銅(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);多壁碳納米管(純度>90%,直徑10~30 nm,來(lái)自Sun Nanotech Co Ltd);3-巰基-1-丙基磺酸鈉鹽(MPS)、聚二甲基二烯丙基氯化銨(PDDA)和聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)均購(gòu)自Sigma Aldrich。

        CHI660C電化學(xué)工作站(上海辰華儀器公司);紫外光譜儀(PerkinElmer Lamdba 35);三電極體系(鉑電極對(duì)電極,Ag/AgCl參比電極,2 mm直徑金盤電極為工作電極)。

        1.2 碳納米管分散液的制備

        稱取200 mg CNTs,加入80 mL混酸(V(H2SO4)∶V(HNO3)=3 ∶1)超聲8 h。用蒸餾水洗至濾液pH為中性,在恒溫干燥箱中烘干,研磨至粉末,保存?zhèn)溆谩?/p>

        取10 mg上述處理過(guò)的CNTs溶于10 mL pH=10的緩沖溶液中,超聲20 min,制成1 mg·mL-1黑色的懸浮液。

        1.3 (PDDA/CNTs)n多層膜的制備

        將石英片在Piranh(V(濃H2SO4)∶V(30%H2O2)=3 ∶1)溶液中浸泡15 min,用去離子水洗凈,先依次在PDDA(1 mg·mL-1,pH 6.5)、PSS(1 mg·mL-1,pH 6.5)和PDDA(1 mg·mL-1,pH 6.5)中浸泡20 min 得到前體膜PDDA/PSS/PDDA,再分別在帶負(fù)電的CNTs(1.0 mg·mL-1懸浮液)與帶正電的PDDA(1 mg·mL-1,pH 6.5)溶液中組裝30 min,然后重復(fù)在CNTs與PDDA中組裝。

        1.4 Au/MPS/PDDA/PSS/(PDDA/CNTs)n電極的制備

        金電極先用平均粒徑為0.05 μm的氧化鋁砂漿打磨,然后清洗,再在Piranha溶液中浸泡5 min,取出洗滌,再在0.1 mol·L-1H2SO4中進(jìn)行循環(huán)伏安掃描,掃描范圍是-0.2~1.4 V,直至得到穩(wěn)定的可重復(fù)的循環(huán)伏安曲線,得到的金電極直接用于組裝。

        將預(yù)處理的金電極在0.02 mol·L-1的MPS 浸泡12 h,然后按照在石英片上組裝的方法制備(PDDA/CNTs)n多層膜電極。

        1.5 電化學(xué)測(cè)定

        將制成的(PDDA/CNTs)n修飾電極采用差分脈沖溶出伏安法檢測(cè)同時(shí)存在的鉛和銅。在0.1 mol·L-1的HCl支持電解質(zhì)中,在-1.0 V攪拌富集一定時(shí)間后,靜止15 s,然后差分脈沖伏安法(DPV)檢測(cè)鉛和銅,(銅:-0.23 V;鉛:-0.42 V)。DPV條件如下:電位范圍:-0.7~0.2 V,脈沖振幅:50 mV,脈沖寬度:50 ms,脈沖周期:0.2 s。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 (PDDA/CNTs)n多層膜的表征

        我們用紫外-可見光譜對(duì)PDDA 和碳納米管的層層自組裝過(guò)程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。如圖1所示,吸光度隨膜層的增加而越來(lái)越大,并發(fā)現(xiàn)碳納米管在波長(zhǎng)為265 nm 處的吸收出現(xiàn)最大值[10-11]。PPDA/CNTs膜的吸光度對(duì)層數(shù)進(jìn)行線性擬合(圖1 插圖),線性相關(guān)系數(shù)為0.999。紫外-可見光譜表明堿性緩沖液分散的CNTs 與PDDA 可均勻有效的組裝構(gòu)筑PPDA/CNTs多層膜。

