基于功能有机配体的重金属离子电化学传感器研究

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本论文对铅离子(Pb2+)引起的环境污染、现阶段铅离子的检测方法、铅离子载体的种类、新型铅离子载体的合成、快速扫描循环伏安法进行了系统性的概述。铅离子载体是相关铅离子检测中对铅离子进行特异性识别的载体,铅离子载体可以通过氢键、范德华力、静电作用力、堆积力等作用力来实现对铅离子的特异性识别。本论文基于两种不同种类的铅离子载体构建了电化学传感器,并通过快速扫描循环伏安法实现了对铅离子的高灵敏度检测。具体内容如下:1、无金属自由基偶联反应合成新型铅离子载体本工作基于绿色有机合成方法,合成了一种新型铅离子载体—2,4,6-三甲基硫代磺酸盐(MTF)。通过无金属自由基偶联反应合成这种硫代磺酸盐,避免使用了金属催化剂和相关添加剂、绿色环保、反应条件简单温和、底物使用范围广,并在标准反应条件下拓展了一系列具有不同取代基团的硫代磺酸盐。合成出的铅离子载体在密度泛函理论(DFT)框架内,通过理论计算铅离子载体吸附铅离子的能量值,在合成出的一系列硫代磺酸盐中筛选出最合适的铅离子载体。该合成方法绿色高效,计算化学也被成功用于该研究中,提供了强有力的前期理论支持。2、基于新型铅离子载体的电化学传感器选择性测定皮摩尔水平铅离子本工作开发了一种以2,4,6-三甲基硫代磺酸盐(MTF)为基础构建的Nafion/MTF/GCE电化学传感器,用于检测Pb2+。首先将制备好的传感器通过电化学工作站富集Pb2+来进行预浓缩,然后采用快速扫描阳极溶出伏安法(FSASV)对Pb2+进行检测。实验结果表明,当扫描速率为100 V/s时,所制备的传感器检测Pb2+溶出峰电流和Pb2+浓度对数在10 nmol/L到0.1 pmol/L之间有良好的线性关系,通过FSASV方法可使检测限(LOD)达到0.1 pmol/L。该方法成功应用于加标自来水样中Pb2+的测定,回收率在97.8~106.2%之间,相对标准偏差RSD为4.2~6.7%。因此,基于MTF构建的传感器和FSASV的结合是一种快速、经济、灵敏的检测Pb2+的方法。3、基于新型杯芳烃和快速扫描伏安法的电化学传感器快速高灵敏度检测铅离子基于一种新型杯芳烃和快速扫描伏安法,开发了一种高效便捷的电化学传感器,用于检测Pb2+。本工作在杯芳烃(TCA)的基础上,通过有机反应,将杯芳烃与L-半胱氨酸(Cys)结合,得到底部含四个巯基(-SH)的新型杯芳烃(NTCA),并通过Au-S键将新型杯芳烃固定在金电极表面,构成了对Pb2+进行检测的电化学传感器。该传感器快速扫描阳极溶出伏安法(FSASV)实现了对Pb2+的高灵敏检测,峰值电流与Pb2+浓度的对数在1×10-6mol/L到1×10-12mol/L浓度范围内线性良好,检测限为10-12mol/L。理论计算同样验证了新型杯芳烃对Pb2+有特异性吸附效果。该方法成功地应用于加标水样中Pb2+的测定,回收率范围是98.2~104.8%,相对标准偏差RSD为3.6~5.2%。该方法高效、灵敏、便捷,所构建的电化学传感器在水环境安全检测和现场检测等方面具有广阔的应用前景。
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