[发明专利]一种石墨烯修饰的Pt电极及检测痕量重金属的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯修饰的Pt电极(G/Pt)及检测痕量重金属方法，是一种用于现场多种重金属检测的电化学传感器。属于电化学传感器领域。

背景技术

重金属是指原子密度大于5g/cm³的金属元素，大约有45种，如铜、铅、锌、镉、锰、铁、钴、镍、钒、汞、金、银等。尽管锰、铜、锌等重金属是生命活动所需要的微量元素，但是大部分重金属如铅、镉、镍等并非生命活动所必须，而且当这些物质超过一定浓度会对人体造成伤害。目前检测重金属的方法主要有以下几种：原子荧光光度法(AFS)、电感耦合等离子体质谱分析技术(ICP-MS)、电化学分析法、电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)、高效液相色谱法(HPLC)、酶抑制法、免疫分析法、生物传感器等。其中电化学分析方法的测量信号是电导、电位、电流、电量等电信号，不需要分析信号的转换就能直接记录，所以电化学分析的仪器装置简单小型得多，易于自动化和连续分析。它是一种公认的快速、灵敏、准确的痕量分析方法，所以本发明是基于电化学分析中的溶出伏安法进行的。

溶出伏安法(Stripping Voltammetry，SV)是从极谱法发展而来的，包括电解沉积和电解溶出两个过程。其检测重金属的原理如下：首先在一定电位下将被检测离子电解沉积在工作电极上，然后反向扫描电极电位，使已沉积的物质电解溶出，记录溶出过程中的伏安曲线，该曲线称为溶出伏安曲线。曲线中峰电流的大小在一定条件下与被测离子的浓度成正比，峰电位与被测离子的性质有关。溶出伏安法的特点：(1)灵敏度极高。(2)仪器结构简单，价格便宜，便于推广。(3)应用范围广。(4)操作较严格，重现性较差。这就要求在严格的实验条件下，工作电极不仅要对重金属离子敏感而且其稳定性还要好，所以本发明利用了下面介绍的石墨烯特殊的电特性和稳定性，制作出石墨烯修饰电极用于重金属检测中。

石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，是构建零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨等其他碳质材料的基本单元，具有许多优异而独特的物理、化学和机械性能如比表面积大、载流子迁移快、力学性能好等，在微纳电子器件、光电子器件、新型复合材料以及传感器材料等方面有着广泛的应用前景。常见石墨烯的制备有以下几种方法：微机械剥离法、液相或气相直接剥离法、化学气相沉积法(CVD)、氧化还原法、晶体外延生长法等。其中CVD是工业上应用最广泛的一种大规模制备半导体薄膜材料的方法，也是目前制备石墨烯的一条有效途径。可满足规模化制备高质量、大面积石墨烯的要求。

将石墨烯作为工作电极应用于重金属测量不仅可大大提高灵敏度。而且由于比表面积大的特点更加有利于重金属离子的吸附；载流子迁移速度高可以加快检测的时间响应得到更加尖锐的峰形，有利于析出电位很相近重金属的分离；高强度的机械性能能防止石墨烯电极或者溶液在不断旋转或者搅拌的情况下不容易被剥离损坏，延长其使用寿命；稳定的化学特性保证电极在极其恶劣的生化环境下进行检测而不易被腐蚀。

本发明就是利用CVD法在Pt电极上制备出石墨烯电极，同时利用石墨烯比表面积大、载流子迁移速度高、高强度机械性能、耐化学腐蚀性这些独特的性质实现对重金属离子的检测，得到一种灵敏度高、检测快速、重复性及一致性好的检测方法，且提供的检测方法对人体无毒无害。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯修饰的Pt电极及检测痕量重金属方法，包括在SiO₂基体上制作出石墨烯修饰Pt(G/Pt)电极，并以此电极作为工作电极，同时采用购买的Ag/AgCl电极作为参比电极、铂丝电极作为对电极，构成的三电极体系以完成对重金属的检测。检测过程分为两个步骤：1)重金属富集；和2)重金属溶出。溶出采用了差分脉冲溶出伏安法(Differential Pulse Stripping Voltammetry，DPSV)。

本发明是将微细加工工艺与石墨烯生长方法引入到溶出伏安法这种重金属检测方法中，实现重金属的高效快速的检测。

本发明需要解决的关键技术是：

1.G/Pt电极的设计

在检测过程中，电极比表面积的大小对反应速度有影响，电极比表面积越小，扩散场越弱，富集速度变慢，这样反应时间增加，因此比表面积的减少会降低灵敏度。增大电极比表面积，扩散场变强，富集速度变快，从而提高了灵敏度。因此设定不同电极比表面积大小对检测灵敏度有很大的影响。在本发明中石墨烯层的厚度为1-2单层石墨烯的厚度，此时比表面积最大，层数越多比表面积相应减小，灵敏度也相应降低。单纯增大电极面积并不能提高灵敏度。