本发明涉及电化学传感器技术领域，具体涉及一种应用于大浓度范围铜离子检测的电化学传感器。
背景技术：
铜是地球上大多数动植物所必需的元素，在生物的生长过程中起着重要作用。由于铜的生物毒性远低于汞、铅、镉、铬等重金属，因此铜的最大允许含量远高于其他重金属。但铜也可能通过长期的生物累积对生态系统和人体产生有害的重金属毒性影响。摄入过量的铜离子会对人体产生剧毒，导致多种健康问题，如胃肠道不适、肝肾损害、高血压和呼吸频率高以及严重的神经退行性疾病等。
目前，检测铜离子的方法主要有原子吸收光谱法，电感耦合等离子体质谱，电感耦合等离子体原子发射光谱法，x射线荧光光谱法等，但这些方法存在样品前处理复杂、操作繁琐、仪器昂贵等缺点。
电化学传感器由于仪器简单、便宜、便携、检测限低、响应快等优点，受到了越来越多的关注，已被用于铜离子检测。如,takeuchi等人应用2-氨基噻唑有机官能化二氧化硅修饰的固体石蜡基碳糊电极测定乙醇燃料样品中的cu2 ，线性范围为10～340μg/l(10～340ppb)，检测下限为4.2μg/l[takeuchi,r.m.；santos,a.l.；padilha,p.m.；stradiotto,n.r.,copperdeterminationinethanolfuelbydifferentialpulseanodicstrippingvoltammetryatasolidparaffin-basedcarbonpasteelectrodemodifiedwith2-aminothiazoleorganofunctionalizedsilica.talanta2007,71,(2),771-777.]。wan等人提出了用金纳米粒子(aunps)修饰丝网印刷金电极(spge)来快速检测铜离子，线性检测范围为20～300μg/l(20～300ppb)，检测下限为1.6μg/l[wan,h.；sun,q.；li,h.；sun,f.；hu,n.；wang,p.,screen-printedgoldelectrodewithgoldnanoparticlesmodificationforsimultaneouselectrochemicaldeterminationofleadandcopper.sensorsandactuatorsb:chemical2015,209,336-342.]。xu等人利用金纳米粒子(aunps)修饰玻碳电极(gce)对cu2 进行电化学检测，发现cu2 检测的线性检测范围为40.8～180μg/l(40.8～180ppb)，检测下限为40.3μg/l[xu,x.；duan,g.；li,y.；liu,g.；wang,j.；zhang,h.；dai,z.；cai,w.,fabricationofgoldnanoparticlesbylaserablationinliquidandtheirapplicationforsimultaneouselectrochemicaldetectionofcd2 ,pb2 ,cu2 ,hg2 .acsapplmaterinter2014,6,(1),65-71.]。
国内也有一些关于该领域的研究和专利。例如，蔡良圣等人利用还原氧化石墨烯(rgo)和金纳米粒子(aunps)修饰碳纤维微电极来检测cu2 ，检测线性范围为0～63ppb，检测下限为0.15ppb[蔡良圣，林君，辛青，臧月.电化学微传感器检测水中痕量铜离子[j].中国环境科学，2020,40(8)：3394-3400]。周亚利用银纳米粒子(agnps)修饰玻碳电极(gce)，对cu2 的检测线性范围为13～44ppb，检测下限为13ppb[周亚.基于纳米银制备重金属离子电化学传感器[j].山西化工，2020，40(4)：14-15]。专利文献cn201610354778.1提出使用氧化石墨烯(go)修饰玻碳电极(gce)，对cu2 的检测线性范围为12～120ppb。专利文献cn201510960457.1提出使用氨基化石墨烯和壳聚糖复合材料修饰玻碳电极(gce)，对cu2 的检测线性范围为25～8800ppb。
