一种离子传感器及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种离子传感器及其制备方法和应用，离子传感器包括工作电极和参比电极，所述工作电极为覆盖有离子选择膜的处理后的PCB电极，所述PCB电极上修饰有Au NBS和PEDOT：PSS。本发明专利技术的一些实例的离子传感器，直接使用PCB作为电极，在表面电沉积具有分支结构的纳米金材料，改善电极表面的电化学性能，从而采集稳定的电化学信号。通过修饰不同种类的固态离子选择膜，可构建具有较低价格、较宽检测范围、高灵敏、高检出限的多通道固态离子选择电极。选择电极。

【技术实现步骤摘要】
一种离子传感器及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于检测领域，具体涉及一种离子传感器及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]近年来，随着生活水平的提升，人们对于环境的要求逐渐提高，特别是对于水环境的重视。这是由于水中常见的多种元素会对环境与生物产生巨大影响，包括钾、钙、纳、镁、氯，硝酸根离子等。例如长时间使用碱金属过量的水源灌溉土地，会引起土地盐碱化。如果动物长期饮用钙、纳、镁离子超标的水源，会引起发育畸形，而依赖这种水源的生长的植物则会生长缓慢。对人体而言，更会带来一系列危害，如高钾会导致心率失常；过多的钠则会引致水肿、血压高；血钙增高容易出现钙的异位沉积，在肾脏沉积有可能引发泌尿系结石。除此之外，还会造成工业生产中管道的堵塞，产生直接的经济损失。针对以上这些离子，传统的检测方法包括色谱法、原子吸收光谱法、滴定法等。这些方法不仅耗时耗力，同时还需要专业人员操作，有的还需要价格高昂的仪器设备，最重要的是这些方法都很难满足快速现场检测需求，这些需求包括：检测成本低、操作简便智能，监测快速灵敏。
[0003]离子选择电极能够在溶液中实现相应离子的高灵敏、高选择性的快速检测。近年来快速发展的固态离子选择电极，以固体传导层体代替了传统液体接触式离子选择性电极中内充液及内参比电极，使得离子选择性电极具有便于制备和保养、易于小型化、便携性强、易生产等优势。特别是将固态离子选择电极与便携式无线检测设备相结合，实现了对离子的快速、高灵敏、实时的监测。虽然这些设备已经被广泛的应用，但是通常来讲这些电极的造价都较为高昂而且制备技术复杂，例如光刻工艺不仅设备昂贵而且制备过程复杂，成本高。因此，通过其他方式来改善电极表面，例如合成具有较大比表面积的纳米材料修饰电极表面，改变电极性能，使电信号更加稳定，提高检测灵敏度。
[0004]开发一种低成本、高灵敏度的离子传感器对于实现低成本、快速的离子含量检测，具有非常重要的意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的至少一个不足，提供一种离子传感器及其制备方法和应用。
[0006]本专利技术所采取的技术方案是：本专利技术的第一个方面，提供：一种离子传感器，包括工作电极和参比电极，所述工作电极为覆盖有离子选择膜的处理后的PCB电极，所述PCB电极上修饰有纳米金枝Au NBS和导电聚合物膜PEDOT：PSS。
[0007]在一些离子传感器的实例中，设有至少2组工作电极和参比电极，不同的工作电极上覆盖有针对不同离子的离子选择膜。
[0008]在一些离子传感器的实例中，所述离子选择膜选自Na
+
选择性膜、K
+
选择性膜、Ca
2+
选择性膜、Mg
2+
选择性膜、NO3‑
选择性膜和Cl
‑
选择性膜中的至少一种。
[0009]在一些离子传感器的实例中，所述参比电极为Ag/AgCl电极。
[0010]本专利技术的第二个方面，提供：本专利技术第一个方面所述离子传感器的制备方法，包括如下步骤：将PCB电极清洗干净，浸入HAuCl4和H2SO4的混合溶液中，在PCB电极表面电沉积Au NBS，清洗，得到中间电极A；将中间电极A浸泡于3,4
‑
乙烯二氧噻吩EDOT和聚苯乙烯磺酸钠NaPSS的混合液中，中间电极A为工作电极，电沉积导电聚合物膜PEDOT：PSS，得到中间电极B；在中间电极B上滴加离子选择膜溶液，干燥后在中间电极B表面形成离子选择膜，得到离子传感器。
[0011]在一些制备方法的实例中，电沉积Au NBS的电压为
‑
0.8 V ～ 0.2 V。
[0012]在一些制备方法的实例中，电沉积Au NBS的循环次数为30～50次。
[0013]在一些制备方法的实例中，HAuCl4的浓度为0.001～0.005 M。
[0014]在一些制备方法的实例中，H2SO4的浓度为0.2～0.8 M。
[0015]在一些制备方法的实例中，EDOT的浓度为0.01～0.05 M。
[0016]在一些制备方法的实例中，NaPSS的浓度为0.1～0.3 M。
[0017]在一些制备方法的实例中，中间电极A电沉积的时间为50～200 s。
[0018]在一些制备方法的实例中，中间电极A电沉积的电流密度为0.5～2.5 mA/cm2。
