利用脉冲伏安法侦测微量物质的方法技术

一种利用脉冲伏安法侦测微量物质的方法，包含下列步骤：　　　　提供一工作电极及一参考电极，其中所述工作电极的材质为导电性钻石膜电极；　　　　将工作电极与参考电极浸入欲分析的溶液中；　　　　扫引工作电极电位至较欲侦测微量物质的平衡电位更负的电位；　　　　将工作电极电位以脉冲伏安法的方波伏安法进行正向扫引；及　　　　记录电位改变时所产生的电流大小，即可测得溶液中微量物质的浓度。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电化学分析方法，尤其涉及一种利用导电性钻石膜材料为电极配合脉冲伏安法中的方波伏安法(Square Wave Voltammetry)侦测溶液中重金属及有机物浓度的电化学分析方法。
技术介绍
随着环保意识的提升，各国已逐渐重视环境荷尔蒙对人体机能产生的影响，所谓环境荷尔蒙是指包括农药、含氯有机物、重金属等，这些高度工业发展下的负面产物，对人体及生态环境均会造成极大伤害。目前对于金属物质检测必须采用原子吸收光谱(AA)及感应耦合等离子体(ICP)，不同的化学及生物学物质如含氯有机物的分析则采用气相色谱仪、液相色谱仪、质谱仪等分析方法，然而，这些设备多半昂贵且耗时。电化学侦测方法可提供更经济、轻便且省能的测量途径，但是传统电极(如贵重金属、石墨碳材、导电性氧化物)仍有许多问题有待克服，例如贵金属电极的测量电压范围不宽，可测量的物质有限，而传统碳材电极又有重复使用后表面反应活度下降的问题。近年来由于电子通讯产业蓬勃发展，钻石膜在半导体领域的应用成为主要研发重点。在过去二十年中相当多的业内人士投入钻石薄膜相关研究，因此钻石膜的技术发展非常快速。钻石具备sp3电子结构，原本是高绝缘性物质，但由于其有高导热、高强度、耐磨、耐热等多重特性，若再植入IIIA族的硼离子后，可在保持其固有的物理化学性质下具有导电特性，称为B-doped diamond(B掺杂钻石)，为一种导电性钻石(p型ConductiveDiamond Electrode，p型CDE)，若植入VA族的氮或磷称为N-doped或P-doped diamond(N或P掺杂钻石)，也为一种导电性钻石(n型ConductiveDiamond Electrode，n型CDE)，其应用范围相当广阔。导电性钻石膜即为p型或n型的掺杂(doping)钻石膜。目前以化学气相沉积法(chemicalvapor deposition，CVD)为主要制作方法，其中以Si材质的基板表面披覆成B-doped钻石膜为较成熟技术，以B-doped钻石膜为例，一般是利用0.5％ CH4(in H2)作为气相媒介，植入硼的试剂(boron doping agent)，多为二硼烷(diborane)及氧化硼(boronoxide)等。而制作CDE材料的方法大致有等离子体增强化学蒸汽沉积法(plasma enhanced chemicalvapor deposition，PE-CVD)、高温细丝化学蒸汽沉积(hot-filament CVD，HF-CVD)及电子促进化学蒸汽沉积法(electron assisted CVD，EA-CVD)等。国际上仅有少数研究单位拥有这种制作技术，如图1所示，显示电子显微镜下所观察到的多结晶性(polycrystalline)B-doped导电性钻石薄膜的影像图。在电化学应用上，电极的金属基材导电性越好则耗能越低，对于苛刻的环境电极基板则必须为耐蚀性佳的材质，部分研究指出在制作钻石膜电极时需在高温制程下进行，因此选择例如Zr、Mo、Ta、W等具有高熔点的金属作为基材较适合。导电性钻石电极更因其具备过电压(overvoltage)高、抗表面毒化(anti-poison)能力强、强度与抗蚀性优异等独特的电化学性能而受到注意。