        2.2 (PDDA/CNTs)n層數(shù)對(duì)鉛、銅離子的電流響應(yīng)影響

        圖1 PDDA/CNTs多層膜的紫外-可見光譜圖Fig.1 UV-Vis spectroscopy of PDDA/CNTs multilayer

        利用層層組裝法得到不同層數(shù)的PPDA/CNTs多層膜電極,研究PPDA/CNTs層數(shù)對(duì)Pb2+、Cu2+(濃度均為5.0×10-7mol·L-1)離子的差分脈沖溶出伏安響應(yīng),結(jié)果如圖2所示。鉛和銅離子在前體膜MPS/PDDA/PSS/PDDA修飾金電極上出現(xiàn)比較小的溶出峰,峰電位分別位于0.21 V和0.41 V;當(dāng)電極上組裝碳納米管后,Pb2+和Cu2+溶出峰電流得到明顯提高而且峰電位負(fù)移,說(shuō)明碳納米管起到了很好的電催化作用;當(dāng)碳納米管層數(shù)增加至3層后,鉛、銅的溶出峰電流已基本趨于穩(wěn)定,所以后續(xù)實(shí)驗(yàn)選擇(PDDA/CNTs)3層修飾電極為工作電極。

        2.3 支持電解質(zhì)的選擇

        詳細(xì)地研究了5.0×10-7mol·L-1Pb2+和Cu2+在MPS/PDDA/PSS/(PDDA/CNTS)3膜修飾電極上,在不同支持電解質(zhì)如HCl,KCl,NaCl和KNO3(濃度均為0.1 mol·L-1)中的溶出伏安行為,結(jié)果如圖3所示。從圖可見在HCl中Pb2+和Cu2+的溶出峰同時(shí)出現(xiàn),且峰形較好,峰電流較高。

        圖2 PDDA/CNTs修飾電極對(duì)Pb2+和Cu2+差分脈沖溶出伏安響應(yīng)Fig.2 Differential pulse anodic stripping voltametry response of PDDA/CNTs modified electrode to Pb2+and Cu2+

        圖3 支持電解質(zhì)對(duì)碳納米管修飾電極的影響Fig.3 Effect of supporting electrolyges on the carbon nanotubes modified electrode

        2.4 富集電位和富集時(shí)間的影響

        富集電位和富集時(shí)間是溶出分析中兩個(gè)很重要的因素,它們?cè)诤艽蟪潭壬蠜Q定了該分析方法的靈敏度。圖4為富集電位與鉛、銅離子溶出峰電流的關(guān)系圖。富集電位從-0.3 V逐漸向-1.20 V變化時(shí),鉛、銅離子的溶出峰電流逐漸增加;當(dāng)富集電位負(fù)于-1.0 V,峰電流增加幅度變緩。本實(shí)驗(yàn)確定鉛、銅離子的富集電位在-1.0 V。

        考察了富集時(shí)間對(duì)5.0×10-7mol·L-1Pb2+和Cu2+溶出峰電流的影響,結(jié)果如圖5所示。當(dāng)富集時(shí)間低于5 min時(shí),鉛、銅的峰電流隨富集時(shí)間的延長(zhǎng)線性增加。當(dāng)富集時(shí)間超過(guò)5 min后,峰電流增加緩慢。富集時(shí)間的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際樣品中的鉛、銅離子的大致濃度范圍來(lái)確定。濃度高,富集時(shí)間可以縮短以加快分析速度;對(duì)于測(cè)定低濃度樣品,可以延長(zhǎng)富集時(shí)間以提高測(cè)定的靈敏度。

        圖4 富集電位對(duì)Pb2+和Cu2+溶出峰的影響Fig.4 Effect of accumulation potential on the stripping peak currents of Pb2+and Cu2+

        圖5 富集時(shí)間對(duì)Pb2+和Cu2+溶出峰的影響Fig.5 Influence of accumulation time on the stripping peak currents of Pb2+and Cu2+

