基于電化學(xué)傳感器的總氮檢測(cè)系統(tǒng)研究

李 洋 任振興 齊仁龍 佟建華 邊 超 董漢鵬 夏善紅

1(中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100190)2(成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 成都 610106) 3(鄭州科技學(xué)院電氣學(xué)院， 鄭州 450064)

1 引 言

生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的2018年中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)[3]明確指出，我國(guó)江河重要漁業(yè)水域主要超標(biāo)指標(biāo)為總氮; 湖泊(水庫)重要漁業(yè)水域主要超標(biāo)指標(biāo)為總氮、總磷和高錳酸鹽指數(shù)。與2017年相比，總氮、總磷和銅超標(biāo)范圍均有所增加。41個(gè)國(guó)家級(jí)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)(內(nèi)陸)水體中主要超標(biāo)指標(biāo)也為總氮[2]。許多研究都已證明，水體中總氮含量超標(biāo)會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的生態(tài)和健康問題。 如不同形式的總氮組分隨著河流匯入湖泊或近海，并在局部水域不斷聚集后，會(huì)使水質(zhì)迅速富營(yíng)養(yǎng)化，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起藍(lán)藻、赤潮的大面積爆發(fā)，毒害水生動(dòng)植物，造成魚類大量死亡。同時(shí)，總氮超標(biāo)的水體中還可能含有高濃度的亞硝酸鹽和硝酸鹽，人畜長(zhǎng)期飲用，中毒致病幾率將明顯增加。近年來，我國(guó)湖庫水體的總氮指數(shù)超標(biāo)情況嚴(yán)重，太湖、洞庭湖等內(nèi)陸湖泊頻繁發(fā)生的藍(lán)藻爆發(fā)都與總氮濃度超標(biāo)有直接關(guān)聯(lián)，水體中總氮超標(biāo)已經(jīng)嚴(yán)重影響飲用水安全和正常的漁業(yè)生產(chǎn)。因此，對(duì)水體中總氮濃度的測(cè)量和監(jiān)控具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

基于電化學(xué)原理的檢測(cè)設(shè)備通常具有體積小、成本低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[19～22]。本研究針對(duì)水質(zhì)總氮指標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)、快速、多點(diǎn)檢測(cè)的需求，基于堿性過硫酸鉀消解-電化學(xué)離子識(shí)別聯(lián)用的原理，使用國(guó)標(biāo)方法對(duì)水樣進(jìn)行消解預(yù)處理，將不同形態(tài)的含氮化合物全部轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮; 然后結(jié)合微傳感電極和電化學(xué)沉積表面修飾技術(shù)檢測(cè)消解后水樣中硝酸鹽的濃度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)總氮濃度的測(cè)量。在此基礎(chǔ)上，研制了一種用于總氮檢測(cè)的安培型微傳感器系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于總氮標(biāo)準(zhǔn)樣品和實(shí)際湖庫水樣中總氮濃度的測(cè)量，測(cè)試結(jié)果與專業(yè)水質(zhì)檢測(cè)機(jī)構(gòu)的測(cè)試值一致。

2 實(shí)驗(yàn)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(xué)分析儀(美國(guó)Gamry公司); AUW電子天平、BioSpec-nano紫外分光光度計(jì)(日本島津公司); Direct-Q3UV高純水機(jī)(美國(guó)Millipore公司); pHS-25型數(shù)顯pH計(jì)(上海智光公司); 5B-2P型消解儀(連華科技公司)。

CuSO4·5H2O、NaNO3、98% H2SO4、NaOH(北京化學(xué)試劑公司)。總氮標(biāo)準(zhǔn)試樣20 mg/L(以N計(jì)，下同)和總氮標(biāo)準(zhǔn)樣品5 mg/L(北京，環(huán)境保護(hù)部標(biāo)準(zhǔn)化研究所); 過硫酸鉀(K2S2O8，純度99.99%，德國(guó)，Sigma& Aldrich公司); 所有試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水均為18 MΩ·cm去離子水，如無特殊說明，所有溶液均為室溫25℃條件下，將定量的固體試劑溶解于去離子水中得到。采用三電極體系， 參比電極為Ag/AgCl參比電極，工作電極和對(duì)電極為自主研制的微型兩電極傳感芯片，此微傳感電極采用標(biāo)準(zhǔn)微加工工藝在玻璃基片上制備[23]，工作電極和對(duì)電極均是厚度為300 nm的鉑金屬膜電極，兩者呈對(duì)稱式“圓-環(huán)形”結(jié)構(gòu)。加工過程中還使用SU-8絕緣層精確定義薄膜金屬電極的幾何形狀，確保工作電極是面積為1 mm2的標(biāo)準(zhǔn)圓[24]。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

