一种用于监测土壤和地下水中残留过氧化氢浓度的电化学传感器及检测方法技术

一种用于监测土壤和地下水中残留过氧化氢浓度的电化学传感器及检测方法，用化学修饰法在工作电极表面固定住辣根过氧化物酶、纳米银胶粒、电子传递媒介物等制备的电化学传感器，并和参比电极、对电极一起组成三电极系统，利用安培法对一定浓度范围的过氧化氢进行快速检测。该传感器比传统的传感器具有更高的灵敏度和更强的稳定性。采用本技术方案后，其具有以下显著特点：能够完成对土壤地下水中过氧化氢的快速测定，具有方法可靠、响应灵敏快速、检测定量限低，操作简便快速的特点，且不受其他杂质的干扰。

【技术实现步骤摘要】
一种用于监测土壤和地下水中残留过氧化氢浓度的电化学传感器及检测方法
本专利技术属于生态环境建设与保护
，具体涉及一种用于监测土壤和地下水中残留过氧化氢浓度的电化学传感器以及相应的检测方法。
技术介绍
过氧化氢H2O2，又称双氧水，是一种强氧化剂，具有消毒、杀菌、漂白等功能，在生态环境建设与保护
中作为氧化剂，常与亚铁盐配合作为污染场地土壤和地下水的修复药剂使用，即芬顿试剂。在土壤和地下水修复过程中除了对目标污染物的监测外，也应定时监测土壤和地下水中的残留过氧化氢浓度，以便在修复过程中随时掌握反应进程，方便及时调整氧化剂的用量，因此建立一种简便、准确的过氧化氢检测方法很有必要。目前常规测定过氧化氢含量的方法主要有高锰酸钾法、碘量法、铈量法、分光光度法和色谱法等。这些方法中滴定法步骤复杂耗时，试剂制备繁琐，有些需用大型仪器设备，不适合现场操作，有些易受环境影响干扰。土壤地下水环境复杂，杂质离子多，特别是芬顿反应中存在大量三价铁，会氧化碘离子，所以碘量法就不适合。高锰酸钾法是测定过氧化氢浓度的标准方法，高锰酸钾氧化性强，除了过氧化氢外，土壤地下水中有机质也会消耗大量的高锰酸钾，所以高锰酸钾法也不适合用于此场合。铈量法也同样有此问题，四价铈氧化还原电位1.72V，甚至可将锰离子氧化成高锰酸根离子。本专利技术所述的电化学传感器对过氧化氢响应灵敏，酶制剂专一性好，干扰少，检测限低，只需少量样品即可测试，并且可方便的制成便携式的设备在现场快速测定，以便在土壤地下水修复过程中随时掌握反应进程，及时调整氧化剂用量。辣根过氧化酶(HRP)是一种以过氧化氢为电子受体来氧化一系列芳香族化合物的糖蛋白，其活性中心含有血红素，通过铁离子价的可逆变化参与电子传递，近年来，在医学临床诊断、核酸分析、生物传感器、生物修复、生物降解及其他许多生物技术中具有广泛的应用。在环境科学领域，HRP能够在H2O2存在的条件下有效地去除水中的胺类、酚类等芳香族有机污染物，在污水处理有广泛的应用前景。溶胶凝胶方法早在150年前就被报道用来制备陶瓷材料，它为生物传感器提供了一种方便的手段来固定各种蛋白质。溶胶凝胶玻璃是由诸如烷氧基硅烷(如Si(OCH3)4)或类似的有机金属烷氧化物(如异丙氧基钛或异丙氧基铝)在常温下分解和缩聚而成的透明的玻璃状物质。整个溶胶凝胶过程包括下列步骤：混合(形成溶液)、凝聚、老化和干燥。在混合步骤中，将适当的烷氧化物如四甲氧基硅烷与水、酸性或碱性催化剂和共溶剂(如甲醇)在搅拌或超声下形成溶液，水解导致硅醇官能团的形成。在下面的凝聚过程中，硅醇基继续反应形成硅烷聚合物。凝胶的老化即将凝胶浸于液体中一段时间(几小时至几天)，在老化过程中，聚合反应继续，凝胶的强度增加。最后在干燥步骤中，溶剂从相互交联的多孔网格中蒸发掉。被固定的试剂一般在形成溶液或凝胶的过程中加入。在溶胶凝胶玻璃中，试剂被包埋在基质的空隙中，它们可在孔隙中自由地移动或与孔隙内表面的硅醇基团进行某种程度上的相互作用。被测物一般较敏感试剂半径小，它们可扩散到孔隙中与试剂反应。另外，溶胶凝胶玻璃的气孔率常高达30％以上，且比表面积很大(>300cm2/g)，所以，相当部分的被固定试剂暴露于邻近相和内孔腔，这样便可以直接与那里的被测物进行反应。
技术实现思路
本专利技术的目的是在于提供一种过氧化氢电化学传感器，能够完成对土壤地下水中过氧化氢的快速测定，具有方法可靠、响应灵敏快速、操作简便、快速的特点。一种用于监测土壤和地下水中残留过氧化氢浓度的电化学传感器，用化学修饰法在工作电极表面固定住辣根过氧化物酶(HRP)、纳米银胶粒、电子传递媒介物等制备电化学传感器。其中，工作电极为玻碳电极、铂电极、金电极中的一种，所述电子传递媒介物为亚甲基蓝。述纳米银胶粒制备方法如下；将硝酸银溶于水中，加入柠檬酸钠溶液，用水稀释至银离子浓度为0.16-0.36mmol/L，柠檬酸钠浓度为0.3-0.6mmol/L，置于254nm紫外线下照射，照射剂量3000mJ/cm2以上后，即可得到绿色的纳米银胶粒，粒径为20-60nm。化学修饰法为SiO2溶胶-凝胶固定法，SiO2溶胶-凝胶的制备过程如下；按1～5:1的摩尔比将无水乙醇与正硅酸乙酯(TEOS)液体混合，在不断搅拌下加入适量水和盐酸，使溶液pH值为3-4，溶液中水与TEOS的摩尔比为3-5，20W超声分散至液体变清即可，在4℃密闭下长久保存。工作电极的修饰方法步骤包括；1)工作电极依次用200目、800目、2000目金相砂纸粗磨细磨后，依次用粒径1μm、0.3μm、0.05μm的γ-Al2O3在丝绸上抛光，用超纯水彻底冲洗净，再分别在超纯水和乙醇中超声清洗，最后在空气中晾干；2)将SiO2溶胶溶液和纳米银胶溶液、32mg/L的亚甲基蓝、2mg/mL的HRP溶液按1～3：0.5～2：0.5～1：1比例混合均匀，在匀速旋转的工作电极表面滴涂并晾干，反复滴涂并晾干1～3次，置于4℃暗处保存。一种用于监测土壤和地下水中残留过氧化氢浓度的检测方法，将电化学传感器与参比电极、对电极一起组成三电极系统，利用安培法对一定浓度范围的过氧化氢溶液进行快速检测。其中的参比电极是饱和甘汞电极或银/卤化银电极，对电极为铂片电极或金片电极。用于监测土壤和地下水中残留过氧化氢浓度的检测方法，具体检测方法为：1)标准曲线：将电化学传感器在一定量pH7.0的0.1M磷酸盐(PBS)缓冲溶液中，在工作电极上施加-0.3V～-0.4V的工作电位，匀速搅拌下记录该传感器的计时安培曲线，当背景电流达到稳态后，用微量进样器加入已知浓度的标准H2O2溶液，在不同标准H2O2浓度下测得传感器对H2O2的电流响应值，通过Lineweaver-Burk方程双倒数作图，得到电流响应值与H2O2浓度的线性曲线及相应的Lineweaver-Burk线性方程；2)测定：将待测土壤样品加入等质量的纯水，充分搅匀后静置澄清，用微量进样器吸取适量上层清液或地下水加入一定量pH7.0的0.1M磷酸盐(PBS)缓冲溶液中，测得传感器对H2O2的电流响应值，然后利用1)中得到的标准曲线及相应的Lineweaver-Burk线性方程，即可计算出地下水H2O2的浓度或土壤在1:1质量比的水提取下的H2O2浓度。其中的步骤2)中电流响应值应在标准H2O2溶液的电流响应值最大和最小值之间，否则应减少或加大进样量。与现有技术相比，该过氧化氢传感器对响应灵敏，专一性好，干扰少，其他氧化性物质如三价铁、二氧化锰、高锰酸根、过硫酸根的存在无干扰，还原性物质二价铁、有机质也不会干扰，检测限低，只需少量样品即可测试，标准曲线建立后样品的检测非常方便快速。附图说明图1银纳米粒子的TEM图图2纳米银胶(---)及有HRP存在下的紫外可见吸收光谱图3该H2O2传感器的循环伏安曲线(a)及在各个扫速时(从内到外依次是20,30,40,50,60,80,100,150,200,25本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于监测土壤和地下水中残留过氧化氢浓度的电化学传感器，其特征在于，用化学修饰法在工作电极表面固定住辣根过氧化物酶(HRP)、纳米银胶粒、电子传递媒介物等制备电化学传感器。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于监测土壤和地下水中残留过氧化氢浓度的电化学传感器，其特征在于，用化学修饰法在工作电极表面固定住辣根过氧化物酶(HRP)、纳米银胶粒、电子传递媒介物等制备电化学传感器。