上述这些传感器对低浓度铜离子具有良好的灵敏度，但不能直接对高浓度cu2 进行检测。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种应用于大浓度范围铜离子检测的电化学传感器，以解决传统铜离子检测技术操作繁琐、费时耗力、仪器使用复杂等问题，同时解决现有电化学传感器不能覆盖高浓度范围铜离子检测的局限。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种应用于大浓度范围铜离子检测的电化学传感器，包括工作电极，所述工作电极为多孔丝网印刷碳电极，其表面修饰有单壁碳纳米管，所述多孔丝网印刷碳电极的孔隙率为20-60％。
本发明工作原理为：在施加沉积电压作用下,待测液体中的铜离子沉积在单壁碳纳米管修饰的多孔工作电极表面,然后进行方波脉冲阳极溶出伏安法扫描，在特定溶出电位下,铜的溶出峰电流与待测液体中的铜离子浓度成正比,通过检测待测样品在特定电位下的溶出峰电流，进而计算出待测样品中铜离子含量。
本发明提供的工作电极具有丰富孔隙结构且结合了单壁碳纳米管，孔隙结构显著提高对检测对象铜离子的负载量，扩大了检测浓度范围，而单壁碳纳米管具有优良电子传递能力，则提高了传感器灵敏度。本发明适用于环境水体、饮用水及农产品、食品中大浓度范围铜离子的现场快速检测。
所述电化学传感器由电化学三电极体系组成，包括工作电极、对电极和参比电极，对电极为碳电极或pt电极，参比电极为银/氯化银(ag/agcl)电极。具体地，电化学三电极体系可以采用丝网印刷工艺将三个电极的材料印刷到基底表面制备得到。所述基底材料可以为聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)或聚氯乙烯(pvc)或陶瓷。采用可批量生产、成本低的丝网印刷电极构建电化学传感器，有助于产品的推广。
优选的，所述多孔丝网印刷碳电极中孔隙的孔径为100-3000nm。单壁碳纳米管的直径为1-3nm。
进一步的，所述工作电极的制备方法包括：
(1)首先将导电碳浆与粒径为30-500nm的碳酸钙混合制得混合物，其中碳酸钙在混合物中所占质量百分比为10％-55％，采用丝网印刷工艺将混合物印刷到基底材料表面的工作电极区域，然后经盐酸浸泡，超声震荡清洗，干燥后制得多孔丝网印刷碳电极；
(2)利用电化学沉积法将单壁碳纳米管沉积到多孔丝网印刷碳电极表面，制得所述工作电极。
步骤(1)中，碳酸钙均匀分散于导电碳浆中，制成工作电极层后，经盐酸浸泡，其中的碳酸钙溶解，即可在工作电极层形成孔隙。该方法制备工艺简单，孔隙可控。
优选的，碳酸钙在混合物中所占质量百分比为30％-45％。
盐酸浸泡处理后，清洗除去残留的盐酸。优选的，混合物印刷到基底材料表面后，用0.5-2m盐酸浸泡10-300min，再用超声震荡清洗5-90min，超声功率为50-60w。
步骤(2)中，利用电化学沉积法在多孔丝网印刷碳电极表面修饰单壁碳纳米管。优选的，所述电化学沉积法包括：将羧基化单壁碳纳米管溶于0.2-2m硫酸，浓度为0.2-2mg/l，经超声分散后，取20-100μl滴加到多孔丝网印刷碳电极表面，采用循环伏安法扫描5-35圈，扫描电位范围落在-2v-2v区间，或者采用恒电位法沉积5-300s，施加电位数值落在-2.2v-0v区间。
