基于電流脈沖沉積法的硝酸根微傳感器研究

李洋+孫楫舟+王晉芬+邊超+佟建華+董漢鵬+張虹+夏善紅

摘 要 基于微加工技術（Microfabrication technology）制備微傳感電極并進行電化學表面修飾，研制出一種用于水體中NO Symbolm@@ 3濃度檢測的電化學微傳感器。微傳感器以兩電極傳感芯片為信號轉換部件，使用電流脈沖沉積法在鉑質工作電極表面制備微觀形貌呈枝簇狀的銅質敏感材料，利用銅質材料對酸性溶液中NO Symbolm@@ 3的電催化還原特性，測量還原電流的大小，實現對NO Symbolm@@ 3濃度的檢測。采用掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線衍射分析（XRD）技術對敏感膜進行表征和監測，探索高活性銅質敏感膜的制備方法;使用微傳感器對硝酸鹽標準樣品進行檢測，在低濃度范圍（12.5～200 μmol/L），響應靈敏度為0.1422 μA/（μmol/L）; 高濃度范圍（200～3000 μmol/L），響應靈敏度為0.0984 μA/（μmol/L）， 均表現出較高的檢測靈敏度;使用微傳感器對北京等地的實際湖庫水樣進行檢測，結果與專業水質檢測機構采用紫外分光光度法的測試結果偏差在 Symbolm@@ 3.9%～15.4%之間，兩者具有一定的相關性，表明微傳感器能夠用于實際水樣中NO Symbolm@@ 3濃度的測量。

關鍵詞 電化學微傳感器; 銅質敏感膜; 電流脈沖沉積法; 硝酸根離子檢測; 湖庫水樣

1 引 言

硝酸鹽廣泛存在于自然環境、食品、工業產品和生態系統之中。研究證明，過量NO Symbolm@@ 3會引發嚴重的環境和生理問題^[1]，攝取過量的硝酸鹽會嚴重危害人體健康，因此世界各國對飲用水中硝酸鹽的含量都有嚴格規定。美國環境保護局（EPA）規定的最高限量為硝酸鹽氮10 mg/L（0.7 mmol/L，以N計，下同）;我國《生活飲用水衛生標準（GB5749-2006）》規定飲用水中硝酸鹽濃度的限量值為10 mg/L;世界衛生組織（WHO）規定飲用水中硝酸鹽氮含量必須低于11 mg/L（0.8 mmol/L）。因此，建立簡便、靈敏、準確的硝酸根離子檢測方法是十分必要的。

目前，NO Symbolm@@ 3的檢測方法主要包括分光光度法、色譜分析法、發光分析法、毛細管電泳法、電化學檢測法等^[1，2]。基于光學原理的檢測方法大多具有檢出限低、準確性好、靈敏度高等優點，但檢測設備價格比較昂貴，且需要對待測水樣進行精細的預處理。而基于電化學原理的NO Symbolm@@ 3檢測方法具有操作簡便、所需試劑量少、易與測試電路集成、儀器裝置簡單便攜等優點，因而近幾年得到研究者的青睞。

到目前為止，研究人員已經發展了多種類型的電化學傳感器用于水體中NO Symbolm@@ 3的檢測，根據所測量的響應信號的不同， 可分為電位型傳感器和電流型傳感器兩大類。電位型硝酸根傳感器大多以NO Symbolm@@ 3選擇性電極為核心部件，當選擇性電極與含有NO Symbolm@@ 3的樣品接觸時，敏感膜和溶液的相界面上產生與NO Symbolm@@ 3活度相關的膜電勢，測量膜電勢的變化即可實現NO Symbolm@@ 3濃度的檢測。常見的敏感膜材料包括聚氯乙烯（PVC）^[3]、聚吡咯^[4]和復合型聚合物材料^[5]等。這種類型的硝酸根傳感器結構簡單、耐用，有些還可以在惡劣環境下使用（如測量潮濕土壤中硝酸鹽的含量），但是其選擇性識別能力往往較弱，難以用于具有復雜背景基質的水樣檢測。與電位型傳感器相比，電流型傳感器通常具有更高的檢測靈敏度和更低的檢出限。目前報道的硝酸根電化學傳感器主要是電流型傳感器，其工作原理是以固定在工作電極表面的敏感膜為介質，將待測樣品中的NO Symbolm@@ 3還原為NO Symbolm@@ 2或其它含氮物質，測量還原電流的大小，以實現對NO Symbolm@@ 3濃度的檢測。常用的硝酸根敏感膜按材料性質不同可分為金屬、導電聚合物以及生物酶材料等。用于NO Symbolm@@ 3檢測的金屬敏感材料主要有Cu^[6，7]、Ag^[8，9]、Pd^[10，11]以及合金^[12，13]等。導電聚合物敏感材料主要是摻雜的聚吡咯膜^[14，15]。近年， 研究人員利用生物酶固定技術將NO Symbolm@@ 3還原酶固定在檢測電極表面用于NO Symbolm@@ 3的選擇性識別^[16，17]。其中，聚吡咯和生物酶材料在制備和使用過程中需要嚴格控制環境光線和溫度，導致其應用領域受限。而在金屬類敏感材料中，由于銅具有廉價、易于制備、相對較穩定等特點，近年來以銅作為電極修飾材料，用于NO Symbolm@@ 3檢測的探索，成為研究熱點之一。

