基于銅納米簇的硝酸根微傳感器的研究

摘 要 基于循環伏安掃描（CV）的電化學沉積方法制備出多孔性納米簇狀結構銅膜，結合采用微機電系統（Micro electro mechanical systems， MEMS）技術制備的微電極芯片，研制出用于NO－3檢測的安培型微傳感器。考察該微傳感器對NO－3的響應性能，在6.25～300 線性度99.18%。與文獻報道相比，該傳感器表現出更高的靈敏度。考察水體中常見的NO－2，Cl－，HPO2－4/PO3－4，SO2－4，HCO－3/CO2－3，Na＋和K＋等離子對該傳感器的干擾性能，傳感器表現出較好的抗干擾性能。采用該微傳感器對實際水樣進行測試，測試結果與具有權威資質的測試公司的測試結果之間具有一定的相關性。實驗結果表明，采用循環伏安沉積方法在微電極表面制備的納米簇狀結構的銅敏感膜，比表面積大，催化活性高，對NO－3表現出了很好的敏感特性和選擇性，適用于對微量NO－3的檢測。

關鍵詞 循環伏安沉積； 銅納米簇； 微電極； NO－3

1 引 言

硝酸根（NO－3）廣泛存在于自然環境、食品、工業產品和生態系統之中。許多研究都已證明，過量的NO－3會引發嚴重的環境和生理問題[1]。近年來，我國太湖、洞庭湖等內陸湖泊頻繁發生的藍藻爆發都被證明與硝酸鹽氮（NO－3N）的含量超標有直接關聯；同時，由于飲用水中含有過量NO－3而使嬰兒患上青紫嬰兒癥的病例不斷增多，都引起人們對水體中NO－3含量的特別關注[2]。攝取過量的硝酸鹽會嚴重危害人體健康，所以世界各國對飲用水中硝酸鹽的含量都做了嚴格規定。美國環境保護局（EPA）規定的最高極限值為：硝酸鹽氮10 mg/L（0.7 mmol/L，以N計，下同）；我國規定Ⅲ類飲用水的標準為低于硝酸鹽氮20 mg/L（GB/T1484893）。世界衛生組織（WHO）規定的飲用水硝酸鹽氮必須低于11 mg/L（0.8 mmol/L）。因此，建立簡便、靈敏、準確、微量的NO－3檢測方法是十分必要的。

目前，常用的NO－3的檢測方法包括，電化學方法、色譜分析法、分光光度法、發光分析法等[1，2]，其中電化學方法具有快速、簡便、儀器藥品少、易與測試電路集成和便于攜帶等優點，得到研究者的青睞。但由于NO－3的還原電位值太負，在未經修飾的裸電極上實現NO－3的直接檢測有一定困難，使得測試的靈敏度偏低和重復性較差。為此，人們發展了多種類型的修飾電極用于NO－3的電化學檢測，如、Cu[3，4]、Ag[5，6]、Pd[7，8]、Pt[9，10]、合金[11～13]等金屬修飾電極，摻雜的聚吡咯等導電聚合物修飾電極[14，15]，以及生物酶修飾電極[16]等。其中，由于銅具有廉價、易于電沉積、相對較穩定等特點，近年來以其作為電極修飾材料，用于NO－3檢測的研究，成為一個新的研究熱點[3，17，18]。

但這些研究大都使用恒定電位法在電極表面沉積修飾銅層，把討論重點集中于銅沉積電位的選取和沉積時間的優化[19～21]，而通過改變電沉積方法來改善修飾層的微觀形貌，進而提高修飾銅層對NO－3催化還原活性的研究尚未見報道。本研究利用循環伏安沉積法在鉑微電極上制備出具有多孔性簇狀結構的納米銅修飾層，并將其應用于NO－3（6.25～3500 的檢測。與已報道的用于NO－3檢測的修飾電極相比，利用循環伏安沉積法制備的納米銅簇表現出了更高的響應靈敏度。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

凱美瑞Reference600電化學分析儀、Gamry Echem Analyst Version5.50軟件（美國Gamry公司）；CuSO4#8226;5H2O，Na2SO4，NaNO3，NaNO2，NaCl，NaHCO3，KH2PO4和98% H2SO4（分析純，北京化學試劑公司）；實驗用水均為18 MΩ#8226;cm去離子水（中國Michcm，MWD20型高純水機）；pHS25型pH計（上海智光儀器儀表公司）；所有實驗均在三電極體系下完成，參比電極為飽和甘汞電極，工作電極和對電極為實驗室自制微型兩電極芯片。