        2.5 溶液中溶解氧的影響

        溶液中的氧氣因?yàn)榭梢栽谪?fù)電位區(qū)域被還原,有可能影響鉛、銅離子在碳納米管膜修飾電極表面的富集和還原過(guò)程,進(jìn)而影響它們的溶出峰電流。但是對(duì)于本文所報(bào)道的鉛、銅電化學(xué)修飾電極,氧氣的存在不干擾鉛、銅離子的溶出峰電流,即使在飽和氧氣存在的條件下,也不干擾鉛、銅離子在碳納米管薄膜電極上的響應(yīng)信號(hào),因此實(shí)驗(yàn)時(shí)沒有必要除氧氣。這可能是由于碳納米管薄膜對(duì)氧氣的吸附并不明顯。

        2.6 碳納米管修飾電極對(duì)鉛和銅的同時(shí)測(cè)定

        在最優(yōu)條件下該多層膜電極在1.0×10-8~1.0×10-6mol·L-1鉛和銅濃度范圍內(nèi),峰電流與濃度成良好線性關(guān)系,線性方程分別為:鉛為Y(A)=1.061×10-6+0.833 2 C(mol·L-1),相關(guān)系數(shù)為0.993,檢測(cè)限為7.93×10-9mol·L-1(信噪比S/N=3);銅為:Y(A)=3.595×10-6+1.881C(mol·L-1),相關(guān)系數(shù)為0.996,檢測(cè)限為3.64×10-9mol·L-1(信噪比S/N=3)。該傳感器的靈敏度優(yōu)于文獻(xiàn)報(bào)道中測(cè)鉛和銅的靈敏度[3,12]

        該多層膜電極對(duì)5.0×10-7mol·L-1鉛和銅離子連續(xù)測(cè)定9次,鉛的重現(xiàn)性為4.5%,銅的重現(xiàn)性為4.2%。該多層膜電極在在4 ℃下的冰箱中放置3個(gè)星期,在放置期間每隔3 d測(cè)試1次,3周后發(fā)現(xiàn)該電極的峰電位和峰電流基本保持不變,表明PDDA/CNTs多層膜電極的穩(wěn)定性很好。

        2.7 電極的抗干擾性

        研究了一些水樣中常見的陽(yáng)離子和陰離子對(duì)鉛、銅離子響應(yīng)信號(hào)的干擾情況。發(fā)現(xiàn)一些常見的金屬離子如Na+,Ca2+,F(xiàn)e2+(以上離子濃度均為1.0×10-4mol·L-1),以及常見的陰離子如I-,F(xiàn)-,NO3-(以上離子濃度均為1.0×10-4mol·L-1),對(duì)5.0×10-7mol·L-1Pb2+和Cu2+的測(cè)定不產(chǎn)生干擾。

        3 結(jié)論

        采用層層組裝技術(shù)將堿性緩沖液分散的CNTs和PDDA構(gòu)筑了PDDA/CNTs多層膜電極,PDDA/CNTs層層組裝過(guò)程用紫外-可見光譜進(jìn)行了表征,結(jié)果表明堿性緩沖液分散的CNTs與PDDA可均勻有效的組裝構(gòu)筑PDDA/CNTs多層膜電極。本文探討了PDDA/CNTs組裝層數(shù)、支持電解質(zhì)種類、富集電位和富集時(shí)間等對(duì)鉛和銅溶出峰電流的影響,并研究了PDDA/CNTs多層膜電極對(duì)鉛和銅的差分脈沖溶出伏安法同時(shí)分析測(cè)定性能。該多層膜電極在1.0×10-8~1.0×10-6mol·L-1鉛和銅濃度范圍內(nèi),峰電流與濃度成良好線性關(guān)系,對(duì)鉛和銅的檢測(cè)限分別為7.93×10-9mol·L-1和3.64×10-9mol·L-1。

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