圖1 總氮檢測(cè)方案Fig.1 Schematic for detection of total nitrogen (TN)WE: working electrode; CE: counter electrode; SU-8: insulating layer

整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示， 包括3步: (1)收集水樣; (2)水樣的消解: 將不同的含氮物質(zhì)全部轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮; (3)硝酸鹽檢測(cè): 最終實(shí)現(xiàn)總氮濃度的測(cè)量。

2.2.1 水樣的消解預(yù)處理消解液為50 g/L K2S2O8(保存于棕色試劑瓶)和75 g/L NaOH(保存于聚乙烯試劑瓶)的混合溶液。實(shí)驗(yàn)前5 min內(nèi)，按照體積比為待測(cè)水樣: K2S2O8∶NaOH=10 mL∶54 mL∶51 mL的配比混合3種溶液，加入容積為15 mL的石英消解管中，并將消解管放入控溫加熱器的加熱槽內(nèi)，升溫到120℃，并在120℃條件下保持30 min，消解結(jié)束后自然冷卻。

圖2 傳感器在含不同Na2SO4的測(cè)試水樣中的響應(yīng)電流曲線: (a) 4 mg/L TN標(biāo)樣; (b) 4 mg/L TN標(biāo)樣和0.05 mol/L Na2SO4的混合溶液; (c) 4 mg/L TN標(biāo)樣和0.1 mol/L Na2SO4的混合溶液; (d) 4 mg/L TN標(biāo)樣和0.5 mol/L Na2SO4的混合溶液。線性掃描范圍: -250～-650 mV， 掃描速率: 50 mV/sFig.2 Linear sweep voltammetric (LSV) curves of the sensor in testing samples with different concentrations of Na2SO4: (a) 4 mg/L TN sample; (b) 4 mg/L TN sample and 0.05mol/L Na2SO4; (c) 4 mg/L TN sample and 0.1mol/L Na2SO4; (d) 4 mg/L TN sample and 0.5mol/L Na2SO4. Scaning range: from -250 mV to -650 mV; Scan rate: 50 mV/s

3 結(jié)果與討論

3.1 檢測(cè)環(huán)境優(yōu)化

圖3 K2S2O8殘留對(duì)傳感器響應(yīng)電流的影響: (a) 1 mg/L TN標(biāo)樣; (b) 1 mg/L TN標(biāo)樣與10 mg K2S2O8的混合溶液; (c) 4 mg/L TN標(biāo)樣; (d) 4 mg/L TN標(biāo)樣與10 mg K2S2O8的混合溶液Fig.3 Effect of residual K2S2O8 on LSV response of the sensor: (a) 1 mg/L TN sample; (b) 1 mg/L TN sample mixed with 10 mg K2S2O8; (c) 4 mg/L TN sample; (d) 4 mg/L TN sample mixed with 10 mg K2S2O8. Scaning range: from -250 mV to -650 mV; Scan rate: 50 mV/s

3.2 傳感器對(duì)總氮樣品的標(biāo)定及檢測(cè)性能

考察了微傳感器對(duì)總氮樣品的電化學(xué)響應(yīng)特性。使用20 mg/L的總氮標(biāo)準(zhǔn)品稀釋, 按照國(guó)標(biāo)規(guī)定的國(guó)標(biāo)Ⅰ～Ⅴ類水總氮濃度界限值，配制理論濃度分別為0、0.2、0.5、1.0、1.5和2.0 mg/L的6個(gè)總氮標(biāo)樣(標(biāo)準(zhǔn)方法標(biāo)定后6個(gè)試樣的實(shí)際總氮濃度值分別為0、0.17、0.42、0.84、1.19和1.62 mg/L)，采用上述消解方案對(duì)試樣進(jìn)行消解和預(yù)處理，然后使用微傳感器對(duì)試樣進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖4所示，微傳感器的電流響應(yīng)信號(hào)隨著標(biāo)樣中總氮濃度的增加而增大，在-520 mV處的還原電流值與總氮濃度呈良好的線性關(guān)系，線性方程為:

y(μA)=7.31x(mg/L)14.98(R2=0.9950)

(1)

圖4 總氮標(biāo)樣的標(biāo)定曲線: (A) 消解后6個(gè)水樣的線性掃描曲線，總氮濃度分別為0, 0.17, 0.42, 0.84, 1.19, 1.62 mg/L; (B) 峰電流值與總氮濃度的關(guān)系曲線(n=5)Fig.4 Calibration curve of standard total nitrogen samples: (A) LSV curves recorded in standard TN samples with TN concentrations of 0, 0.17, 0.42, 0.84, 1.19 and 1.62 mg/L respectively; (B) Calibration plot of current value versus TN concentration recorded at -520 mV (n=5)

