一种用于检测重金属铅离子的碳基电化学传感器及其应用
技术领域
本发明属于环境污染物分析及重金属离子检测
技术领域
，涉及一种用于检测重金属铅离子的碳基电化学传感器及其应用。背景技术
重金属离子污染在当今世界已经引起了广泛的关注，尤其是铅离子，含铅材料被广泛应用于各种日常生活与工业生产用品的制造中，例如颜料、铅蓄电池、煤炭燃烧等。我国《生活饮用水卫生标准》中规定饮用水中铅含量不超过0.01mg/L，与世界卫生组织的规定一致。铅不仅会对环境造成严重污染，也会损害人体健康，尤其是儿童。联合国儿童基金会联合Pure Earth组织在2020年7月发布的报告中提到，大约有三分之一的儿童(以全球范围来看高达八亿)血铅含量达到或超过5μg/dL，这会导致儿童智力低下，有行为、学习障碍，并对脑和神经系统造成不可逆转的伤害。因此，探究对于铅离子的高灵敏度、高选择性的检测与控制具有重要的研究意义和应用价值。
目前，铅离子的分析检测方法主要包括光谱法、比色法、质谱法等，但他们都有一定的缺点，例如需要专业的仪器、复杂的样品预处理过程、分析周期较长等不足之处。而电化学方法具有成本更低、便携性好、稳定性好、响应时间短等优点，适合用于实时检测。同时，基于DNA和DNAzyme的生物分子适合用于重金属离子的检测，因为它们具有良好的生物降解性和对重金属离子的高选择性。然而，如何增大检测信号和灵敏度，成为了电化学方法检测铅离子的瓶颈。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于检测重金属铅离子的碳基电化学传感器及其应用。本发明对铅离子具有高灵敏度、高选择性，且操作简单。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于检测重金属铅离子的碳基电化学传感器的制备方法，该方法包括以下步骤：
1)对疏水碳纸进行预处理，之后利用循环伏安法电沉积还原氧化石墨烯，得到CP/rGO电极；
2)在CP/rGO电极的表面滴涂dsDNA溶液，之后进行烘干，得到CP/rGO/DNA碳基电化学传感器。
其中，CP为疏水碳纸，rGO为还原氧化石墨烯。
进一步地，步骤1)中，所述的疏水碳纸的预处理过程为：依次用乙醇、水对疏水碳纸进行超声清洗(分别清洗5min)，干燥后再用绝缘胶对疏水碳纸的非沉积区域进行封闭。
进一步地，步骤1)中，利用循环伏安法电沉积还原氧化石墨烯的过程为：将预处理后的疏水碳纸浸入氧化石墨烯悬浮液中，利用循环伏安法电沉积还原氧化石墨烯，之后洗去疏水碳纸表面粘附的不稳定的氧化石墨烯，并进行干燥。
进一步地，电沉积过程中，扫描范围为-0.96V至0.78V，扫速为0.05-0.15V/s，扫描4-6圈。
进一步地，所述的氧化石墨烯悬浮液的配制过程为：向磷酸缓冲液(PBS)中加入氧化石墨烯，之后超声分散1-2h，得到0.4-0.6mg/mL的均匀悬浮液，即为所述的氧化石墨烯悬浮液。
进一步地，步骤2)中，所述的dsDNA溶液的浓度为80-100μg/mL，所述的烘干为红外烘干。dsDNA溶液优选为dsDNA的水溶液。
一种用于检测重金属铅离子的碳基电化学传感器，该碳基电化学传感器采用所述的方法制备而成。
一种碳基电化学传感器的应用，所述的碳基电化学传感器用于检测水环境中重金属铅离子的浓度。
一种检测水环境中重金属铅离子浓度的方法，该方法基于所述的碳基电化学传感器，所述的方法为：使用三电极体系，将碳基电化学传感器作为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极，铂片作为对电极，采用差分脉冲阳极溶出伏安法(DPASV)对水环境中的铅离子进行检测。
进一步地，先在搅拌条件下恒电位沉积一系列不同浓度的铅离子标准缓冲液(沉积电位-0.1V，沉积时间360s)，之后在不含铅离子的空白缓冲液中溶出(溶出电位扫描范围为-0.8V至0V)，得到阳极溶出峰电流，根据阳极溶出峰电流的大小与铅离子标准缓冲液中的铅离子浓度绘制工作曲线，利用绘制的工作曲线，对水环境中的铅离子进行检测。
对本发明中的碳基电化学传感器进行选择性测定，方法为：将其他含干扰离子的溶液加入到含有铅离子的PBS缓冲溶液中，采用上述同样方法、在相同条件下进行DPASV测定，研究铅离子阳极溶出特征峰电位和峰电流的变化，考察简便碳基电化学传感器的选择性能。其中，干扰离子为镍离子、钴离子、锌离子、铜离子、镉离子、镁离子、钙离子、铁离子或铬离子。