2.2 微型電極的制備

采用標準MEMS工藝在玻璃襯底上制備了微型兩電極芯片（圖1），包含工作電極和對電極，材料均為鉑（Pt），采用光刻、濺射、剝離等工藝制備。工作電極和對電極為對稱式“圓環形”結構，在增大對電極面積的同時有效地提高了工作電極與對電極之間電場分布的對稱性，有利于改善傳感器的響應性能。工作電極表面是主要的修飾和反應界面，直接影響傳感器的檢測性能，為此在薄層金屬電極表面覆蓋SU8膠作絕緣層以精確定義圓形工作電極（面積1 mm2）。

2.3 微型電極表面修飾

利用電化學沉積方法將對NO－3敏感的銅修飾在微電極表面上。實驗中采用循環伏安法，以CuSO4溶液作沉積液，通過電解CuSO4，使銅沉積在工作電極表面。

具體修飾過程如下：首先，將微電極芯片在丙酮、乙醇、去離子水中依次超聲5 min以清潔電極表面，并使用等離子氧刻蝕機進一步清潔并活化電極表面；之后，將微電極芯片浸入CuSO4溶液中，采用循環伏安法掃描，在微電極工作表面電化學沉積銅膜，修飾后的微電極表面如圖1B所示；為防止新沉積的銅在空氣中被氧化，沉積完成后，用去離子水沖洗電極表面，將電極放入去離子水中保存，備用。

3 結果與討論

3.1 NO－3檢測原理

利用NO－3在銅敏感層的電催化下被還原的特性，通過測量還原電流的大小實現NO－3濃度的檢測。NO－3在電極表面發生的化學反應很復雜，實驗檢測結果表明該反應的生成物包括NO2－， NH4＋和NH3等物質，但其中多數生成物都被認為是中間產物。目前，較為公認的反應是[4]：

NO－3＋10H＋＋8e－→3H2O＋NH4＋（1）

由反應式（1）可以看出，酸性環境是在銅表面還原NO－3的必要條件。然而，當pH值過低時（pH＜2），溶液中的H＋濃度很高，此時H＋的還原電流可能會淹沒NO－3的還原電流信號[4，18]。所以測試過程中，需要選擇恰當pH值的支持液。

3.2 CV法修飾電極表面形貌表征與材質分析

圖2為在微電極工作表面修飾銅膜的循環伏安曲線。修飾溶液為0.1 mmol/L CuSO4 溶液，電壓范圍0～－0.8 V（vs. SCE），掃描速率50 mV/s，掃描圈數為5。發現隨著循環伏安掃描的進行，沉積電流有規律的增大。

利用掃描電子顯微鏡（SEM）對修飾銅后的電極表面的微觀形貌進行觀察。如圖3所示，經循環伏安沉積法的修飾，在鉑微電極表面生成了一層疏松的、具有多孔性的枝蔟狀結構（圖3A），這種枝蔟狀結構的局部放大照片如圖3B所示，這種結構是由粒徑在100 nm左右的顆粒相互連接，并突出于電極表面向上沿著一定的空間方向不斷沉積而成的。

結合微電極工作表面修飾銅膜過程的電流變化規律以及微電極表面的微觀形貌，對銅在微電極表面的沉積過程進行分析。初步分析認為，在工作電極面積不變的情況下，沉積電流規律性變大的現象表明在經過初始階段的平面沉積后，銅開始向三維方向做擴展沉積。主要過程：電沉積開始瞬間，工作電極表面會隨機生成一些銅晶核，隨后，Cu2＋就趨向于在電極表面已有晶核的位點上沉積，隨著沉積的進行，鉑電極表面逐步生成一層凸凹不平的銅層；從微觀尺寸來看，這種凸凹不平的銅層在后續沉積過程中，會表現出電場強度分布不均勻的現象，進而導致銅在這些凸凹處的沉積速率不同，最終表現出多孔性的枝簇狀納米結構。