[0019]在一些制备方法的实例中，电沉积Au NBS的对电极为Pt电极、参比电极为甘汞电极。
[0020]在一些制备方法的实例中，中间电极A电沉积处理时，对电极为Pt电极、参比电极为Ag/AgCl电极。
[0021]在一些制备方法的实例中，所述的离子传感器的参比电极为Ag/AgCl电极，通过在PCB电极表面滴加Ag/AgCl浆，加热固定、干燥后滴加含有聚乙烯醇缩丁醛酯PVB或聚氯乙烯PVC的混合溶液，干燥后得到；所述混合溶液的混合比为：1～3 mL甲醇、50～90 mg PVB或PVC、30～70 mg NaCl或KCl、1～5 mg PEO
‑
PPO
‑
PEO(F127)和0.1～0.5 mg 碳管。
[0022]在一些制备方法的实例中，所述碳管的长度为20～500 nm。
[0023]本专利技术的第三个方面，提供：一种便携式离子检测仪，其包括本专利技术第一个方面所述的离子传感器，或按本专利技术第二个方面所述方法制备得到的离子传感器。
[0024]本专利技术的有益效果是：本专利技术的一些实例的离子传感器，直接使用PCB作为电极，在表面电沉积具有分支结构的纳米金材料，改善电极表面的电化学性能，从而采集稳定的电化学信号。
[0025]本专利技术的一些实例的离子传感器，同时修饰不同种类的固态离子选择膜，构建具有较低价格、较宽检测范围、高灵敏、高检出限的多通道固态离子选择电极。
[0026]本专利技术的一些实例的制备方法，工艺简单，可以制备得到稳定可靠的离子传感器。
[0027]本专利技术的一些实例的便携式离子检测仪，具有多通道信号采集、放大、过滤、传输的功能，可以实时接收信号和显示相应结果的APP，能够同时检测水中Na
+
，K
+
，Ca
2+
，Mg
2+
，NO3‑
，Cl
‑
等离子的低成本、高效、快速、高灵敏、高检出限的检测设备。
附图说明
[0028]图1是含有两个检测通道的离子检测的电路图；图2是PCB电极合成各步骤的SEM图，其中（A）Au NBS，（B）PEDOT：PSS，（C）离子膜；图3是Na
+
（A，B）、Ca
2+
（C，D）、NO3‑
（E，F）的固体离子选择性电极的电位响应图和标准曲线图。
[0029]图4是K
+
（A，B）、Mg
2+
（C，D）、Cl
‑
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种离子传感器，包括工作电极和参比电极，其特征在于：所述工作电极为覆盖有离子选择膜的处理后的印刷电路PCB电极，所述PCB电极上修饰有Au纳米枝 Au NBS和导电聚合物膜PEDOT：PSS。2.根据权利要求1所述的离子传感器，其特征在于：设有至少2组工作电极和参比电极，不同的工作电极上覆盖有针对不同离子的离子选择膜。3.根据权利要求1所述的离子传感器，其特征在于：所述离子选择膜选自Na
+
选择性膜、K
+
选择性膜、Ca
2+
选择性膜、Mg
2+
选择性膜、NO3‑
选择性膜和Cl
‑
选择性膜中的至少一种。4.根据权利要求1～3任一项所述的离子传感器，其特征在于：所述参比电极为Ag/AgCl电极。5.一种离子传感器的制备方法，所述离子传感器如权利要求1～4任一项所述，包括如下步骤：将PCB电极清洗干净，浸入HAuCl4和H2SO4的混合溶液中，在PCB电极表面电沉积Au NBS，清洗，得到中间电极A；将中间电极A浸泡于3,4
‑
乙烯二氧噻吩EDOT和聚苯乙烯磺酸钠NaPSS的混合液中，中间电极A为工作电极，电沉积PEDOT：PSS，得到中间电极B；在中间电极B上滴加离子选择膜溶液，干燥后在中间电极B表面形成离子选择膜，得到离子传感器。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：电沉积Au NBS的电压为
‑
0.8 V ～ 0.2 V；和/或电沉积Au NBS的循环次数为30～50次；和/或HAuCl4的浓度为0.001～0.005 M；和/或H2SO4的浓度为0.2～0.8 M；和/或EDOT的浓度为0.01～0.05 M；和/或NaPSS的浓度为0.1～0.3 M；和/或中间电极A电沉积的时间为50～200 s；和/或中间电极A电沉积的电流密度为0.5～2.5 mA/cm2。7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于：电沉积Au NBS的对电极为Pt电极、参比电极为甘汞电极；和/或中间电极A电沉积处理时，对电极为Pt电极、参比电极为Ag/AgCl电极。8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述离子传感器的参比电极为Ag/AgCl电极，通过在PCB电极表面滴加Ag/AgCl浆，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘英菊，敖日其冷，刘伟鹏，彭海华，梁弘志，
申请(专利权)人：华南农业大学，
类型：发明
国别省市：