更为优选，硫酸浓度为0.5-1m，羧基化单壁碳纳米管溶液浓度为0.5-1mg/l。采用循环伏安法扫描10圈，扫描电位范围落在-1.2v-1.2v区间；或者采用恒电位法沉积300s，施加电位-1.2v。
本发明还提供了所述的电化学传感器在检测铜离子中的应用。
所述应用包括：
1)标准溶液的配制：取cu2 标准液，用0.1-1m醋酸盐缓冲液稀释，制成一系列不同浓度的铜离子标准溶液，ph值调为4-7；
2)绘制校准线性曲线：取20-100μl不同浓度cu2 标准溶液滴加在工作电极表面，在恒电位下沉积50-350s，恒电位数值落在-1.6v至-1.0v区间，然后进行方波脉冲阳极溶出伏安法扫描，记录溶出电位-0.4v处的不同浓度cu2 的溶出峰电流，绘制溶出峰电流与cu2 浓度之间的校准线性曲线；
3)实际样品测试：取待测样品溶于醋酸盐缓冲溶液中作为待测液体，其ph值同标准溶液，然后取待测液体滴加到电化学传感器工作电极表面，采用步骤2)的沉积-溶出扫描方法测量，将溶出峰电流值带入上述对应的校准线性曲线方程中，经换算得到待测样品中的铜离子含量。
优选的，标准溶液和待测液体的ph值为6，沉积时间为200s，沉积电位为-1.2v。
方波脉冲阳极溶出伏安法的扫描电压范围：-1.2v-0v，阶跃电位：0.001-0.01v，振幅：0.01-0.05v，频率：5-30hz。
本发明具备的有益效果：
(1)本发明提供的一种应用于大浓度范围铜离子检测的电化学传感器，利用工作电极多孔性质，显著提高铜离子的负载量，可对0.1-150ppm浓度范围的铜离子进行快速检测；同时利用工作电极上修饰的单壁碳纳米管的优良电子传递能力，提高了铜离子的检测灵敏度。
(2)采用丝网印刷工艺将导电碳浆与碳酸钙的混合物印制成工作电极，并进一步用盐酸浸泡后再进行超声震荡清洗的方法制得多孔结构丝网印刷碳电极，工艺简单，孔径大小可控。
(3)本发明小巧便携，成本低，铜离子浓度检测范围大，灵敏度高，响应快，可快速现场检测环境水体、饮用水及农产品、食品中的高浓度铜离子，市场前景好。
附图说明
图1为工作电极的电镜图，表面为多孔丝网印刷碳电极与单壁碳纳米管，分辨率为500nm。
图2为实施例1不同浓度的铜离子标准溶液在工作电极上的方波脉冲阳极溶出伏安曲线(a)、溶出峰电流与对应铜离子浓度之间的线性校准曲线(b)，图中铜离子浓度为0.1到150ppm，a，b，c，d，e，f曲线分别对应0.1，1，30，70，100，150ppm浓度的铜离子标准溶液。
图3为实施例2不同浓度的铜离子标准溶液(ph＝4)的方波脉冲阳极溶出伏安曲线(a)、溶出峰电流与对应铜离子浓度之间的线性校准曲线(b)，图中铜离子浓度为5到150ppm，a，b，c，d，e曲线分别对应5，10，30，70，150ppm浓度的铜离子标准溶液。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。以下实施例仅用于说明本发明，不用来限制本发明的适用范围。在不背离本发明精神和本质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所做的修改或替换，均属于本发明的范围。
下述实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，为可从商业途径得到的试剂和材料。
碳酸钙、羧基化单壁碳纳米管购买自南京先丰纳米材料科技有限公司，导电碳浆购自英曼纳米科技江苏有限公司。