修飾層材料的X射線衍射（XRD）分析共發現6個特征峰（圖略），對比材料譜線表明：其中3個為鉑（Platinum）的特征峰，為工作電極的鉑質材料屬性；另3個峰表現出銅的（111），（200）和（220）3個特征峰，說明循環伏安沉積法制備的修飾層是金屬銅，而非其氧化物態。

3.3 微電極電化學檢測性能研究

3.3.1 納米銅簇對NO－3的催化還原 室溫條件下，在空白底液及添加NaNO3后的測試液中，對修飾銅的微電極做線性掃描測試，電位掃描速率為50 mV/s，掃描范圍為－250～－650 mV。比較修飾銅膜前后的微電極在不含NO－3的底液（0.1 mol/L Na2SO4溶液，pH＝2.0）和含NO－3的測試液（0.1 mol/L Na2SO4，1 mmol/L NaNO3溶液，pH＝2.0）中的線性掃描曲線，如圖4所示，修飾銅膜前的鉑微電極在底液和測試液中的線性掃描曲線相一致，[TS（] 圖4 鉑微電極在底液（A）和測試液（B）中的線性掃描曲線；修飾銅后的微電極在底液（C）和測試液（D）中的線性掃描曲線（掃描速率為50 mV/s）

Fig．4 Linear sweep voltammograms of Pt microelectrode in （A） substrate solution and （B） sample solution；Linear sweep voltammograms of microelectrode modified with copper in （C） substrate solution and （D） sample solution（scan rate 50 mV/s）[TS）]均在－500 mV附近表現出對H＋的還原峰（圖4曲線A和B）。修飾銅膜后的微電極在底液中掃描時，沒有明顯的還原峰（圖4曲線C），在測試液中掃描時，在－450 mV處有一個明顯的還原峰（圖4曲線D）。測試結果表明，銅膜被修飾在微電極表面，同時對NO－3表現出明顯的催化還原作用。與文獻報道相比[4]，本研究制備的修飾銅膜的微電極對NO－3的還原峰電位由－500 mV偏移到－450 mV。分析認為，多孔的納米簇狀結構相對于平坦、致密的膜狀結構，可以明顯增大電極表面有效面積，使電極表面可供檢測的反應位點大量增加，從而使得單位面積工作電極產生更大的響應信號；同時，從催化反應的角度出發，納米形態的顆粒也會表現出更強的催化活性。

3.3.2 實驗參數優化 為進一步改善微傳感器的敏感性能，對循環伏安沉積和測試過程中涉及的4個主要參數：沉積液中CuSO4的濃度Ｃd、循環伏安掃描圈數Nc、掃描終止電位Vf以及測試液pH值進行優化?？疾觳煌瑓祵O－3測試過程中還原峰電流的影響，結果如圖5所示。優化實驗的測試液均含濃度為1 mmol/L NaNO3。

通過優化測試，當沉積液為0.1 mol/L CuSO4溶液，循環伏安掃描圈數為10圈，掃描終止電位為－0.8 V以及測試液pH值為2.0時，響應信號最大，故后續實驗均以此參數設置做電極修飾及測試。

[TS（] 圖5 沉積及測試相關參數優化：（A）CuSO4沉積液濃度， Nc＝5， Vf＝－0.8 V; （B） 循環伏安圈數， Ｃd＝0.1 mol/L， Vf＝－0.8 V; （C） 掃描終止電位， Cd＝0.1 mol/L， Nc＝10; （D） 測試液pH值， Ｃd＝0.1 mol/L， Nc＝10， Vf＝－0.8 V

Fig．5 Optimization of main parameters involved in deposition and determination process:（A） concentration of CuSO4， Nc＝5， Vf＝－0.8V; （B） Cycles of CV electrodeposition， Ｃd＝0.1 mol/L， Vf＝－0.8V; （C） Potential of final scan limit of cyclic voltammetry， Ｃd＝0.1 mol/L， Nc＝10; （D） pH values of the supporting electrolyte， Ｃd＝0.1 mol/L， Nc＝10， Vf＝－0.8V[TS）]

3.3.3 修飾電極對NO－3的檢測性能 對微電極做線性掃描測試，考察NO－3濃度與還原峰電流大小的關系，實現NO－3檢測。圖6A所示為微傳感器對不同濃度（0～3500