差分脉冲阳极溶出伏安法通过在阶梯波基准电势中加入短脉冲，并以脉冲前后的电流差值作为信号，降低了背景电流，提高了灵敏度。阳极溶出伏安法中各金属离子的溶出峰电位不同，溶出峰电流与离子浓度成正比，为目标物的实时检测提供了有效快捷的平台。
研究发现，使用普通的dsDNA就能特异性吸附铅离子使信号增强，不需要借助特殊的DNA序列，这样可以减少修饰的步骤和成本。因此，增大检测信号和灵敏度的关键因素便在于如何实现DNA分子在电极基底上高通量、高稳定的负载。本发明在疏水碳纸表面采用循环伏安法电沉积还原氧化石墨烯(rGO)以提高碳纸的导电性并促进后续DNA的负载，再通过DNA与rGO之间的π-π堆积和疏水作用将DNA稳定组装到CP/rGO电极上，制得CP/rGO/DNA碳基电化学传感器。本发明既利用了DNA与铅离子之间能够特异性结合的特性，提高了传感器的灵敏度和选择性，同时利用了rGO与DNA之间的π-π堆积和疏水作用有效增大DNA的负载量。检测时，采用差分脉冲阳极溶出伏安法(DPASV)的阳极溶出峰电流为定量检测依据，能够有效增强检测的灵敏度，检测限低至1pM，检测方法快速简便，可用于痕量重金属铅离子的检测分析。因此，本发明将差分脉冲阳极溶出伏安法、rGO和dsDNA结合，构筑用于检测铅离子的碳基电化学传感器，获得了良好的检测灵敏度和选择性。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)本发明将dsDNA作为识别原件，利用rGO与DNA之间的π-π堆积和疏水作用增大DNA的负载量，通过滴涂法直接修饰DNA，操作过程简单、不需要对电极进行额外处理，在检测过程中能够实现对目标铅离子的特异性结合，有效提高了传感器的选择性和灵敏度，检测限低至1pM，可用于环境中水样的实时分析及定性定量检测。
2)本发明以碳纸作为基底材料，碳纸是一种由碳纤维交错排列而形成的三维网状材料，能够提供稳定的负载性能，可以用于制备成本低、构筑简单、一次性使用的电极。
3)引入差分脉冲阳极溶出伏安法，通过在阶梯波基准电势中加入短脉冲，并以脉冲前后的电流差值作为信号，降低了背景电流，与传统阳极溶出伏安法相比提高了灵敏度。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明提供了一种用于检测重金属铅离子的碳基电化学传感器的制备方法，该方法包括以下步骤：
1)对疏水碳纸进行预处理，之后利用循环伏安法电沉积还原氧化石墨烯，得到CP/rGO电极；
2)在CP/rGO电极的表面滴涂dsDNA溶液，之后进行烘干，得到CP/rGO/DNA碳基电化学传感器。
步骤1)中，疏水碳纸的预处理过程为：依次用乙醇、水对疏水碳纸进行超声清洗，干燥后再用绝缘胶对疏水碳纸的非沉积区域进行封闭。利用循环伏安法电沉积还原氧化石墨烯的过程为：将预处理后的疏水碳纸浸入氧化石墨烯悬浮液中，利用循环伏安法电沉积还原氧化石墨烯，之后洗去疏水碳纸表面粘附的不稳定的氧化石墨烯，并进行干燥。电沉积过程中，扫描范围为-0.96V至0.78V，扫速为0.05-0.15V/s，扫描4-6圈。氧化石墨烯悬浮液的配制过程为：向磷酸缓冲液中加入氧化石墨烯，之后超声分散1-2h，得到0.4-0.6mg/mL的均匀悬浮液。
步骤2)中，dsDNA溶液的浓度为80-100μg/mL，烘干为红外烘干。
本发明还提供了一种用于检测重金属铅离子的碳基电化学传感器，该碳基电化学传感器采用上述方法制备而成。该碳基电化学传感器用于检测水环境中重金属铅离子的浓度。
本发明同时提供了一种检测水环境中重金属铅离子浓度的方法，该方法基于上述碳基电化学传感器，检测方法为：使用三电极体系，将碳基电化学传感器作为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极，铂片作为对电极，采用差分脉冲阳极溶出伏安法对水环境中的铅离子进行检测。先在搅拌条件下恒电位沉积一系列不同浓度的铅离子标准缓冲液，之后在不含铅离子的空白缓冲液中溶出，得到阳极溶出峰电流，根据阳极溶出峰电流的大小与铅离子标准缓冲液中的铅离子浓度绘制工作曲线，利用绘制的工作曲线，对水环境中的铅离子进行检测。