考察了傳感器對(duì)總氮標(biāo)準(zhǔn)樣品的檢測(cè)性能。傳感器可以實(shí)現(xiàn)0.2～2.0 mg/L濃度范圍內(nèi)的總氮檢測(cè)，檢出限為0.1 mg/L(S/N=3)， 覆蓋國(guó)標(biāo)Ⅰ～Ⅴ類水的TN范圍， 響應(yīng)靈敏度(標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率)為7．31 μA·L/mg。 使用同一個(gè)傳感器探頭對(duì)3個(gè)濃度分別為0.41、0.82 和1.59 mg/L的總氮標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行6次平行測(cè)試，最大相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為15.1%; 使用3個(gè)傳感器探頭對(duì)1.59 mg/L總氮標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行3次平行測(cè)試，最大相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為11.8%。結(jié)果表明，此傳感器可以用于國(guó)標(biāo)Ⅰ～Ⅴ類水的總氮濃度檢測(cè)。

3.3 實(shí)際水樣中總氮濃度的檢測(cè)

使用總氮標(biāo)樣對(duì)微傳感器進(jìn)行標(biāo)定、獲取線性擬合方程后，對(duì)實(shí)驗(yàn)室配制的總氮樣品和實(shí)際的湖庫水樣進(jìn)行測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果與專業(yè)水質(zhì)檢測(cè)機(jī)構(gòu)(PONY譜尼)的測(cè)試數(shù)據(jù)做比對(duì)。以稀釋20 mg/L總氮標(biāo)準(zhǔn)品的方式分別配制試樣1～3，同時(shí)，采集周邊的湖庫水樣1～3，檢測(cè)結(jié)果見表1。微傳感器的測(cè)試結(jié)果與測(cè)試機(jī)構(gòu)具的測(cè)試值偏差在-25.6%～26.9%之間，兩種測(cè)試方法的結(jié)果基本吻合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本研究建立的基于電化學(xué)原理的總氮檢測(cè)方法可用于實(shí)際水樣中總氮濃度的檢測(cè)。

表1 總氮試樣及水樣的測(cè)試結(jié)果

Table 1 Testing results of TN in simulated samples and real water samples

圖5 便攜式總氮檢測(cè)儀表: (A) 總氮檢測(cè)儀表照片; (B) 基于三電極體系的電化學(xué)探頭; (C) 微型傳感電極; (D) 工作電極表面修飾的納米銅質(zhì)敏感膜的顯微照片(×5000倍)Fig.5 Portable TN detection system: (A) photograph of the portable meter; (B) the sensor probe; (C) the microelectrode chip; (D) micrograph of the sensitive material composed with copper nanoparticles on the surface of the working electrode (×5000)

3.4 總氮傳感器系統(tǒng)的研制及性能測(cè)試

基于電化學(xué)分析儀，進(jìn)行原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)后，研制了一款基于電化學(xué)微傳感電極的便攜式儀表。此儀表主要可實(shí)現(xiàn)4個(gè)功能: (1)提供電流脈沖信號(hào)，完成微傳感電極的表面修飾; (2)模擬電化學(xué)分析儀的線性掃描功能，向傳感器的工作電極輸出掃描電壓信號(hào)(掃描范圍: -250～-600 mV，掃描速率: 50 mV/s); (3)記錄工作電極與對(duì)電極之間的電流響應(yīng)信號(hào)(電流范圍3～100 μA); (4)顯示、存儲(chǔ)功能，實(shí)現(xiàn)儀表與PC端的數(shù)據(jù)通訊。所研制的便攜式儀表如圖5所示。

為考察總氮傳感器系統(tǒng)對(duì)水樣總氮濃度檢測(cè)的準(zhǔn)確性，采集了多個(gè)湖庫的實(shí)際水樣，分別以傳感器系統(tǒng)和專業(yè)水質(zhì)檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試， 水樣的總氮濃度結(jié)果見表2。兩種方法得到的測(cè)試結(jié)果基本一致，偏差在-22.0%～8.4%之間。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此傳感器系統(tǒng)可用于實(shí)際水樣的總氮檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果與專業(yè)水質(zhì)檢測(cè)機(jī)構(gòu)測(cè)得的結(jié)果具有較高的一致性。

表2 采用便攜式總氮檢測(cè)儀表的實(shí)際水樣的測(cè)試結(jié)果

Table 2 Testing results of real water samples by portable TN detection system

4 結(jié) 論