功能化有机硅纳米修饰金电极对重金属的高灵敏度检测

摘要

重金属铅、汞和铜广泛存在于自然界中，通过食物链进入人体内蓄积，当含量过量时，会导致各种严重疾病的发生。近年来水体中重金属污染问题备受关注，建立快速灵敏的痕量分析方法具有重要的现实意义。高灵敏度检测方法如电感耦合等离子体质谱、原子荧光光谱法等存在价格昂贵、操作复杂、不适合现场检测等缺陷。电化学方法由于设备简单、灵敏度高、成本低而日益引起关注。纳米材料由于尺度小(1-100nm)，表现出一系列独特的物理化学性质。将其用作修饰电极材料，可显著提高电极的灵敏度和选择性。
　　 本论文采用单一硅源，一步简单合成粒径极细的功能化有机硅纳米颗粒，并通过自组装法、滴涂法制备了功能化纳米修饰金电极，应用于水体中痕量重金属铅、汞、铜的电化学分析。主要研究内容和结论如下:
　　 1、以3-巯丙基三甲氧基硅烷为单一的硅源，在表面活性剂的作用下，一步简单混合，制备巯基功能化有机硅纳米。运用原子力显微镜(AFM)、透射电子显微镜(TEM)表征纳米膜的形貌。结果表明，纳米颗粒基本呈球形，且粒径极细，平均粒径为2.5nm。通过自组装法制备巯基功能化有机硅纳米修饰金电极，采用方波溶出伏安法测定水中的Pb(Ⅱ)和Hg(Ⅱ)。考察了表面活性剂类型、表面活性剂浓度、组装时间、支持电解质、富集电位和富集时间等参数对重金属离子溶出信号的影响。研究结果表明，MPTS有机硅纳米修饰电极对痕量Pb(Ⅱ)具有优异的电化学响应。在0.2mol/LHAc-NaAc(pH=5.0)缓冲溶液中，-1.0V电位下富集10min，Pb(Ⅱ)的溶出峰电流与浓度分别在4.8×10-12～4.8×10-9mol/L、2.4×10-9～2.4×10-7mol/L和2.4×10-7～1.2×10-6mol/L三段范围内呈良好的线性关系，检测限为4.8×10-12mol/L。该修饰电极对水中Hg(Ⅱ)的检测具有较灵敏的响应，通过优化实验条件，在0.1mol/LHCl溶液中，-0.4V电位下富集10min，Hg(Ⅱ)的溶出峰电流与浓度在1.5×10-12～7.5×10-11mol/L范围内呈线性关系，检测限为5.0×10-13mol/L。
　　 2、以3-氨丙基三乙氧基硅烷(AMPTS)为单一的硅源，在适量表面活性剂存在时，以盐酸催化水解反应，在室温下制得均匀的AMPTS有机硅纳米。通过电极表面预修饰巯基硅烷作单层膜，将氨基硅纳米进一步和巯基硅烷偶联修饰到金电极表面，得到氨基功能团的有机硅纳米修饰金电极。运用方波溶出伏安法考察修饰电极对水中痕量Cu(Ⅱ)的电化学响应，并考察支持电解质、富集电位和时间等参数对测试结果的影响。实验结果表明，该修饰电极对Cu(Ⅱ)有高灵敏响应。在0.1mol/LPBS缓冲液中富集10min，Cu(Ⅱ)溶出峰电流与浓度在1.6×10-12～1.6×10-11mol/L、3.1×10-11～3.1×10-10mol/L和3.1×10-8～3.1×10-6mol/L三段范围内呈良好的线性关系，检测限为1.6×10-12mol/L。
　　 3、制备了金/氧化硅复合纳米材料。运用紫外可见分光光度法(UV-vis)、AFM、TEM等技术对金/氧化硅纳米颗粒形貌进行表征。通过滴涂法制备金/氧化硅复合纳米修饰金电极，并应用检测水体中的Hg(Ⅱ)。由于金纳米的存在，该有机硅纳米膜在电极表面的导电性得到改善。采用循环伏安法、方波溶出伏安法考察氧化硅-金纳米颗粒修饰金电极的电化学行为。证明该修饰电极对水体中的Hg(Ⅱ)有较灵敏的响应。Hg(Ⅱ)的溶出峰电流与浓度在两段范围内呈良好的线性关系，分别为9.6×10-10～9.6×10-9mol/L和4.8×10-8～4.8×10-7mol/L，检测限为1.4×10-10mol/L。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 重金属污染及其危害

1．2 重金属检测技术的研究与进展

1．3 化学修饰电极应用于重金属检测的研究与进展

1．4 纳米复合材料及其应用于重金属检测的研究与进展

1．5 选题依据及主要研究内容

第二章 巯基有机硅纳米颗粒修饰金电极的制备、表征以及对水体中痕量铅、汞的测定

2．1 巯基有机硅纳米颗粒修饰金电极的制备及测定痕量铅

2．2 MPTS有机硅纳米颗粒修饰金电极检测痕量汞

第三章 氨基有机硅纳米颗粒修饰金电极的制备及其应用于检测水体中痕量铜的研究

3．1 前言

3．2 实验部分

3．3 结果与讨论

3．4 本章小结

第四章 金／氧化硅复合纳米颗粒修饰金电极的制备、表征及其应用于检测水体中痕量Hg(Ⅱ)的研究

4．1 前言

4．2 实验部分

4．3 结果与讨论

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的文章

致谢