基于電化學傳感器的總氮檢測系統(tǒng)研究

李 洋 任振興 齊仁龍 佟建華 邊 超 董漢鵬 夏善紅

1(中國科學院電子學研究所傳感技術國家重點實驗室， 北京 100190)2(成都大學機械工程學院， 成都 610106) 3(鄭州科技學院電氣學院， 鄭州 450064)

1 引 言

生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的2018年中國生態(tài)環(huán)境狀況公報[3]明確指出，我國江河重要漁業(yè)水域主要超標指標為總氮; 湖泊(水庫)重要漁業(yè)水域主要超標指標為總氮、總磷和高錳酸鹽指數(shù)。與2017年相比，總氮、總磷和銅超標范圍均有所增加。41個國家級水產(chǎn)種質(zhì)資源保護區(qū)(內(nèi)陸)水體中主要超標指標也為總氮[2]。許多研究都已證明，水體中總氮含量超標會引發(fā)嚴重的生態(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，會使水質(zhì)迅速富營養(yǎng)化，嚴重時還會引起藍藻、赤潮的大面積爆發(fā)，毒害水生動植物，造成魚類大量死亡。同時，總氮超標的水體中還可能含有高濃度的亞硝酸鹽和硝酸鹽，人畜長期飲用，中毒致病幾率將明顯增加。近年來，我國湖庫水體的總氮指數(shù)超標情況嚴重，太湖、洞庭湖等內(nèi)陸湖泊頻繁發(fā)生的藍藻爆發(fā)都與總氮濃度超標有直接關聯(lián)，水體中總氮超標已經(jīng)嚴重影響飲用水安全和正常的漁業(yè)生產(chǎn)。因此，對水體中總氮濃度的測量和監(jiān)控具有重要的現(xiàn)實意義。

基于電化學原理的檢測設備通常具有體積小、成本低、操作簡單等優(yōu)點[19～22]。本研究針對水質(zhì)總氮指標現(xiàn)場、快速、多點檢測的需求，基于堿性過硫酸鉀消解-電化學離子識別聯(lián)用的原理，使用國標方法對水樣進行消解預處理，將不同形態(tài)的含氮化合物全部轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮; 然后結合微傳感電極和電化學沉積表面修飾技術檢測消解后水樣中硝酸鹽的濃度，進而實現(xiàn)總氮濃度的測量。在此基礎上，研制了一種用于總氮檢測的安培型微傳感器系統(tǒng)，并將其應用于總氮標準樣品和實際湖庫水樣中總氮濃度的測量，測試結果與專業(yè)水質(zhì)檢測機構的測試值一致。

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(shù)顯pH計(上海智光公司); 5B-2P型消解儀(連華科技公司)。

CuSO4·5H2O、NaNO3、98% H2SO4、NaOH(北京化學試劑公司)?？偟獦藴试嚇?0 mg/L(以N計，下同)和總氮標準樣品5 mg/L(北京，環(huán)境保護部標準化研究所); 過硫酸鉀(K2S2O8，純度99.99%，德國，Sigma& Aldrich公司); 所有試劑均為分析純，實驗用水均為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準微加工工藝在玻璃基片上制備[23]，工作電極和對電極均是厚度為300 nm的鉑金屬膜電極，兩者呈對稱式“圓-環(huán)形”結構。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的標準圓[24]。

2.2 實驗方法

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

整個實驗流程如圖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: 最終實現(xiàn)總氮濃度的測量。

2.2.1 水樣的消解預處理消解液為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。實驗前5 min內(nèi)，按照體積比為待測水樣: 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，消解結束后自然冷卻。

圖2 傳感器在含不同Na2SO4的測試水樣中的響應電流曲線: (a) 4 mg/L TN標樣; (b) 4 mg/L TN標樣和0.05 mol/L Na2SO4的混合溶液; (c) 4 mg/L TN標樣和0.1 mol/L Na2SO4的混合溶液; (d) 4 mg/L TN標樣和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 結果與討論

3.1 檢測環(huán)境優(yōu)化

圖3 K2S2O8殘留對傳感器響應電流的影響: (a) 1 mg/L TN標樣; (b) 1 mg/L TN標樣與10 mg K2S2O8的混合溶液; (c) 4 mg/L TN標樣; (d) 4 mg/L TN標樣與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 傳感器對總氮樣品的標定及檢測性能

考察了微傳感器對總氮樣品的電化學響應特性。使用20 mg/L的總氮標準品稀釋, 按照國標規(guī)定的國標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個總氮標樣(標準方法標定后6個試樣的實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試樣進行消解和預處理，然后使用微傳感器對試樣進行檢測，結果如圖4所示，微傳感器的電流響應信號隨著標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系，線性方程為:

y(μA)=7.31x(mg/L)14.98(R2=0.9950)

(1)

圖4 總氮標樣的標定曲線: (A) 消解后6個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)

考察了傳感器對總氮標準樣品的檢測性能。傳感器可以實現(xiàn)0.2～2.0 mg/L濃度范圍內(nèi)的總氮檢測，檢出限為0.1 mg/L(S/N=3)， 覆蓋國標Ⅰ～Ⅴ類水的TN范圍， 響應靈敏度(標準曲線斜率)為7．31 μA·L/mg。 使用同一個傳感器探頭對3個濃度分別為0.41、0.82 和1.59 mg/L的總氮標準樣品進行6次平行測試，最大相對標準偏差為15.1%; 使用3個傳感器探頭對1.59 mg/L總氮標準樣品進行3次平行測試，最大相對標準偏差為11.8%。結果表明，此傳感器可以用于國標Ⅰ～Ⅴ類水的總氮濃度檢測。

3.3 實際水樣中總氮濃度的檢測

使用總氮標樣對微傳感器進行標定、獲取線性擬合方程后，對實驗室配制的總氮樣品和實際的湖庫水樣進行測試，并將測試結果與專業(yè)水質(zhì)檢測機構(PONY譜尼)的測試數(shù)據(jù)做比對。以稀釋20 mg/L總氮標準品的方式分別配制試樣1～3，同時，采集周邊的湖庫水樣1～3，檢測結果見表1。微傳感器的測試結果與測試機構具的測試值偏差在-25.6%～26.9%之間，兩種測試方法的結果基本吻合。實驗結果表明，本研究建立的基于電化學原理的總氮檢測方法可用于實際水樣中總氮濃度的檢測。

表1 總氮試樣及水樣的測試結果

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

圖5 便攜式總氮檢測儀表: (A) 總氮檢測儀表照片; (B) 基于三電極體系的電化學探頭; (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)的研制及性能測試

基于電化學分析儀，進行原理驗證實驗后，研制了一款基于電化學微傳感電極的便攜式儀表。此儀表主要可實現(xiàn)4個功能: (1)提供電流脈沖信號，完成微傳感電極的表面修飾; (2)模擬電化學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(掃描范圍: -250～-600 mV，掃描速率: 50 mV/s); (3)記錄工作電極與對電極之間的電流響應信號(電流范圍3～100 μA); (4)顯示、存儲功能，實現(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)對水樣總氮濃度檢測的準確性，采集了多個湖庫的實際水樣，分別以傳感器系統(tǒng)和專業(yè)水質(zhì)檢測機構進行測試， 水樣的總氮濃度結果見表2。兩種方法得到的測試結果基本一致，偏差在-22.0%～8.4%之間。 實驗結果表明，此傳感器系統(tǒng)可用于實際水樣的總氮檢測，檢測結果與專業(yè)水質(zhì)檢測機構測得的結果具有較高的一致性。

表2 采用便攜式總氮檢測儀表的實際水樣的測試結果

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

4 結 論