实施例1
(1)工作电极的制备
将碳酸钙与导电碳浆混合，碳酸钙的粒径为100nm，在混合物中所占质量百分比为30％。采用丝网印刷工艺将导电碳浆与碳酸钙的混合物印刷到基底材料表面的工作电极区域，然后用1m盐酸浸泡100min，再用超声(功率为60w)震荡清洗30min，干燥后制得多孔丝网印刷碳电极；
接着将羧基化单壁碳纳米管溶于1m硫酸，浓度为0.5mg/l，经超声分散后，取100μl滴加到多孔丝网印刷碳电极表面，采用循环伏安法扫描10圈，扫描电位范围落在-1.2-1.2v区间。制得工作电极的电镜图如图1所示。
(2)标准曲线的绘制
取铜离子标准液溶解到醋酸盐缓冲液(0.1mnaac/hac)中配制标准铜离子溶液(ph为6)，共6个浓度梯度，包括0.1，1，30，70，100，150ppm；
各取80μl不同浓度的标准铜离子溶液，滴至工作电极表面区域，三电极系统(上述工作电极，参比电极为ag/agcl；对电极为碳电极)在-1.2v恒电位下沉积200s，然后采用方波脉冲阳极溶出伏安法进行检测，记录溶出电位-0.4v处的不同浓度cu2 的溶出峰电流，绘制溶出峰电流与cu2 浓度之间的校准线性曲线。
本实施例的方波脉冲阳极溶出伏安法具体参数如下：扫描电压范围：-1.2v-0v，阶跃电位：0.002v，振幅：0.03v，频率：20hz。
经过标定后，得到本实施例铜离子电化学传感器溶出峰电流响应与不同浓度铜离子之间的线性关系，如图2所示。
(3)待测样品的测定
取100ml的某小河水样，将其与醋酸盐缓冲液(0.2mnaac/hac)以1:1的比例混合，调节ph值为6，然后分别加标2ppm，5ppm的标准铜离子溶液作为待测溶液。
按照前述(2)中电化学方法进行检测，将扫描曲线中的溶出峰电流值带入上述的校准线性曲线方程中，换算得到待测样品中铜离子含量，记录于表1中。
作为比对，将同样的待测样品溶液进行原子吸收光谱法测量，得到铜离子浓度值，记录于表1中。
表1.本发明对各种样品中铜离子含量检测结果
表1表明，本发明电化学传感器应用于铜离子的检测结果与国标法检测结果基本一致，说明本发明的性能可靠。
实施例2
(1)工作电极的制备
将粒径为80nm的碳酸钙与导电碳浆混合，碳酸钙在混合物中所占质量百分比为45％。采用丝网印刷工艺将导电碳浆与纳米碳酸钙的混合物印刷到基底材料表面的工作电极区域，然后用盐酸浸泡120min，再用超声(功率为50w)震荡清洗60min，干燥后制得多孔丝网印刷碳电极；
接着将羧基化单壁碳纳米管溶于0.5m硫酸，浓度为1mg/l，经超声分散后，取80μl滴加到多孔丝网印刷碳电极表面，三电极系统(上述工作电极，参比电极为ag/agcl；对电极为碳电极)采用恒电位法沉积150s，施加电位为-2.0v。
(2)标准曲线的绘制
取铜离子标准液溶解到缓冲液(0.1mnaac/hac，ph＝4)中配制标准铜离子溶液，共5个浓度梯度，包括5，10，30，70，150ppm；
各取80μl的标准铜离子溶液，滴至工作电极表面区域，在-1.2v恒电位下沉积300s，然后采用方波脉冲阳极溶出伏安法进行检测，记录溶出电位-0.4v处的不同浓度cu2 的溶出峰电流，绘制溶出峰电流与cu2 浓度之间的校准线性曲线。
本实施例的方波脉冲阳极溶出伏安法具体参数如下：扫描电压范围：-1.2v-0v，阶跃电位：0.001v，振幅：0.05v，频率：30hz。
经过标定后，得到本实施例铜离子电化学传感器溶出峰电流响应与不同浓度铜离子之间的线性关系，如图3所示。
(3)待测样品的测定
