痕量重金属分析之固态电极 — 第一部分

2020年6月22日

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这一系列博客文章将着重介绍适用于使用伏安法测定重金属的新型电化学传感器。

测定重金属离子的浓度在很多领域十分重要，包括环境监测、废物管理、学习研究，甚至是临床试验。重金属是自然产生的，但过去两个世纪工业化和城市化的兴起，使得我们环境中的重金属含量有所增加。它们释放并积聚在土壤、地下或地表水中，并通过直饮水或动植物的生物积累进入食物链。正因如此，汞（Hg）会在食物链中积累，因此不鼓励孕妇食用海鲜类产品。

毒性的大小取决于重金属的类型及其生物学作用，最重要的是其浓度。饮用水中铅、铁、镉、铜、砷、铬或镍浓度的增加通常是导致人类中毒的主要原因。为了强调饮用水中某些重金属的毒性并保护人类健康，世界卫生组织（WHO）等机构制定了饮用水中重金属浓度的限值。

常用的重金属分析技术包括原子吸收光谱法（AAS）、电感耦合等离子体光谱法（ICP-OES）或荧光光谱法。然而，这些技术仪器成本高、维护贵，且需要化学背景的专业人员。因此，迫切需要一种低成本、简单且灵敏的方法来检测水样中的重金属离子。

溶出伏安法是解决这些问题的理想选择，该方法简单、快速、经济，无需专业的人员。此外，低至ng/L 的检出限，十分适用于实验室和现场环境中使用。

图 1. 阳极溶出伏安法——铅的富集（同时搅拌溶液）

溶出伏安法基本原理

溶出伏安法包括两个步骤。

第一步，将待测物富集在工作电极的表面。如图1所示，使用阳极溶出伏安法测定铅（Pb）。

图 2. 阳极溶出伏安法——铅的溶出（溶液未搅拌）

第二部，将富集在工作电极表面的待测物溶出，如图2所示。该步骤将会产生分析信号，该信号强度与待测物的富集量成正比。

除阳极溶出伏安法外，还有阴极溶出伏安法和吸附溶出伏安法。所有这些方法都有一个共同点，都需要一个稳定且强大的传感器。因此，在这一系列文章中，我们将着重介绍我们的强大传感器，并通过典型的应用展示其出色的性能。

研究全新的传感器

鉴于环境问题和成本考虑，我们迫切需要研究全新的传感器。无毒和廉价的材料是新型传感器的首选。每种材料都有其特性，因此特定的材料可检测的元素数量将会受限。因此选择合适的电极材料，结合创新的传感器设计，有助于克服这些问题。

图 3. 铋晶体

铋 — 全新电极材料

人们曾多次尝试寻找毒性小于汞的电极材料来测定重金属离子，但没有一种电极材料具有优异的电分析性能。2000年，一位名叫Joseph Wang的研究人员首次报道了一种铋膜电极。

在这次报告之后，在碳等固态电极上制备铋膜电极越来越受欢迎。铋的宽电化学窗口和低毒性是关键因素。此外，铋能够与大多数重金属形成合金，并表现出与汞类似的较高析氢过电位。这些性质对于溶出伏安法来说十分重要。氢的生成被有效地抑制，因此可以在负电位下进行无噪声测量。基于铋膜的固态电极是一个很好的选择。然而，镀膜过程是一个非常耗时的步骤。