已有的文獻大都使用恒定電位法在電極表面制備銅質敏感膜，研究重點集中于沉積電位的選取和沉積時間的優化^[18，19]。而通過改變電沉積方式改善修飾層的微觀形貌，以提高修飾銅質敏感材料對NO Symbolm@@ 3電催化還原活性的研究少有報道^[20]。最近，文獻[21]報道了一種新的電流脈沖沉積法制備銅材料的方法，此方法以含高濃度H+的CuSO4溶液為沉積液，采用高頻脈沖電流的加電方式，能夠制備出在微觀上呈蜂窩狀多孔結構的銅層。但是相關報道中均使用銅質的基底電極，而且制備的多孔狀銅膜大多被用作貴金屬催化材料（如納米鉑或納米金等）的依附結構層^[22]，直接將其作為敏感層修飾材料的研究還未見報道。本研究利用類似的電流脈沖沉積法在鉑質微傳感電極上制備出呈多孔、枝簇狀的銅質敏感層，并將其應用于不同濃度NO Symbolm@@ 3標準樣品的檢測，表現出較高的檢測靈敏度;使用修飾后的微傳感電極對實際水樣進行檢測，測試結果與專業水質檢測機構的測試值之間具有較高的一致性。endprint

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

S-4800掃描電鏡 （FE-SEM，日本Hitachi公司）;凱美瑞Reference-600電化學分析儀（美國Gamry公司）;AUW電子天平，BioSpec-nano紫外可見分光光度計（日本島津公司）;Direct-Q3UV高純水機（美國Millipore公司）;pHS-25型數顯pH計（上海智光儀器儀表公司）;CHI111型Ag/AgCl參比電極（上海辰華公司）。

CuSO4·5H2O，Na2SO4，NaNO3和98% H2SO4（北京化學試劑公司）;硝酸鹽標準試樣50 mg/L（北京環境保護部標準化研究所）;所用溶劑均為分析純，實驗用水均為30 MΩ·cm去離子水。采用三電極體系，參比電極為Ag/AgCl電極，工作電極和對電極為實驗室自制微傳感電極。

2.2 微傳感電極加工制備

采用標準微加工工藝在玻璃基片上制備微傳感電極^[20]，制備工藝流程如圖1A所示，主要采用光刻、濺射、剝離等工藝制備。所制備的微傳感電極照片如圖1B所示。其中， 工作電極和對電極為對稱式“圓-環形”結構的鉑質金屬膜電極，工作電極為半徑約為0.56 mm、

面積為1 mm2的圓，對電極為寬度0.4 mm、面積約為1 mm2的近圓環該結構能夠提高工作電極與對電極之間電場分布的對稱性，改善傳感電極的電化學響應性能^[20]。敏感表面是主要的電化學修飾和反應界面，為提高微傳感電極的一致性，使用SU-8絕緣層精確定義薄膜金屬電極的幾何形狀，確保每一個微傳感電極的敏感表面均是面積為1 mm2的標準圓形。此外，微傳感電極還包括一個備用的準參比電極，后續可以在該電極上涂覆銀/氯化銀漿，實現集成式三電極體系。本研究為確保參比電極的穩定性，直接使用商用Ag/AgCl參比電極。

2.3 銅質敏感膜制備

在酸化的CuSO4溶液中，采用在微傳感芯片的工作電極和對電極之間施加脈沖電流信號的方式，將銅沉積在工作電極表面，制備敏感膜：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，將微電極浸入含0.10 mol/L CuSO4和0.50 mol/L H2SO4的混合溶液，利用電化學分析儀中的Repeating Chronopotentionmetry掃描功能，在工作電極上施加周期性脈沖電流信號（一個完整的脈沖周期T=T1+T2，其中T1為工作階段，加電沉積;T2為暫停階段，停止沉積）。電流脈沖法的電化學沉積曲線如圖2所示。電流脈沖沉積法修飾的工作電極，表面呈深黑色。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，并將電極放入去離子水中保存，4 h內使用，否則銅質敏感膜將逐漸失去活性，影響傳感器的檢測性能。