取1.0g某超市购买的牡蛎，将其溶解到0.1m的醋酸盐(naac/hac)缓冲液中并将ph值调为4作为待测溶液，另外取一定量的待测溶液分别加标2ppm，5ppm的标准铜离子溶液，一并用铜离子电化学传感器进行检测。
首先在-1.1v恒电位下沉积300s，然后按照前述(2)中电化学方法进行测量，将扫描曲线中的溶出峰电流值带入上述的校准线性曲线方程中，换算得到待测样品的铜离子含量，记录于表2中。
作为比对，将同样的待测样品溶液进行原子吸收光谱法测量，得到铜离子浓度值，也记录于表2中。
表2.本发明对各种样品中铜离子含量检测结果
表2表明，本发明电化学传感器应用于实际样品中铜离子的检测结果与国标法检测结果基本一致，说明本发明的测量结果准确。
前述的实施例方案的描述是为了对本发明进行解释说明和对其性能的例证。这些描述不能将本发明限定为所公开的精确形式，在条件、参数和样品处理上做出修改依然属于本发明范围内。对实施例方案的描述旨在解释本发明的原理及举例其实际应用，以便本领域其他技术人员能够利用本发明进行实现及修改。本发明的范围由权利要求书及其等同形式所限定。
1.一种应用于大浓度范围铜离子检测的电化学传感器，包括工作电极，其特征在于，所述工作电极为多孔丝网印刷碳电极，其表面修饰有单壁碳纳米管，所述多孔丝网印刷碳电极的孔隙率为20-60％。
2.如权利要求1所述的电化学传感器，其特征在于，所述多孔丝网印刷碳电极中孔隙的孔径为100-3000nm。
3.如权利要求1所述的电化学传感器，其特征在于，所述工作电极的制备方法包括：
(1)首先将导电碳浆与粒径为30nm-500nm的碳酸钙混合制得混合物，其中碳酸钙在混合物中所占质量百分比为10％-55％，采用丝网印刷工艺将混合物印刷到基底材料表面的工作电极区域，然后经盐酸浸泡，超声震荡清洗，干燥后制得多孔丝网印刷碳电极；
(2)利用电化学沉积法将单壁碳纳米管沉积到多孔丝网印刷碳电极表面，制得所述工作电极。
4.如权利要求3所述的电化学传感器，其特征在于，步骤(1)中，混合物印刷到基底材料表面后，用0.5-2m盐酸浸泡10-300min，再用超声震荡清洗5-90min，超声功率为50-60w。
5.如权利要求3所述的电化学传感器，其特征在于，步骤(2)中，所述电化学沉积法包括：将羧基化单壁碳纳米管溶于0.2-2m硫酸，浓度为0.2-2mg/l，经超声分散后，取20-100μl滴加到多孔丝网印刷碳电极表面，采用循环伏安法扫描5-35圈，扫描电位范围落在-2v-2v区间，或者采用恒电位法沉积5-300s，施加电位数值落在-2.2v-0v区间。
6.如权利要求1-5任一项所述的电化学传感器在检测铜离子中的应用。
7.如权利要求6所述的应用，其特征在于，所述应用包括以下步骤：
1)标准溶液的配制：取cu2 标准液，用0.1-1m醋酸盐缓冲液稀释，制成一系列不同浓度的铜离子标准溶液，ph值调为4-7；
2)绘制校准线性曲线：取20-100μl不同浓度cu2 标准溶液滴加在工作电极表面，在恒电位下沉积50-350s，恒电位数值落在-1.6v至-1.0v区间，然后进行方波脉冲阳极溶出伏安法扫描，记录溶出电位-0.4v处的不同浓度cu2 的溶出峰电流，绘制溶出峰电流与cu2 浓度之间的校准线性曲线；
3)实际样品测试：取待测样品溶于醋酸盐缓冲溶液中作为待测液体，其ph值同标准溶液，然后取待测液体滴加到电化学传感器工作电极表面，采用步骤2)的沉积-溶出扫描方法测量，将溶出峰电流值带入上述校准线性曲线对应的方程中，经换算得到待测样品中的铜离子含量。
8.如权利要求7所述的应用，其特征在于，方波脉冲阳极溶出伏安法的扫描电压范围：-1.2v-0v，阶跃电位：0.001-0.01v，振幅：0.01-0.05v，频率：5-30hz。
技术总结