实施例1：
用于检测重金属铅离子的碳基电化学传感器的制备方法如下：
(1)碳纸的预处理。将0.9cm×1.7cm的疏水碳纸依次在无水乙醇和去离子水中超声清洗5min，并吹干得到干净的碳纸表面。用绝缘胶封住碳纸的其他部分，留下2mm×2mm的导电面积，得到CP电极。
(2)CP/rGO电极的制备。将氧化石墨烯(GO)在0.1mol/L pH＝9.18的PBS缓冲溶液中超声分散1.5h，形成浓度为0.5mg/mL的均匀悬浮液。将得到的CP电极浸入上述GO悬浮液中，使用循环伏安法(CV)电沉积rGO，扫描范围为-0.96-0.78V，扫速0.1V/s，扫描5圈。扫描结束后，将电极浸入去离子水中洗去表面粘附不稳定的GO，然后在空气中放置干燥，得到CP/rGO电极。
(3)CP/rGO/DNA电极的制备。在电极表面分三次滴涂2.5μL去离子水配置的90μg/mL小牛胸腺dsDNA溶液，总计7.5μL，烘干后得到CP/rGO/DNA碳基电化学传感器。
CP/rGO/DNA电化学传感器的电化学性质使用CHI6043E工作站进行表征。以制备的CP/rGO/DNA电化学传感器为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂丝电极为对电极，在5mmol/L的[Fe(CN)6]4-/[Fe(CN)6]3-(含0.1mol/L KCl)混合液中进行交流阻抗(EIS)测定。结果表明，在沉积rGO之后电极阻抗值显著下降，说明电极的电化学性能显著提高，这是因为rGO具有良好的电荷转移能力。继续负载DNA之后，CP/rGO/DNA电极的电阻又有所提高，这是因为DNA本身的双螺旋结构电阻较大，不利于电荷转移，同时DNA自身带有部分负电，会与[Fe(CN)6]4-/[Fe(CN)6]3-氧化还原电对产生排斥。EIS的结果说明rGO和DNA均成功负载。
实施例2：
采用实施例1制备的CP/rGO/DNA电化学传感器进行铅离子的电化学检测。
采用差分脉冲阳极溶出伏安法(DPASV)对铅离子进行检测，使用三电极体系，将CP/rGO/DNA电化学传感器作为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极，铂片作为对电极。首先在搅拌条件下恒电位沉积一系列不同浓度的铅离子标准缓冲液，沉积电位-0.1V，沉积时间360s。之后在不含铅离子的空白缓冲液中溶出，溶出电位扫描范围为-0.8-0V，得到阳极溶出峰电流。当铅离子浓度增加，峰电流值也相应增大，这是因为沉积到电极表面的铅离子的量增加。根据阳极溶出峰电流的大小与铅离子标准缓冲液中的铅离子浓度绘制工作曲线，即可对铅离子进行定量检测，检测限低至1pM，线性范围分别为1pM-0.05nM和0.05nM-0.1nM。
实施例3：
采用实施例1制备的CP/rGO/DNA电化学传感器进行选择性及重复性检测。
采用差分脉冲阳极溶出伏安法(DPASV)对铅离子进行检测，使用三电极体系，将CP/rGO/DNA电化学传感器作为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极，铂片作为对电极。首先在搅拌条件下恒电位沉积10nmol/L铅离子标准缓冲液，沉积电位-0.1V，沉积时间360s。之后在不含铅离子的空白缓冲液中溶出，溶出电位扫描范围为-0.8-0V，得到阳极溶出峰电流。在上述铅离子溶液中采用上述同样方法、在相同条件下重复测试10次，峰电流的RSD为6.2％，说明电化学传感器在多次测量的情况下仍能保持较好的重现性。将其他含干扰离子的溶液加入到上述铅离子溶液中，采用上述同样方法、在相同条件下进行DPASV测定，研究铅离子阳极溶出特征峰电位和峰电流的变化。所述的干扰离子为镍离子、钴离子、锌离子、铜离子、镉离子、镁离子、钙离子、铁离子、铬离子。当干扰离子浓度为铅离子浓度的1倍和10倍时，峰电流的偏差分别为7.7％和3.6％，峰位置并没有明显改变，也未出现其他溶出峰，说明电化学传感器有良好的抗干扰能力和选择性。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