CDE电化学特性的潜在应用非常广阔，因为具备宽广且稳定的水溶液电压范围(potential window)，可以解决过去因为水的电解反应所产生的电化学干扰问题，同时由于导电性钻石薄膜电极的表面排水性高，可以长期保持活化功能，不受污染物质吸附而使表面毒化，应用耐久度高，因此具有高度的工业利用价值。目前已知CDE可以应用的范围包括有机溶剂及重金属的侦测、有机溶剂氧化及有害重金属还原去除、制造纳米金属粒子的电化学制程、生化感测组件及储能材料等。电化学应用CDE技术正朝着高电极导电性发展，除了B-doped的p型钻石膜外，VA族的n型钻石膜因核心吸引力较大于IIIA族原子的p型钻石膜，因此能阶较小而具有较高导电性，N-doped及P-doped钻石膜也已有学者研究，但此电极制作技术在国际上仍在开发阶段。本专利技术之前的在先技术如欧洲专利第1055926号中虽利用导电性钻石膜电极进行微量物质侦测，但采用的电化学方法以循环伏安法或差式脉冲伏安法为主，在准确度与灵敏度上都不理想，所需时间也较长，所以利用各种导电性钻石薄膜电极进行电化学分析的相关技术仍是一个亟待开发的领域。
技术实现思路
有鉴于现有技术的缺失，为增加导电性钻石膜电极的产业利用性，本专利技术利用导电性钻石膜电极，配合脉冲伏安法(Pulsed Voltammetry，PV)中的方波伏安法(Square Wave Voltammetry，SWV)，进行溶液中重金属及有机物的侦测。本专利技术的目的是提供一种，包含下列步骤提供一工作电极及一参考电极，其中所述工作电极的材质为导电性钻石膜电极；将所述工作电极与参考电极浸入欲分析的溶液中；扫引(sweeping)所述工作电极电位至较欲侦测微量物质的平衡电位更负的电位；将所述工作电极电位以脉冲伏安法(PV)的方波伏安法(SWV)进行正向扫引(sweeping)；及记录电位改变时所产生的电流大小，即可测得溶液中微量物质的浓度。其中，所述导电性钻石膜电极是利用化学气相沉积法(chemical vapordeposition，CVD)于基材表面形成钻石膜。所述化学气相沉积法包含等离子体增强化学蒸汽沉积法(plasmaenhanced chemical vapor deposition，PE-CVD)、高温细丝化学蒸汽沉积(hot-filament CVD，HF-CVD)或电子促进化学蒸汽沉积法(electronassisted CVD，EA-CVD)。所述导电性钻石膜电极的基材包括，但不限于，钛、硅、锆、钼、钽、钨或其它金属或合金，其中优选为以钛(Ti)为基材。所述钻石膜为包含p型或n型掺杂(doping)钻石膜。所述p型导电性钻石膜电极为硼系导电性钻石膜电极(B-doped)。所述n型导电性钻石膜电极为磷系导电性钻石膜电极(P-doped)或氮系导电性钻石膜电极(N-doped)。所述扫引工作电极电位至较平衡电位更负的电位的目的是使欲侦测微量物质沉积或吸附于电极表面，并使溶于水中的溶氧同时进行不可逆的还原反应。所述微量物质包含金属或有机化合物。将所述工作电极电位以脉冲伏安法(PV)的方波伏安法(SWV)进行正向扫引使沉积或吸附于电极表面的物质氧化剥离溶解于溶液中。所述方波伏安法(SWV)的脉冲频率(f)为30-150赫兹(Hz)。所述方波伏安法(SWV)的方波阶升电位差(ΔEp)为20-150毫伏特(mV)。所述方波伏安法(SWV)的阶梯电位电位差(ΔEs)为2-10毫伏特(mV)。所述方波伏安法(SWV)的酸碱值(pH)为4-7。本专利技术中所称的“扫引(sweeping)”，是指电化学仪器中定义参考电极电位为0，工作电极的电位低于参考电极则电位为负，工作电极电位高于参考电极则电位为正，当工作电极较欲侦测物质的平衡电位更负时会发生还原反应，欲侦测物质会沉积或吸附于工作电极表面。而当侦测进行时，若工作电极电位不断调高即称为正向扫引，反之工作电极电位不断调本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周珊珊，徐淑芳，林葆喜，赖玄金，翁荣洲，
申请(专利权)人：财团法人工业技术研究院，
类型：发明
国别省市：