3 結果與討論

3.1 參數優化

3.1.1 電流脈沖沉積法的工作機理 根據文獻[21]對電流脈沖沉積的脈沖參數設置進行優化，本實驗參數為：T1=0.01 s， I1= Symbolm@@ 4.4 mA; T2=0.01 s， I2=0.0 mA; 0.50 mol/L H2SO4;并對沉積時間（脈沖周期數）和沉積液中CuSO4的濃度進行優化。

當保持沉積液中CuSO4濃度為0.1 mol/L時，不同沉積時間下所制備的敏感膜的微觀形貌如圖3所示。發現使用電流脈沖法可以在微傳感電極的工作表面制備呈多孔形態的銅質敏感膜;隨著掃描周期數（沉積時間）的增加，敏感膜的微觀形貌由均勻分布的“枝干”結構向密集、多孔的“樹枝”狀結構發展。此種微觀形貌的形成機理主要與兩方面因素有關^[21]：（1）沉積液中含有高濃度的H+，因此，伴隨Cu2+被還原的電沉積過程，工作電極表面會發生析氫現象，析出的微小氣泡像模板一樣附著在電極表面，影響電極表面流體動力學微環境，使銅原子無法在該區域生長，進而導致敏感膜中出現均勻分布的凹陷多孔區;（2）采用脈沖電流，使敏感膜的生長和暫停生長階段隨著脈沖周期交替進行，可以避免持續加電條件下沉積膜生長過快，易于開裂、脫落的現象。以這種方式制備的敏感層，雖然分布疏松、呈現多孔形貌，但自身結構堅實、與基底電極粘附緊密，因而是一種理想的表面催化活性材料。同時，本研究采用鉑基底電極，相對于文獻中通常采用的銅質基底電極，H+在鉑表面更容易發生析氫反應，因而此種條件下制備的敏感層的多孔形態更加顯著。

3.1.2 電流脈沖沉積法的參數優化 為考察不同沉積液濃度下，制備的敏感膜的實際性能，使用所制備的敏感膜對同一種測試液（含濃度為1 mmol/L NaNO3）做檢測^[20]，通過線性掃描的方式，比較響應電流值的大小，結果如圖4所示。當CuSO4濃度為0.15 mol/L，沉積時間為200 s時，微傳感電極的響應電流值較大，且重復性最好，故后續實驗均采用此條件進行表面修飾。當CuSO4濃度為0.20 mol/L或沉積時間為300 s時，修飾層厚度迅速增大，且沿工作電極表面向外徑方向延伸，已超出1 mm2的敏感區域，為保證實驗條件的一致，排除此沉積條件。

在優化參數下，所制備的敏感膜的微觀形貌如圖5所示，在鉑微電極表面生成了疏松的、呈多孔性的枝簇狀結構。枝簇結構分布均勻，由微米尺寸的顆粒沿著一定的空間方向、突出于電極表面形成三維的堆疊結構。

對修飾層材料進行X射線衍射分析（XRD）分析（圖6），發現修飾層材料明顯地表現出Cu在（111）和（200）兩個取向的特征峰，說明電流脈沖法制備的敏感層是金屬銅，且晶向明顯，而非氧化態銅。endprint

3.2 微傳感器對NO Symbolm@@ 3的檢測性能

將微傳感器浸入含有不同濃度NO Symbolm@@ 3的待測液中做線性掃描測試，考察NO Symbolm@@ 3濃度與還原峰電流大小的關系（實驗支持電解液均為0.1 mol/L Na2SO4溶液，pH=2.0）。

圖7所示為微傳感器在濃度0～3000 μmol/L硝酸鹽標準品中的線性掃描響應曲線。在12.5～200 μmol/L（圖7（a））和200～3000 μmol/L（圖7b）濃度范圍內，微傳感器響應電流值與NO Symbolm@@ 3濃度具有良好的線性關系。兩種濃度范圍內線性擬合曲線分別為：

需要注意的是，在低濃度范圍內，微傳感器在不同濃度NO Symbolm@@ 3樣品中的還原峰電位為 Symbolm@@ 460 mV，基本保持不變;而在高濃度范圍內，隨著NO Symbolm@@ 3濃度增加，其還原峰電位逐步由 Symbolm@@ 460 mV偏移至 Symbolm@@ 550 mV，且微傳感器的檢測靈敏度也有降低。這是由于在溶液環境中使用安培型電化學傳感器時，待測物在修飾材料表面發生電化學反應會生成一些產物，隨著待測物濃度的升高和測試次數的增加，反應產物會逐漸附著在修飾材料的表面，使其有效面積逐步縮減，電催化活性也隨之降低，即出現電極鈍化效應。當銅質敏感材料的電催化活性下降后，針對NO Symbolm@@ 3的電催化還原反應更難于發生，因此其還原峰電位隨之負移至 Symbolm@@ 550 mV處，而傳感器的檢測靈敏度也同時減小。