2.根据权利要求1所述的用于监测土壤和地下水中残留过氧化氢浓度的电化学传感器，其特征在于，所述工作电极为玻碳电极、铂电极、金电极中的一种，所述电子传递媒介物为亚甲基蓝。


3.根据权利要求1所述的用于监测土壤和地下水中残留过氧化氢浓度的电化学传感器，其特征在于，所述纳米银胶粒制备方法如下；将硝酸银溶于水中，加入柠檬酸钠溶液，用水稀释至银离子浓度为0.16-0.36mmol/L，柠檬酸钠浓度为0.3-0.6mmol/L，置于254nm紫外线下照射，照射剂量3000mJ/cm2以上后，即可得到绿色的纳米银胶粒，粒径为20-60nm。


4.根据权利要求1所述的用于监测土壤和地下水中残留过氧化氢浓度的电化学传感器，其特征在于，所述的化学修饰法为SiO2溶胶-凝胶固定法，SiO2溶胶-凝胶的制备过程如下；
按1～5:1的摩尔比将无水乙醇与正硅酸乙酯(TEOS)液体混合，在不断搅拌下加入适量水和盐酸，使溶液pH值为3-4，溶液中水与TEOS的摩尔比为3-5，20W超声分散至液体变清即可，在4℃密闭下长久保存。


5.根据权利要求1所述的用于监测土壤和地下水中残留过氧化氢浓度的电化学传感器，其特征在于，所述工作电极的修饰方法步骤包括；
1)工作电极依次用200目、800目、2000目金相砂纸粗磨细磨后，依次用粒径1μm、0.3μm、0.05μm的γ-Al2O3在丝绸上抛光，用超纯水彻底冲洗净，再分别在超纯水和乙醇中超声清洗，最后在空气中晾干；
2)将SiO2溶胶溶液和纳米银胶溶液、32mg/L的亚甲基蓝、2mg/mL的HRP溶液按1～3...

【专利技术属性】
技术研发人员：张琰，朱科成，王书倩，
申请(专利权)人：江苏长三角环境科学技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32