3.4 與文獻報道硝酸根傳感器的性能比較

將本研究制備的NO－3微傳感器的性能與文獻報道的幾種典型的硝酸根傳感器的性能相比較，結果如表2所示。本研究制備的微傳感器對NO－3具有相對較寬的檢測范圍，并實現了對微量NO－3的檢測。

為進一步與文獻中報道的硝酸根傳感器的靈敏度做對比，定義了歸一化靈敏度參數ip [22]：

ip*＝ip/（nAv1/2Ｃo*）（4）

其中，Ｃo*（mol/L）為溶液中NO－3的濃度，ip（A）為相應的響應峰電流值，n為測試反應中轉移的電子數目（當敏感材料為銅時，由式（3）得，取n＝8；其余由文獻說明取值），A（cm2）為工作電極的面積，v（mV/s）為線性掃描的速率。ip*的大小就反映了在特定的修飾條件下，單位面積的工作電極對單位濃度的待測物產生的響應信號值，進而可以表征此種修飾方法的有效性。通過比較發現，本研究制備的具有納米簇狀結構敏感膜對NO－3表現出了更高的靈敏度。測試結果說明這種具有納米簇狀結構的銅敏感膜具有更強的催化活性。分析原因認為多孔簇狀結構的銅膜具有更多的反應活性位點，使得單位面積工作電極產生更大的響應信號，因此傳感器表現出更高的靈敏度。

3.5 抗干擾性

為考察NO－3敏感電極對水體中其它常見離子，如NO－2，Cl－，HPO2－4/PO3－4，SO2－4，HCO－3/CO2－3，Na＋和K＋的抗干擾能力，從兩方面考察了微電極對其它離子的響應情況。一方面，為考察微電極是否會將其它離子誤認為NO－3而給出響應信號，對比了在沒有NO－3的情況下，修飾電極對其它離子的響應電流的大??；另一方面，其它離子是否會影響到微電極對NO－3的響應，如使峰電位偏移或使峰電流值發生變化，對比了當NO－3與其它離子同時存在時的響應信號與只存在NO－3時的響應信號。為確?？疾斓娜嫘?，所有測試中干擾離子的濃度均設置為3500

（圖7A）；而當測試液同時存在干擾離子和NO－3時，也只有NO－2會對NO－3的檢測產生干擾（信號畸變＞60%），其它離子對NO－3的響應信號基本沒有影響。說明制備的敏感電極對NO－3具有較好的選擇性，但NO－2會對檢測產生干擾，所以實際應用中，測試前須去除水樣中的NO－2，以免造成干擾。

3.6 實際水樣測試

為考察NO－3敏感微電極對實際水樣的測試性能，取實際水樣，對比實驗室制備的微傳感器的測試結果，以及具有水質檢測資質的測試機構的測試結果。在北京市某地的湖泊及河道分別取水樣，標記為水樣1和水樣2，并對兩個水樣分別進行分樣，所分水樣一部分送至譜尼測試科技股份有限公司測試，另一部分水樣使用本文研制的微傳感器進行測試。對于每一個水樣，在實驗室均使用3支微傳感器進行測試。表3為兩種測試方案的結果對比。從表中可以看出，微傳感器的測試結果與測試機構出具的測試值偏差在－1.89％～24.84%之間，具有一定的相關性。測試結果表明本文研制的微傳感器能夠用于實際水樣中NO－3濃度的測試。

4 結 論

本文提出采用循環伏安掃描法在鉑微電極表面制備出多孔性的納米銅簇結構，并應用于NO－3離子的電化學檢測。采用線性掃描的方式考察了還原峰電流值與NO－3濃度的關系，實現了對微量NO－3的檢測，在6.25～3500

性、一致性以及抗干擾性能。實驗結果表明，此敏感膜制備方法操作過程簡單、

省時且可控性強，制備出的多孔納米簇狀結構的銅膜提高了傳感器的敏感性能。制備的傳感器具有微型化、響應快以及檢測試劑微量化等優點，對實現用于環境監測、食品安全檢測的，低成本、便攜式、可實時監控的NO－3檢測儀的研制有著重要的研究價值。