經電流脈沖沉積法修飾的微傳感器對NO Symbolm@@ 3進行測試時表現出較好的重復性和抗干擾性，水體中常見的離子除NO Symbolm@@ 2外，均未對測試結果產生明顯的干擾^[20]。微傳感器對0， 14.3， 35.7， 71.4， 107.1和142.9 μmol/L 6個硝酸鹽標準樣品重復測試3次，其中最大相對標準偏差RSD<5%。檢出限為2 μmol/L（S/N=3）。

3.3 實際水樣檢測

為考察微傳感器對實際水樣的檢測性能，取實際水樣，對比微傳感器的測試結果以及專業水質檢測機構的測試結果。在北京市某地的湖泊及河道分別取水樣，標記為水樣1、水樣2和水樣3，并對3個水樣分別進行分樣，所分水樣一部分送至專業水質檢測機構按照硝酸鹽國標檢測法之一的紫外分光光度法（HJ T 346-2007）進行測試，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，每支傳感器均先以3個硝酸鹽標準品（0，50，100 μmol/L）定標，

然后進行水樣檢測。從表1可見，微傳感器的測試結果與專業機構出具的測試值偏差在3.9%～15.4%之間，具有一定的相關性。實驗結果表明，微傳感器可用于實際水樣中NO Symbolm@@ 3濃度的檢測。

4 結 論

使用電流脈沖沉積法在鉑質微電極表面制備出枝簇狀、多孔的銅質敏感膜，利用銅在酸性溶液中對NO Symbolm@@ 3的電催化還原特性，實現溶液中NO Symbolm@@ 3的檢測，依據此種原理研制的電化學硝酸根微傳感器能夠用于實際水樣中NO Symbolm@@ 3的檢測，且測量結果與專業水質檢測機構出具的結果具有一定的相關性。

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A Micro Electrochemical Sensor for Nitrate Determination Based

on Square-wave Pulsating Current Deposition Process

LI Yang*， SUN Ji-Zhou， WANG Jin-Feng， BIAN Chao， TONG Jian-Hua，

DONG Han-Peng， ZHANG Hong， XIA Shan-Hong

（State Key Laboratory of Transducer Technology， Institute of Electronics， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China）

Abstract Based on microfabrication technology and electrochemical modification method， a micro electrochemical sensor for nitrate （NO Symbolm@@ 3） determination was developed. A micro sensor chip with working electrode and counter electrode was used as the signal convertor of the sensor. The area of the micro working-electrode was only 1 mm2. As an electrocatalysis sensitive material， copper was electrodeposited onto the working electrode by square-wave pulse current electrodeposition method. The morphologies and components of freshly deposited materials were examined by scanning electron microscopy （SEM） and X-ray diffraction （XRD） to explore key factors that affected the electrocatalytic ability of the deposited copper layer for reducing nitrate ions. The experimental results revealed that under the optimal conditions， the deposited copper layer was macroporous and had a larger effective surface area that could serve as a more effective electrocatalyst in facilitating nitrate reduction. Electrochemical response of the macroporous copper layer was characterized by linear sweep voltammetry in acidic supporting electrolytes （pH=2）. The electroanalytical results showed that the modified microsensor had marked sensitivity for standard nitrate samples within the concentration range from 12.5 to 3000 μmol/L （in the range of 12.5-200 μmol/L yielded straight line： y1= Symbolm@@ 0.1422x-10.326， R12=0.9976， while in the range of 200-3000 μmol/L yielded straight line： y2= Symbolm@@ 0.0984x-22.144， R22=0.9927） with a detection limit of 2 μmol/L （S/N=3）. The developed electrochemical microsensor was also employed for nitrate determination in water samples collected from lakes and rivers near the city of Beijing. The results were in good agreement with the data given by qualified water quality detection institute， with the deviations from 3.9% to 15.4%.

Keywords Micro electrochemical sensor; Copper sensitive material; Pulsating current electrodeposition method; Nitrate determination; Real water samples

（Received 1 July 2014; accepted 27 July 2014）

This work was supported by the National High Technology Research and Development Program of China （No.2012AA040506） and the National Natural Science Foundation of China （Nos. 61302034， 61134010）endprint