[发明专利]一种检测Pb2+

说明书

本发明公开了一种检测Pb²⁺和Hg²⁺的电化学传感器及其制备方法与应用，通过层层(LbL)组装与电化学沉积技术的智能结合，选取绿色环保来源广泛的生物炭(BC)与金属有机框架(MOFs)进行复合，在玻碳电极的表面沉积[UiO‑66‑NH/BC]_n层，得到[UiO‑66‑NH₂/BC]_n/GCE即为电化学传感器。在电解质溶液中对Pb²⁺和Hg²⁺进行电化学检测，并结合人工神经网络对获得的数据进行分析。本发明制备的电化学传感器对Pb²⁺和Hg²⁺显示出了良好的检测灵敏性；结合人工神经网络能实现对Pb²⁺和Hg²⁺的实时定量分析，具有较高的准确性，此外，有效处理了检测物浓度与电流之间的非线性关系。

技术领域

本发明涉及电化学传感器技术领域，尤其涉及一种检测Pb²⁺和Hg²⁺的电化学传感器及其制备方法与应用。

背景技术

随着工业化和技术的进步，重金属污染作为最常见的环境问题日益突出。重金属离子大多具有极高的毒性，极易沿食物链进入人体并进行生物积累，对人体健康构成严重威胁。因此，开发有效的、生态友好的、经济的重金属离子微量检测方法势在必行。电化学方法因其操作简单、成本效益高、便于户外检测等优点，在检测重金属离子中受到了极大的关注。更重要的是，电化学传感器可以小型化和智能化。作为电化学传感器的关键组成部分，电极材料对提高其催化活性起着至关重要的作用。理想的电极材料应具有比表面积大、对分析物的吸附能力高、电导率好、稳定性好等基本特点。

金属有机框架是一类由金属离子或簇合物和多功能有机配体组成的多孔结晶无机有机杂化材料。由于MOFs具有良好的可调谐的化学和物理性能，高效传质和高比表面积，作为电极材料/改性剂越来越受到人们的关注。MOFs具有巨大的空腔和多孔薄壁，易于电解液和离子进入，提供了更多的电化学活性位点。此外，配体中丰富的杂原子可以与缺电子的重金属离子相互作用。基于这些特性，MOFs被应用于电化学传感器的识别元件中。然而，MOFs固有的导电性差、稳定性低等缺点限制了其应用。在这方面，将MOFs与导电纳米材料耦合成单一的纳米结构，已被证明是改善MOFs电子传递特性和稳定性的有效途径。近年来，以生物质为原料的碳材料被认为是最有前途的电极导电材料之一，它具有高比表面积、多孔结构、丰富的官能团、可再生且可持续等优点，在重金属方面的处理与检测方面显示出巨大的潜力。虽然将MOFs与生物炭相结合，能制作有效的重金属离子传感平台，然而，MOFs基电极的制备主要采用滴涂法。这些滴涂于电极表面的颗粒形式MOFs材料在催化过程中容易流失、团聚等，从而导致电极稳定性和重复性不好。另外，MOFs材料的无序堆叠会降低其比表面积和催化位点数目。相比之下，层层组装技术是一种用途广泛、成本低廉的用功能薄膜修饰固体衬底的方法。通过层间交替沉积的方法，可以在修饰电极上获得均匀且厚度明确的MOFs基薄膜。

对于实用的传感器来说，除了良好的灵敏度外，有效的信号数据分析也是一个重要的指标。对于传统的电化学传感系统，其数据分析主要依赖于不同的传统回归方法。这些分析方法可以很好地模拟线性系统。然而，信号重叠或难以非线性量化的问题(Pravdov A,2002)只能以很大的计算代价来解决。人工神经网络(ANN)是人工智能(AI)的一种方法，它可以很好地从样本数据中估计或近似函数，在传感器应用中被认为是一种高效的计算模型。他们可以用足够的数据进行训练，通过评估部分数据并建立模型来挖掘数据集背后的规则，并学习生成数据的过程。同时，它们只需要输入和输出变量，而不需要研究工艺参数之间的关系。与传统的电化学大型工作站相比，该系统在线性/非线性相关方面具有更高的精度和可靠性，能够适应实时运行并在短时间内计算结果。因此，需要将高性能MOFs/BC传感平台与智能化数据分析模型相结合，实现Pb²⁺和Hg²⁺的快速、灵敏、高效、实时检测。

发明内容