References

1 Moorcroft M J， Davis J， Compton R G. Talanta， 2001， 54（5）: 785～803

2 Desai R， Villalba M M， Lawrence N S， Davis J. Electroanalysis， 2009， 21（7）: 789～796

3 Gamboa J C M， Pea R C， Paix T R L C， Bertotti M. Talanta， 2009， 80（2）: 581～585

4 Paixo T R L C， Cardoso J L， Bertotti M. Talanta， 2007， 71（1）: 186～191

5 Kim D， Goldberg I B， Judy J W. Sensors and Actuators B， 2009， 135（2）: 618～624

6 Tsai M C， Zhuang D X， Chen P Y. Electrochimica Acta， 2010， 55（3）: 1019～1027

7 Wang Y， Qu J H， Liu H J. Chinese Chemical Letters， 2006， 17（1）: 61～64

8 de Vooys A C A， van Santen R A， van Veen J A R. J. Mol. Catal. A， 2000， 154: 203～215

9 de Groot M T， Koper M T M. J. Electroanal. Chem.， 2004， 562: 81～94

10 Dima G E， Beltramo G L， Koper M T M. Electrochimica Acta， 2005， 50（21）: 4318～4326

11 Simpson B K， Johnson D C. Electroanalysis， 2004， 16（7）: 532～538

12 Keijiro Tada， Toshikazu Kawaguchi， Katsuaki Shimazu. J. Electroanal. Chem.， 2004， 572（1）: 93～99

13 Casella I G， Gatta M. J. Electroanal. Chem.， 2004， 568（12）: 183～188

14 Aravamudhan S， Bhansali S. Sensors and Actuators B， 2008， 132（2）: 623～630

15 Bendikov T A， Miserendino S， Tai YC， Harmon T C. Sensors and Actuators B， 2007， 123（1）: 127～134

16 Da Silva S， Shan D， Cosnier S. Sensors and Actuators B， 2004， 103（12）: 397～402

17 Davis J， Moorcroft M J， Wilkins S J， Cardosi M F， Compton R G. Analyst， 2000， 125（1）: 737～742

18 Carpenter N G， Pletcher D. Anal. Chim. Acta， 1995， 317（12）: 287～293

19 Fogg A G， Scullion S P， Edmonds T E， Birch B J. Analyst， 1991， 116（1）: 573～579

20 Solak A O， Gulser P， Gokmese E， Gokmese F. Mikrochimica， 2000， 134（1）: 77～82

21 Welch C M， Hyde M E， Banks C E， Compton R G. Analytical Sciences， 2005， 21（12）: 1421～1430

22 Kim D， Goldberg I B， Judy J W. Analyst， 2007， 132（4）: 350～357

23 ZHANGXiuLing， TIAN Yun （張秀玲，田 昀）. Chinese Journal of Sensors and Actuators（中國傳感技術學報）， 2006， 19（2）: 309～317

Electrodeposition of Copper Nanoclusters at a Platinum

Microelectrode for Nitrate Determination

LI Yang1， 2， SUN JiZhou1， BIAN Chao1， TONG JianHua1， XIA ShanHong*1

1（State Key Laboratory of Transducer Technology， Institute of Electronics， Chinese Academy of Sciences， Beijing 10080）

2（Graduate University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 10080）



Abstract A method based on cyclic voltammetry to modify the sensing surface to be macroporous copper nanoclusters was developed and for the detection of nitrate in a micro amperometric electrode， which was an electrochemical system composed of twoelectrode system and fabricated based on MicroElectroMechanical Systems （MEMS） technology. The experiment results demonstrate that this method as a controllable and convenient manipulation can effectively modify the surface of the working electrode for further nitrate determination more rapidly with less consumption of reagent， and enhance the sensitivity of the electrode. The experimental results reveal that under the optimal experimental conditions microelectrode surface modified by cyclic voltammetry electrodeposition was macroporous and had a larger effective surface area， which shows marked sensitivity and selectivity for nitrate ions within the concentration range from 6.25 to 3500 interference. These electrodes were applied to detect nitrate concentration in water samples from lake and river.The test results using these microelectrodes was consistent with the concentration given in the certificate of qualified water quality detection institute. This work is potential to develop a portable， costeffective and accurate microsensor for realtime sensing of nitrate ions.

Keywords Cyclic voltammetry electrodeposition; Copper nanoclusters; Micro electrochemical sensor; Nitrate determination